Тема: Энергоэффективные здания как единая

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
(ВлГУ)
Институт инновационных технологий
Архитектурно-строительный факультет
Кафедра Строительных конструкций
РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ЗДАНИЙ
Презентации лекций
по дисциплине «Расчёт и проектирование энергоэффективных зданий» для
магистров ВлГУ,
Направление подготовки 270800.68 «Строительство»
Профиль подготовки «Проектирование, реконструкция и эксплуатация
энергоэффективных зданий»
Сергеев Михаил Сергеевич
Гоньшаков Александр Геннадьевич
Владимир – 2013 г.
Тема: Энергоэффективные здания: мировой и отечественный
опыт.
"Энергоэффективные здания" как новое направление
в экспериментальном строительстве появились после
мирового энергетического кризиса 1974 года. Они
явились
ответом
на
критику
специалистов
Международной энергетической конференции (МИРЭК)
ООН о том, что современные здания обладают
огромными резервами повышения их тепловой
эффективности, но исследователи недостаточно изучили
особенности формирования их теплового режима, а
проектировщики не умеют оптимизировать потоки тепла
и массы в ограждениях и зданий.
В том же докладе специалистов МИРЭК была
сформулирована главная идея экономии энергии:
энергоресурсы могут быть использованы более
эффективно путем применения мер, которые
осуществимы
технически,
обоснованы
экономически, а также приемлемы с экологической и
социальной точек зрения, то есть вызывает минимум
изменений привычного образа жизни.
Строительство энергоэффективных зданий в
разных точках планеты началось после
мирового энергетического кризиса 1974 года.
Вместе с тем проект первого высотного
энергоэффективного сооружения здания начал
претворяться в жизнь чуть раньше, в 1972 году,
в американском Манчестере.
Его авторы, архитекторы Эндрю и Николасом
Исаак «сдали в работу» проект здания
суммарной площадью 16350 кв.м. Оно имеет
семь этажей, на которых располагаются
офисные помещения плюс технический этаж.
Дополняет проект двухъярусный гараж.
Первое энергоэффективное
высотное здание (1972 год, США)
Энергозатраты на вентиляцию здания энергия компенсируются уменьшением
объема поступления наружного воздуха. Достигается это грамотной планировкой и
оптимизацией воздухораспределения, а также заменой внешнего воздуха очищенным
рециркуляционным.
Рекуператоры тепла позволяют уменьшить на 60-75% затраты энергии на охлаждение
и нагрев приточного воздуха. Система управления искусственным освещением,
регулирующая интенсивность света в зависимости от изменения уровня естественного
освещения, дает возможность экономить на электроэнергии.
Commerzbank (1997 год, Германия)
MAIN TOWER – во Франкфурте-на-Майне
(2000 год, Германия)
London City Hall (2002 год, Великобритания)
Самым
энергоэффективным
сверхвысотным
зданием
многие
специалисты
называют
309-метровую
башню Pearl River Tower, построенную 3 года
назад в Гуанчжоу. Здание имеет 71 этаж.
Показательно, что спроектировали его
американцы – инженеры из Skidmore,
Owings & Merrill.
Pearl River Tower – лидер по энергоэффективности
(2010 год, Китай)
Целью отечественного проекта энергоэффективного здания
было создание, апробация и последующее внедрение в жилищное
строительство города новейших технологий и оборудования,
обеспечивающих,
как
минимум,
двукратное
снижение
энергозатрат на эксплуатацию жилого фонда.
Для реализации проекта была выбрана типовая серия жилых
домов 111-355.МО, которая наиболее полно отвечает требованиям
энергоэффективности с точки зрения архитектурных и объемнопланировочных решений. Проект этой серии разработан 53-м
Центральным проектным институтом Министерства обороны
России и согласован в установленном порядке для массового
строительства на территории Российской Федерации.
Конкретный проект «Энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2»
был реализован в 1998-2002 гг.
Энергообеспечение здания осуществляется, как от внешних источников тепловой и
электрической энергии, так и от внутренних — тепловых насосов, использующих тепло
грунта и тепло удаляемого вентиляционного воздуха.
В настоящее время технологии, использующие тепловые насосы, применяются
практически во всех развитых странах мира. В рамках описываемого проекта, фактически
впервые в России была построена теплонасосная система горячего водоснабжения
многоэтажного дома.
Низкопотенциальным источником тепловой энергии для испарителей тепловых
насосов служит грунт поверхностных слоев Земли и тепло удаляемого вентиляционного
воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального
источника энергии тепла сточных вод, однако в данном проекте эта возможность не была
реализована.
Тема: Разработка строительных норм для зданий в
Российской Федерации.
 Разработка современных и эффективных строительных
норм для зданий на сегодняшний день является одной из
важнейших
задач,
способствующих
устойчивому
функционированию и развитию строительной отрасли в РФ.
В настоящее время ведутся работы на федеральном уровне
по формированию обязательных к применению Сводов
правил, СНиП и др. документов направленных на
энергосбережение и внедрение зеленых стандартов в
строительство. Вместе с тем одним из важнейших и
определяющих приоритетов данного направления является
создание Системы стандартизации на базе стандартов
Национального объединения строителей (НОСТРОЙ).
Данная Система создавалась в рамках реализации
положений федерального законодательства и ГОСТ Р 1.42004 «Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты
организаций. Общие положения».
Расчёт приведённого сопротивления теплопередачи:
По поручению Минрегиона России НОСТРОЙ совместно с
национальными объединениями изыскателей и проектировщиков
подготовил проект комплексной Программы гармонизации
российских и европейских нормативных документов в строительстве.
Программа разработана на основе европейского руководства L
«Внедрение и использование Еврокодов» и предусматривает
принятие европейских норм в качестве национальных стандартов и
сводов правил с национальными приложениями, проведение
адаптации (испытаний, сопоставительных исследований) принятых
решений, аттестацию программного обеспечения, сопоставительный
анализ результатов применения стандартов и затрат на
строительство, организацию обучения экспертов, персонала и
студентов вузов и т. д.
Программа в настоящее время активно реализуется при
координации и финансовой поддержке национальных объединений.
Тема: Классификация зданий по их уровню
энергопотребления.
 Старые здания (здания построенные до 1970-х годов) —требуют для своего
функционирования (отопления и охлаждения) около 300 кВт-час/м² в год. Этот
стандарт, к сожалению, до сих пор отвечает и обычному зданию, которое строится в
Украине.
 Новые здания (которые строились в Европе с 1970-х до 2002 года) — 150
кВтh/(м²a).
 Дома низкого потребления энергии (с 2002 года в Европе не разрешено
строительство домов с большим энергопотреблением!) — 60 кВт-час/м² в год.
 Пассивный дом (принят Закон, согласно которому с 2019 года в Европе нельзя
строить дома по стандартам ниже, чем пассивный дом) — 15 кВт-час/м² в год.
 Дом нулевой энергии (здание, архитектурно имеющее тот же стандарт, что и
пассивный дом, но инженерно оснащенное так, чтобы потреблять исключительно
только ту энергию, которую само и вырабатывает) — 0 кВт-час/м² в год.
 Дом плюс энергии (здание, которое с помощью установленного на нем
инженерного оборудования: солнечных батарей, коллекторов, тепловых насосов,
рекуператоров и т.п. вырабатывает больше энергии, чем само потребляет).
Тема: Стены для энергоэффективных зданий
Повышение теплозащитных свойств стеновых конструкций остается одной из
основных задач при создании энергоэффективных зданий. Можно выделить
различные способы повышения сопротивления теплопередаче современных
стеновых ограждений. Среди них: увеличение толщины однородных стеновых
конструкций, увеличение толщины теплоизоляции в составе многослойной
ограждающей конструкции, снижение насыпной плотности заполнителей,
используемых для изготовления стеновых блоков и панелей, использование в кладке
стен поризованных и крупнопористых мелкоштучных стеновых изделий с меньшим
объемным весом и другие.
Следует отметить, что некоторые недостатки стеновых конструкций являются
результатом не только непроработанных проектных решений, но и низкой
квалификации
рабочих,
случайного
брака
или
скрытых
дефектов
стройматериалов.
Тема: Стремление к энергоэкономичному дому.
Концепция пассивного дома очень хорошо подходит для применения в малозатратном строительстве.
По сравнению с другими концепциями по энергосбережению и использованию возобновляемых источников
энергии, для пассивного дома не требуются никакие дополнительные компоненты в здании, которые
вызывают дополнительные издержки. Компоненты пассивного дома, напротив, уже имеются в наличии в
каждом здании (например, крыша, стена, окно, фундаментная плита), и в сравнении с обычным
исполнением должно быть улучшено только их качество. Возникающие при этом дополнительные расходы
представляют собой разность затрат по отношению к конструктивному элементу, выполненному обычным
способом. Благодаря интеграции новых компонентов в конструкцию часто дополнительные расходы можно
считать весьма незначительными или даже свести до их нуля.
Тема: Конструирование без тепловых мостов.
Оболочки зданий состоят не только из
общепринятых конструкций (стена, крыша,
перекрытие), но и охватывают грани, углы,
стыки и места нарушения целостности
наружной теплоизоляционной оболочки
(вследствие
сквозного
прохождения,
например, трубопроводов, вентиляционных
каналов или элементов строительных
конструкций. Прим. перев.). Во всех этих
местах теплопотери, как правило, увеличены
по сравнению с обычными поверхностями.
Благодаря тщательному проектированию и
добросовестному выполнению возможно
довольно сильно сократить теплопотери,
возникающие из-за тепловых мостов.
«Конструирование без тепловых мостов» определяется следующим образом:
влияние, вызванное «тепловыми мостами», должно быть очень мало или равно
нулю. Тогда допустимо сначала совсем не включать в расчет эффект, вызванный
тепловыми мостами, и этим существенно упростить расчет.
Соблюдение четырех правил помогает снизить теплопотери,
возникающие из-за тепловых мостов.
Правило избегания
тепловых мостов
По
возможности
не
делать
отверстия
в
избежать
отверстий
в
теплоизоляционной оболочке.
Если
не
возможно
теплоизоляционном слое, то необходимо по возможности в
Правило прохождения
теплоизоляции
этом
месте
теплопередаче
максимально
в
слое
увеличить
сопротивление
теплоизоляции,
например,
использовать пористый бетон или древесину.
Правило примыкания (для
стыков)
Правило геометрии
Расположение
утеплителя
в
стыках
строительных
элементов должно быть без пустых пространств, т.е. стык
должен быть полностью изолирован.
Выбирать по возможности грани с тупыми углами (˃90˚)
Общие удельные теплопотери суммируются из обычных потерь через
поверхности наружной оболочки:
U · А = коэффициент теплопередачи • площадь
и потерь, учитывающих эффект тепловых мостов. Точечные образования
тепловых мостов тут, как правило, несущественны, поэтому они в дальнейшем
детально не рассматриваются.
Проверка определения «без тепловых мостов» сводилась бы всегда только к
необходимости подробно рассчитать все детали. Кроме того, это помогает создавать
упрощенные критерии для «конструирования без тепловых мостов». Первый шаг
заключается в том, что такие детали с самого начала необходимо классифицировать
как «без тепловых мостов», если выполняется условие:
Ψa ≤ 0,01 Вт/мК,
где ψa - это коэффициент, учитывающий теплопотери через линейные
тепловые мосты и относящийся к наружным размерам (здания, ограждающей
конструкции) это теплопотери, превышающие нормативные и приходящиеся на 1 м
длины при разности температур 1 кельвин (или ψa - это линейный коэффициент
теплопередачи). Коэффициенты ψa со значением меньше 0,01 Вт/мК всегда могут
приводить к определенным положительным приращениям, которые, разумеется,
можно считать «пренебрежимо малыми».
Тема: Герметичная оболочка здания.
Наружные оболочки зданий должны быть
воздухонепроницаемыми. Ядром проблемы
является
неправильное представление распространенное убеждение, что через
неплотности наружной оболочки здания (швы,
стыки, зазоры) можно гарантировать в
квартирах достаточную приточную и вытяжную
вентиляцию. Однако воздушный поток через
швы имеет веский недостаток: если через шов
снаружи вовнутрь легко проходит воздух, то изза напора ветра возможно попадание в
конструкцию атмосферных осадков. Если
воздушный поток проходит изнутри наружу, то
эти последствия уже катастрофичны. Теплый
влажный воздух помещения охлаждается,
проходя через шов; выходя наружу, он может
уже не содержать прежнего процента
влажности, так как в холодном воздухе
содержится небольшой процент водяного пара.
Лишняя влага конденсируется в шве, т.е.
конструкция насквозь пропитывается влагой.
Герметичность зданий легко
измерить. Для этого служит так
называемый «тест давлением». С
помощью
вентилятора,
установленного в проем наружной
двери или окна, создают во всем
здании определенное разрежение
(обычная
величина
разности
давлений составляет 50 Па) (рис. 9).
Измеряется
количество
воздуха,
проходящего
через
неплотности
внутрь
помещения,
когда
в
помещении создается пониженное
давление. Это количество определяет
утечку воздуха. Также расположение
мест утечек воздуха можно точно
определить с помощью осмотра
наружной оболочки в характерных
местах
(подверженных
воздухопроницанию. - Прим. перев.),
которые обнаруживаются благодаря
инфильтрации воздуха.
Тема: Правильная эксплуатация солнечного тепла.
Окна пассивных зданий работают как солнечные коллекторы - теплопоступления
от пассивного использования солнечной энергии вносят основной вклад в возмещение
теплопотерь.
Цель состоит не в том, чтобы любой ценой получить максимально возможное
количество солнечной энергии, а в большей степени в том, чтобы по возможности
сохранять на минимальном уровне недостающую потребность в энергии на отопление.
Если имеется здание, которое нуждается в совсем небольшом активном подтапливании
(безразлично, каким способом), тогда такое здание в Средней Европе вообще не нуждается в
потреблении тепла летом и в переходные периоды с марта по ноябрь. Основным периодом для
подтапливания являются зимние месяцы - декабрь, январь и февраль. Впрочем, построенные и
эксплуатируемые пассивные здания, кроме этих трех месяцев, фактически не нуждаются в
отоплении. К сожалению, солнечной энергии в этот зимний период для Средней Европы
недостаточно.
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ ДОМ GREEN BALANCE
На южной стороне дома – большие
площади
остекления
для
максимального
использования
солнечного тепла. Дом расположен в
северном
полушарии,
поэтому
значительная часть окон ориентирована
на юг. Солнечная энергия проникает
через ориентированное на солнце
остекление дома – прямой солнечный
обогрев, и поглощается поверхностями,
находящимися
внутри
теплоизолированной оболочки дома.
Эти нагретые поверхности вторично
излучают энергию в интерьер дома,
температура воздуха в нем повышается,
таким образом, результатом является
уловленная солнечная энергия.
В то время, когда часть теплоты используется немедленно, стены, полы, потолки и мебель запасают
избыточную теплоту, излучающуюся в пространство и ночью. Наклонное остекление улавливает
большее количество теплоты. Однако применение наклонного остекления может также привести к
перегреву в летнее время. Остекление южной стены под тупым углом к горизонту намного более
соответствует требованиям отопительной нагрузки. Оно эффективно зимой, когда солнце
находится низко над горизонтом, и позволяет уменьшить поступление солнечного тепла, когда
солнце находится вблизи зенита в летнее время.
Выбор оконных ограждений:
Пример монтажа
оконных блоков
Тройное
остекление
с
двумя
низкоэмиссионными покрытиями и заполнением
инертным газом – оптимальное качество для
перспективного строительства и модернизации.
Тема: Потребление электрической энергии для бытовых
нужд – резерв для повышения эффективности.
Если потребление энергии на отопление и на нагрев горячей
воды так сильно уменьшено, как в пассивном доме, то в этом
случае
счет
на
оплату
электроэнергии
составляет
значительную часть эксплуатационных затрат.
Электрическая энергия используется в домашнем хозяйстве для
многих целей: охлаждение, заморозка, стирка, мойка посуды,
связь, освещение и многое другое. Эта используемая техника
значительно облегчила нашу жизнь и сделала ее комфортнее.
По аналогии с отоплением помещений, для которых расход
энергии благодаря современной технике пассивного дома
можно свести почти к нулю, потребление электрической
энергии в домашнем хозяйстве также значительно сокращается
благодаря эффективным приборам.
Основная литература:
1. Вольфганг Ф. Основные положения по проектированию пассивных домов. - М: Издательство
Ассоциации строительных вузов. 2008 г. – 144 с. ISBN 978-5-93093-619-3.
2. Табунщиков Ю. А. Энергоэффективные здания / Ю. А. Табунщиков, Бродач М. М., Шилкин Н. В. – М.:
АВОК-ПРЕСС, 2003. – 200 с. ISBN 5-94533-007-08.
3. СНИП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»
4. Федеральный закон от 3 апреля 1996 г. №28-ФЗ "Об энергосбережении"
Дополнительная литература:
5. От энергоэффективных к жизнеудерживающим зданиям / Ю.А. Табунщиков Ю. А. // АВОК – 2003. – №
3. – С. 8.
6. Аверьянов В.К., Подолян Л.А., Тютюнников А.И., Зарецкий Р.Ю. Энергоэффективный дом. Первые
результаты эксплуатации и предложения по совершенствованию систем. Информ. бюлл.
«Теплоэнергоэффективные технологии» № 3, 2002
7. Ливчак В. И. Экспертиза энергоэффективности строительства зданий, журн. АВОК № 7, 2003
8. Положение № 7-2005 «Положение об экономическом стимулировании проектирования и
строительства энергоэффективных зданий и выпуска для них энергосберегающей продукции». Введено
в действие Департаментом градостроительной политики, развития и реконструкции города Москвы от
12 мая 2005 г. № 46.
Интернет-ресурсы:
9. http://minenergo.gov.ru - Министерство энергетики Российской Федерации.
10. http://gisee.ru - Государственная информационная система в области энергосбережения и
повышения энергетической эффективности.
11. http://www.energosovet.ru/ - электронный журнал по энергосбережению и энергоэффективности
«ЭНЕРГОСОВЕТ».
12. http://solex-un.ru - Тематическое Сообщество «Энергоэффективность и Энергосбережение».
13. http://www.energohelp.net - Энергоэффективная Россия.