Потребление энергии в домах может быть снижено в 5-10 раз!

Дома давно находятся в фокусе размышлений о защите окружающей среды. Отсюда поступает 40% всех выбросов парниковых газов. И именно здесь задается тон, если речь идет об экономичных и даже доходных мерах по сокращению эмиссий. Дом и происходящие в нем процессы отвечают за 12% расхода воды, а обеспечение дома питьевой водой опять-таки довольно энергоемко. Следовательно, если повысить эффективность использования воды и понизить ее потребление, то при этом будет сделано кое-что и для снижениия потребления энергии.

Частные дома

В 1995 году, в книге «Фактор четыре» были представлены самые энергоэффективные на тот момент дома, в которых благодаря измененной архитектуре и новей­шим технологиям было достигнуто четырехкратное повышение энер­гоэффективности. Тогда это было действительно смело. Но 12 лет спус­тя, в 2007 г., МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) пришла к выводу, что возможно достижение даже пятикратных улучшений («фактор пять»!). Однако это потребовало единого подхода.

До сих пор, жалуется МГЭИК в своем Четвертом от­чете о состоянии дел, «стратегии повышения энергоэффективности ограничиваются в домостроении чаще всего маленькими шажками в отношении отдельных компонентов. Если же, напротив, рассматри­вать дом как единую систему, то это может привести к совершенно другим проектам. Такой системный подход требует объединения уси­лий всех участников процесса проектирования и конструирования...».

Усовершенствования с учетом «фактора пять» для домов позволят добиться значительного снижения выброса парниковых газов, так как жилые дома дают 27,5% мирового расхода электроэнергии, примерно 4,3 млн ГВт (2006 г.). Сюда входят отопление и кондиционеры, горя­чая вода, бытовые и прочие электроприборы, а также внутреннее осве­щение, причем соответствующее потребление варьируется от страны к стране, как показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Потребление энергии в домах (от а до в) в США (2005 г.), ЕС (2004 г.) и Китае (2000 г.). Источники: а) EIA (2006)⁶; б) МЭА (2003)⁷ и П. Вайде, Б. Лебо и П. Харрингтон (2004)⁸; в) Цу, Н. (2007)

В свете указанного и с учетом предложенного МГЭИК системного подхода в этой главе обсуждаются следующие пять важнейших направлений:

1. отопление и охлаждение помещения
2. горячая вода
3. бы­товые приборы
4. освещение
5. холодильники и морозильники.

Проблема снижения энергопотребления на этих участках все чаще оказывается в центре внимания, с тех пор как все большее число государств требуют для защиты климата повышения энергоэффективности в частных домашних хозяйствах.

Так, Великобритания в 2008 г. решила в рамках своей программы снижения выбросов парниковых газов на 80%, чтобы жилые дома, построенные после 2016 г., были климатически нейтральными. Это реше­ние пробудило большой дополнительный интерес к разработкам, кото­рые уже сегодня отвечают таким стандартам, как, например, «нулевое энергетическое развитие в Бедцингтоне» (BedZED). Джордж Монби- от в своей книге «Жара» («Heat») пишет: «...для BedZED требуется все­го 10% энергии, которая нужна обычным домам такого же размера для отопления».

Но почему мы должны жить энергоэффективно, если есть возоб­новляемые источники энергии? Потому что только тогда можно осу­ществить в короткое время без дополнительных расходов переход от нефти и газа к возобновляемым источникам энергии, если сначала потребление энергии будет уменьшено по возможности на 60—80%.

Примеры во всем мире, которые мы приводим, наглядно показывают, что в частных домах возможна значительная экономия энергии, для этого не обязательна футуристическая архитектура, и все может выглядеть совершенно «нормально» — как доказывает рис. 2.2. Прежде чем перейти к деталям, мы кратко представим концепцию пассивного дома, разработанную д-ром Вольфгангом Файстом в Германии.

Рис. 2.2. Суперэффективные дома в Патерсоне, США (а), и в Шанхае (6). Источники: (а) BASF, (б) Шанхайский исследовательский институт строительства

Пассивный дом

Пассивный дом — один из самых важных вкладов в защиту климата во всем ми­ре. Он в принципе обходится без активного отопления и охлаждения. Для при­знания дома пассивным имеются три критерия.

1. Годовая потребность в энергии для отопления и охлаждения должна быть ниже 15 кВт-ч/м².
2. Оболочка дома должна быть герметичной настолько, чтобы при разрежении в 50 Па в дом за час поступал объем воздуха, составляющий 0,6 общего объема дома. При наличии щелей в дверях и окнах эта величина недостижима.
3. Общий расход энергии в доме (включая электроэнергию и горячую воду) не может превышать 120 кВгч/м² в год.

Цель достигается благодаря комбинации различных мер, включая использова­ние тепла от солнечного излучения (пассивная солнечная энергия), безупреч­ной изоляции (в том числе в области окон), применению при вентиляции регенерируемого тепла и эффективных отопительных систем. Для ограничения общего расхода энергии нужны также очень эффективное освещение и бытовые прибо­ры. Рисунок, выполненный в Институте пассивного дома (ИПД) в Дармштадте, иллюстрирует ключевые моменты.

Рис. 2.4. Потребность в энергии пассивного дома — менее 15 кВт-ч/м² в год — в сравнении с более старыми домами и обычными новостройками.

Источник: Вольфганг Файст (ИПД)

Пассивный дом является образцом концепции пятикратного повышения энергоэффективности. Высокоэффективный дом может предложить, согласно данным Инсти­тута пассивного дома, пятикратное улучшение отопления дома по сравнению с действующим в настоящее время немецким стандар­том — и даже десятикратное в сравнении со средним состоянием немецкого здания, и при этом обеспечивать очень высокий уровень комфорта.

В рамках проекта CEPHEUS (Cost Efficient Passive Houses as European Standards — экономичные пассивные дома как европейский стандарт) пять европейских государств строят около 250 единиц жилья по стандарту пассивного дома и оценивают их с научной точки зрения. Первые результаты измерения подтверждают, что квартиры требуют на 70-90% меньше энергии на отопление. Ниже перечислены самые важ­ные шаги к повышению эффективности в пассивных домах.

• Пассивное использование солнечной энергии: дома имеют минималь­ную наружную поверхность, и самые большие окна выходят на юг (для домов в северных широтах).
• Суперизоляция: хорошая теплоизоляция предотвращает утечку тепла через стены, крышу и пол. Она достигается с помощью различных изолирующих материалов и специальных строительных деталей, что обеспечивает малый коэффициент теплопередачи — так назы­ваемый показатель U, который обычно составляет в Центральной Европе 0,10—0,15 Вт/(м²-К), а в Северной и Восточной Европе 0,05—0,1 Вт/(м²-К). Особое внимание уделяется тому, как по воз­можности полностью избежать тепловых утечек, включая уплотне­ние всех зазоров.
• Прогрессивная технология остекления окон (суперзастекление): сред­неевропейские пассивные дома оснащены тройными теплоизо­лирующими окнами с чрезвычайно низким значением U: от 0,7 до 0,85 Вт/(м^2-К). Оконные рамы обязательно имеют суперизоляцию. Примерно 50 мелких и средних предприятий в Австрии, Германии, Швейцарии, Чехии и Бельгии производят такие окна, которые даже в холодные зимы с малым количеством солнечных дней в Централь­ной Европе достигают положительного энергетического баланса.
• Регенерация тепла', активная вентиляция (противоточные теплоноси­тели «воздух — воздух») обеспечивает высокое качество воздуха и ис­пользует не менее 75% отработанного тепла для подогрева поступаю­щего свежего воздуха, причем поток отработанного тепла и поток свежего воздуха не смешиваются. Так как пассивный дом очень хоро­шо уплотнен, то обмен воздуха можно оптимизировать и точно уста­навливать на примерно 0,4 ч-¹ (воздухообмен в час). Воздух в помеще­нии нагревается с помощью маленького теплового насоса, который приводится в действие солнечной энергией, газом или маленькой масляной горелкой. Тепловой микронасос может применяться и при получении дополнительного тепла из отработанного воздуха, оно также передается поступающему воздуху или в водонагреватель.
• Эффективные системы для производства тепла: дополнительно к пас­сивной солнечной энергии пассивные дома используют тепло внут­ренних источников, например тепло, которое выделяют лампы, более крупные бытовые электрические приборы, а также люди и до­машние животные. Вместе с многочисленными мерами по сохра­нению тепла это делает лишним обычное отопление. Проект дома позволяет, однако, оборудовать систему отопления, если того же­лает обитатель дома.

В 1995 г. было мало домов- образцов, отвечающих стандарту пассивного дома. К 2008 г. существо­вало более 12 тыс. пассивных домов, их успех привел ко все возрастаю­щей поддержке высоких требований к домам со стороны политиков.

В 2006 г. тогдашний комиссар по энергетике ЕС Андрис Пибалгс за­явил: «Комиссия ЕС предложит меры, которые в долговременной пер­спективе позволят сделать все жилые дома домами практически без энергозатрат — так называемыми пассивными домами». Правитель­ство земли Форарльберг в Австрии тогда, в 2007 г., первым приступило к делу и постановило, что в будущем все новое социальное жилье дол­жно будет соответствовать стандарту пассивного дома.

С 1990 г., когда был построен первый пассивный дом в Дармштадт- Кранихштайне, его техника была применена в целом ряде новостро­ек — от старомодных кирпичных, панельных и вплоть до деревянных домов. Все они имеют высокий уровень теплоизоляции, теплоизолиру­ющие окна и системы регенерации тепла. Первые офисные здания по стандарту пассивного дома были построены в 1998 г., первые школы и фабрики — в 2001 г. За это время появились детские ясли и сады, су­пермаркеты и даже одна альпийская хижина.

Дом Смита в Урбане, штат Иллинойс, построенный в 2002 г., был первым зданием в США, который ИПД оценил как пассивный дом. Его владелица, архитектор Катрин Клингенберг, которая сама проек­тировала этот дом, описывает здание площадью 108 м² как «простой дом с односкатной крышей, имеющий на всех шести сторонах изоля­цию не менее R56» и поясняет: «Что удивило нас больше всего, так это то, что он стоил не больше, чем традиционный дом, во всяком слу­чае — меньше, чем первый немецкий пассивный дом». Четыре года спустя в Миннесоте первый биодом Вальдзее, построенный совместно Concordia Language Villages и Немецким федеральным фондом экологии, стал первым домом в США, официально сертифицированным ИПД как пассивный дом. Ему требуется только 11% той энергии, которую обычно поглощает дом, построенный по стандартам Миннесоты. Это десятикратное снижение энергопотребления!

Рис. 2.6. Дом на несколько семей до (слева) и после (справа) ремонта по стандартам пассивного дома. Источник: Вольфганг Файст (ИПД)

Архитектор биодома Стефан Таннер особое значение придавал изоляции и применял для этого новейшие технологии, например ваку­умные изолирующие панели и алюминиевую обшивку. Плоская крыша с озеленением удерживает тепло. Вся конструкция рассчитана на высо­коэффективное использование дневного света и солнечной энергии.

Технологии пассивного дома с недавнего времени применяются так­же и при ремонте старых домов, и даже здесь достигается экономия энер­гии от 75 до 90%. Старые здания, как правило, уже имеют систему рас­пределения тепла, и нет никаких оснований не использовать ее и дальше. Если после ремонта дом лучше изолирован, то система распределения тепла может работать при более низких температурах и использовать высокоэффективные отопительные котлы и тепловые насосы.

Системное рассмотрение возможности пятикратного снижения энергопотребления в жилых домах

Обогрев и охлаждение помещений

На обогрев и охлаждение помещений в мире уходит боль­шая часть энергии, которую потребляют жилые дома: 27% в Европей­ском союзе (ЕС-15) в 2004 г., 31% в Китае в 2000 г. и 40% в США в 2005 г. Эту долю можно снизить не менее чем на 30% благодаря раз­личным рентабельным опциям, например, путем пассивного исполь­зования солнечной энергии, благодаря улучшенной изоляции наруж­ных стен, окнам с двойным остеклением, уплотнению негерметичных мест (особенно на крыше и в дверях). Как поясняет Алан Пирс, «исследования типичного дома площадью 150 м² с хорошей изоляцией кры­ши дали потребность в обогреве 18,4 кВт. Окна с двойным остеклени­ем, изоляция стен R2, изоляция потолков R3, бетонные плиты пола с изоляцией по краю и кратность воздухообмена в помещении 0,5 в час сократили бы расход энергии на 5,7 кВ, что соответствует улучшению обогрева и охлаждения на 70%.

Этой цели можно достичь благодаря следующим мерам.

• Пассивное охлаждение: в регионах, где летом температура воздуха ночью опускается ниже 17 °С, помещения можно охладить силь­ным проветриванием по утрам.
• Датчики могут при заметной разнице температур дать сигнал к ав­томатическому открыванию окон (или щелей для проветрива­ния).
• Уплотнение негерметичных мест: чтобы удержать прохладный ут­ренний воздух в доме и исключить проникновение дневной жары (или холода), здание должно быть хорошо изолировано. Согласно данным МГЭИК, следует принять недорогие и рентабельные ме­ры, такие, как уплотнение цокольных плинтусов, санитарно-техни- ческого оборудования, окон и порогов дверей, изоляция чердака. Благодаря хорошо зарекомендовавшим себя технологиям можно было бы сэкономить на этом до 50% энергии на обогрев.

Рис. 2.7. Доли нагрузок на обогрев в традиционных и энергоэффективных домах. С любезного разрешения Алана Пирса

• Улучшение наружной изоляции: если здание хорошо изолировано изнутри, то следующим шагом является минимизация теплообме­на через крышу, стены и в целом через все здание, наряду с уже упомянутыми мерами, например, с помощью окон с двойным остеклением, наружных жалюзи и толстых портьер.
• Проверка и ремонт/замена кондиционера: трубопровод часто плохо изолирован от установок отопления и кондиционирования, и так как он бывает проложен в потолках и стенах, то добрая часть тепла или холода не достигает жилых помещений. Согласно МГЭИК, «утечки в трубопроводе от установок отопления и кондициониро­вания могут повышать энергопотребление на 20—40%».
• Обогрев или охлаждение только часто используемых помещений.
• Выбор самых эффективных кондиционеров: согласно Алану Пирсу, в областях с низкой влажностью воздуха холод от испарения может значительно сократить потребление электроэнергии на охлаждение.

Совет общины Фрайбурга требует для новостроек снизить расход энергии для обогрева помещений примерно на 80%. Для всех ново­строек, подведомственных городу (сюда входят и дома, построенные на прежних городских участках, а также дома, финансируемые горо­дом), введенное правило ограничивает расход энергии на отопление на 65 кВт-ч/м² в год. Это является улучшением на 70% по сравнению со старыми зданиями с расходом 220 кВт-ч/м² в год. Городские кварталы Ваубан и Ризельфельд с примерно 18 тыс. жителей полностью соответ­ствуют стандарту 65 кВт-ч/м² в год — разговоры об этом дошли до Аме­рики и инициировали предложения Клинтона по защите климата. Строительные расходы превышали на 7% обычные значения, но до­полнительные затраты окупятся за несколько лет благодаря более низ­ким расходам на отопление.

Демонстрационный объект во Фрайбурге — солнечный дом Института по солнечным энергосистемам Фраунгофера — всю необхо­димую энергию получает от солнца, которое светит на крышу и стены, и, таким образом, здание не нуждается в электроэнергии из сети²⁶. Этому способствует и активное использование дневного света. Южный фасад на 65% покрыт прозрачной изоляцией, которая улавливает сол­нечный свет и преобразует его в тепло, а толстые стены накапливают это тепло, так что даже через 8 ч после захода солнца в доме хватает тепла. «Дополнительное тепло поступает из многих источников, в том числе от теплового насоса, использующего тепло земли, теплообменник для теплого отработанного воздуха из кухни и ванной, а также беспла­менные водородные горелки, единственный отход которых — вода».