Энергоэффективные здания в Беларуси
В сборнике тезисов конференции «Энергоэффективное строительство в Республике Беларусь», состоявшейся 25 февраля 2010 года в Минске, представлен и материал под названием «Опыт проектирования, строительства и эксплуатации энергоэффективных зданий в Республике Беларусь». Его автор – Леонид Данилевский, заместитель директора ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С.С.», кандидат физико-математических наук. Далее – адаптированный к газете вариант указанного материала.
В Западной Европе в настоящее время развивается направление строительства пассивных зданий. Задаваемый уровень теплоснабжения таких зданий составляет не более 15 киловатт-часов на метр квадратный полезной площади в год. Строительство зданий с указанным уровнем теплоснабжения продвигается и на восток, в страны СНГ. Встает вопрос о целесообразности и экономической оправданности строительства пассивных зданий в климатических и урбанистских условиях стран СНГ. Возможной альтернативой в этих условиях может стать строительство энергоэффективных зданий.
Пассивный дом: определения и основные принципы строительства
Пассивный дом – это здание, уровень тепловых потерь которого настолько низок, что позволяет исключить отдельную систему отопления путем ее объединения с системой вентиляции здания. При этом уровень потребления тепловой энергии на отопление должен быть не более 15 киловатт-часов на метр квадратный в год.
Рассмотрим историю появления этого целевого показателя. Его обоснование следует из графика, представленного на рисунке 1. На этом графике отображен условный уровень затрат в зависимости от потребления тепловой энергии на цели отопления.
Для конкретных условий города Дармштадт, Германия, то есть климатических условий и уровня воздухообмена (1 1/ч для жилой площади), было рассчитано, что для воздуха в качестве теплоносителя с температурой 50 градусов принятая кратность воздухообмена обеспечивает отопление здания на уровне 15 киловатт-часов на метр квадратный в год. Этот порог принят сегодня для определения пассивного дома.
Рисунок 1. Пассивный дом – экономика
Рассмотрим условия возможности использования воздушного отопления в квартирах многоэтажных зданий для климатических условий Минска. В качестве условия возможности использования воздушного отопления запишем формулу 1:
qот=V0?c(Тт–Твн)/(Sх3600),
где qот – максимальная удельная мощность системы отопления в отопительном сезоне, Вт/м2; V0 – нормативное значение воздухообмена, м3/час; ? – плотность воздуха, кг/м3; c – теплоемкость воздуха, Дж/(кг град); Тт и Твн – максимальная температура воздуха, подаваемого из системы воздушного отопления в квартиру, и нормативная температура воздуха в квартире, °С; S – площадь квартиры, м2.
В таблице приведены исходные данные для расчета по формуле 1 и результаты расчетов пороговых значений удельного потребления тепловой энергии на отопление для пассивного дома в конкретных условиях Беларуси в случае многоэтажных зданий. В таблице: qср – средняя за отопительный сезон мощность системы отопления, Вт; Q – среднее удельное потребление тепла для отопления, кВт ч/м2 в год; Tмин = –25°С – температура холодной пятидневки для Минска; Tср = –0,9°С – средняя за отопительный сезон температура в Минске.
Представленные в таблице данные показывают, что выбранное в качестве характеристики пассивного дома значение удельного потребления энергии, равное 15 киловатт-часов на метр квадратный в год, носит случайный характер и не может быть обобщающей характеристикой пассивного дома. Из таблицы следует, что под определение «пассивный многоэтажный дом» для условий строительства Беларуси подходит здание с уровнем тепловых потерь менее 40 киловатт-часов на метр квадратный в год.
К какому же уровню потерь тепла в зданиях следует стремиться и является ли необходимым переход к воздушному отоплению?
Настройка и балансировка воздушного отопления достаточно сложна, так как в каждую жилую квартиру воздух необходимо подавать не пропорционально ее площади, а в соответствии с уровнем тепловых потерь. Тепловые же потери помещения существенно зависят от его положения в здании. При использовании воздушного отопления возникают сложности при управлении тепловым режимом помещений. Эти сложности обусловлены возможным противоречием между воздухообменом для дыхания и воздухообменом для компенсации тепловых потерь.
На наш взгляд, более целесообразным является использование водяной системы отопления стандартного типа с отопительными приборами или система напольного отопления. Причем целесообразность использования системы напольного отопления возрастает по мере увеличения энергоэффективности зданий.
Рисунок 2. Зависимость тепловых потерь зданий и инвестиций в энергосбережение от сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций
Энергоэффективные здания
Следует отметить также, что график на рисунке 1 не совсем точен. На рисунке 2 представлен график, который более точно отражает изменение инвестиций при постепенном снижении потребления тепла зданиями для отопления. Плавное снижение уровня теплопотребления здания достигается увеличением сопротивления теплопередаче его ограждающих конструкций. На определенном этапе – на графике это соответствует R = 4,0 м2х°С/Вт – с целью снижения уровня тепловых потерь переходят от системы со свободным воздухообменом к принудительной приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов. На настоящий момент уровень теплоснабжения современных зданий на 50 процентов определяется тепловыми потерями при воздухообмене. Переход к использованию системы механической приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов позволяет скачкообразное снижение потребления тепловой энергии в здании на 40-45 киловатт-часов на метр квадратный в год. В этом случае скачкообразно увеличиваются и инвестиции в энергосбережение, поскольку в квартирах появляется новая инженерная система.
Влияние изменения теплозащиты зданий на уровень теплоснабжения не зависит от наличия или отсутствия системы утилизации тепла вентиляционных выбросов. При определении целесообразного уровня тепловых потерь следует исходить из оптимального уровня теплозащиты здания, то есть экономически целесообразного сопротивления теплопередаче его ограждающих конструкций.
В зависимости от стоимости тепловой энергии и теплоизоляционных материалов можно рассчитать оптимальную для сложившихся условий величину сопротивления теплопередаче. В качестве критерия оптимальности можно принять сумму чистой прибыли, полученной при эксплуатации системы теплоизоляции в течение срока ее службы за счет экономии тепловой энергии. Рассчитанное в соответствии с этим критерием оптимальное сопротивление теплопередаче при использовании пенополистирола для срока службы теплоизоляции в 25 лет находится в настоящее время на уровне примерно 5,0 м2х°С/Вт.
Энергоэффективность предполагает различные нормативы теплопотерь в зависимости от компактности здания. Можно назвать энергоэффективным здание с сопротивлением теплопередаче ограждающих конструкций, которое ниже экономически целесообразного или равно ему для периода строительства при использовании системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха. Это дает критерий для уровня тепловых потерь энергоэффективного здания с малой компактностью (отношение суммарной площади наружных ограждающих конструкций здания к заключенному в них отапливаемому объему составляет 0,7-1,2), который равен 40-90 киловатт-часов на метр квадратный в год, и критерий для уровня тепловых потерь компактного энергоэффективного здания (<0,7), который равен 7-40 киловатт-часов на метр квадратный в год.
С 2009 года в Беларуси действует комплексная программа СМ РБ строительства энергоэффективных зданий. К настоящему времени построено и находится в эксплуатации третий отопительный сезон энергоэффективное крупнопанельное здание серии 111-90 МАПИД по улице Притыцкого, 107 в Минске. Расчетная величина годового удельного потребления тепла на отопление для этого здания равно 30 киловатт-часов на метр квадратный в год. По итогам двух отопительных сезонов обработка показаний счетчиков тепла в квартирах здания дало удельный расход энергии на отопление, равный 44 киловатт-часа на метр квадратный в год. Отклонение фактических и расчетных значений удельного потребления тепла объясняется тем, что здание все это время было слабо заселено, и мощность внутренних источников тепла в среднем по зданию была ниже расчетного значения. К тому же средняя температура в квартирах в отопительном периоде составляла 21 градус, что на 15 процентов повышает расход тепла относительно расчетного значения. Построены энергоэффективные здания также в Гродно и Витебске. Для всех трех зданий характерны следующие особенности:
– неравномерное утепление оболочки здания;
– использование окон нового поколения с сопротивлением теплопередаче более 1,0 м2х°С/Вт;
– индивидуальные системы механической управляемой вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов.
Выполнены проекты энергоэффективных зданий в Гомеле и еще одного энергоэффективного здания в Витебске. Отличие этих зданий от названных выше – в наличии еще одной инженерной системы. В этих зданиях, с целью снижения затрат энергии на приготовление горячей воды, используется система утилизации тепла сточных вод.
Проектирование указанных зданий выполняли институты Гомельгражданпроект, Гродногражданпроект и Витебскгражданпроект при участии и научном сопровождении института НИПТИС.
Подготовил Дмитрий ЖУКОВ
В Западной Европе в настоящее время развивается направление строительства пассивных зданий. Задаваемый уровень теплоснабжения таких зданий составляет не более 15 киловатт-часов на метр квадратный полезной площади в год. Строительство зданий с указанным уровнем теплоснабжения продвигается и на восток, в страны СНГ. Встает вопрос о целесообразности и экономической оправданности строительства пассивных зданий в климатических и урбанистских условиях стран СНГ. Возможной альтернативой в этих условиях может стать строительство энергоэффективных зданий.
Пассивный дом: определения и основные принципы строительства
Пассивный дом – это здание, уровень тепловых потерь которого настолько низок, что позволяет исключить отдельную систему отопления путем ее объединения с системой вентиляции здания. При этом уровень потребления тепловой энергии на отопление должен быть не более 15 киловатт-часов на метр квадратный в год.
Рассмотрим историю появления этого целевого показателя. Его обоснование следует из графика, представленного на рисунке 1. На этом графике отображен условный уровень затрат в зависимости от потребления тепловой энергии на цели отопления.
Для конкретных условий города Дармштадт, Германия, то есть климатических условий и уровня воздухообмена (1 1/ч для жилой площади), было рассчитано, что для воздуха в качестве теплоносителя с температурой 50 градусов принятая кратность воздухообмена обеспечивает отопление здания на уровне 15 киловатт-часов на метр квадратный в год. Этот порог принят сегодня для определения пассивного дома.
Рассмотрим условия возможности использования воздушного отопления в квартирах многоэтажных зданий для климатических условий Минска. В качестве условия возможности использования воздушного отопления запишем формулу 1:
qот=V0?c(Тт–Твн)/(Sх3600),
где qот – максимальная удельная мощность системы отопления в отопительном сезоне, Вт/м2; V0 – нормативное значение воздухообмена, м3/час; ? – плотность воздуха, кг/м3; c – теплоемкость воздуха, Дж/(кг град); Тт и Твн – максимальная температура воздуха, подаваемого из системы воздушного отопления в квартиру, и нормативная температура воздуха в квартире, °С; S – площадь квартиры, м2.
В таблице приведены исходные данные для расчета по формуле 1 и результаты расчетов пороговых значений удельного потребления тепловой энергии на отопление для пассивного дома в конкретных условиях Беларуси в случае многоэтажных зданий. В таблице: qср – средняя за отопительный сезон мощность системы отопления, Вт; Q – среднее удельное потребление тепла для отопления, кВт ч/м2 в год; Tмин = –25°С – температура холодной пятидневки для Минска; Tср = –0,9°С – средняя за отопительный сезон температура в Минске.
Представленные в таблице данные показывают, что выбранное в качестве характеристики пассивного дома значение удельного потребления энергии, равное 15 киловатт-часов на метр квадратный в год, носит случайный характер и не может быть обобщающей характеристикой пассивного дома. Из таблицы следует, что под определение «пассивный многоэтажный дом» для условий строительства Беларуси подходит здание с уровнем тепловых потерь менее 40 киловатт-часов на метр квадратный в год.
К какому же уровню потерь тепла в зданиях следует стремиться и является ли необходимым переход к воздушному отоплению?
Настройка и балансировка воздушного отопления достаточно сложна, так как в каждую жилую квартиру воздух необходимо подавать не пропорционально ее площади, а в соответствии с уровнем тепловых потерь. Тепловые же потери помещения существенно зависят от его положения в здании. При использовании воздушного отопления возникают сложности при управлении тепловым режимом помещений. Эти сложности обусловлены возможным противоречием между воздухообменом для дыхания и воздухообменом для компенсации тепловых потерь.
На наш взгляд, более целесообразным является использование водяной системы отопления стандартного типа с отопительными приборами или система напольного отопления. Причем целесообразность использования системы напольного отопления возрастает по мере увеличения энергоэффективности зданий.
Энергоэффективные здания
Следует отметить также, что график на рисунке 1 не совсем точен. На рисунке 2 представлен график, который более точно отражает изменение инвестиций при постепенном снижении потребления тепла зданиями для отопления. Плавное снижение уровня теплопотребления здания достигается увеличением сопротивления теплопередаче его ограждающих конструкций. На определенном этапе – на графике это соответствует R = 4,0 м2х°С/Вт – с целью снижения уровня тепловых потерь переходят от системы со свободным воздухообменом к принудительной приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов. На настоящий момент уровень теплоснабжения современных зданий на 50 процентов определяется тепловыми потерями при воздухообмене. Переход к использованию системы механической приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов позволяет скачкообразное снижение потребления тепловой энергии в здании на 40-45 киловатт-часов на метр квадратный в год. В этом случае скачкообразно увеличиваются и инвестиции в энергосбережение, поскольку в квартирах появляется новая инженерная система.
Влияние изменения теплозащиты зданий на уровень теплоснабжения не зависит от наличия или отсутствия системы утилизации тепла вентиляционных выбросов. При определении целесообразного уровня тепловых потерь следует исходить из оптимального уровня теплозащиты здания, то есть экономически целесообразного сопротивления теплопередаче его ограждающих конструкций.
Энергоэффективность предполагает различные нормативы теплопотерь в зависимости от компактности здания. Можно назвать энергоэффективным здание с сопротивлением теплопередаче ограждающих конструкций, которое ниже экономически целесообразного или равно ему для периода строительства при использовании системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха. Это дает критерий для уровня тепловых потерь энергоэффективного здания с малой компактностью (отношение суммарной площади наружных ограждающих конструкций здания к заключенному в них отапливаемому объему составляет 0,7-1,2), который равен 40-90 киловатт-часов на метр квадратный в год, и критерий для уровня тепловых потерь компактного энергоэффективного здания (<0,7), который равен 7-40 киловатт-часов на метр квадратный в год.
С 2009 года в Беларуси действует комплексная программа СМ РБ строительства энергоэффективных зданий. К настоящему времени построено и находится в эксплуатации третий отопительный сезон энергоэффективное крупнопанельное здание серии 111-90 МАПИД по улице Притыцкого, 107 в Минске. Расчетная величина годового удельного потребления тепла на отопление для этого здания равно 30 киловатт-часов на метр квадратный в год. По итогам двух отопительных сезонов обработка показаний счетчиков тепла в квартирах здания дало удельный расход энергии на отопление, равный 44 киловатт-часа на метр квадратный в год. Отклонение фактических и расчетных значений удельного потребления тепла объясняется тем, что здание все это время было слабо заселено, и мощность внутренних источников тепла в среднем по зданию была ниже расчетного значения. К тому же средняя температура в квартирах в отопительном периоде составляла 21 градус, что на 15 процентов повышает расход тепла относительно расчетного значения. Построены энергоэффективные здания также в Гродно и Витебске. Для всех трех зданий характерны следующие особенности:
– неравномерное утепление оболочки здания;
– использование окон нового поколения с сопротивлением теплопередаче более 1,0 м2х°С/Вт;
– индивидуальные системы механической управляемой вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов.
Выполнены проекты энергоэффективных зданий в Гомеле и еще одного энергоэффективного здания в Витебске. Отличие этих зданий от названных выше – в наличии еще одной инженерной системы. В этих зданиях, с целью снижения затрат энергии на приготовление горячей воды, используется система утилизации тепла сточных вод.
Проектирование указанных зданий выполняли институты Гомельгражданпроект, Гродногражданпроект и Витебскгражданпроект при участии и научном сопровождении института НИПТИС.
Подготовил Дмитрий ЖУКОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 08 за 2010 год в рубрике мат. и тех.
