Можно ли достичь нулевого потребления энергии при модернизации многоэтажных зданий?

Новая Директива ЕС по энергетическим характеристикам зданий (EPBD) определяет, что все здания Евросоюза, подлежащие реконструкции до 1 января 2019 года и все вновь строящиеся дома до 1 января 2021 года, должны достичь почти нулевого потребления энергии (отвечать стандарту nZEB). Требования касаются как зданий, которые модернизируются, так и их отдельных частей. Государство должно принимать активное участие для достижения целей Директивы EPBD и обеспечивать софинансирование для обеспечения модернизации зданий. Для того чтобы добиться таких изменений, нужно выполнить ряд мер, которые необходимы и способствуют этой цели. Также требуются новые нормы и руководства по строительству и реконструкции зданий. Шведское энергетическое агентство разработало стратегию реализации обновленной Директивы, которая была представлена 18 октября 2010 года в Министерстве энергетики и связи. В данной стратегии, предложены базовые варианты модернизации для продвижения зданий с почти нулевым потреблением энергии при проведении капитальных ремонтов. Здания классифицированы в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1. Предлагаемые уровни максимально принимаемого энергетического исполнения в зданиях или требования nZEB (кВтч/м2/год)

Климатическое зонирование Швеции

Электрически отапливаемые здания - это здания, в которых установленная электрическая мощность на отопление больше 10 Вт/м². Установленная мощность - это электрическая мощность, потребляемая электрическими отопительными приборами, которые обеспечивают тепловой комфорт зданий, питьевое, горячее водоснабжение и вентиляцию, в то время как максимальная установленная электрическая мощность требуется для здания во время прохождения максимума зимних температур.

Одновременно, основная организация страны по нормированию (National Board of Housing, Building и Planning), готовит новые нормативы, которые будут применяться для зданий, подлежащих реконструкции. Эти нормативы в настоящее время обсуждаются и нуждаются в доработке.

Энергоэффективные здания. Обновление концепции

Обновление концепции энергоэффективного здания приведёт к большим изменениям в технологиях строительства и архитектуры. Чтобы подготовить эффективную концепцию нормативной базы по повышению энергоэффективности зданий, в сочетании с эффективными методами отопления, необходим объёмный анализ основных типов существующих многоэтажных жилых зданий. На основе результатов этого анализа, были разработаны все виды необходимых нормативных документов для типовых зданий.

Большинство многоэтажных зданий, построенные в годы строительного бума, между концом 2-й мировой войны и началом первого нефтяного кризиса, требуют глубокой модернизации. Следующие мероприятия по полной реконструкции таких

зданий могут быть запланированы только через 40 лет. Для требуемой модернизации зданий, вместо мероприятий по отдельным инженерным системам,

нужны комплексные решения, позволяющие получить уровень почти нулевого потребления - nZEB.

Если новая концепция реконструкции зданий позволит достичь состояния nZEB для многоэтажных зданий к 2020 году, то потенциал сбережения энергии по Швеции в среднем составит 10 – 20 ТВтч ежегодно.

Многоэтажные жилые здания в Швеции

Примерно половина населения Швеции живет в многоэтажных зданиях. Это приблизительно 2,4 миллиона квартир с общей площадью в 180 млн. м2.

В 2009 году многоэтажный жилой сектор потреблял примерно 26 ТВтч (тераваттчас) для нужд отопления и горячего водоснабжения. Централизованное отопление (ЦТ) обеспечивает более 84% отапливаемых площадей. Отопление и горячее водоснабжение, осуществляемое ЦТ, составляет 91%, электроэнергия - 5%, остаток менее 4% обеспечивается нефтью и природным газом, а также биотопливом.

Примерно половина многоэтажных зданий Швеции построены в промежутке между 1950 и 1975 гг. Большинство из них уже сегодня или вскоре потребуют реконструкции. Многоэтажные здания могут различаться по размеру, форме, материалам и технологиям строительства. Наиболее общими типами зданий являются малоэтажные, многоэтажные и крупнопанельные жилые

Малоэтажные здания являлись доминирующим типом зданий, построенных до и позже 1930-х годов. Они часто имели 3 – 4 этажа и строились как длинные, отдельностоящие здания. Каждое здание имело несколько подъездов, чаще всего без лифтов. В 1960-е – 1970-е годы многоэтажные жилые здания стали доминирующим типом, как часть общегородской застройки – «программа для миллиона домов». Многоэтажные жилые здания имеют удлиненную форму, обычно высотой в 8-9 этажей, построенные по прямоугольному плану и обязательно с лифтом. Крупнопанельные здания имеют

свободную планировку с лестничной клеткой, размещенной в центре здания. Крупнопанельные здания начали проектировать с 1930-х годов высотой 4 – 5 этажей. С 1950-х годов их этажность увеличилась до 8 – 10 этажей.

Анализ вариантов повышения энергоэффективности зданий

Анализ проводился для определения энергоэффективных мероприятий, которые необходимы в комбинациях с различными системами отопления для соблюдения новых требований по теплопотреблению после реконструкции. Анализ проводился для различных типов зданий вместе с различными пакетами мероприятий по энергоэффективности (ЭЭ) и для различных типов отопительных систем.Энергетическое исполнение каждой комбинации рассчитывалось и сравнивалось с предлагаемыми типами зданий стандарта nZEB.

Исследовались 4 типа зданий: малоэтажные, многоэтажные, крупнопанельные жилые здания и здания коттеджного типа насчитывающие 6-8 квартир. Данные типы зданий построены в Швеции в 3 различных климатических зонах, возраст зданий делится на 3 группы. Таким образом, рассматриваются 36 возможных комбинаций. U – коэффициенты (коэффициенты теплопроводности) изменяются в зависимости от возраста здания и его географического размещения. Оцениваемые требования к теплоснабжению этих типов зданий сравниваются с национальными статистическими данными.

Для исследования были проверены следующие мероприятия по повышению энергоэффективности:

• мероприятия по эффективному использованию электроэнергии в здании;

• мероприятия по эффективному горячему водоснабжению;

• тепловая изоляция крыш;

• замена окон;

• утепление фасадов;

• установка рекуператоров в системах вентиляции.

Мероприятия исследованы для 12 различных проектов и по результатам анализа подобраны оптимальные отопительные технологии модернизации. Исследованы 4 различные системы отопления. Они включают собственно ЦТ, ЦТ с воздушным тепловым насосом, геотермальный тепловой насос и тепловой насос – «воздух-вода».

Варианты модернизации различны для разных вариантов отопления. Для воздушного теплового насоса, была выбрана установленная мощность не менее, чем 10 Вт/м2, что соответствует вариантам для норм 105, 90 и 75 кВтч/м2 в соответствующих климатических зонах (то есть, те же, что и для централизованного теплоснабжения - ЦТ). Для геотермального теплового насоса и теплового насоса «воздух-вода» варианты соответствовали нормам 70, 55 и 40, 75 кВтч/м2 для соответствующих климатических зон.

Мероприятия по использованию электроэнергии для энергосервиса в здании, включают пакет эффективных улучшений по освещению, электроэнергии для бытовой техники и так далее. Мероприятия по обеспечению эффективного горячего водоснабжения включают пакет по улучшению энергоэффективности с установкой тепловых насосов и/или солнечных коллекторов.

Тепловые насосы становятся основным решением для систем отопления зданий

Результаты показывают, что теплонасосные технологии очень важны для модернизации многоэтажных зданий. Многоэтажные, малоэтажные, крупнопанельные жилые здания и здания коттеджного типа - везде теплонасосные технологии дают одни и те же хорошие результаты. Тип здания почти не имеет значения при выборе комбинации отопительной системы и строительных решений для достижения стандарта nZEB при реконструкции.

Возраст здания также незначительно влияет на выбор решений. А вот климатическая зона в основном определяет тип отопительной системы для выполнения требований стандарта nZEB.

Тепловые насосы становятся все более актуальными для географического расположения здания - чем севернее, тем более актуальней становятся тепловые насосы.

Для зданий, построенных во время 1950 – 1975 годы, все мероприятия должны сводиться к эффективному использованию электроэнергии в здании, к мероприятиям по обеспечению эффективного горячего водоснабжения, к тепловой изоляции крыш, замене окон, реконструкции фасадов и установке рекуператоров. Для зданий, построенных после 1976 года, требования nZEB могут быть достигнуты при реконструкции без ремонта фасада. Геотермальные тепловые насосы в сочетании с рекуператорами наиболее применимы в климатической зоне I, этих мероприятий достаточно для соблюдения требований nZEB, во время основных ремонтных работ. Исключением могут быть жилые здания малой этажности, построенные в 1950 – 1960 годы, которые также требуют мероприятий по эффективному использованию электроэнергии в здании и мероприятий по обеспечению эффективного горячего водоснабжения.

В климатической зоне II, можно применять геотермальные тепловые насосы, как базу теплоснабжения зданий, построенных после 1976 года. Для более старых зданий, геотермальные тепловые насосы должны применяться совместно с рекуператорами. В климатической зоне III рекуператоры в системах вентиляции также должны внедряться вместе с геотермальными тепловыми насосами.

Жилые здания малой этажности и крупнопанельные здания, построенные в период 1950 –1960 годов, требуют мероприятий по обеспечению эффективного горячего водоснабжения и тепловой изоляции крыш. Тепловые насосы «воздух – вода» в климатической зоне I также должны внедряться вместе с рекуператорами в системах вентиляции.

В климатической зоне II тепловые насосы «воздух – вода» должны быть объединены с установкой рекуперации тепла, мероприятиями по обеспечению эффективного горячего водоснабжения и тепловой изоляцией крыш. Жилые здания малой этажности, построенные в 1950 - 1960 годы, требуют полной замены окон. В климатической зоне III производится установка тепловых насосов «воздух– вода» и систем рекуперации тепла в комбинации с мероприятиями по эффективному использованию электроэнергии, есть нужда и в мероприятиях по обеспечению эффективного горячего водоснабжения, изоляции крыш и замены окон. Жилые здания малой этажности нуждаются также в реконструкции фасадов.

В таблице 2 приводятся мероприятия, требуемые для соблюдению норм nZEB во время термомодернизации жилых зданий малой этажности, крупнопанельных и многоэтажных зданий.

Таблица 2. Возможные пакеты мероприятий для зданий следующих типов: малоэтажные, многоэтажные и крупнопанельные жилые здания, (x - всегда требуется, (х) - требуется в зависимости от возраста или типа здания)

Воздушные тепловые насосы более экономичны и надёжны

Применение воздушных тепловых насосов относят к относительно простым мероприятиям, которые стали базовыми при термомодернизации зданий. При установке теплового насоса мощностью менее 10 Вт/м2 и использовании ЦТ как пикового источника, требования норм nZEB могут реализовываться для всех зданий с удельным потреблением 105, 90 и 75 кВтч/м2 в соответствующих климатических зонах.

Установка воздушных тепловых насосов рассматривается как единое мероприятие при переходе на нормы nZEB для всех рассматриваемых многоквартирных зданий: зданий малой этажности, многоэтажных зданий, крупнопанельных зданий и зданий коттеджного типа. Альтернативой этой технологии будет пакет мероприятий с геотермальными тепловыми насосами.

Проблемы малоэтажных многоквартирных зданий при их термомодернизации до норм nZEB

Для малоэтажных зданий труднее выполнить требования nZEB при термомодернизации. Технологии тепловых насосов или установка солнечных панелей должны отвечать стандартам, принятым в этом анализе за основу. Предлагаемый пакет мероприятий, а именно, мероприятия по эффективному использованию электроэнергии, мероприятия по эффективному горячему водоснабжению, утеплению крыш, замене окон, реконструкции фасадов и установке рекуператоров, в комбинации с системой централизованного теплоснабжения, еще недостаточны для соблюдения требований nZEB.

Существующее ЦТ должно использоваться совместно с источниками возобновляемой энергии, такими как гелиоколлекторы, дополнительно к указанному пакету мероприятий. Альтернативой ЦТ является установка современных воздушных тепловых насосов, как пиковых

Малоэтажные многоквартирные здания, построенные после 1976 года, могут удовлетворять требованиям nZEB после реконструкции при использовании воздушных тепловых насосов для отопления и эффективного горячего водоснабжения. Тепловые насосы «воздух – вода» требуют дополнительного пакета мероприятий, включая мероприятия экономии электроэнергии, экономии горячей воды, утепления крыш, замены окон, реконструкции фасадов и установки рекуператоров.

При использовании геотермального теплового насоса и указанного выше пакета мероприятий, требования nZEB реализуемы для климатических зон I и II.

В климатической зоне III, дополнительно требуется установка рекуператоров в системе вентиляции.

В таблице 3 приведены пакеты мероприятий, которые требуется внедрить для соблюдения требований nZEB при реконструкции малоэтажных многоквартирных зданий.

Таблица 3. Возможные пакеты мероприятий для зданий коттеджного типа: (x - всегда требуется, (х) - требуется в зависимости от возраста или типа здания)

Энергоэффективность. Эксплуатационные расходы могут стать решающим

Количественная оценка энергосберегающих мероприятий приведена в этой статье для их пакетирования при реконструкции всех типов многоквартирных зданий. В исследовании рассмотрены здания различных типов и выбраны пакеты энергосберегающих мероприятий, которые позволяют достичь заданных результатов.

В этой статье описаны только технически реализуемые пакеты энергосберегающих мероприятий. Для получения полной информации по принятии решений, должен быть проведен экономический анализ и учтены эксплуатационные затраты для каждого пакета мероприятий. Одна из возможных альтернатив, которая не обсуждалась в этой статье, это интеграция тепловых насосов и солнечных панелей в единую систему. Электроэнергия, произведенная солнечными панелями, будет использоваться на месте в зданиях, отвечающих требованиям nZEB.