Беларусь на пороге массового строительства энергоэффективных зданий

Для целей отопления и горячего водоснабжения зданий в Республике Беларусь затрачивается около 35% всей тепловой энергии, вырабатываемой в стране. Цифра затрат тепловой энергии для этих целей для стран северного пояса пла­неты достаточно устойчива и находится в диапазоне 35–40%. Это обстоятельство делает приоритетной задачу повышения энергетической эффективности зданий. В постсоветское время в Республике Беларусь были ужесточены требования к теплотехническим характеристикам ограждающих конструкций зданий. Существенно модернизировалось инженерное оборудование зданий. Практически все тепловые пункты зданий оборудованы компактными теплообменными аппаратами, прибора­ми учета и регулирования потребления тепловой энергии. Единственная система, которая не изменилась – это система вентиляции зданий. Сегодня пришло время осмыслить по-новому взаимодействие конструктивных и инженерных систем в современном здании, представив его как объединяющую энергетическую систему.

До настоящего времени одним из решающих факторов при выборе конструкции и инженерного оборудования проектируемого здания являлась стоимость проекти­рования и строительства. В то же время для конечного потребителя строительной продукции – владельца построенного здания и арендаторов помещений – не менее важным является стоимость затрат на его эксплуатацию. Поэтому при выборе строительного проекта целесообразно выбирать проект здания, минимизирующий сто­имость совокупного владения, которая включает в себя стоимость здания на всех этапах жизненного цикла: проектирования, строительства, эксплуатации и сноса.

Основные эксплуатационные расходы приходятся на стоимость тепловой энер­гии на отопление и горячее водоснабжение здания, а также электрической энер­гии, использованной для освещения и обеспечения бытовой техники, включая бы­товые кондиционеры.

Следует иметь в виду, что бытовая техника, осветительные приборы и кондици­онеры, как правило, выбираются и покупаются уже после сдачи здания в эксплуатацию. Поэтому часть затрат, связанных с потреблением электрической энергии, не может быть рассмотрена на стадии выбора проекта. В то же время стоимость си­стем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения здания входят в стоимость строительства и определяет основные затраты на стадии эксплуатации здания.

Энергоэффективное здание – развивающаяся энергетическая система с оптимальным для существующих технико-экономических условий уровнем потребления тепловой энергии и возможностью подключения энергоэффек­тивных модулей.

Это развивающееся с точки зрения уровня потребления тепловой энергии здание, энергетические характеристики которого изменяются по мере развития энергоэффективных технологий, оставаясь оптимальными по соотношению затрат с получаемой экономией энергии за все время жизненного цикла здания после его строительства. Таким образом, энергоэффективное здание обеспечит мини­мальную стоимость совокупного владения по сравнению с прочими вариантами.

В настоящее время известны следующие технические решения, обеспечиваю­щие снижение потребления тепловой энергии при эксплуатации зданий:

• снижение потерь теплоты через ограждающие конструкции здания путем ис­пользования архитектурных решений, минимизирующих площадь ограждающих конструкций при сохранении строительного объема здания;
• снижение потерь теплоты через непрозрачные ограждающие конструкции здания путем утепления;
• снижение потерь теплоты через оконные конструкции путем использования более энергоэффективных окон;
• снижение потерь теплоты с воздухообменом путем перехода к системам управляемой приточно-вытяжной вентиляции с механическим побуждением и рекуперацией тепла вентиляционных выбросов;
• снижение затрат тепловой энергии на горячее водоснабжение путем использования системы утилизации тепла сточных вод;
• снижение затрат тепловой энергии, получаемой сжиганием ископаемого топлива, на отопление и горячее водоснабжение путем использования гелиоводонагревателей;
• снижение затрат тепловой энергии, получаемой сжиганием ископаемого топли­ва, на отопление и горячее водоснабжение путем использования тепловых насосов;
• снижение потерь теплоты при доставке потребителю путем использования индивидуальных источников теплоты в каждом здании.

Совместное использование нескольких мероприятий, повышающих энергоэффективность зданий, обладает кумулятивным эффектом: совместное использование дает результат, превышающий сумму результатов, полученных от независимо­го использования каждого из них. Снижение потребления энергии на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение уменьшает одновременно потери энергии при ее транспортировке до здания, а также снижает требования к мощности ис­точника энергии. Наличие системы утилизации сточных вод при одновременном использовании солнечных коллекторов уменьшает их необходимое количество. Высокая степень утепления ограждающих конструкций и использование системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбро­сов повышает энергоэффективность зданий и одновременно – степень комфор­та проживания в нем. В энергоэффективных зданиях можно использовать более комфортные и экономичные системы отопления.

Наибольший эффект достигается при строительстве компактной группы зданий при необходимости дополнительного строительства нового источника тепла. При новом строительстве уменьшение потребности зданий в тепловой энергии позво­ляет уменьшить тепловую мощность источника теплоты, один киловатт установлен­ной мощности которого обходится около 800 долларов США, или снизить требо­вания к теплотрассе, которую необходимо прокладывать к строящимся зданиям.

Основные направления экономии энергии при эксплуатации зданий

В табл. 1 представлены значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий и распределение тепловых потерь в 9-этажном здании, по­строенном по современным стандартам Республики Беларусь, на рис. 1 – доле­вое распределение потерь теплоты из здания.

Таблица 1. Значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструк-ций зданий и распределение тепловых потерь в 9-этажном здании

Рис. 1. Долевое распределение потерь теплоты из здания через ограждающие кон-струкции и с воздухообменом

Из диаграммы (рис. 1) следует, что для стандартного здания, построенного по существующим нормативам в РБ, через непрозрачные ограждающие конструкции теряется 27% теплоты, через окна – 14,5%, а с воздухообменом уходит бо­лее 60% тепловой энергии.

Архитектор имеет непосредственное влияние на потребление тепловой энергии проектируемого здания, т.к. он формирует компактность здания, долю осте­кления фасада, объемно-планировочные решения.

Компактность характеризуется показателем, равным отношению площади ограждающих конструкций здания к его внутреннему объему: чем меньше значе­ние этого показателя, тем компактнее здание. К примеру, для одноэтажных зда­ний рекомендуемое значение показателя составляет 1,1 м-1, для 9-этажных зда­ний – 0,32 м-1.

Фактор компактности существенно влияет на энергопотребление здания и во многом зависит от оптимальности принятых архитектурных решений: ширины корпуса, наличия и количества выступов, углов и других выступающих элементов ограждений. Нерациональные архитектурные решения, приводящие к увеличению площади ограждающих конструкций и уменьшению компактности, мо­гут до 30% увеличить теплопотери через наружные ограждения зданий, что даст 8% общего уровня теплопотерь. В то же время для исключения перегрева здания в летний период целесообразно предусмотреть архитектурные решения, предот­вращающие попадание прямых солнечных лучей в помещения.

Доля остекленной площади фасада, помимо архитектурной выразительности и освещенности, определяет потери теплоты через окна.

Независимо от вида здания достижение требуемого уровня энергопотребления проще для зданий компактных, с оптимальным планировочным решением и остеклением фасада. Эти рекомендации справедливы для здания любой этажности.

Стандарты последних десятилетий основное внимание уделяли повышению сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и практически выбрали этот резерв повышения энергоэффективности зданий. Поэтому в настоящее вре­мя даже удвоение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций мо­жет привести к снижению уровня тепловых потерь здания не более чем на 14%.

Наиболее перспективный путь к снижению затрат тепловой энергии на отопление – уменьшение потерь теплоты с воздухообменом зданий, на который при­ходится более 60% теплопотерь. К этому следует добавить, что ограждающие конструкции современных зданий обладают малой воздухопроницаемостью, что приводит ко многим проблемам при эксплуатации современных зданий:

• низкое качество воздуха;
• холодные сквозняки при проветривании;
• высокая влажность;
• в сочетании с наличием мостиков холода в наружных ограждающих конструкциях – конденсация влаги на наружных ограждениях, что в отдельных случа­ях приводит к появлению плесени и отставанию от стен обоев.

Решения задач обеспечения нормативного уровня воздухообмена и устра­нения отмеченных негативных моментов, связанных с его недостаточностью, и уменьшения потерь теплоты возможно достичь переходом к принудитель­ной приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией теплоты вентиляцион­ных выбросов.

Современные теплообменные системы имеют эффективность работы более 90%.Поскольку сделать квартиры полностью воздухонепроницаемыми невозмож­но, остаточный свободный воздухообмен в квартирах составляет около 10–20%. С учетом вышеизложенного потери с воздухообменом в условиях Беларуси мож­но уменьшить более чем на 70%, или на 37 кВт•ч/м² в год. По опыту массового строительства энергоэффективных зданий с приточно-вытяжной вентиляцией и рекуперацией теплоты вентиляционных выбросов стоимость строительства таких зданий обходится в среднем на 7% дороже, чем стоимость строительства зданий с системой вентиляции с естественным побуждением.

Задача экономии энергии не может решаться «любой ценой», а должна быть экономически оправдана. При этом следует различать задачи, решаемые при выполнении экспериментальных проектов, когда важно определить направление развития энергосберегающих технологий, и при подготовке новых нормативных документов, определяющих развитие строительной отрасли на несколько лет. Во втором случае определяющим фактором при выборе энергосберегающих реше­ний является их экономическая целесообразность.

Энергоэффективное здание понимается как открытая энергетическая си­стема с оптимальным для существующих технико-экономических условий уровнем потребления тепловой энергии на отопление и горячее водоснаб­жение и интерфейсом для подключения энергоэффективных модулей.

Такое определение энергоэффективного здания открывает возможность их массового строительства, используя в каждом конкретном случае экономически оправданные технические решения.

В Советском Союзе основным критерием при выборе технических решений был срок окупаемости капитальных затрат, т. е. величина отношения:

Т = З0 / ΔЭ, (2)

где З0 – капитальные затраты;

ΔЭ – дополнительный годовой доход от внедрения

При этом нормативный срок окупаемости задавался в пределах 8–12 лет.

В настоящее время используют новые экономические подходы к определению экономической эффективности инновационных мероприятий, учитывающие предполагаемую доходность вложенных средств. Основным экономическим показателем эффективности вложенных инвестиций может служить полный дополнительный доход Э, который может быть получен за срок эксплуатации энергос­берегающих мероприятий с учетом наращивания под проценты промежуточных доходов от реализации мероприятия, т.е. наращенный доход.

Основным критерием эффективности энергосберегающих мероприятий яв­ляется срок окупаемости затрат. Для заданного срока окупаемости при извест­ных экономических условиях отношение стоимости энергии, сэкономленной за год эксплуатации, к затратам на выполнение энергосберегающего мероприятия должно быть равно:

,

где ΔЭ – дополнительный годовой доход от внедрения, руб;

З0 – капитальные затраты, руб.;

р × 100 – процентная ставка по кредиту в банке;

p1 – коэффициент ежегодного увеличения стоимости энергии;

α < 1 – коэффициент инфляции в стране.

На рис. 2 приведено значение зависимости отношения стоимости энергии, сэкономленной за год эксплуатации, к затратам на выполнение энергосберега­ющего мероприятия с учетом современной стоимости энергии и затрат на вы­полнение энергосберегающих мероприятий. В табл. 2 приведены значения сро­ка окупаемости мероприятий в зависимости от изменения стоимости энергии.

Нецелесообразно использование фотоэлектрических элементов, срок использования которых подойдет через 4–9 лет в зависимости от величины изменения стоимости энергии.

Таблица 2. Срок окупаемости в зависимости от изменения стоимости энергии

Из результатов, приведенных в табл. 2 и данных на графике рис. 2 можно сделать вывод, что в стране созданы технико-экономические условия для стро­ительства энергоэффективных зданий. Исходя из этого можно предположить, что в современном базовом варианте энергоэффективного здания, задав срок окупа­емости менее 10 лет, целесообразно использовать в энергоэффективных здани­ях следующие мероприятия:

• утилизация тепла сточных вод;
• утепление оболочки здания до 5 м²•°C/Вт;
• утилизация тепла вентиляционных выбросов;
• применение солнечных коллекторов для нагрева воды.

В диапазоне возможного изменения стоимости энергии срок окупаемости их использования не превышает 11 лет. В то же время следующей энергоэффектив­ной системой может стать система электроснабжения с использованием фотоэлектрических батарей. Ее время предположительно начнется с 2020 г., что дела­ет целесообразным обеспечение возможности подключения фотоэлектрических элементов в энергоэффективном здании.

Рис. 2. Зависимости отношения стоимости энергии, сэкономленной за год эксплуатации, к затратам на выполнение энергосберегающего мероприятия

Рассмотрим составляющие теплового баланса зданий (рис. 3).

Здесь представлены здания современной постройки (первый столбец) и энергоэффективные зда­ния трех поколений: соответствующие современным возможностям строительства (строящиеся в рамках программы энергоэффективного строительства в Республи­ке Беларусь), прогноз для энергоэффективных зданий 2015–2020 гг. и 2020–2030 гг. постройки.

Средние затраты тепла на отопление и затраты на отопление и го­рячее водоснабжение по прогнозу снизятся с 67 кВт•ч/м² в год до 12 кВт•ч/м² в год для энергоэффективных зданий 2020–2030 гг. строительства. Прогноз делал­ся на предположении, что с течением времени изменяются как составляющие те­плового баланса жилых зданий, так и экономически оправданные энергоэффек­тивные технические средства для снижения тепловых потерь.

Рис. 3. Составляющие теплового баланса энергоэффективных зданий в развитии

Энергоэффективные здания. Опыт эксплуатации

Первый не только в Беларуси, но в странах СНГ энергоэффективный 145-квартирный 9-этажный крупнопанельный жилой дом на базе типовой серии 111-90 был построен в 2007 г. в г. Минске по ул. Притыцкого, 107 (генпроектировщик – Государственное предприятие «Институт жилища – НИПТИС им. Атаева С. С.», застройщик – ОАО «МАПИД»).

Целью проекта ставилась отработка технических и проектных решений по снижению уровня затрат тепловой энергии на отопление жилого здания до 30 кВт•ч/м² в год без изменения существующих планировочных решений серии и без модернизации технологического оборудования на предприятиях. Для дости­жения планируемого уровня были предложены следующие технические решения:

• новый принцип вентиляции жилых помещений на основе квартирных систем принудительной приточно-вытяжной вентиляции с механическим побужде­нием и рекуперацией тепла вентиляционных выбросов с эффективностью воз­врата тепла более 85%;
• для заполнения светопрозрачных проемов использованы разработанные институтом на основе использования композитного профиля (деревопенополиуре­тан-дерево) и двухкамерного стеклопакета с двумя низкоэмиссионными стекла­ми и аргоновым заполнением окна нового поколения с сопротивлением тепло­передаче R = 1,2 м²•°C /Вт;
• неоднородное по контуру здания утепление оболочки, что позволило умень­шить разницу в потреблении тепловой энергии для квартир, расположенных в различных частях здания, включая торцы и верхние этажи;
• стеновые панели с увеличенным сопротивлением теплопередаче в среднем от значения 3,2 м²•°/Вт в середине фасада здания до 5,2 м²•°/Вт;
• в квартирах реализована система отопления с горизонтальной разводкой, автономная автоматизированная система регулирования режимов отопления и воздухообмена с автоматическим климат-контролем в каждой квартире и поквар­тирным учетом тепла;
• система автоматического контроля работы квартирных блоков управления, обеспечивающая регистрацию параметров микроклимата и мониторинг здания на стадии эксплуатации, а также устранение аварийных ситуаций в работе индивидуальных блоков.

В каждой из квартир экспериментального энергоэффективного здания установлены индивидуальные счетчики тепловой энергии, потребляемой на отопление.

На рис. 4а приведены фактические удельные расходы тепла на отопление квартир в здании по итогам первых двух отопительных сезонов 2007–2008 и 2008–2009 гг.

Средний уровень удельного теплоснабжения, рассчитанный по данным рис. 4а, равен 44 кВт•ч/м² в год. Эта цифра выше расчетного уровня, равного 30 кВт•ч/м² в год. Разница объясняется тем обстоятельством, что расчет теплопотерь выпол­нялся на температуру воздуха в жилых помещениях, равную 18°C, в то время как средняя температура в помещениях по данным наблюдения была равна 21°C. Раз­ность температур 3°C дает дополнительно 15% увеличение уровня теплопотерь, т.е. 4,5 кВт•ч/м² в год. К этому следует добавить, что заселение дома происходило медленно. Поэтому в теплоснабжении здания отсутствовали внутренние источники тепла. На рис. 4б представлены результаты анализа потребления тепла в течение отопительного сезона 2009–2010 гг.

Среднее значение удельного расхода тепла на отопление здесь равно 37 кВт•ч/м² в год. Из сравнения данных, приведенных на рис. 4а и 4б, можно сделать вывод, что в отопительном сезоне 2009–2010 гг. сред­нее удельное потребление тепла на отопление уменьшилось до расчетных значе­ний, с учетом более высокой, чем нормативная, температуры воздуха в помещени­ях и более низкой, чем обычно, средней температуры наружного воздуха.

Для определения удовлетворенности жильцов условиями проживания в энергоэффективном здании было проведено анкетирование. Результаты анкетирова­ния приведены на рис. 5.

В каждой квартире имеется автоматизированная система управления режимами возду­хообмена и температуры. Система верхнего уровня обеспечивает получение информации о всех параметрах каждой системы. На рис. 6 и 7 приведены обобщенные данные автоматического опроса работы квартирных систем. Из данных рис. 6 можно сделать вывод о том, что в настоящее время заселено и эксплуатируется в штатном режиме 81 квартира из 143. В 29 из них в момент съема информации системы отопления автоматически отключены, т.к. для поддержания комфортной температуры достаточно тепла внутренних источников.

Рис. 4. Фактические удельные расходы тепла на отопление квартир энергоэ-ффективного дома по результатам отопительных сезонов 2008–2009 гг. (а) и 2009–2010 гг. (б)

Рис. 5. Результаты анкетирования жильцов энергоэффективного дома

Рис. 6. Общая характеристика здания

На рис. 7 приведены гистограммы параметров температуры в квартире и уро- вня воздухообмена, задаваемые жильцами дома для ночного и дневного времени.

Рис. 7. Гистограмма параметров микроклимата, задаваемых жильцами дома

Вентиляторы имеют возможность 9-ступенчатого дискретного регулирования. Нормативный воздухообмен обеспечивает 2 или 3 ступень в зависимости от пло­щади квартиры. Из гистограмм на рис. 7 видно, что жильцы здания активно используют возможность индивидуального управления параметрами микроклимата.

На основе накопленного опыта в Республике Беларусь разработана и функционирует Комплексная программа по проектированию, строительству и реконструкции энергоэффективных жилых домов с поэтапным расширением энергоэф­фективного строительства в стране с выходом на 60% строительство энергоэф­фективных зданий в 2015 г. Одновременно принято решение об организации в стране выпуска комплектующих изделий для обеспечения необходимых объемов строительства энергоэффективных зданий.

В 2009–2010 гг. выполнены проекты и строительство зданий в областных цен­трах страны – в Гомеле, Гродно, Витебске. Проектирование выполнялось институ­тами «Гродногражданпроект», «Гомельгражданпроект» и «Витебскгражданпроект» при участии и научном сопровождении ГП «Институт жилища – НИПТИС им. Ата­ева С. С».

Заключение

Технология проектирования энергоэффективных зданий востребована в на стоящее время и в странах СНГ. С участием ГП «Институт жилища – НИПТИС им. Атаева С. С.» к настоящему времени выполнено проектирование и начато строительство энергоэффективных зданий в городах Белгород (Россия) и Караганда (Казахстан).

Дальнейшее развитие практики строительства энергоэффективного жилья требует соответствующего нормативного правового обеспечения. Разработаны новые и внесены изменения в действующие нормативные технические акты, регламентирующие вопросы проектирования и строительства энергоэффектив­ных жилых зданий, их тепловой изоляции, энергопотребления жилых и обще­ственных зданий.

В частности, увеличены нормативные требования к сопротивлению тепло­передаче ограждающих конструкций зданий, подготовлен переход к исполь­зованию окон нового поколения путем введения новых нормативных требо­ваний с 2012 г., предусматривается введение в действие энергетического па­спорта здания.

Разработаны и утверждены технические кодексы установившейся практики ТКП 45-3.02-113-2009 (02250) «Тепловая изоляция наружных ограждающих кон­струкций зданий и сооружений. Строительные нормы проектирования», ТКП 45- 2.04-195-2010 (02250) «Тепловая защита зданий. Теплоэнергетические характери­стики. Правила определения». Госстандартом утвержден СТБ 2070-2010 «Окна и балконные двери из комбинированного материала с двухкамерным стеклопаке­том. Технические условия». Приняты рекомендации «Порядок выдачи технических свидетельств на применение в строительстве систем тепловой изоляции зданий», рекомендации Р1.04.050.08 по проектированию и строительству энергоэффектив­ных жилых домов с учетом конструктивных особенностей и их территориально­го размещения. Внесены изменения в СНБ 4.02.01-03 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» в части применения принудительной системы вен­тиляции с рекуперацией тепла.

Выполненный комплекс исследований обеспечивает возможность массового строительства энергоэффективных зданий в нашей стране.