Решение для холодов. Ученые обсуждают технологии энергоэффективного строительства

Тарифы на энергоносители растут как в Европе, так и России. Именно поэтому ученые многих стран пытаются найти технологические и другие решения, которые позволяют снизить теплопотери жилых домов и, как следствие, затраты на их содержание. О том, какой опыт в этих вопросах имеется в России и Германии, шла речь на российско-германском симпозиуме, организаторами которого выступили НИИ строительной физики (НИИСФ), МГСУ и Центр по энергоэффективности и устойчивости зданий Германии.

Немного истории и теории

Как известно, климат в России более суровый, чем в среднем в Европе. Территории вечной мерзлоты в России составляют 65% всей площади, а температуры января падают кое-где до – 50⁰С. При этом большая часть населения России проживает в городах на Урале и в Сибири, где расположены основные месторождения нефти, запасы газа и руд. Именно поэтому условия и правила строительства в России и Западной Европе резко отличаются, напомнил заведующий лабораторией НИИСФ РААСН, зав. кафедрой «Отопление и вентиляция» МГСУ Владимир Гагарин. По этой же причине в России всегда обращали внимание на нормирование теплопотерь зданий и энергосбережение. Так, первые нормы появились еще в Советской России в 1939 г.

В настоящее время основным документом, который определяет нормы в сфере энергосбережения в России, остается СНиП «Тепловая защита зданий», который недавно был актуализирован специалистами НИИ строительной физики. Документ, в частности, включает в себя два раздела, посвященных тепловой защите и вопросу энергосбережения в зданиях. Это раздел 5 – «Тепловая защита зданий» и раздел 10 – «Требования к расходу тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий». При этом нормирование удельного потребления энергии на отопление и вентиляцию зданий в России происходит в расчете на кубометр (объем), а не квадратный метр (площадь), как это принято в Европе. Объясняется это все той же неоднородностью климата: невозможно применить одинаковые нормы в Якутске, Москве и Сочи. «Поэтому в России нормируется удельная величина, равная удельному расходу, деленному на градус в сутки отопительного периода», – объяснил ученый.

При этом расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий состоит из нескольких характеристик, в том числе – теплозащитной характеристики (это величина, показывающая, сколько тепловой энергии теряется через ограждающие конструкции) и вентиляционной характеристики (сколько тепловой энергии теряется за счет инфильтрации и вентиляции здания). Исходя из комбинации этих и нескольких других показателей, в России введены классы энергосбережения. При этом Владимир Гагарин просит не путать понятия «энергосбережение» и «энергоэффективность».

Дело в том, что методики определения энергоэффективности довольно сложны, являются скорее экономическими выкладками и поэтому до сих пор не утверждены в России. Более того, реалии таковы, что в России большая часть жилья строится с естественной вентиляцией, при которой ученым трудно четко заложить в расчет величину воздухообмена здания. «Очень трудно измерить теплопотери и теплопоступления, мы также не можем корректно определить удельную вентиляционную характеристику, – объяснил выступавший. – Поэтому часто все энергосбережение замыкается только на теплозащите, то есть снижении трансмиссионных потерь».

Как снизить теплопотери

В настоящее время существует два пути снижения теплопотерь через всю оболочку зданий. Первый – архитектурное энергосбережение. Известно, что упрощение формы постройки приводит к 20% экономии в ее энергопотреблении. Это отлично понимали ученые и плановики в Советском Союзе, предлагая к застройке массовое многоэтажное жилье. По словам Владимира Гагарина, если сравнить отдельно стоящий коттедж, 5-этажную «хрущевку», высотный дом-башню и многоподъездное 12-этажное здание, то «хрущевка» и дом-башня будут обладать примерно одинаковой средней теплозащитной характеристикой, а 12-этажный «муравейник» становится в три раза более энергосберегающим строением, чем коттедж. То есть за все надо платить, в том числе за комфорт проживания в отдельном доме и архитектурную выразительность, говорят эксперты.

Второй путь уменьшения теплопотерь – снижение общего коэффициента теплопередач, то есть повышение сопротивления теплопередаче за счет теплоизоляционных материалов и увеличения теплотехнической однородности строительных конструкций. Речь идет о влиянии мостиков холода, когда в однородный состав внедряются другие элементы, снижающие теплоэффективность конструкции в целом – это стыки материалов, углы дома и т. д. Более того, как выяснили ученые, увеличение толщины утеплителя не дает возможность сохранить энергию. При этом 75% теплопотерь в стенах происходит за счет теплопроводных включений.

Как рассказали в НИИ строительной физики, сейчас в России можно очень незначительно повысить требование к теплозащите, поскольку затраты на дальнейшее увеличение теплозащиты будут очень велики, и экономии не хватит на то, чтобы окупить эти расходы. «Оценка показала, что если мы проведем санацию по всей территории России, то мы сможем сэкономить 32 млн т условного топлива, что составляет 3,4% от общего потребления топлива в России», – пояснил Владимир Гагарин. Так что заявления, что можно сэкономить до 40% топлива остаются некорректными, говорит он. Экономия возможна, но за счет других средств, например, перехода на рекуперацию или даже применение других видов энергии, в частности – солнечной, полагают ученые.

Как «помочь» стенам

Более подробно об уменьшении теплопотерь через оболочку зданий за счет применения инновационных конструктивных решений и материалов рассказала зам. директора НИИСФ РААСН, доцент кафедры «Техническая эксплуатация зданий» МГСУ Нина Умнякова. По ее совам, повышение требований к уровню тепловой защиты элементов наружных ограждений, которое произошло в России 15 лет тому назад, привело к тому, что толщина теплоизоляционного слоя в наружных стенах была резко увеличена, а малоэффективные теплоизоляционные материалы стали заменяться другими, более совершенными. Но, в то же время, существующие ограждающие конструкции и, в частности, узлы сопряжения различных элементов конструкций с наружными стенами переработаны не были. В результате современные здания характеризуются высокой теплотехнической неоднородностью. То есть плоскость стены обладает высокими показателями теплоэффективности, а стыки, балконы, рамы дают до 50% потерь тепла.

Ученые НИИСФ видят решение проблемы повышения уровня тепловой защиты стен в применении новых конструктивных решений, узлов сопряжения, конструкций и материалов. В частности, в настоящее время самым распространенным конструктивным решением для зданий массового строительства остается монолитный безригельный каркас с наружными стенами, выполненными с эффективным утеплителем и облицовкой из кирпича. Институт сейчас разрабатывает новые марки высокопрочных легких бетонов с использованием шлаков, для применения в этих конструкциях. Коэффициент теплопроводности таких бетонов составляет 0,6 (для сравнения: коэффициент теплопроводности железобетона – 2 единицы). «Исследования показали, что их применение в самых «узких» местах позволит повысить температуру на внутренней поверхности стены с 11⁰ до 18⁰С», – проинформировала Нина Умнякова. Производство таких бетонов уже внедрено на Томском домостроительном комбинате.

Еще одно направление в тепловой защите стен – применение отражательной теплоизоляции. Всем известно, что блестящие материалы (например, алюминиевая фольга) являются хорошим энергосберегающим материалом. Однако в настоящее время излучение поверхности не учитывается строительной наукой, а методов расчета, которые позволяют оценить эффективность применения этого материала, не существует. Этим как раз занимается НИИСФ, проводя экспериментальные исследования. В частности, эксперименты показали, что при использовании фольги температура на поверхности стены составляет 21⁰С, тогда как при окраске серой краской – 31⁰С. В этом направлении также достигнуты практические результаты. Так, в Самаре построен дом с применением отражательной теплоизоляция. Эффективными также оказались разработки с использованием воздушных прослоек, где теплообмен происходит за счет конвекционного излучения и теплопроводности.

Когда толще – хуже

Однако повышение уровня тепловой защиты стен требует разработки не только новых конструктивных решений, узлов сопряжения и конструкций, но и пересмотра и повышения требований к морозостойкости и долговечности облицовочных материалов. Дело в том, что в настоящее время именно облицовка становится «слабым звеном», уменьшая долговечность наружных ограждающих конструкций. По данным НИИСФ, за последние 7 – 8 лет в Москве построено порядка 450 зданий, в которых наружные стены представляют собой трехслойные конструкции с эффективным утеплителем и облицовкой кирпичом. При этом около сотни из них уже нуждаются в срочном капитальном ремонте из-за разрушения облицовочного кирпича.

Выдвигались различные гипотезы о причинах разрушения кирпича, но в НИИСФ был исследован именно теплотехнический аспект. Выяснилось, что при строительстве этих домов применялся утеплитель толщиной 5 см и 12 см. Однако кирпичная облицовка с утеплителем толщиной 5 см полностью промерзает при температуре наружного воздуха – 3⁰С, а с утеплителем в 12 см – уже при – 1⁰С. При этом в Московском регионе температура ниже – 1⁰С держится в течение 5 месяцев, а ниже – 3⁰С – всего три месяца. Таким образом, толстый утеплитель подвергается замораживанию и оттаиванию чаще, чем тонкий. Это и становится причиной потери прочности и разрушения кирпичей. Другими словами, энергосбережение представляется многосложной проблемой, и о теплоэффективности стоит задумываться не только на стадии эксплуатации зданий, а уже на этапе производства строительных материалов.

Опыт Европы

В Европе вопросы энергосбережения еще более актуальны, учитывая жесткую политику экономии, которую, как правило, исповедует частный капитал. По данным директора по управлению Центра энергоэффективных технологий (Мюнхен) Дирка Петрушки, только с 2004 по 2013 гг. цена на энергоносители в Германии выросла на 80%. В настоящее время затраты на обогрев помещений составляют 75 евро за м² в год. Однако в стране очень много арендного жилья (по некоторым данным более 70%), поэтому аспект экономии энергоресурсов и снижения тепловых потерь имеет свои нюансы. Так, если провести модернизацию жилья с применением новых технологий энергосбережения, то совокупные затраты могут превысить 200 евро за м². При этом арендные ставки возрастут на 25 – 40%. В случае очень низкого энергопотребления (за счет улучшенной изоляции) и на 90%. То есть, с одной стороны, арендатору квартиры придется платить меньше денег за энергию, но больше – собственнику квартиры, который поднимет арендную плату, чтобы покрыть свои расходы на ремонт. Помимо того, есть еще и интересы поставщиков энергии, которые также не хотят упускать свою прибыль, которая снизится, если клиенты в несколько раз сократят энергопотребление. Получается, что европейцам предстоит найти равновесие, при котором учитывались бы интересы всех сторон.

Но основная проблема в том, что даже когда на рынке появляются новые технологии энергосбережения, европейский потребитель не спешит им воспользоваться просто в силу своих привычек и жизненных установок. Например, даже в энергоэффективном доме жильцы по привычке открывают окна, хотя при технологии рекуперации воздуха в пассивном доме это не предусмотрено. «Основная проблема заключается в том, чтобы убедить людей в том, что им это нужно, – признается Дирк Петрушка. – Даже новые построенные пассивные дома люди используют в обычном режиме. То есть нам нужно добиться правильной эксплуатации таких домов, потому, что пока они не дают нужного эффекта».

В то же время в Германии есть возможности для снижения теплопотерь в жилом фонде. По данным Сильвии Биалк, координатора проекта того же Центра энергоэффективных технологий для г. Людвигсбурга, индивидуальные сценарии энергосбережения, разрабатываемые для каждого здания в городе, могут на 70% снизить теплопотери даже в исторических постройках. Кроме того, европейцы пытаются максимально использовать природные возможности для снижения теплопотерь. В частности, в целях энергосбережения применяются такие возобновляемые источники энергии, как геотермический потенциал. Внедряется также практика сезонной аккумуляция тепловой энергии для отопления активных домов и городских районов с использованием солнечной энергии, – дополнил выступление коллег представитель Центра по исследованию гелиосистем и систем отопления в Штутгарте Доминик Бестенлехнер.

«Приучение» света

Практика строительства энергоэффективных домов существует и в России, но распространена она пока не широко. Одной из структур, продвигающих идею применения энергоэффективных технологий в условиях российского климата, является компания Velux. С декабря 2011 г. по апрель 2012 г. эксперты компании вели мониторинг работы всех систем в период проживания семьи в доме с подобными технологиями, и пришли к выводу, что использование эффективной теплоизоляции и современных инженерных систем позволило сократить эксплуатационные расходы в 10 раз по сравнению с обычными домами. Один из главных компонентов системы это, по сути, само здание. Правильно подобранная и качественно выполненная теплоизоляция, специально разработанный каркас, снижающий влияние мостиков холода, проработка узлов примыкания и повышение герметичности оболочки здания позволили получить максимальную отдачу от использования альтернативных источников энергии, свидетельствуют эксперты компании.

Российские предприятия разрабатывают и другие технологии. В частности, генеральный директор компании «Солар» Юрий Селянин рассказал об инновационной энергоэффективной технологии передачи естественного света через ограждающие конструкции здания – Solatube. Это энергосберегающее осветительное оборудование, которое проводит натуральный солнечный свет по трубе-световоду через крышу в то внутреннее пространство, где невозможно предусмотреть окна или по другим причинам недостаточно дневного света. Система представляет собой светоприемный купол с линзами, которые улавливают и перенаправляют лучи вниз в световод, который проходит по подкрышному пространству. Многократно отражаясь, свет попадает в комнату через потолочный светильник-рассеиватель и равномерно освещает помещение.

Технология довольно эффективная: купол собирает свет всей полусферой, обеспечивая освещение помещений даже в облачные дни, зимой и вечером. При этом светопередача составляет 99%, а свет передается на расстояние до 20 м, что позволяет характеризовать данную технологию как энергосберегающую.

В целом участники конференции сошлись во мнении, что решения для энергоэффективного строительства сегодня следует рассматривать не столько как рекламу, направленную на увеличение продаж жилья, сколько с позиции необходимости, когда экономическая выгода от внедрения энергоэффективных технологий в дальнейшем заметно сказывается на снижении издержек при эксплуатации зданий. Если в Европе это давно это поняли, то России еще предстоит пройти этот путь.

Источник: Журнал “Технологии Строительства» 1-2, 2014

Текст: Людмила Изъюрова