Энергосберегающие здания

Введение

 
Энергопассивными называются здания, которые позволяют обеспечить комфортабельные условия проживания без необходимости применения обычной системы отопления. Для этого необходимо, чтобы ежегодное потребление здания для отопления помещений

не превышало 15 кВт /час  в расчете на квадратный метр жилой  площади за год.  Потери тепла настолько малы, что подобным домам необходимо в пять раз меньше энергии, чем для отопления новых зданий, построенных по традиционным стандартам. Энергопассивные дома имеют близкое к нулю потребление внешнего тепла, т. к. для обеспечения комфортной температуры в течение отопительного сезона достаточно поступления солнечной радиации через окна, а также теплового излучения от бытовых приборов и людей. В этом состоит основная идея энергопассивного дома, помимо этого, с помощью энергосберегающих технологий стремятся привести к минимуму не только потребление тепла, но и электроэнергии для бытовых приборов.  

1. Энергосберегающие здания

Энергосберегающим называют такое здание, в котором используются проектные и технические решения, позволяющие эксплуатировать его с малым расходом энергии, сохраняя при этом комфортные санитарно-гигиенические условия.

Преимущества  энергосберегающих зданий

·малый расход энергии  обеспечивает низкую стоимость эксплуатации дома;

·повышенный комфорт - теплый и здоровый микроклимат помещения;

·более высокая рыночная стоимость здания;

А энергетическая экономность  здания, в свою очередь, полезна для  общества и экономики, так как  влияет на уменьшение загрязнения окружающей среды, экономию натуральных ресурсов, и уменьшает зависимость от импорта  энергоносителей.

Поиск и поставка энергоносителей, а также их преобразование в энергию, приводят к загрязнению и уничтожению  окружающей среды (двуокись углерода и другие газы, пыль, жидкие выбросы, заражение воды), таким образом, чем меньше расход энергии, тем меньше загрязнение. Однако для нужд защиты окружающей среды не достаточно только энергосбережения. Отсюда стремление, чтобы энергосберегающее здание было также и экологическим, в котором используются материалы, безопасные для здоровья людей и не оказывающие пагубное влияние на окружающую среду.

Энергетические свойства здания оценивают на основании средней величины годового расхода энергии в конкретном здании, приходящегося на 1 м2 полезной площади. Для проектируемого здания данную величину можно рассчитать, основываясь на данные проекта, а для построенного здания - измерить фактически.

Чтобы здание могло называться энергосберегающим, необходимы следующие важные строительные решения:

·расположение здания с учетом профиля местности, солнечного освещения, направления ветра, "зеленого щита" и.т.д;

·форма здания максимально  сжатая, без выступов и сбросов, помещения  с большими окнами на южной стороне, маленькие окна или их отсутствие на северной стороне, буферные тепловые зоны (теплицы, предбанники, солнечные окна);

·наружные ограждения, как  стены, крыша, с хорошей термоизоляцией, герметичны, с минимальным количеством термических утечек;

·наружные окна и двери  с высокой термической изолированностью и повышенной герметичностью;

·ночная изоляция окон;

·балконы специальной  конструкции, ограничивающей до минимума термические утечки;

·автоматическая вентиляция с рекуперацией тепла;

·система отопления и  горячего водоснабжения с высоким  КПД;

·возможное использование  солнечных коллекторов для нагрева  бытовой горячей воды.

Тепловая защита здания. Тепловая изоляция.

Существует множество  различных теплоизоляционных материалов, которые можно использовать для  изоляции наружных ограждений здания, однако, для каждого конкретного  случая необходимо выбирать соответствующий  материал нужной толщины. И помимо стоимости, при выборе изоляционного материала необходимо принимать во внимание следующие свойства:

·теплопроводность;

·диффузия (проницаемость) водных паров;

·прочность (способность  выдерживать нагрузку);

Толщина слоя тепловой изоляции зависит исключительно от качества материала, и наиболее общие указания для энергосберегающего дома приведены в таблице:

Изоляция будет надежной при условии использования полной системы продуктов одного производителя, по сравнению с комбинацией разных систем и решений.

Тепловая утечка

Причиной тепловой утечки является недостаточная, плохо выполненная  или вообще отсутствие изоляции в  конкретном месте. А также, среди  причин такого явления можно выделить геометрический профиль здания, например, наличие множества углов или изломов.

Термическая утечка - это  слабые места наружного ограждения (стены, крыша и.т.д), в которых теплопотеря больше по сравнению с остальной частью хорошо изолированного ограждения. Тепловая утечка провоцирует повышение расхода тепла на отопление здания, тем самым увеличивая стоимость его эксплуатации.

При наличии такого явления, внутренняя поверхность наружного  ограждения (стены, перекрытия, полы)имеет более низкую температуру по сравнению с остальной частью того же ограждения, что может быть причиной возникновения пятен, увлажнения. Плесени и даже грибка, что в свою очередь может привести к возникновению трещин и осыпанию штукатурки. Поэтому, при проектировании и строительстве каждого здания, а в частности энергосберегающего, нужно использовать такие решения, которые позволят не допустить тепловую утечку.

Места, в которых  чаще всего возникает теплопотеря:

·место соединения отдельных  частей здания, например, стена с  перекрытием, стена с крышей;

·углы здания, где на небольшую  внутреннюю поверхность приходится большая наружная поверхность;

·зона соединения окон и  дверей с окружающей стеной, а именно перемычка над окном или дверью;

·балконы, где традиционное конструкционное решение, в котором  ж/б балконная плита является продолжением перекрытия над ярусом, выполненное ниже балкона, приводит к прерыванию изоляции в месте расположения балконной плиты.

Герметичность здания

Энергосберегающее здание должно иметь не только хорошую изоляцию, а и герметичные наружные ограждения. Герметичность здания - необходимый  элемент для ограничения потерь ценного тепла, а также для  создания условий, в которых обмен вентиляционного воздуха будет отрегулирован.

Свежий воздух должен попадать в помещения путем соответствующих  приборов (воздухозаборников или приточных решеток с регуляцией забора), в то время как неконтролируемый приток воздуха сквозь щели в окнах, дверях, стенах и т.д. должен быть сведен к минимуму. Выполнение герметичного здания требует использования соответствующих проектных решений во всех местах с риском возникновения неплотных соединений конструкций. энергосберегающий здание общежитие гелиокомплекс.

В наружных стенах особенно тщательно должны быть выполнены  соединения с наружными окнами и дверями, а также с перекрытиями и крышей. Нежелательные трещины могут возникать в стенах, если раствор, соединяющий керамические или бетонные элементы, не будет плотно заполнять швы. Очень важно выполнить герметично все проходы сквозь наружные ограждения элементов электрических, телефонных или телевизионных систем.

Технические решения. Расположение и профиль здания.

Потребность в энергии  для отопления и вентиляции здания в значительной степени зависит  от его расположения на участке, формы  и внутренней планировки. Благодаря хорошему расположению и профилю можно уменьшить расход энергии даже на несколько десятков процентов.

Расположение здания должно по возможности учитывать натуральные  ограждения (неровности грунта, соседние здания, высокие деревья), защищающие от ветра, дующего в доминирующем направлении, а также максимально использовать энергию солнца.

Форма здания должна быть открытой, без изломов, больших выступов и  ниш. Выгодной является форма с наименьшей площадью наружных ограждений (стен, крыши, пола на грунте), тогда и теплопотери будут минимальны.

Большие окна с южной стороны - это основа, которой должна подчиняться  планировка внутренних помещений здания. С южной стороны должен располагаться зал с большими окнами, а с северной стороны - подсобные помещения (ванная, кладовая, вход в здание), в которых окна маленькие или вообще отсутствуют.

Такое размещение окон позволяет  по максимуму использовать тепло  в виде солнечного излучения, что  уменьшает потребность в энергии  для отопления здания, а также  позволяет лучше использовать натуральное  освещение в помещениях. А для установки солнечного коллектора лучше всего подойдет место с ориентацией кровельного ската на юг.

Остекленный предбанник, зимняя оранжерея, или иные помещения, пристроенные к зданию, желательно использовать как проходные зоны, дополнительно теплоизолирующие и уменьшающие потребность в тепле для отопления.

Остекленные пространства и оранжереи.

В современных жилых зданиях  используются остекленные пространства различного функционального назначения, например, зимние оранжереи. Эти пространства используются для уменьшения расхода энергии и обеспечивают жильцам доступ к дневному свету, солнцу, а также служат великолепным местом отдыха.

Пространство, ограниченное остекленными ограждениями, требует  в летний период соответствующей  системы охлаждения, а в зимний период - эффективной системы использования и сдерживания притока тепла. Более того, такие пространства требуют соответствующей вентиляции и системы защиты от слишком яркого солнечного излучения.

В энергосберегающих объектах остекленное пространство выполняет  функцию буфера, который либо задерживает тепло и передает его внутрь здания ночью, либо охлаждает помещения летом. Несущая конструкция остекленных ограждений должна быть запроектирована так, чтобы были соблюдены все требования в части прочности конструкции, связанные с давлением снега, ветра и возможностью консервации и ремонта. Данные требования выражаются с помощью показателя максимально допустимого прогиба конструкции крыши или подпор.

Прозрачные элементы - это  чаще всего стекло с разными свойствами, а также широкая гамма искусственных  материалов, среди которых наиболее популярны полиэстры и полимеры. Стеклянные композиции должны характеризоваться соответствующей жесткостью, обеспечивать безопасный вход и быть стойкими к воздействию атмосферных явлений, как ветер, дождь, снег, град. Чаще всего в этих целях используется закаленное или безопасное стекло.

Конструкция оранжереи может  быть холодной (чугунная, стальная, алюминиевая), для неотапливаемых пространств, или теплая (алюминиевая, заполненная изоляционным материалом, пластиковая, деревянная) - для отапливаемых пространств. Какую конструкцию использовать зависит от планируемой функции остекленного пространства.

Наружные стены.

Наружные стены защищают внутренние помещения здания от потерь тепла. Однако, часть тепла все-таки проникает сквозь стены. Поэтому, они должны иметь хорошие термоизоляционные свойства, с минимальным показателем теплообмена.

Применяется два вида конструкции  стен: однослойные и многослойные.

В однослойной стене используется один строительный материал, который  выполняет конструкционную функцию  при сохранении тепловой изолированности стены на требуемом уровне. Ранее, наиболее популярным материалом для однослойной стены был керамический кирпич, а в настоящий момент, учитывая более высокие требования к термической изоляции, блоки ячеистого бетона или пористая керамика.

В многослойной стене, как  правило, присутствуют слои, выполненные  из 2 или 3 различных материалов, каждый из которых выполняет свою функцию. Несущий слой - внутренний, подверженный повышенной нагрузке, выполняется из материала с высокой прочностью (бетон, керамический или силикатный кирпич). Следующий слой - термоизоляционный материал (пенопласт, минеральная вата). И фасадный или наружный слой защищает стену от внешнего воздействия.

Окна.

Остекление окон в настоящее  время - это сложенные вместе 2 или 3 стекла, которые фабрично склеиваются, оставляя между собой тонкую полость, заполненную сухим воздухом или специальным газом, изолирующим лучше, чем воздух.

Для тепловой защиты зданий используется стекло со специальным  покрытием, которое пропускает солнечное излучение внутрь здания, но задерживает тепловое излучение от стен. Таким образом, значительная часть тепла задерживается внутри дома.

Стандартное окно с двумя  стеклами имеет показатель U от 1.0 до 1.1 Вт/(м2*К), в то время как трехстекольное окно со специальным покрытием и заполненным газом межстекольным пространством, имеет значение U от 0.5 до 0.6 Вт/(м2*К).

Показатель U для оконных  рам имеет обычные показатели 1.2-1.6 Вт/(м2*К), но в специальном исполнении может достичь величины 0.7! Ведь для жильца важна величина U для всего окна (остекление+рама). Окно с тройным спаренным переплетом и специальным покрытием, в энергосберегающей раме, достигает ранее недостижимого показателя U 1.1 Вт/(м2*К).

Важным свойством окна также есть его герметичность. Особенно в энергосберегающих зданиях, где забор воздуха регулируется посредством аэраторов или воздухозаборников. Аэратор, установленный в верхней части окна, обеспечивает постоянное движение воздуха, например, уменьшает приток в случае отсутствия жильцов, или же ночью. Автоматическую регуляцию величины забора обеспечивает датчик, реагирующий на уровень влажности воздуха.

С возрастанием влажности (присутствия  людей, приготовления еды) аэратор  открывается больше, увеличивая приток воздуха. Такое регулирование воздухозабора позволяет получить энергетическую экономию без ухудшения санитарно-гигиенических условий в помещениях.

Жалюзи и ставни.

Наиболее низкая температура  снаружи здания наблюдается ночью, когда окна в качестве источника света нам не нужны. Тем не менее, можно ограничить теплопотери, используя на окнах дополнительную изоляцию только ночью в виде ставень, жалюзи и роллет.

Ставни после закрытия должны создавать герметичное ограждение, чтобы даже при сильном порыве ветра не пропускали холодный воздух. Хорошая изоляция наружных ставней  осуществляется при помощи двух слоев  деревянных дощечек, между которыми есть слой пенопласта или минеральной ваты.

Более удобными в обслуживании по сравнению с наружными ставнями являются наружные жалюзи, которые могут быть выполнены из алюминиевых, пластиковых или деревянных реек. Жалюзи собираются в рулон, помещаются в специальный корпус над окном. Такие жалюзи уменьшают теплопотери ночью до 40%, более того, защищают от шума.

Балконы и террасы.

Балконная плита традиционно  является продолжением плиты перекрытия, что приводит к разрыву изоляционного  слоя наружной стены. Возникает, таким образом, тепловая утечка. А такие решения неприемлемы для энергосберегающего дома.

Наилучшим решением будет  балкон, установленный на собственной  конструкции (столбах или подкосах), соединенный с конструкцией здания только единичными прутьями арматуры, размещенными в нескольких точках. Также, верным решением будет использование специальных элементов, состоящих из наружных скрепляющих стальных частей и соединяющих балконную плиту с плитой перекрытия.

Также как и балконную  плиту, необходимо хорошо изолировать  плиты террас, причем нужно стремиться к тому, чтобы плита террасы не соединялась с плитой перекрытия, и не возникали лазейки утечки тепла здания. И очень важным моментом является правильное отведение сточных вод с террасы.

 
 2. Примеры энергосберегающих зданий в мире

 
Как ни странно, лидером в практическом внедрении автономных домов, впрочем, как в последнее время и  во многих других отраслях, требующих  сбережения энергоресурсов, является Китай, активно привлекающий западных специалистов и западные технологии. До последнего времени именно КНР являлась одним из крупнейших мировых загрязнителей атмосферы, и именно от её решений по сохранению мировой энергии в большой степени зависит будущее планеты."Нулевой" дом в современной терминологии - это такое здание, которое благодаря новым технологиям может самостоятельно вырабатывать тепло и электричество для нужд его обитателей. Такие дома должны быть полностью независимы от внешних тепло- и электросетей. Это может достигаться за счёт использования солнечных панелей для сбора энергии, правильной организации воздуховодов для экономии на обогреве и кондиционировании, биореакторов, которые умеют получать энергию из органических отходов, и систем сбора дождевой воды, для того чтобы в дальнейшем её можно было использовать для потребления жильцами.

Один из реальных проектов такого рода - открытый в Нинбо ещё в сентябре 2008 года Центр энергетических технологий китайского филиала Ноттингемского университета, здание которого спроектировано итальянскими специалистами из компании Mario Cucinella Architects. В здании размещаются офисы, выставочный зал, лаборатории, стенды для испытания фасадов, климатическая камера и аэродинамическая труба. Общая площадь сооружения - 1300 кв.м. Всего в нём шесть этажей: пять наземных и один под землёй. Освещается здание исключительно за счёт фотоэлектрических элементов и ветряков. Когда есть солнце или ветер, здание накапливает энергию и сохраняет её в специальных аккумуляторах. Полностью заряженные батареи способны обслуживать дом холодным воздухом и светом на протяжении двух недель - срок, более чем достаточный для периода хмурого безветрия. В Нинбо, расположенном в 200 км от Шанхая, по преимуществу тепло круглый год, но на собственное охлаждение в здании Центра тратится всего 7-8 кВтч в год на каждый метр площади. Если бы не все эти инновационные технологии, то для обслуживания здания в год уходило бы примерно 450 тонн угля, а выбросы в атмосферу углерода составили бы 1081 тонну.

Крупнейшим автономным домом  в мире может стать "Башня Жемчужной  реки" в Гуанчжоу. Её строительством занимается американская компания Skidmore, Owings and Merrill. Башня будет иметь 69 этажей общим "ростом" в 300 м. Как и следует настоящему "нулевому" дому, она не будет подключена к внешним источникам электроэнергии. Характерная особенность этой постройки - наличие двойного остекления с вентиляцией между двумя слоями стекла. Подобная конструкция позволит снизить издержки на кондиционирование помещения. Кроме того, в нём будут автоматические жалюзи, которые будут самостоятельно менять угол раскрытия в зависимости от положения солнца. Будет у здания и хорошая солнечная электростанция, энергия из которой будет тратиться не только на освещение, но и на подогрев воды. Башня будет собирать дождевую воду и очищать её, обеспечивая себя по крайней мере технической водой для канализации и прочих нужд. Будут в башне и ветряные турбины для производства электроэнергии. Собственно, не в одном Китае сегодня озабочены энергопотреблением жилых и служебных домов. Не так давно власти Минска объявили о вводе в эксплуатацию многоэтажного "энергосберегающего дома". В нём девять этажей, и с виду это обычное панельное здание с площадью около 10 тыс. кв.м. Однако это не совсем обычный дом: на его крыше установлены солнечные батареи. Получаемого ими электричества, по расчётам проектировщиков, достаточно для освещения подъездов и фасада здания. При этом использоваться будут только энергосберегающие лампы. В каждом подъезде установлено по 60 энергосберегающих ламп мощностью 3,3 Вт. Есть в доме и умная система контроля за освещённостью: если в светлое время суток света в подъезде хватает, лампочки будут выключаться. Кроме того, дом оборудован специально приточно-вытяжной системой вентиляции, которая позволит дому лучше сохранять тепло, а значит, меньше тратить на его обогрев. По оценкам, инвестиции в энергосберегающие технологии должны будут окупиться уже через шесть лет. Если эксперимент окажется удачным, городские власти Минска не будут ограничиваться одним-единственным домом.

Вывод 
 
 Свести потери энергии к минимуму позволяют следующие меры:

- мощное утепление. Для  кровли и стен коэффициент  теплового сопротивления должен составлять не менее R40 и R60;

- тщательная герметизация  примыканий стен и крыши, фундаментов  и т. д.

- герметизация проемов  вокруг окон и дверей;

- установка систем вентиляции, оснащенных оборудованием для  рекуперации тепла;

- ориентация окон и  дверей на солнечную сторону. 

Технология «пассивного  дома» предусматривает эффективную  теплоизоляцию всех ограждающих поверхностей – не только стен, но и пола, потолка, чердака, подвала и фундамента. Традиционно считается, что монтаж теплоизоляции должен производиться предпочтительно снаружи.

В энергопассивном доме формируется несколько слоев теплоизоляции – внутренняя и внешняя. Это позволяет одновременно не выпускать тепло из дома и не впускать холод внутрь его. Также производится тщательное устранение «мостиков холода» в ограждающих конструкциях. В результате, добиваются ощутимого снижения теплопотерь. В энергопассивных домах с одного квадратного метра отапливаемой площади в год теряется энергии практически в  20 раз ниже, чем в обычных зданиях. 

Для повышения теплового  сопротивления, внутрь стеклопакетов  закачивают газы, имеющие низкую теплопроводность; особым образом обрабатываются стекла, применяется специальная конструкция примыкания окон к стенам. Иногда для дополнительной теплоизоляции на окнах устанавливают ставни, жалюзи или шторки. 

В энергоэффективных зданиях используется ориентация в сторону максимума солнечного излучения, с использованием такого приема в помещениях остается больше тепла, чем теряется. 

Для сохранения тепла в  энергопассивных домах используется специальная система вентиляции с рекуперацией тепла.