Севастополь. Опыт строительства энергоэффективных зданий

В последнее время все большее внимание стало уделяться вопросам энергосбережения во всех сферах жизнедеятельности человека. При этом одной из самых актуальных стала тема энергосбережения при эксплуатации зданий и сооружений. К вновь проектируемым и строящимся зданиям предъявляются все возрастающие требования по энергоэффективности, планируются и выполняются работы по повышению термического сопротивления уже существующих зданий. Однако зачастую под энергосберегающими мероприятиями понимается только утепление стен и применение современных окон. Сюда же можно отнести пока не очень активно, но все же применяющееся энергоэффективное светодиодное освещение.

В свете этих тенденций, будет, наверное, небезынтересно познакомиться с опытом создания двух зданий, в которых реализован целый комплекс энергосберегающих мероприятий, как в строительных конструкциях, так и в инженерных системах. Одно из этих зданий административно-производственное, а второе жилое, усадебного типа. Причем это не пилотные показательные проекты и не демонстрационные объекты, выполненные за счет средств каких-либо грантов или в рамках опытной отработки комплекса энергосберегающих решений, а это два здания, построенные в Севастополе просто с целью не на словах, а на деле комплексно реализовать как известные рекомендации, так и собственные энергосберегающие разработки. Административно-производственное здание наше предприятие строило для размещения собственного производства, а жилое здание строилось для проживание семьи автора этих строк.

Чтобы исключить недоуменные вопросы о том, почему вдруг производственное предприятие взялось строить, да еще исключительно за счет собственных средств, энергоэффективные здания, следует отметить, что наше предприятие уже более 20 лет разрабатывает и выпускает энергоэффективное и энергосберегающее оборудование. За эти годы идеи энергосбережения вошли в плоть и кровь наших разработчиков. Благодаря постоянной ориентации на создание энергоэффективной и энергосберегающей техники нами были одними из первых в мире предложены и технически реализованы ряд идей по энергосбережению – это и децентрализованные рекуператоры тепла вентиляционного воздуха, и доводчики воздуха, и емкостные водоподогреватели с выносным греющим элементов и ряд других. Но нам не довелось видеть ни одного объекта, где эти наши предложения были бы одновременно реализованы. Поэтому когда мы приступили к проектированию и постройке зданий для себя, было решено реализовать на своих объектах наши идеи.

При проектировании и на стадии строительства зданий ставилась задача применить в одном объекте как можно больше не сложно реализуемых, общедоступных и экономически обоснованных энергосберегающих решений. При этом такие безусловно энергосберегающие, но небезусловно экономически оправданные на сегодня решения, как использование энергии ветра или солнечной радиации для получения электроэнергии, или использование тепловых насосов для отопления и обеспечения горячего водоснабжения в условиях каменистого грунта и отдаленности от водных массивов были исключены из рассмотрения. Хотелось создать совершенно прагматичные энергосберегающие объекты, оставив вопросы демонстрации возможностей перспективных методов энергосбережения на долю показательных проектов. По нашему замыслу, реализованные нами приземленные проекты энергоэффективных зданий могли бы не только обеспечить пользователю этих зданий снижение затрат на отопление и кондиционирование, но и послужить примером для непосредственного повторения этого опыта.

Административно-производственное здание.

В описываемом здании располагаются как производственные помещения, так и административно-бытовые. Производственные помещения занимают цокольный, первый и второй этажи, а административно-бытовые – третий и четвертый этажи (фото 1).

Поскольку речь идет о производстве в этом здании теплообменных аппаратов, то не только в административно-бытовых, но и в производственных помещениях нет мощных источников тепла (в производственных помещениях располагаются станочный, сварочный, заготовительный и слесарно-сборочный участки, причем на сварочном участке работают маломощные установки аргоно-дуговой сварки для сваривания особотонкостенных деталей, когда большие тепловложения в сварной шов способны привести к браку готового изделия).

Энергосберегающие мероприятия, реализованные в строительных конструкциях.

При проектировании здания сразу были заложены известные энергосберегающие мероприятия, которые неукоснительно реализовывались при строительстве. А именно:

- заполнение стен было выполнено в основном газобетонными блоками и, частично, местным пористым природным материалом (ракушечником) с теплопроводностью, близкой к газобетону;

- крыша, изначально запроектированная плоской, в ходе строительства в порядке авторского надзора была перепроектирована в шатровую с воздушным подкрышным зазором, заполняемым плитами из минваты;

- все окна были энергосберегающего типа (со стеклопакетами и высокоплотными притворами);

- при выборе остекления была учтена ориентация здания по сторонам света: площадь остекления южного фасада существенно превосходила площадь остекления северного фасада;

- консоль 3-го этажа имеет такой размер, чтобы полностью затенять в летний период года окна нижерасположенного этажа, но не мешать проникновению в них солнечных лучей в осенне-весенний период;

- все стены были утеплены 100мм слоем пенополистирола, что заметно превышало необходимую расчетную толщину утепления для обеспечения соответствия современным требованиям по термическому сопротивлению стен;

- входные двери оснащены доводчиками, обеспечивающими нахождение дверей в закрытом состоянии;

- основные (не пожарные) входы в здание выполнены с тамбурами.

Энергосберегающие мероприятия, реализованные в инженерных системах.

В отличие от энергосберегающих мероприятий в части строительных конструкций, в инженерных системах здания был реализован целый ряд мероприятий, впервые разработанных на нашем предприятии. Поэтому, в отличие от строительной части, нижеперечисленные специфичные мероприятия, выполненные в этом здании, сопровождены комментариями и фотографиями. Ниже приведен перечень энергосберегающих мероприятий в инженерных системах:

- вся общеобменная вентиляция обеспечивается децентрализованными рекуперативными приточно-вытяжными вентиляционными установками с механическим побуждением. Эту идею – децентрализованных рекуператоров, мы предложили в 2003г. и тогда же создали рекуператор ТеФо, обеспечивающий степень энергосбережения на уровне 80% (следует подчеркнуть, что это не декларативная цифра, в отличие от большинства аналогов, а этот показатель был подтвержден в ходе 3-х серий испытаний, проведенных в разные годы в аккредитованной Госстандартом Украине климатической камере). Указанные рекуператоры ТеФо, серийно выпускаемые нашим предприятием, мы установили как в производственных помещениях, так и в административных. При этом, благодаря такому преимуществу наших рекуператоров, как многовариантность их установки, в производственных помещениях, где отсутствуют повышенные требования к интерьеру, эти рекуператоры были размещены открыто на стене (фото 2),

а в административных помещениях рекуператоры были спрятаны в оконные откосы (фото 3).

Применение именно децентрализованных рекуператоров дает, помимо очевидного энергосберегающего эффекта за счет утилизации тепловой энергии удаляемого воздуха, еще и дополнительные по сравнению с центральными рекуператорами энергосберегающие возможности. В частности, не расходуется энергия на преодоление аэродинамического сопротивления воздуховодов при перемещении по ним воздушных потоков. Кроме того, обеспечивается возможность гибкого управления работой системы вентиляции здания – в тех помещениях, где в данное время отсутствуют люди, рекуператоры работают на частичных нагрузках, что не только снижает потребляемую их вентиляторами электрическую энергию, но и уменьшает тепловые потери с удаляемым воздухом (ведь 100% степень рекуперации недостижима в принципе и, значит, удаляемый через любой рекуператор воздух обязательно будет уносить с собой часть тепловой энергии помещения);

- в нерабочее время суток, а также в выходные и праздничные дни все рекуператоры переводятся на частичные режимы работы, обеспечивая сниженные уровни воздухообмена, что также снижает потери энергии;

- все освещение, как внутреннее, так и наружное, рассчитанное на длительное функционирование, выполнено на светодиодах. При этом в производственных помещениях светодиоды никак не декорированы, а в административных помещениях они выполнены в виде офисных светильников (фото 4 и 5);

- освещение периодического использования (санузлы и лестницы), реализованное на лампах накаливания, управляется по датчикам движения, причем на лестницах включение светильников дополнительно подчиняется сигналам с датчиков освещенности;

- отопление здания осуществляется по графику, адаптированному к режиму работы предприятия и учитывающему реальную потребность в заданном уровне отопления. В частности, осуществляются ночные, а также праздничные и в выходные дни снижения мощности отопления;

- с целью более эффективного использования в системе отопления здания энергетического потенциала поступающей сетевой воды, приборы отопления выполнены в виде изготавливаемых нашим предприятием высокоэффективных доводчиков воздуха (фанкойлов). Эти приборы отопления представляют из себя собранный в корпусе пучок специальным образом профилированных нержавеющих труб, по которым прокачивается вода системы отопления и которые обдуваются малошумными, с регулируемым числом оборотов, вентиляторами (фото 6).

Это позволяет более полно использовать тепловой потенциал сетевой воды и, кроме того, выборочно снижать отбираемую тепловую мощность в тех помещениях, которые по каким-то причинам значительное время не используются. Применение таких приборов отопления, кстати, реализует идеологию гидравлически устойчивого регулирования отопительной нагрузки, что благоприятно сказывается на работе сетевых насосов котельной и на состоянии регулировки всей квартальной системы отопления. Как видно по фотографии, эти приборы отопления расположены в нижней зоне помещения, причем патрубки выхода нагретого воздуха направлены вниз. Это позволяет достигать ощущения теплового комфорта при меньших тепловых потоках;

- в здании реализовано горячее водоснабжение на основе сформулированной нами в середине 90-х годов идеи емкостного подогревателя с выносным греющим элементов (фото 7).

В качестве такого выносного греющего элемента используется один из выпускаемых нашим предприятием высокоэффективных теплообменников ТТАИ. Применение такого подхода к обеспечению горячего водоснабжения позволяет использовать тепловую энергию в периоды ночного снижения ее потребления, что сглаживает ее пиковое дневное потребление и способствует заполнению ночных провалов. Это благотворно сказывается на работе котельной, позволяя сжигать газ или иное топливо в режиме, более близком к оптимальному;

- помимо понятных мер по энергосбережению, ориентированных на холодный, зимний, период года, в здании реализовано инновационное энергосберегающее мероприятие, рассчитанное на жаркий, летний, период года. Нами более 10 лет назад была выдвинута идея использования холода воды хозяйственно-бытового и производственного назначения для кондиционирования воздуха в летний период. Эта идея нашла свое воплощение в описываемом здании. На фотографии 8 показан созданный нашим предприятием доводчик воздуха. Это устройство по своей конструкции аналогично описанным выше отопительным приборам, но включено по тракту воды не в систему отопления, а в систему водоснабжения здания. Следует отметить (что видно на фотографии), что в зимний период года этот доводчик может превращаться в отопительный прибор – система клапанов и трубопроводов позволяет подавать в его трубки либо водопроводную, либо отопительную сетевую воду. Поэтому вся водопроводная вода, поступающая летом в здание, проходит сначала по нержавеющим трубочкам доводчика воздуха. Учитывая, что температура водопроводной воды в жаркую летнюю пору находится на уровне 15 ^оС, эта вода, является ценным энергетическим ресурсом, но не тепловым, а энергетическим ресурсом по холоду. В обычных системах эта возможность энергосбережения не используется. Мы же пришли к выводу, что если мы повысим температуру воды, поступающей в систему водоразбора здания на 2-3 ^оС , то это никак не скажется отрицательно на ее дальнейшем использовании, а воздух за счет этого может быть ощутимо охлажден (все таки водяной эквивалент воздуха почти в 4 тысячи раз меньше, чем у воды). В данном устройстве эта вода охлаждает трубочки, которые обдуваются расположенными выше них вентиляторами. Таким образом, мы получаем практически бесплатное частичное кондиционирование воздуха. Конечно, тепловой (точнее говоря, охлаждающей) мощности такого устройства не достаточно для полноценного кондиционирования сварочного участка, где установлен этот доводчик, но некоторое снижение температуры воздуха это устройство обеспечивает, снижая потребности в расходе электроэнергии на привод кондиционера.

Жилое здание усадебного типа.

В жилом здании нами тоже был применен тот же подход, что и в административно-производственном – максимальное применение известных и общедоступных в реализации методов энергосбережения, плюс применение инновационных энергосберегающих методов и устройств собственной разработки. Автору этих строк хотелось реализовать на практике свои энергосберегающие наработки, о которых им было в прежние годы написано немало статей и сделано докладов.

Энергосберегающие мероприятия, реализованные в строительных конструкциях.

В жилом доме, как и в административно-производственном здании, было принято решение не ограничиваться удовлетворением термического сопротивления ограждающих конструкций самым современными требования, а существенно их превзойти.

Поэтому, кроме заполнения стен местным пористым строительным материалом (ракушечником), обладающим высоким термическим сопротивлением, был выполнен навесной фасад с вентилируемым зазором, а для дальнейшего повышения термического сопротивления в этот зазор были помещены плиты из минваты.

Стены цокольного этажа утеплены пенополистиролом.

Плиты из минваты были уложены и в подкрышный воздушный зазор.

Оба входа в дом выполнены с тамбурами.

В окна были вставлены двухкамерные стеклопакеты (т.е. с тремя стеклами).

При выборе места строительства дома была учтена не только ориентация по сторонам света, но и рельеф местности. В частности, дом расположили как можно ближе к горе, которая находится строго на север от дома (см. фото.9) и которая таким образом защищает его от северных ветров.

Упомянутый учет расположения по сторонам света привел к угловой конфигурации дома с тем, что вход в дом через веранду ориентирован строго на юг. Это позволило экранировать все помещения дома от палящих южных лучей солнца в летний полдень. Достигается это тем, что не только веранда имеет крышу, но и на сходящихся в угол стенах дома, на этажах выше веранды, устроены балконы-козырьки (см. фото 10).

Ширина этих балконов такова (не говоря уж о крыше веранды), что прямые солнечные лучи в период высокого летнего стояния солнца не попадают внутрь помещений, но зимой все эти помещения, вплоть до противоположных от окон стен, оказываются доступны прямым солнечным лучам. Это решение не только снижает температуру помещений летом, облегчая решение задачи кондиционирования, но и снижает энергопотребление на освещение комнат в зимнее время.

Энергосберегающие мероприятия, реализованные в инженерных системах.

В жилом доме, как и в административно-производственном здании, вся общеобменная вентиляция осуществляется с помощью рекуператоров ТеФо. Причем тут тоже было использовано такое преимущество рекуператоров ТеФо, как возможность их многовариантной установки. В этом доме применено 5 вариантов установки рекуператоров ТеФо – скрыто под окном, скрыто в стене, открыто на стене, скрыто за подвесным потолком и вариант установки сквозь стену. Причем были применены как схемы, когда один рекуператор вентилирует одно помещение, так и схемы, когда один рекуператор вентилирует два смежных помещения. Чтобы не перегружать статью иллюстративным материалом, приведены две фотографии – скрыто под окном и вариант установки сквозь стену (показана наружная, выступающая из стены, часть рекуператора) – см. фото 11 и 12.

Работа каждого из рекуператоров настраивается индивидуально, в зависимости от предполагаемого режима использования помещения (например, режим работы рекуператора в спальне отличается от режима работы в кухне). Наличие возможности индивидуальной настройки каждого рекуператора способствует радикальному энергосбережению при обеспечении необходимого уровня теплового и воздушного комфорта – это и уменьшение расхода электроэнергии на привод вентиляторов, которые могут работать в зависимости от режима на номинальном или на частичном режиме, а могут быть вовсе выключены. Кроме того, переход на частичные режимы, а иногда и полное отключение рекуператора позволяет снизить энергетические потери с удаляемым воздухом.

Система отопления также проектировалась с учетом обеспечения повышенной энергоэффективности. В частности, отопление всего дома осуществляется посредством водяных теплых полов. Известно, что такой метод отопления позволяет существенно сократить расход энергии на отопление для достижения ощущения теплового комфорта. Но система водяных теплых полов позволяет также гибко регулировать всю систему отопления дома – не используемые помещения (или целый этаж) могут иметь меньшую температуру, чем те помещения, где находятся люди. Естественно, это прямо влияет на снижение энергопотребления дома.

В качестве источника тепла в доме применен котел с закрытой топкой конденсационного типа. Наличие закрытой топки исключает необходимость поступления в помещение, где расположен котел (а это кухня), уличного воздуха, что автоматически обеспечивает в холодную пору года энергосберегающий эффект. А применение котла конденсационного типа позволяет полнее использовать теплоту уходящих газов и ориентироваться не на низшую, а на высшую располагаемую теплоту сгорания газа (известно, что это позволяет для получения того же количества тепла расходовать меньше топлива). И, конечно, котел работает по заданной программе, которая предусматривает ночные снижения.

Особо хочется отметить инновационное энергосберегающее решение, позволяющее обеспечивать кондиционирование воздуха в летнее время, не используя никакой из привычных кондиционеров. Достигается это благодаря тому, что на небольшой глубине под землей (порядка 18-19метров) находятся грунтовые воды, имеющие достаточно низкую температуру и которые с помощью погружного насоса удается без значительных затрат энергии поднимать из скважины на поверхность. Поэтому на каждом этаже дома был расположен доводчик воздуха, описанный в части, относящейся к административно-производственному зданию. Патрубки каждого доводчика открываются в основное помещение этажа, а сам доводчик, чтобы не нарушать интерьер комнаты, расположен не открыто на стене обслуживаемого помещения, а в расположенном за стеной санузле, причем скрыто в стенной нише (см. фото 13 и 14).

Такое расположение доводчика имеет еще и то преимущество, что легко решается проблема удаления конденсата, который образуется во всех кондиционерах - вестовая трубочка из доводчика выведена в нижерасположенный сантехнический прибор. Расход воды для удовлетворительного охлаждения воздуха, учитывая уже упоминавшиеся выше существенные различия водяных эквивалентов воздуха и воды, оказывается не велик и может быть использован для полива зеленых насаждений и хознужд.

Хочется отметить еще одну особенность инженерных систем этого дома. Правда эта особенность имеет отношение к более широкому, чем энергосбережение, понятию - к ресурсосбережению. В этом доме проложены две параллельные водопроводные системы – одна запитана из городского водопровода, а вторая – из скважины. Из системы, запитанной водой из скважины, обеспечивается в штатном режиме смыв унитазов. На первый взгляд может показаться это мероприятие не существенным, но только не для Севастополя, где и в прежние годы в летнее время были проблемы с водой, а в нынешнюю пору сложных отношений с Украиной, перекрывшей поступление днепровской воды, водосбережение приобретает особую остроту. Надо отметить, что эти две системы имеют перемычку (пока постоянно закрытую), которая позволит в случае необходимости запитать все точки водоразбора в доме водой из скважины.

Об авторе:

Почетный член Союза энергетиков Северо-Запада России,

Почетный профессор Запорожского национального университета,

кандидат технических наук,

директор ООО «Теплообмен» , г.Севастополь, Барон Виталий Григорьевич