Архітектура та будівництво

Сучасні архітектурні рішення

Від пасивного до енергоефективного будинку

Введення

Житлове будівництво - один з пріоритетів соціально-економічного розвитку Республіки Білорусь. Рішення задачі вдосконалення нормативної і технічної бази будівництва в напрямку зниження рівня енергопостачання будівель, які споживають в опалювальному періоді до 40% виробленої в країні теплової енергії, представляється абсолютно необхідним.

Від пасивного до енергоефективного будинкуРозрахунковий рівень тепловтрат багатоповерхових будинків старого житлового фонду складає 150-170 кВт • ч/м2 в рік, або середня потужність тепловтрат в опалювальному сезоні - 31-35 Вт/м2. За чинним нормативам [1] в нових багатоповерхових житлових будинках ці показники рівні відповідно 85-110 кВт • ч/м2
в рік і 17,6-22,8 Вт/м2. В [2] наведені результати вимірювання витрат енергії на опалення багатоповерхових житлових будинків різних років споруди в опалювальному сезоні 2006-2007 рр.. У будинках старого житлового фонду питомий теплопостачання за показаннями групових лічильників тепла склало 110 кВт • ч/м2
в рік, або середня потужність тепловтрат протягом опалювального сезону - 22 Вт/м2, в нових - 80 кВт • ч/м2 в рік і 16 Вт/м2.

У Західній Європі в даний час активно розвивається будівництво пасивних будинків [3] з заданим рівнем теплопостачання 15 і менше кВт • ч/м2 в рік. І ця тенденція просувається на територію СНД.

Постає питання про доцільність та економічної виправданості зведення пасивних будинків в кліматичних і урбаністскіх умовах країн Співдружності. Можливою альтернативою, на наш погляд, може стати будівництво енергоефективних будинків [4].

Пасивний будинок: визначення та основні принципи будівництва

Слід ще раз уточнити поняття "пасивний будинок" і той зміст, що вкладається в поняття "енергоефективний будинок".

Пасивний будинок - будівля, рівень теплових втрат якого такий низький, що можна виключити систему опалення, об'єднати її з системою вентиляції [3]. Oтлічітельние особливості пасивних будинків:

    рівень споживання енергії на опалення менше 15 кВт • ч/м2 в рік; теплозахисні властивості оболонки будівлі, причому рівномірно утепленій, з опором теплопередачі не менше 10 м2 • ° С / Вт; примусова приточно-витяжна вентиляція з рекуперацією тепла вентиляційних викидів; проектування без містків холоду; герметична оболонка будівлі; теплозахисні властивості вікон з опором теплопередачі не менше 1,2 м2 • ° С / Вт

Цільовим є показник споживання теплової енергії на опалення 15 кВт • ч/м2 в рік. Інші вимоги скоріше можна назвати засобом для досягнення поставленої мети.

Від пасивного до енергоефективного будинкуРозглянемо історію появи цільового показника. В [5] вперше наведені графіки (рис. 1), з яких випливає обгрунтування даної цифри. При зниженні споживання теплової енергії на опалення знижується її вартість, що показано лінійною залежністю. Різниця витрат на заходи щодо економії теплової енергії та вартістю зекономленої енергії представлені на другому графіку. Мінімум цієї функції відповідає питомій споживання тепла на опалення, рівному 30 кВт • ч/м2 в рік. При значенні цієї величини, що дорівнює 15 кВт • ч/м2 в рік, можна поєднати систему вентиляції з повітряним опаленням будівлі, що призводить до стрибкоподібного зниження витрат.

На графіку відображено умовний рівень витрат в залежності від споживання теплової енергії на цілі опалення.

Для конкретних кліматичних умов м. Дармштадт (Німеччина), рівня повітрообміну (1 1 / ч для житлової площі) розраховано, що для повітря (в якості теплоносія) з температурою 50 ° С прийнята кратність повітрообміну забезпечує опалення будинку на рівні 15 кВт • год / м2 в рік. Звідси випливає, що при даній сукупності факторів теплопостачання пасивного будинку не повинно перевищувати зазначену величину, яка є пороговою для визначення пасивного будинку.

Розглянемо можливості застосування повітряного опалення в квартирах багатоповерхових будинків у кліматичній середовищі м. Мінська. В якості умови можливості використання повітряного опалення запишемо наступне:

Qот. = V0ρc (Тт-ТВН) / (S • 3600), (1)

де Qот. - Максимальна питома потужність системи опалення в опалювальному сезоні, Вт/м2;

V0 - нормативне значення повітрообміну, м3 / ч;

ρ - щільність повітря, кг/м3; c - теплоємність повітря, Дж / (кг • град);

Тт і ТВН - максимальна температура повітря, що подається з системи повітряного опалення в квартиру, і нормативна температура повітря в квартирі, ° С;

S - площа квартири, м2.

У таблиці наведені вихідні дані для розрахунку за формулою (1), узяті з [6, 7], і результати розрахунків порогових значень питомого споживання теплової енергії на опалення для пасивного будинку в конкретних умовах Білорусі в разі багатоповерхових будівель з газовими плитами для приготування їжі. Розглянуто три типи квартир, оскільки повітрообмін в них визначається необхідним обсягом видаляється з квартири повітря [7] (90 м3 / ч для кухні та по 25 м3 / ч для туалету та ванної кімнати).

Як випливає з таблиці, вибране як характеристики пасивного будинку в [5] значення питомого споживання енергії, рівне 15 кВт • ч/м2 в рік, носить випадковий характер. Значить, під визначення "пасивний багатоповерховий будинок" підходить будівля з рівнем теплових втрат менше 40 кВт • ч/м2 в рік.

До якого ж рівня втрат тепла в будівлях слід прагнути і чи є необхідним перехід до повітряного опалення, який можливий і при більш високих показниках тепловитрат на опалення?

У цьому випадку можна зберегти кратність повітрообміну з навколишнім середовищем, необхідну для забезпечення нормованої якості повітряного середовища, а при необхідності збільшення кратності повітрообміну в системі повітряного опалення понад цієї величини використовувати часткову рециркуляцію повітря в системі повітряного опалення в межах однієї квартири.

Перехід до повітряного опалення будівель дозволяє прибрати з квартири прилади системи водяного опалення та натомість встановити канальний нагрівач повітря, що представляє собою теплообмінник вода / повітря. Його вартість може виявитися не менше сумарної вартості опалювальних приладів водяного опалення. До того ж настройка і балансування повітряного опалення досить складна, так як в кожну житлову квартиру повітря слід подавати не пропорційно її площі, а у відповідності з рівнем теплових втрат, на які суттєво впливає положення приміщення в будівлі [4]. Виникають складнощі і при управлінні тепловим режимом приміщень. Вони обумовлені можливим суперечністю між повітрообміном для дихання і повітрообміном для компенсації тепловтрат. Якщо в кімнаті зібралося кілька людей, об'єм повітря в ній повинен бути збільшений. Але збільшиться і рівень тепловиділень, що веде до зниження подачі теплоносія в кімнату.

На наш погляд, більш прийнятно використання водяної системи опалення стандартного типу або системи підлогового опалення, доцільність застосування якої зростає в міру збільшення енергоефективності будівель.

Таким чином, немає причин для доведення рівня теплопостачання будівлі до 15 кВт • ч/м2 в рік, як випливає з [3] для пасивного будинку. Тим не менш системний підхід до зниження енергоспоживання на опалення, вироблений при проектуванні пасивних будинків, показав свою ефективність і є відправною точкою при вирішенні завдань економії енергії.

Енергоефективні будівлі

Слід зазначити, що графік на рис. 1 не зовсім точний, оскільки в ньому відсутня стрибкоподібне збільшення витрат у зв'язку з появою системи припливно-витяжної вентиляції з рекуперацією тепла вентиляційних викидів.

Графік на рис. 2 більш достовірно відображає зміну інвестицій при поступовому зниженні витрат теплової енергії на опалення, достигаемом за рахунок збільшення опору теплопередачі огороджувальних конструкцій. На певному етапі, відповідному на графіку значенням R = 4 м2 • ° С / Вт, з метою зниження рівня тепловтрат переходять від системи з вільним повітрообміном (з чим, як відомо, пов'язано до 50% тепловтрат) до примусової припливно-витяжної вентиляції з рекуперацією тепла вентиляційних викидів, що призводить до стрибкоподібного зниження споживання теплової енергії в будівлі на 40-45 кВт • ч/м2 в рік. У цьому випадку також різко збільшуються і інвестиції в енергозбереження, оскільки в квартирах з'являється нова інженерна система.

Вплив зміни теплозахисту будівель на рівень теплопостачання не залежить від наявності чи відсутності системи утилізації тепла вентиляційних викидів. При визначенні доцільного рівня тепловтрат слід виходити з оптимального рівня теплозахисту будівлі, тобто економічно доцільного опору теплопередачі огороджувальних конструкцій [8, 9].

В залежності від вартості теплової енергії і утеплювальних матеріалів можна розрахувати оптимальну для сформованих умов величину опору теплопередачі. В якості критерію оптимальності можна прийняти суму чистого прибутку, отриманого при експлуатації системи теплоізоляції протягом терміну її життя за рахунок економії теплової енергії [8]. Розраховане таким чином оптимальне опір теплопередачі при використанні, наприклад, пінополістиролу протягом 25 років не перевищує в даний момент 5 м2 • ° C / Вт

З цієї точки зору енергоефективним назвемо будівля, в якій крім високої компактності і оптимального утеплення використовується енергія тепла вентиляційних викидів, яка повертається в приміщення шляхом утилізації.

Споживання теплової енергії на опалення для квартир пасивного будинку

Вихідні дані

V0 = 140 м3 / ч; Тт = 45 ° С; ТВН = 18 ° С; tмін = -25 ° С; Tср = -0,9 ° С;

Тип квартири

1-кімн., 45 м2

2-кімн., 60 м2

3-кімн., 80 м2

Qот, Вт

15,8

21

26

qср, Вт

7,2

9,6

12,8

Q, кВт • ч/м2 в рік

62

46

35

qср - середня за опалювальний сезон потужність системи опалення, Вт;
Q - середнє питоме споживання тепла для опалення, кВт • ч/м2 в рік;
Tмін = -25 ° С - температура холодної п'ятиденки для Мінська [6];
Tср = -0,9 ° С - середня за опалювальний сезон температура в Мінську [6].

Від пасивного до енергоефективного будинкуРозглянемо необхідний рівень питомої теплопостачання будівлі з примусовою припливно-витяжною вентиляцією і рекуперацією тепла минає з приміщень повітря. Для розрахунків приймемо рівень залишкового вільного повітрообміну в будівлі 10% від нормативного і коефіцієнт корисної дії системи рекуперації тепла 90%. Рівень внутрішніх та побутових тепловиділень - 4 Вт/м2, що менше середнього рівня фактичних тепловиділень, визначеного в [2] і відповідає наявності однієї людини на 20 м2 опалювальної площі.

Як показують результати розрахунків (рис. 3), для будівель з високою компактністю при наявності системи припливно-витяжної вентиляції з рекуперацією тепла минає повітря та оптимальному на даний момент значенні опору теплопередачі огороджувальних конструкцій 3,5 м2 • ° С / Вт досягається рівень теплопостачання Q > 15 кВт • ч/м2 в рік. При Rogr = 5 м2 • град / Вт можна встановлювати віконні конструкції, що відповідають чинним в даний час нормативам - з опором теплопередачі Rost = 0,6 м2 • град / Вт

У той же час розрахунки показують, що для будівель з малою компактністю навіть опір теплопередачі огороджувальних конструкцій 10 м2 • град / Вт при використанні віконних конструкцій з опором теплопередачі 1,2 м2 • град / Вт дозволяє отримати рівень питомої середньорічного теплопостачання не менше 30 кВт • ч/м2 в рік.

Таким чином, енергоефективність передбачає різні нормативи тепловтрат в залежності від компактності будівлі. Можна назвати енергоефективним будівля з опором теплопередачі огороджувальних конструкцій нижче або рівним економічно доцільному для періоду будівництва при використанні системи припливно-витяжної вентиляції з рекуперацією тепла минає з приміщень повітря. Це дасть критерій для рівня енерговитрат енергоефективного будівлі з малою компактністю (S / V = 0,7-1,2) - 40-90 кВт • ч/м2, а для компактних будівель (S / V> 0,7) - 40 кВт • ч/м2 в рік. У міру збільшення вартості енергоресурсів поняття енергоефективного будівлі буде змінюватися в бік зменшення питомих тепловтрат, тому економічно доцільне опір тепловтрат буде рости. В ідеалі енергоефективність будівлі повинна забезпечити можливість існування протягом опалювального сезону без витрат енергії на опалення.

Література

1. ТКП 45-2.04-43-2006 Будівельна теплотехніка. Будівельні норми проектування. - Мінськ, 2006 р.

2. Данилевський, Л. М., Жило, А. Н., Москалик, Б. Ф. Фактичні енергетичні характеристики житлових будинків / / Будівельна наука і техніка. - 2008. - C. 22-29.

3. Feist, W. Gestaltungsgrundlagen Passivhäuser Verlag das Beispiel GmBH. - 2001. - 132 s.

4. Данилевський, Л. М. Особливості проектування огороджуючих конструкцій та тривалість опалювального періоду енергоефективних будівель / / Будівельна наука і техніка. - 2008. - № 1. - С. 35-42.

5. Feist, W. Passivhäuser - Behandlichkeit ohne Heizung. - 1. Passivhaustagung. - 22-23, November, 1996. - Passivhausinstitut, s. 29-40.

6. СНБ 2.04.02-2000 Будівельна кліматологія. - Мінськ, 2000 р.

7. СНБ 4.02.01-03 Опалення, вентиляція та кондиціонування повітря. - Мінськ, 2004 р.

8. Дмитрієв, А. М., Табунщик, Ю. А., Ковальов, І. Н., Шилкін, Н. В. Керівництво по оцінці економічної ефективності інвестицій в енергозберігаючі заходи. Технічна бібліотека НП АВОК. - М.: "АВОК-ПРЕС", 2005 р.

9. Данилевський, Л. М. Методика розрахунку економічної доцільності енергоефективних заходів / / Будівельна наука і техніка. - 2009. - № 6. - С. 12-17.