КОМПЛЕКС МЕР ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ В РЕСПУБЛИКЕ БЕЛАРУСЬ

Энергия – это то, без чего сегодня нельзя представить человечество. Но помимо своего основного физического содержания, она имеет различные технические, политические, экономические и другие аспекты.

Рост населения планеты обуславливает и рост потребление энергии. За последние 50 лет количество производимой энергии возросло с 4876 MTOE до 13864 MTOE, тем самым опережая рост населения планеты, и составляет на сегодня 76 ГДж/чел. А с момента изобретения парового двигателя и электричества, основным источник добычи энергии являются традиционные ископаемые виды топлива (уголь, нефть и газ), запасы которых конечны. Ограничены также и запасы ядерного топлива.

Поэтому в связи с сокращением природных запасов традиционных энергоносителей, ростом цен и возникновением экологических проблем в энергетике наиболее перспективными направлениями на данный момент являются: использование возобновляемых источников энергии и повышение энергоэффективности.

В данной статье будет рассмотрена возможность постройки «Зданий нулевой энергии" в Беларуси с решением технических задач  и подсчётом экономического эффекта.

Архитектурная концепция является одной из важных составляющих, которая при минимальных вложениях и грамотном подходе обеспечивает существенное повышение энергоэффективности здания. Так используя оптимальные архитектурные решения можно достигнуть того, чтобы здание максимально полезно использовало получаемую солнечную энергию и наиболее эффективно использовало тепло. Так проектирование энергоэффективного здания базируется на таких принципах как:

− геометрия здания (минимальный коэффициент, отношения кубатуры здания к площади наружных стен);

− правильное расположение строения на участке, с ориентацией его по сторонам света;

− эффективная и качественная теплоизоляция здания, с исключением мостиков холода;

− максимальная герметичность здания с использованием приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией;

− оптимальные размеры остекления, включая ориентацию по сторонам света;

− защита светопрозрачных конструкций южной стороны.

Рассмотрим данные принципы на примере проектируемого здания.

Правильное расположение строения на участке, с ориентацией его по сторонам света даёт зданию свойство саморегулирования, благодаря которому получает в течение года от внешней среды оптимальное количество энергии при снижении тепловых сбросов и без перегрева в летний период. Так ориентация наиболее остекленного фасада здания позволяет получить наибольшее количество теплоты и освещения в зимний период.

Форма здания максимально приближенная к кубу позволяет уменьшить тепловые потери здания, за счёт уменьшения коэффициента отношения площадь наружных стен к объему здания. Повышению тепловых потерь в здании также способствуют встроенные в его объём лестничные клетки, так как внутренние стены, ограничивающие их объём, по сути, являются наружными (рис.1а). Следует отказаться от подобного взамен на вариант неотапливаемой лестницы, пристроенной к строению, незадымляемой лестничной клетки из светопрозрачных наружных ограждений (рис.1б). Предлагаемый вариант позволяет снизить сметную стоимость 1м2 общей площади здания при уменьшении расхода теплоты на отопление. Используя данный принцип разработаем архитектурный проект строения.

Рисунок 1. Формообразование зданий с незадымляемой лестничной клеткой: а) традиционное планировочное решение; б) предлагаемое планировочное решение

При проектировании здания надо использовать эффективные и качественные строительные и теплоизоляционные материалы, с исключением мостиков холода.

Для возведения несущих стен лучше всего подходит автоклавный газобетон — самый теплый материал из пригодных к возведению несущих стен. При средней плотности 300 кг/м³ он обеспечивает гарантированную прочность 2,0Мпа, при коэффициенте теплопроводности в сухом состоянии λ0, не более 0,072 Вт/(м·^оС), а в условиях эксплуатации 0,088 Вт/(м·^оС).

На теплоизоляционные свойства кладки из ячеистых бетонных блоков также влияют качество швов и их количество. Так использование мелкозернистого клея исключает образование так называемых "мостиков холода", - прослоек материала с высокой теплопроводностью, приводящих к снижению однородности кладки и росту теплопотерь.

Так же для исключения мостиков холода применяются легкие армированные брусковые перемычки из газобетона средней плотности 400 кг/м³, предназначенные для перекрытия проемов в перегородках и стенах из блоков.

А в качестве теплоизоляционного материала, обладающего наилучшими технико-экономическими показателями для применения в утеплении зданий получил экструдированный пенополистирол (XPS). Один из самых популярных материалов, обладающий высокой жесткостью и имеющий закрытую пористую структуру. Производится методом экструзии полистирола в присутствии вспенивающих агентов. При плотности 25-45 кг/м3 пенополистирол экструдированного типа имеет коэффициент теплопроводности в пределах от 0,03 до 0,035 Вт/(м·К).

Достоинства:

− минимальное водопоглощение;

− высокая прочность;

− экологическая безопасность;

− пожаробезопасность (низкая горючесть);

− устойчивость к воздействию низких температур.

Недостатки:

− разрушается под воздействием прямых солнечных лучей;

− слабая устойчивость к химически активным веществам.

Данный материал хорошо подходит для утепления кровли, стен, а так же фундаментов.

В фундаментах уменьшение теплопотерь и исключение мостиков холода достигается путем его изоляции по средствам теплоизолирующих материалов. Обычно применяется технология строительства «Шведская плита» (Рис.2.).

«Шведская плита» - это утепленный монолитный плитный фундамент малого заглубления. Главная особенность этой технологии в том, что всё основание дома базируется на слое утеплителя (под плитой). Под теплым домом грунт не промерзает и не пучиться. Такой фундамент пригоден для любых грунтов, при любой глубине залегания грунтовых вод и наиболее энергоэффективен, обладая ещё лучшими характеристиками в сочетании с теплым полом.

Рисунок 2. Принципиальная схема устройства фундамента по технологии «Шведской плиты»

Фундаментная плита в этом случае превращается в «печь», которая накапливает в себе тепло от носителя, а затем медленно отдает ее в помещение. Утепленное здание с таким фундаментом выдерживает до 7 дней без значительного падения температуры внутреннего воздуха с отключенным отоплением.

Для обеспечения нормальной работы утепленной шведской плиты (УШП) и предотвращения морозного пучения необходимо предусмотреть устройство системы отвода грунтовых вод (дренажная система по периметру сооружения). Важную роль играет также устройство не пучимой подготовки (подушка из крупного песка, щебня). В случае, если применяется комбинация слоев щебня и песка, необходимо предусмотреть разделение данных слоев геотекстилем (при расположении грунта мелкой фракции над более крупным). Под плиту необходимо заранее заложить все необходимые коммуникации (водопровод, электричество, канализация и т.п.) и вводы.

На Рис.3. видно, как распределяется температура под подошвой фундамента.

Так же существенную роль в теплозащите помещения играют окна и их правильный выбор, так как у них относительно большой коэффициент теплопроводности. Поэтому правильный выбор окна является хорошой мерой повышения энергоэффективности помещения.

Рисунок 3. Распределение температуры под подошвой фундамента

Современное энергоэффективное окно, это многокомпонентная структура, которая состоит из следующих частей:

− ПВХ профиля (так 5-ти камерный профиль с коэффициентом сопротивления теплопередаче равным 0,80 Вт/(м·^оС), по сравнению с 3-х камерного  ПВХ профилем с коэффициентом сопротивления теплопередаче находящимся в приделах 0,6-0,69 Вт/(м·^оС) эффективнее на 16%);

− системы выполнения остекления;

− типа стекла.

Значительно повышает сопротивление теплопередаче - использование стекла со специальным серебряным теплосберегающим покрытием, так называемого I-стекла. Это покрытие обеспечивает прохождение в помещение коротковолнового видимого солнечного излучения, но препятствует выходу из помещения длинноволнового теплового излучения, например от отопительного прибора: серебро великолепно отражает 95% длинноволнового инфракрасного теплового излучения от батареи обратно в комнату, а это не много ни мало 70% всего домашнего тепла.

Так же наибольшей эффективности энергосберегающие окна достигают в связке с использованием теплозащитных экранов-жалюзей, автоматически закрывающихся в темное время суток или в пики солнечной активности улучшая теплоизоляцию здания. Это подтвердили результаты натурных и лабораторных испытаний в климатической камере ГУП «НИИМосстрой», показавшие, что данный способ позволяет увеличить сопротивление теплопередаче оконной конструкции на величину 0,5 Вт/(м·^оС).

В обычных домах вентиляция осуществляется за счёт естественного побуждения движения воздуха, который обычно проникает в помещение через специальные пазы (иногда через оконные проветриватели — клапаны приточной вентиляции) в окнах и удаляется пассивными вентиляционными системами, расположенными в кухнях и санузлах.

Так в энергоэффективном здании обязательным является использование системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией. Принципиальная схема вентиляции с рекуперацией довольно проста и представляет собой теплообменник, в котором, встречаются не перемешиваясь, два потока воздуха — вытяжной и приточный. Они обмениваются между собой тепловой энергией разности температур воздушных потоков. Так же удаляется влага из теплого воздуха, вследствие конденсации её на стенках теплообменника. При помощи рекуперации можно сохранить более 70% уходящего тепла.

Все вышеуказанные мероприятия имеют место быть при рассмотрении вопросов энергоэффективности малоэтажных строений, так как многоэтажные строения уже сами по себе не являются энергоэффективными.

Список литературы:

1. В. Городов, В.Е. Губин, А.С. Матвеев. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. – 1-е изд. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 294 с.
2. Закон Республики Беларусь об энергосбережении от 8 января 2015 г. № 239-3. – Минск, 2015. – 14 с.
3. BP Statistical Review of World Energy 2019 | 68th edition. – Centre for Energy Economics Research and Policy, Heriot-Watt University, 2019. – 64 с.