Содержание страницы
«Энергоэффективные здания» как новое направление востребовано в связи с тем, что современные здания обладают огромными резервами повышения их тепловой эффективности. По оценкам экспертов потенциал экономии электроэнергии в зданиях и сооружениях равен 30—40%, а тепловой энергии — около 50% (табл. 1).
Таблица 1. Типовая структура расхода тепловой энергии зданием и потенциал энергосбережения
| Расход тепловой энергии, % | Потенциал, % | |
| Наружные стены | 30 | 50 |
| Окна | 35 | 50 |
| Вентиляция | 15 | 50 |
| Горячая вода | 10 | 30 |
| Крыша, пол | 8 | 50 |
Энергоэффективные дома имеют свою специфику:
- под зданием находится несколько десятков вертикальных и горизонтальных зондов (труб) из полимеров, по которым циркулирует жидкость, отдающая или принимающая тепло;
- специальные конструкции «технологических отверстий» — окон, дверей;
- стекла в окнах должны впускать в дом максимум солнечной энергии;
- специальный теплоизолирующий стройматериал внешних и прочих стен;
- максимальное количество проемов (отверстий) в доме запроектировано на солнечную (южную) сторону: окна, двери, балконы и пр.;
- максимальная площадь наружных стен и крыши отводится под солнечные батареи, стены и крыша имеют возможность изменять уклон.
Таблица 2. Сравнение традиционного и энергоэффективного дома
| Традиционный дом | Энергоэффективный дом |
| Утепление только пола и потолка с теплосопротивлением ограждающих конструкций R=1 | Теплоизоляция ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, окна) в 2–3 раза больше, с усредненным теплосопротивлением R>3 |
| Стены дома сложены из однородного материала без утеплителя | Стены многослойные с эффективным утеплителем |
| Окна с двойным остеклением в деревянных рамах с большим количеством щелей и неплотностей | Стеклопакеты с двойным или тройным остеклением с дополнительными мерами по уменьшению потерь тепла |
| Вентиляция дома происходит через окна, форточки, щели в конструкциях и прямым воздухообменом через материал стен | Ограждающие конструкции непроницаемы для влаги и воздуха и используется механическая вентиляция |
| Отопление дома и горячее водоснабжение обеспечивается неэффективными нагревателями или централизованно с КПД менее 60% без автоматической регулировки | Отопление дома производится эффективными нагревателями (КПД более 90%) с автоматической регулировкой и программированием режима отопления |
| В оборудовании дома не используются режимы и техника сбережения воды | В доме используется режим и техника водосбережения |
| Не утепленный фундамент | Утепленный фундамент |
| Устаревшая бытовая техника с большим потреблением энергии (кухонные плиты, стиральные машины, утюги и др.) | Современная энергоэффективная бытовая техника |
| Минимум электронных приборов (телевизор, магнитофон, компьютер и др.) | Насыщенность дома электронными приборами, работающими на сэкономленной энергии |
| В освещении дома используются обычные лампы накаливания | В освещении используются компактные лампы нанотехнологий, требующие в 4 раза меньше электрической энергии |
| В доме не предусмотрены меры по поддержанию внутреннего климата (температуры, влажности, состава воздуха) | В доме автоматически поддерживается климат в соответствии с санитарно-гигиеническими нормами |
| В эксплуатации дома не принимается спецмер по сбережению энергии | Эксплуатация дома ведется на основе энергосберегающих правил |
| В доме не используется солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии | Дом спланирован и оборудован так, чтобы максимально использовать солнечную энергию и другие альтернативные источники |
В табл. 3 приведены теплоэнергетические характеристики малоэтажных зданий различной степени энергоэффективности на примере Германии.
Таблица 3. Расход тепловой энергии по типам зданий в Германии
| Индивидуальный жилой дом 140 м² общей площади | Годовой расход тепла, (кВт·ч) ⁄ (м²·год) | Удельный расход тепла, (Вт·ч) ⁄ (м²·Cº ·сутки) | Расход жидкого топлива, л ⁄ год |
| Старое строение | 300 | 136 | 4200 |
| Типовой дом 70-х гг. | 200 | 91 | 2800 |
| Типовой дом 80-х гг. | 150 | 68 | 2100 |
| Дом низкого энергопотребления 90-х гг. | 79–40 | 14–32 | 420–980 |
| Дом ультранизкого энергопотребления | 39–16 | 14–7 | 210–420 |
| Пассивный дом | менее 15 | менее 7 | менее 200 |
| Дом нулевого или плюсового энергопотребления | 0 | 0 | 0 |
В Германии среднегодовой стандарт энергопотребления для пассивных домов в 2005 году был установлен для кубометра жилья —40 кВт·ч/м3, в Швеции в 2008 году он составляет 45 кВт·ч/м2 в южной климатической зоне и 55 кВт·ч/м2 в северной зоне. В России потребление тепла обычными домами в 2—3 раза больше энергии, чем в Европе (табл. 4).
Таблица 4. Расход тепловой энергии по типам зданий в России
| Индивидуальный жилой дом 140 м² общей площади | Годовой расход тепла, (кВт·ч) ⁄ (м3·год) | Удельный расход тепла, (Вт·ч) ⁄ (м²·Cº ·сутки) |
| Дома старой постройки (до середины 90-х гг.) | 600 | 225 |
| Постройки в соответствии с новым СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» | 350 | 73 |
| Дом низкого энергопотребления | 150–60 | 30–25 |
Сравнение показателей энергопотребления на отопление в Германии приведен на рис. 1. Согласно последнему постановлению по тепловой защите EnEV 2009 в Германии удельный расход тепловой энергии на отопление новых зданий (и подлежащих санации) должен составлять от 30 до 70 кВт·ч/(м2 год).
Перечень нормативных и правовых документов по теплоснабжению зданий приведен в приложении 4.
Рис. 1. Сравнение показателей энергопотребления на отопление в Германии
1. Пассивный дом
Пассивный, или энергоэффективный дом (нем. Passivhaus , англ. passive house) — это сооружение, основной особенностью которого является малое энергопотребление — около 10% от удельной энергии на единицу объема, потребляемой большинством современных зданий. Отопление пассивного дома должно происходить благодаря теплу, выделяемому живущими в нем людьми, бытовыми приборами и альтернативными источниками энергии. Горячее водоснабжение осуществляется за счет установок возобновляемой энергии, например, тепловых насосов или солнечных коллекторов.
Основные требования для пассивного дома в Европе приведены в табл. 5.
Таблица 5. Требования для пассивных домов в странах Европы
| Параметр | Южная, Центральная, Западная и Восточная Европа, Средиземноморье теплый климат | Страны Европы севернее 60° с. ш. |
| Удельный расход тепловой энергии на отопление, кВт·ч/(м2·год) | 15 | до 20—30 в зависимости от месторасположения здания |
| Общее потребление первичной энергии, кВт·ч/(м2·год) | 120 | до 120—140 в зависимости от месторасположения здания |
Основные принципы пассивного здания:
- хорошая теплоизоляция всех частей здания;
- конструирование «без тепловых мостиков» на стыках элементов, металлических частях, углах здания и др.;
- герметизация здания, благодаря которой оно становится «термосом, не выпускающим воздух»;
- использование стеклопакетов с низким показателем теплопередачи («теплых стеклопакетов»);
- искусственная вентиляция с рекуператорами-теплообменниками.
1.1 Теплосбережение
Существуют следующие источники потери тепла:
- с теплой водой, уходящей в канализацию (стирка, мойка посуды, купание);
- через несущие (стены, пол, потолок) и ограждающие (окна, двери) конструкции;
- с воздухом: необходим кислородный обмен (приток «свежего воздуха», отток «использованного дыханием») и гигиеническая вентиляция (кухня и др.).
Все элементы внешней поверхности пассивного дома должны быть хорошо теплоизолированы (рис. 2). Особенно тщательно должны быть спланированы и теплоизолированы угловые швы, стыковые и переходные соединения, а также пересечения:
- коэффициенты теплопередачи U для наружных стен, кровли и полов первого этажа должны составлять менее 0,15 Вт/мК (или R0 ≥ 6,7 (м2·°C)/Вт, где R0 = 1/ U);
- стыковые и переходные соединения без утечки тепла: правильный расчет либо абсолютно герметичное выполнение.
Рис. 2. Теплоизоляция пассивного дома
1.2 Конструирование без «тепловых мостиков» или «мостиков холода»
Если теплопотери от «тепловых мостиков» меньше чем предельное значение линейного коэффициента теплопередачи, установленное 0,01 Вт/м2·К, то такая конструкция удовлетворяет критериям энергосбережения. Имеются подробные каталоги с решениями узлов для конструирования «без мостиков холода или тепловых мостиков» .
На рис. 3 показан пример соединения фундамента и наружной стены здания.
Рис. 3. Пример соединения фундамента и наружной стены здания без «теплового мостика» или «мостика холода»
1.3 Воздухонепроницаемость
Через недостаточно герметичные строительные конструкции теплый, влажный воздух может выходить изнутри наружу и осаждаться в виде конденсата на холодных участках конструкций.
Воздухопроницаемость показывает количество воздуха в м³, которое проходит через 1 м² наружной стены в течение 1 часа, в случае, если разница давлений воздуха равна 50 Па. Для пассивного дома этот параметр должен составлять ≤ 0,6/час (n50 ≤ 0,6/час).
Воздухопроницаемость различных материалов приведена в табл. 6. Материалы, напечатанные жирным шрифтом, могут применяться для создания воздухонепроницаемой поверхности.
Таблица 6. Воздухопроницаемость различных материалов1
| Материал | Воздухопроницаемость м3 / (м²ч) при 50 Па | Примечание |
| Известково-цементная штукатурка | 0,002–0,05 | Достаточно воздухонепроницаемо |
| Кирпич или KS камень | 0,001–0,05 | Неоштукатуренная стена пропускает воздух |
| Пористый бетон, пемзобетон | 0,06–0,35 | Неоштукатуренная стена пропускает воздух |
| Гипсокартон | 0,002–0,03 | Сложно делать стыки |
| Клееная фанера | 0,004–0,02 | Необходимо тщательно заделывать стыки |
| Древесно-стружечные плиты, MDF | 0,05–0,22 | Не подходит |
| Твердые древесноволокнистые плиты | 0,001–0,003 | Необходимо тщательно заделывать стыки |
| Мягкие древесноволокнистые плиты | 2–3,5 | Не подходит |
| Пленка PE0,1 мм | 0,0015 | Воздухонепроницаема |
| Битумный картон | 0,008–0,02 | Воздухонепроницаем |
| Строительный картон / строительная бумага | 0,01–3 | Только износостойкий картон |
| Минеральная шерсть | 13–150 | Не подходит |
1 Zeller, J.; Dorschky, S.; Borsch-Laaks, R.; Feist, W.: Luftdichtigkeit von Gebäuden — Luftdichtigkeitsmessungen mit der Blower Door in Niedrigenergiehäusern und anderen Gebäuden, Institut für Wohnen und Umwelt, Darmstadt 1995.
1.4 Вентиляция с рекуперацией тепла
В рекуператоре отработанный домашний воздух нагревает поступивший свежий и выбрасывается на улицу. Нагретый свежий воздух, поступающий в дом, имеет в результате температуру около 17 °C. Зимой входящий воздух, если это необходимо, дополнительно подогревается, но на это расходуется мало энергии. Для пассивных домов степень рекуперации должна быть не ниже 75%.
Рис. 4. Вентиляция с рекуперацией тепла
1.5 Теплые окна и наружные двери
Для пассивных домов к окнам предъявляются следующие требования:
- коэффициенты теплопередачи для остекления Uост ≤ 0,7 Вт/мК (или R0 ≥1,4 (м2·°C)/Вт);
- коэффициенты теплопередачи для оконного профиля — Uпроф ≤ 0,8 Вт/мК (или R0 ≥ 1,25 (м2·°C)/Вт);
- приведенный коэффициент теплопередачи окна с учетом монтажа в стену Uокн ≤ 0,85 Вт/мК (или R0 ≥ 1,2 (м2·°C)/Вт).
Для достижения подобных требований необходмо использовать специальные «теплые окна» или «окно стандарта пассивного дома». В таком стеклопакете две камеры с заполнением инертным газом и два низкоэмиссионных покрытия (low-e), коэффициент теплопередачи U составляет от 0,5 до 0,8 Вт/м2°C. Как видно на табл. 7, даже при морозе температура на внутренней поверхности окна не опускается ниже 17 °С.
Таблица 7. Характеристики различных типов окон
| Параметр | 1 стекло | 2 стекла | 2 стекла с низкоэмис. покрыт. и инерт. газ | 3 стекла с низкоэмис. покрыт. и инерт. газ |
| Коэффициент теплопередачи (U), Вт/м2 K | 5,50 | 2,80 | 1,20 | 0,65 |
| Температура на внутренней поверхности, °С* | -1,80 | 9,10 | 15,30 | 17,50 |
| Коэффициент общего пропускания солнечной энергии | 0,92 | 0,80 | 0,62 | 0,48 |
| Схема |  |
 |
 |
 |
*Примечание. Данные температуры на внутренней поверхности рассчитаны в таблице для наружной температуры –10°C и внутренней +20°C.
Традиционными материалами для изготовления оконных переплетов являются древесина, сталь и алюминий. Среди полимерных материалов для применения в конструкциях оконных и дверных блоков наиболее приемлемы стеклонаполненные термореактивные материалы на основе полиэфирных смол — полиэфирные пластики (табл. 8).
Таблица 8. Сравнительные физико-механические и теплофизические свойства
| Физикомеханические характеристики | Стеклопластик | Стекло | ПВХ | Сталь | Алюминий | Древесина (сосна) |
| Плотность, т/м3 | 1,6–2, | 2,2 | 1,4 | 7,8 | 2,7 | 0,46–0,53 |
| Разрушающее напряжение при сжатии (растяжении), мН/м2 (мПа) | 410–1180 | 35 | 41–48 | 410–480 | 80–430 | 40–80 |
| Разрушающее напряжение при изгибе, мН/м2 (мПа) | 690–1240 | 25–50 | 80 | 400 | 275 | 80 |
| Модуль упругости при растяжении, гПа | 21–41 | 50–85 | 2,8 | 210 | 70 | 11 |
| Модуль упругости при изгибе, гПа | 27–41 | 50–85 | 2,8 | 210 | 70 | 10 |
| Коэффициент линейного расширения, х10 0С | 5–14 | 3,2–11 | 57–75 | 11–14 | 22–23 | 5,4–34 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/м·°С | 0,3–0,35 | 0,45 | 0,15–0,35 | 46 | 140–190 | 0,04–0,1 |
В дополнение к основным рассмотренным принципам пассивного дома следует также отнести
- использование современной энергоэффективной бытовой техники;
- расположение и направление здания (южное направление основного фасада, отсутствие затененных участков);
- компактность формы сооружения.
Стандарты строительства пассивного дома требуют определенного коэффициента компактности, который показывает, как выбранная объемно-пространственная структура дома влияет на его теплопотери.
kedes=Aesum/Vh,
где Aesum — это сумма площадей ограждающих конструкций дома (наружных стен, площадей над жилыми помещениями и под ними), по которым проходит граница тепло/холод;
Vh — это строительный объем (кубатура) теплых помещений, который заключен в ограждающих конструкциях дома.
Значения коэффициента компактности в зависимости от типа дома приведены в табл. 9.
Таблица 9. Значения коэффициента компактности
| Тип дома | Коэффициент компактности |
| Отдельно стоящий маленький коттедж | От 0,92 и больше |
| Отдельно стоящий средний коттедж | 0,75–1,08 |
| Отдельно стоящий большой коттедж | 0,65–0,95 |
| Сблокированные коттеджи (2 этажа), террасный дом | 0,52–0,82 |
| Средний дом среди сблокированных (2 этажа) | 0,45–0,70 |
| Жилой дом 3–4 этажа | 0,38–0,62 |
| Жилые дома, в зависимости от сложности, до 14 этажей | 0,18–0,38 |
| Жилые дома, в зависимости от сложности, от 20 этажей | 0,12–0,28 |
Любые выступающие архитектурные конструкции, например балконы, террасы, навесы, мансарды и т. п., необходимо, по возможности, избегать, т. к. они увеличивают ограждающую поверхность здания.
2. Возобновляемые источники энергии для индивидуальных домов и небольших поселений
2.1 Автономные системы электроснабжения
Для индивидуальных жилых домов и небольших поселков автономные системы электроснабжения рекомендуется применять: при отсутствии централизованного электроснабжения; в качестве резервной системы электроснабжения.
Устройство автономной системы электроснабжения дома или поселка требует разработки проекта, в котором указывается: расчетная нагрузка, кВт; тип, мощность и место размещения автономного источника электроэнергии; уровень шума; способ и место хранения топлива и др.
2.2 Возобновляемые источники энергии
Для климатических условий России в качестве автономных источников с целью производства электроэнергии для индивидуальных потребителей и ограниченного коллективного использования можно рекомендовать: ветроэнергетические установки (ВЭУ), солнечные фотоэлектрические электростанции (ФЭС).
Ветроэнергетические установки
ВЭУ следует применять в местности, где среднегодовая или среднесезонная скорость ветра не меньше 4 м/с.
Существуют два основных типа турбин ВЭУ: с вертикальной осью вращения и с горизонтальной (рис. 5). Турбины с вертикальной осью работают при низких скоростях ветра, но имеют низкую эффективность. Поэтому вертикальносные турбины встречаются довольно редко и используются, как правило, в домашних системах.
Для ветроагрегата с горизонтальной осью среднегодовая выработка электроэнергии зависит от диаметра ветроколеса и среднегодовой скорости ветра. В табл. 10 приведена зависимость выхода энергии от среднегодовой скорости ветра и диаметра пропеллера.
Таблица 10. Зависимость выхода энергии от среднегодовой скорости ветра и диаметра пропеллера
| Среднегодовая скорость ветра, м/сек | Диаметр пропеллера, м | ||||
| 1 | 1,5 | 3 | 7 | 18 | |
| 4 | 0,15 | 0,33 | 1,3 | 7 | 40 |
| 4,5 | 0,20 | 0,45 | 1,8 | 10 | 60 |
| 5 | 0,24 | 0,54 | 2,2 | 13 | 90 |
| Мощность, кВт | 0,20 | 0,50 | 1,5 | 10 | 100 |
Рис. 5. Ветроэнергетические установки: а) с горизонтальной осью; б) с вертикальной
Солнечные фотоэлектрические электростанции
ФЭС можно рекомендовать для автономного электроснабжения в регионах, расположенных южнее 50° с. ш., или для сезонного режима работы. Для средней полосы России на 1 м2 поверхности южной ориентации (наклоном 45°) в течение года в среднем приходит 1000 кВт·ч солнечной энергии, причем 65—75% поступает в весенне-летнее время.
КПД лучших образцов кремниевых фотопреобразователей (солнечных элементов, СЭ) достигает 20%, серийно выпускаемых — 12—18%. Подобные серийные модули позволяют с 1 м2 120 кВт·ч электроэнергии в год, а за период с апреля по август в среднем по 0,55 кВт·ч в сутки.
Рис. 6. Примеры фотоэлектрических установок
Выпускаемые фотоэлектрические установки имеют широкий диапазон мощностей и размеров: от портативных установок удаленных коммуникаций мощностью в несколько ватт до многомегаваттных фотоэлектростанций (табл. 11).
Таблица 11. Область использования фотоэлектрических установок
| Мощность, Вт | Область использования |
| 0,2–2 | Переносные приборы для измерения технологических параметров, зарядные устройства для химических источников тока, калькуляторы, портативные радиоприемники |
| 2–4 | Отпугиватели грызунов, системы автоматики неэлектрифицированных механизмов, зарядные устройства, электроизгороди переносные, портативная связь |
| 4–10 | Электроизгороди стационарные, электропитание переносных инструментов |
| 10–20 | Вентиляторы, электроизгороди стационарные (более 7 га), электропитание средств связи |
| 20–30 | Электроочистители воды, электроцентрифуги, водоподъемники, электроинструменты |
| 250–500 | Стригальные агрегаты, установки вычесывания пуха у коз, кондиционеры, водоподъемные установки |
| 500–5000 | Стоянки чабанских бригад, стригальные пункты, хранилища, сушилки |
| Более 5000 | Сельские дома, хутора, садоводческие и фермерские хозяйства |
Системы гелионагрева
Системы гелионагрева широко используют для горячего водоснабжения и обогрева, теплоснабжения низкотемпературных производственных и бытовых процессов, сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения воды. Потребность в низкопотенциальной тепловой энергии составляет около 30—45% от общего энергопотребления в сельском хозяйстве.
Применяют два основных типа гелиосистем — пассивные и активные — или их комбинацию.
Пассивная система гелионагрева обеспечивает естественную передачу теплоты, полученной в результате преобразования солнечной энергии. В пассивных системах нагрев осуществляется в основном за счет «парникового эффекта» и усиленной теплоизоляции со стороны холодных ветров.
Активная система гелионагрева (рис. 7) включает специальное оборудование для сбора, хранения и распределения энергии солнечной радиации.
Рис. 7. Схема одноконтурной солнечной водонагревательной установки
В средней полосе России солнечные водонагревательные установки могут эффективно использоваться в бытовых целях в течение 6 месяцев в году (апрель—сентябрь). Здесь солнечная установка, имеющая 2—3 м2 солнечных коллекторов, обеспечит ежедневный нагрев 100 л воды до температуры 45 °С и выше с вероятностью 70—80%.
Энергетическое использование биомассы
Получение энергии из биомассы (древесных и сельскохозяйственных отходов, соломы, навоза, органической части твердых бытовых отходов) является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей во многих странах мира. Существуют различные технологии: прямое сжигание, газификация, пиролиз, анаэробное разложение биомассы.
Прямое сжигание. Прямое сжигание древесины широко используется на бытовом уровне. Технологии энергетического использования древесных отходов постоянно совершенствуются.
Газификация. Наиболее оптимальный способ использования биомассы — ее газификация с последующим срабатыванием в газовых турбинах. Газификация древесных отходов обеспечивает получение топливного газа, основу которого составляет СО, Н2 и N2 и который может быть использован в качестве газообразного топлива в котельных, газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания. Минимальная теплотворная способность газа — 1100 ккал/м3. На базе газогенераторов разработаны и производятся установки тепловой мощностью 24, 48, 80 и 160 кВт, обеспечивающие нагрев и подачу воздуха для отопления.
Пиролиз. Наряду с прямым сжиганием и газификацией пиролиз является эффективным методом термохимической переработки биомассы, промышленных и бытовых отходов и одновременно одной из наименее развитых технологий энергетического использования биомассы. Пиролиз представляет собой процесс термического разложения органических соединений без доступа кислорода и происходит при относительно низких температурах (500—800 °С) по сравнению с процессами газификации (800—1300 °С) и горения (900—2000 °С).
Анаэробное сбраживание. При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются в отсутствие кислорода. При нормальной работе реактора получаемый биогаз содержит 60—70% метана, 30—40% двуокиси углерода, небольшое количество сероводорода, а также примеси водорода, аммиака и окислов азота. Получаемый при брожении биогаз имеет теплоту сгорания 5340— 6230 ккал/м3 (6,21—7,24 кВт·ч/м3).