Жилищное строительство — один из приоритетов социально-экономического развития Республики Беларусь. На данном этапе для отопления и горячего водоснабжения жилого фонда потребляется около 40% производимой в стране тепловой энергии. В Западной Европе в настоящее время происходит переход к строительству зданий в стандарте “пассивный дом”, теплопотери которых намного меньше и составляют 10–20% общего уровня [1].
Совершенно очевидно, что на фоне постоянно растущих цен на энергоносители задача совершенствования нормативной и технической базы строительства в направлении снижения уровня энергоснабжения зданий в отопительный период в нашей стране становится сверхактуальной. За последнее десятилетие многое уже сделано, и нормативные требования к удельному уровню теплопотерь в Республике Беларусь сравнимы с принятыми в России, Украине, Германии (WSVO-95). Однако достаточны ли они для получения ощутимого эффекта?
На рис. 1 представлен график, иллюстрирующий изменение энергопотребления жилым фондом при различных сценариях развития энергосберегающего строительства. Исходными данными для его построения стали прогнозные показатели возведения жилья на период до 2020 г.
Расчет энергопотребления жилого фонда производился на основании следующих предположений:
– площадь существующего жилого фонда S0 составляет 219 млн м2, из него старый жилой фонд площадью S1 с энергопотреблением P1 около 210 кВтч/м2 – 170 млн м2, новый жилой фонд площадью S2 с энергопотреблением P2 около 110 кВтч/м2 — 49 млн м2;
– ежегодно из-за износа выбывает из эксплуатации S3 = 110 тыс. м2 жилого фонда с уровнем удельных теплопотерь P1 в год;
– ежегодно до 2020 г. проводится реконструкция S4 = 700 тыс. м2 существующих жилых зданий с доведением теплопотерь в них до уровня действующих на момент реконструкции нормативов для нового жилья;
– ежегодный ввод в эксплуатацию жилой площади соответствует прогнозу развития жилищного строительства в республике до 2020 г.
Расчет энергопотребления выполнялся по следующей формуле:
Q = S1 · P1 + S2 · P2 + Sni · P2(3) – k · S3 · P1+ + k · S4 · ( P2(3) – P1),
где k – порядковый номер года, начиная с 2004-го.
В 2020 г. в соответствии с прогнозом развития жилищного строительства площадь жилого фонда увеличится на 35% по сравнению с 2000 г. При сохранении в новом строительстве нормативных требований к уровню удельных теплопотерь, действующих на настоящий момент и составляющих 90–110 кВтч/м2 в год в зависимости от этажности и конструктивной системы зданий, годовое потребление энергии на отопление возрастет на 10%. При существенном увеличении площади жилого фонда эта цифра кажется вполне приемлемой. Однако возможны более значительные результаты снижения уровня энергопотерь при эксплуатации жилья.
Рассмотрим иной сценарий развития энергосберегающих технологий. Если начиная с 2011 г. принимаются новые нормативные требования к теплопотерям здания, устанавливающие их уровень на отметке 30 кВтч/м2 в год, то при том же увеличении жилой площади уровень энергопотребления возрастет только на 2%. Здесь уместно поставить вопрос: достижим ли и какими средствами такой скачок в снижении уровня теплоснабжения жилого фонда?
В последние годы в Беларуси интенсивно развиваются конструктивно-технологические системы жилых зданий, обеспечивающие гибкость объемно-планировочных решений, снижение материалоемкости и энергозатрат при их последующей эксплуатации. Однако недостатком этих систем является то, что при проектировании каждый элемент здания рассматривается в отрыве от остальных, что не позволяет оптимизировать конструкцию в виде единой энергетической системы. Уменьшение уровня эксплуатационных теплопотерь достигается только путем утепления ограждающих конструкций, использования воздухонепроницаемых окон с повышенным сопротивлением теплопередаче. Инженерное обеспечение остается в стороне. В результате сохранение вентиляционной системы естественного типа, без механического побуждения, приводит к негативным явлениям — ухудшению качества воздушной среды, нарушениям температурного и влажностного режимов в помещениях. К этому следует добавить, что на вентиляционные выбросы в зданиях, строящихся по действующим нормативам, приходится до 50% теплопотерь.
Становится ясно, что логика развития современного строительства диктует необходимость перехода к проектированию зданий с механической, полностью контролируемой системой приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха. В ее основе лежат несколько причин, которые не могут быть устранены иным путем.
1. Новые нормативные значения термического сопротивления ограждающих конструкций приводят к распределению уровня теплопотерь, представленному на рис. 2. Как видно, максимальное значение, достигающее более 50%, относится к воздухообмену. Следовательно, дальнейшие перспективы энергосбережения в зданиях связаны прежде всего с возвратом тепла, уходящего из помещений с нагретым воздухом.
2. Переход к утепленным ограждающим конструкциям и окнам нового поколения с повышенным термическим сопротивлением обостряет проблему поддержания нормативного воздухообмена в помещениях. Более того, имеются противоречия в требованиях существующих нормативных документов. СНиП “Жилые здания” говорит о необходимости поддержания его кратности на уровне 3 м3/м2 жилой площади путем свободного воздухообмена в помещениях. Но при утепленной стене, герметичных оконных блоках и герметичной их заделке в стеновую конструкцию исчезают щели и отверстия, через которые мог бы поддерживаться нормативный уровень воздухообмена. Единственной возможностью остается открывание окон или форточек. Однако вследствие сильного загрязнения нижних слоев наружного воздуха в городе качество его в квартирах нижних этажей зданий не будет соответствовать санитарным нормам, уровень шума также превысит установленные пределы. Более того, в такой ситуации почти теряется смысл в производстве оконных блоков нового поколения и освоении окон с еще более высоким термическим сопротивлением. Устройство клапанов или сознательная разгерметизация оконных конструкций не укладывается в логику развития современных оконных технологий, так как не следует забывать, что окно прежде всего обеспечивает инсоляцию помещений.
Совершенно очевидно, что задачу вентиляции необходимо решать другими, проблемно ориентированными средствами.
3. Но даже обеспечение с помощью каких-либо технических средств притока воздуха и свободного воздухообмена не позволит поддерживать его нормативное значение. Уровень воздухообмена будет зависеть от множества причин:
– ветровой нагрузки;
– высоты расположения квартиры в многоэтажном здании;
– открытия окон и степени их уплотнения;
– состояния вытяжных вентиляционных шахт.
4. Сохранение свободного воздухообмена не позволяет решить задачу использования внутренних источников тепла и поступающей в помещение солнечной энергии в общей системе энергоснабжения здания. Как правило, избыток тепла в одной из комнат квартиры, например на кухне или в комнате на освещенном фасаде, уносится с вентиляционными выбросами. Если учесть, что нормируемое в СНБ “Теплозащита зданий” суммарное значение мощности внутренних источников тепла и поступающей в помещение солнечной энергии равно 21 Вт/м2, этот резерв может играть существенную роль в теплоснабжении.
В то же время трудно найти хотя бы одну убедительную причину, не позволяющую перейти уже сегодня к механической вентиляции помещений. Можно ли решить проблему воздухообмена в два этапа: вначале перейдя к системе механической вентиляции, позволяющей решить задачу контролируемого нормативного воздухообмена, и на втором этапе — к системам с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха? Целесообразность такого подхода сомнительна. Две эти системы имеют значительное количество повторяющихся элементов:
– приточный и вытяжной вентиляторы;
– фильтры для очистки приточного и уходящего воздуха;
– распределительные воздуховоды;
– систему управления режимами воздухообмена.
Для перехода от одной системы к другой необходим только один элемент — рекуператор-теплообменник, обеспечивающий возврат тепла вентиляционных выбросов, то есть не имеет смысла, прыгнув к принципиально новой системе воздухообмена, зависнуть в воздухе, остановившись на полпути.
Существенным фактором, затрудняющим решение вопроса, является экономический — необходимость затрат на дополнительную инженерную систему. Влияние его можно уменьшить, перейдя одновременно с системой приточно-вытяжной вентиляции к воздушному отоплению жилых зданий. Однако при этом следует общий уровень теплопотерь здания снизить до величины, обеспечивающей совпадение кратности нормативного воздухообмена и необходимой кратности подачи воздуха в системе воздушного отопления. Условие целесообразности использования воздушного отопления можно записать в виде
rVC(Tmax-Tnorm) = Pmpot,
где r,V, C — плотность, объем и теплоемкость воздуха; Tmax = 45°С — максимальная температура воздуха в системе отопления; Tnorm = 18°С — нормативная температура жилых помещений; Pmpot – максимальная мощность теплопотерь помещения, соответствующая наружной температуре –25°С.
Расчет показывает, что при нормативном уровне воздухообмена — 140 м3/час на квартиру или около 1,75 м3/ (м2/час), система воздушного отопления может компенсировать теплопотери мощностью около Pmpot = 14 Вт/м2.
Для средней за отопительный сезон температуры –1,6 °С удельные теплопотери такого помещения составят менее 30 кВтч/м2 в год, что втрое меньше уровня средних теплопотерь строящихся многоэтажных зданий.
Чтобы достичь этого, необходим переход к установке окон с сопротивлением теплопередаче больше 1 м2град/Вт и повышенному по сравнению с действующими нормативами сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций.
Таблица 1.
Одна из проблем, которую необходимо решить в энергоэффективных зданиях, — выравнивание теплопотерь в различных их помещениях [2]. Многоэтажность и значительная протяженность по фасаду приводят к неоднородности утечек тепла, зависящей от расположения квартиры. В таблице 1 приведен уровень теплопотерь здания, ограждающие конструкции которого соответствуют стандартам Республики Беларусь при наличии системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха с коэффициентом полезного действия равным 80%. В клетках приведены результаты расчетов в кВтч/м2 в год. Клетка соответствует положению квартиры в здании. Торцевые квартиры многоэтажного дома потребляют почти вдвое, а угловые помещения втрое больше тепла для отопления, чем квартиры, находящиеся в середине фасада. Именно для них выполняется условие использования воздушного отопления:
qi=4w/m2 — мощность внутренних источников тепла;
hrek = 0,8 — коэффициент полезного действия рекуператора тепла;
Rst/ = 2,5 м2 град/Вт — сопротивление теплопередаче стен;
Rok = 0,6 м2 град/Вт — сопротивление теплопередаче окон;
Rпер = 3 м2 град/Вт — сопротивление теплопередаче перекрытий.
В таблице 2 представлена схема энергоэффективного здания с неоднородной системой утепления. При обычной схеме утепления с одинаковым распределением сопротивления теплопередаче всех стен мы приходим к неодинаковому уровню теплопотерь для помещений в зависимости от их положения. Неоднородное распределение теплопотерь, кроме прочего, приводит к сложностям использования воздушного отопления в различных помещениях. Поэтому в проекте здания целесообразно предусмотреть неоднородную схему утепления, как указано в таблице 2. Клетка таблицы соответствует положению квартиры на фасаде здания. Степень утепления торцевых стен, перекрытий верхнего этажа и подвальных помещений более высокая и обеспечивает сопротивление теплопередаче 6 м2 град/Вт, в то время как для помещений середины фасада здания оно составляет 4 м2 град/Вт. Коэффициент полезного действия системы рекуперации тепла принят равным 0,8. Для всех квартир здания выполняется условие использования воздушного отопления.
Таблица 2.
Таким образом, переход к проектированию и строительству зданий с приточно-вытяжной вентиляционной системой с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха позволяет выйти на новый уровень энергоэффективности и совершить скачок в снижении энергопотерь. Приведенные выше результаты убеждают в том, что нельзя ограничиваться только модернизацией системы вентиляции. Имеет смысл довести уровень теплопотерь помещений до значения, делающего целесообразным использование воздушного отопления. Этот уровень составляет для конкретных условий Республики Беларусь величину около 30 кВтч/м2 в год. Целесообразным представляется устройство системы утепления, выравнивающей теплопотери по всем помещениям здания независимо от местоположения.
Литература
1. Feist W. Gestaltungsgrundlagen Passivhдusern, Verlag Das Beispiel. 2001. S. 144.
2. Danilevski L. Perspectives of the passive house standard in Belarus. 8 Europeische Passivhaustagung, Krems, Цsterreich. 2004.
S. 631–634.