Современное жилищное строительство ищет пути повышения качества жизни без увеличения стоимости жилья. Первыми в этом направлении двинулись конструкторы, перейдя от традиционных в нашей стране систем к каркасным, обеспечивающим свободную планировку квартир, что позволяет полностью удовлетворить запросы потребителя при массовом строительстве. К тому же переход к строительству каркасных зданий позволяет экономить ресурсы. Внутренние и наружные стены, игравшие ранее роль несущих конструкций, становятся сейчас функциональными элементами, разделяющими помещения и изолирующими жилые помещения от внешней среды. Их капитальность может определяться сегодня вкусом хозяев и требованиями к тепло- и звукоизоляции. Известны примеры зданий, наружные стены которых выполнены из пенополистирола при наличии железобетонного каркаса. Прочность таких стен минимальна, но достаточна для выполнения функции защиты от окружающей среды, и приближается к прочностным характеристикам оконных конструкций. Изготовление внутренних перегородок из легких гипсокартонных элементов также стало обычной строительной практикой.
Необходимость экономии энергии при эксплуатации жилых зданий послужила толчком в развитии систем утепления зданий и к выпуску окон нового поколения. Новая практика строительства теплых зданий приводит к улучшению качества жизни: повышается температура поверхностей стен и воздуха в помещениях, снижается вероятность конденсации влаги на поверхностях и т.д.
В том и проявляется особенность современного строительства, что повышение комфорта жизни и гибкость планировочных решений достигаются одновременно с экономией материальных и энергетических ресурсов.
Однако возникают новые проблемы, характерные именно для нового строительства. Увеличение толщины стен, более высокое качество работ и использование оконных конструкций с тройным остеклением и низкой воздухопроницаемостью привели к тому, что современные жилые помещения становятся герметичными. Проблема характерна не только для Беларуси, но для всех стран, перешедших к строительству зданий с повышенными требованиями к теплозащите. Сложившаяся ситуация заставляет нас сделать еще один шаг к улучшению качества среды нашего обитания. Мы научились управлять тепловым комфортом помещений ценой достаточно низких энергетических затрат и пришли к пониманию того, что условия среды обитания, т.е. весь комплекс санитарно-гигиенических условий в жилых помещениях, должны быть контролируемыми и управляемыми. Сегодня это относится и к качеству воздуха в помещениях.
Традиционная схема свободной вентиляции исчерпала свои возможности в обеспечении необходимого качества воздуха. В то же время она энергозатратна.
Логика развития современного строительства приводит к необходимости перехода к проектированию зданий с механической, полностью контролируемой системой приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха. Причин этому несколько.
Первая. Новые нормативные значения термического сопротивления ограждающих конструкций приводят к распределению уровня теплопотерь, имеющему вид, представленный на диаграмме рис. 1. Максимальное значение теплопо-терь относится к воздухообмену, достигая 50% от общего уровня, т.е. дальнейшие перспективы энергосбережения в зданих связаны, прежде всего, с возвратом тепла, уходящего из помещений с теплым воздухом.
Вторая. 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 помещения" говорит о необходимости поддержания его кратности на уровне 1,2 1/час путем свободного воздухообмена. В то же время в СНБ “Теплозащита зданий” говорится о минимальной воздухопроницаемости окон. Промышленные предприятия Республики Беларусь освоили выпуск практически герметичных окон. При утепленной стене, герметичных оконных конструкциях и герметичной заделке окон не остается неплотностей, которые могли бы поддержать нормативный уровень воздухообмена. Необходимый воздухообмен приходится поддерживать путем открывания окон или форточек. Однако при этом почти теряется смысл в производстве окон нового поколения и, тем более, освоения окон с еще более высоким термическим сопротивлением. Устройство клапанов или сознательная разгерметизация окон не укладывается в логику развития современных оконных технологий, так как не следует забывать, что окно прежде всего обеспечивает инсоляцию помещений. Задачу вентиляции помещений необходимо решать другими, проблемно ориентированными средствами.
Третья. Решив все-таки какими-либо техническими средствами – будь то клапана в оконных или стеновых конструкциях, – задачу притока воздуха и сохранив свободный воздухообмен, мы не решаем задачу поддержания его нормативного значения. Уровень воздухообмена будет зависеть от:
– уровня ветровой нагрузки;
– высоты расположения квартиры в многоэтажном здании;
– частоты открытия окон и степени их уплотнения;
– состояния вытяжных вентиляционных шахт.
Четвертая. Сохранение свободного воздухообмена не позволяет решить задачу использования внутренних источников тепла и поступающей в помещение солнечной энергии в общей системе энергоснабжения помещений здания. Как правило, избыток тепла в одной из комнат квартиры, например на кухне или в комнате на освещенном фасаде, выпускается на улицу через форточку. Если учесть, что предлагаемое 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. Для сравнения: теплопотери современных зданий панельного типа –
около 100 кВт·ч/м2·год, что составляет в среднем за отопительный сезон около 20 Вт/м2, т. е. полная (100%) утилизация тепла внутренних источников и солнечной энергии позволила бы компенсировать теплопотери здания и обойтись без системы отопления.
В то же время трудно найти хотя бы одну убедительную причину, не позволяющую уже сегодня перейти к механической вентиляции помещений. Можно ли решить проблему воздухообмена в два этапа: вначале перейдя к системе механической вентиляции, позволяющей решить задачу контролируемого нормативного воздухообмена, а затем – к системам с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха? Целесообразность такого подхода сомнительна. Обе 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 уходящего из помещений воздуха, т.е. не имеет смысла, “прыгнув” к принципиально новой системе воздухообмена, зависнуть в воздухе, остановившись на полпути.
Существенным фактором, затрудняющим решение вопроса, является экономический, т.е. необходимость затрат на дополнительную инженерную систему. Влияние этого фактора можно уменьшить, одновременно с системой приточно-вытяжной вентиляции перейдя к воздушному отоплению жилых зданий. Переход к проектированию и строительству зданий с приточно-вытяжной вентиляционной системой с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха позволяет выйти на новый уровень энергоэффективности жилых зданий.
В представленной таблице приведены результаты расчетов, учитывающих поступление солнечной энергии через окна с различным термическим сопротивлением и мощность внутренних источников тепла в помещениях здания, которые позволяют найти комплекс условий, обеспечивающих уменьшение длительности отопительного периода в жилых зданиях, или даже решить проблему строительства здания без системы отопления для условий Республики Беларусь. Рассмотрены два варианта реализации систем с приточно-вытяжной вентиляционной системой с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха: с эффективностью возврата тепла 60 и 80%.
В каждой клетке таблицы указано необходимое термическое сопротивление ограждающих конструкций, позволяющее компенсировать теплопотери в помещениях за счет внутренних источников тепла и солнечной энергии, поступающей в помещения через окна. При этом термическое сопротивление ограждающих конструкций выбирается в соответствии со свойствами используемых окон и коэффициентом эффективности системы рекуперации тепла уходящего из помеще- ний воздуха h.
Для систем с возможностью рекуперации тепла при коэффициенте возврата тепла уходящего воздуха 60–80% реально уменьшение длительности отопительного сезона от 3 месяцев для существующего стандарта окон (R=0,6 м2·°C/Вт) до обеспечения существования здания без отопления весь отопительный сезон для окон типа R>1,34 м2·°C/Вт. Переход к окнам с термическим сопротивлением 1,3–1,5 м2·°C/Вт позволяет решить эту проблему для значений сопротивления теплопередаче стен, которые ненамного превышают значения нормативных сопротивлений теплопередаче.
Из изложенного очевидно, что перспективы дальнейшего повышения энергоэффективности зданий связаны, прежде всего, с внедрением системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха. Объединение ее с системой воздушного отопления позволит упростить систему энергоснабжения зданий и решить проблему индивидуального учета потребления тепла для целей отопления.
Таким образом, необходимо сделать следующий шаг в развитии жилища – перейти к механической приточно-вытяжной системе вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха. Этот шаг уже сделан строителями многих стран Западной Европы. В итоге создан новый стандарт энергоэффективного строительства, стандарт пассивного дома. Это понятие подразумевает здание, жизнеобеспечение которого в течение отопительного периода поддерживается за счет внутренних источников тепла и солнечной энергии, а система отопления является дежурной и необходима для температур ниже среднего уровня за отопительный сезон. Концепция пассивного дома предполагает минимизацию всех видов энергии, используемой для удовлетворения потребностей человека:
– энергии для отопления;
– энергии для горячего водоснабжения;
– электрической энергии для ведения домашнего хозяйства.
На рис. 2 представлена диаграмма сравнительного уровня теплопотерь зданий, построенных в различном энергетическом стандарте. Для пассивного дома, в отличие от остальных, характерно снижение потерь всех видов энергии. Для горячего водоснабжения оно достигается путем использования солнечной энергии. Экономия электрической энергии, затрачиваемой на ведение домашнего хозяйства и для целей освещения, достигается путем использования современной техники с минимально необходимой мощностью, например энергоэффективных компактных люминесцентных ламп с современной пускорегулирующей аппаратурой для целей освещения.
Пассивный дом – это новый энергетический стандарт зданий, которые могут быть построены в любой экономически обоснованной конструктивной системе. На рис. 3 приведен разрез первого в Европе пассивного дома в г. Дармштадт, где присутствуют все необходимые атрибуты:
– суперизолированная оболочка здания, имеющая термическое сопротивление 10 м2·°C/Вт;
– суперокна с термическим сопротивлением больше 1 м2·°C/Вт;
– механическая приточно-вытяжная система вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха;
– грунтовый теплообменник для предварительного подогрева воздуха с использованием тепла грунта.
Дальнейшее развитие пассивного строительства показало возможность вариации требований к различным элементам и системам пассивного дома в зависимости от строительного объема и особенностей реализации. На рис. 4–7 представлены уже построенные и эксплуатируемые пассивные здания в Германии. Это одноэтажные и многоэтажные здания, возведенные на основе традиционной кирпичной кладки и в каркасном исполнении. Их объединяет одно: минимальное (в 10–15 раз меньшее, чем для зданий существующего жилого фонда) потребление тепловой энергии для отопления.
Потребность строительства зданий в стандарте “пассивный дом” послужила мощным стимулом развития для строительной отрасли Западной Европы. Разработаны и выпускаются массовыми тиражами окна нового поколения с термическим сопритивлением больше 1 м2·°C/Вт. Освоено новое поколение теплообменных систем воздух/воздух с коэффициентом полезного действия около 95%, разработаны новые системы теплоизоляции и освоен выпуск теплоизоляционных материалов с коэффициентом теплопроводности на порядок меньшим, чем у лучших теплоизоляционных материалов (рис. 8).
В УП “Институт НИПТИС” разработаны опытные образцы изделий, не уступающих по своим параметрам зарубежным. Это вентиляционный блок, который может обеспечить вентиляцию и воздушное отопление квартиры или небольшого коттеджа, оконный блок с сопротивлением теплопередаче более 1 м2·°C/Вт.
Эти технические показатели обеспечивают практическую возможность строительства энергоэффективного дома в нашей стране, решение о котором уже принято. Это будет многоэтажное здание, построенное из отечественных материалов, в основном ОАО "Забудова", выступающего заказчиком проекта. Предполагается использование системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха. В настоящее время выполняются проектные работы. Подробное описание конструктивных систем, планировочных решений и используемого инженерного оборудования будет опубликовано в одном из номеров журнала после завершения проектных работ.
Научно-исследовательские изыскания по разработке проектных и технических решений энергоэффективного дома финансировались из фонда строительной науки Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь.
Рис. 2 и 3 предоставлены директором Института пассивного дома (г. Дармштадт) доктором Вольфгангом Файстом.