Критерии энергоэффективности в строительстве и меры ее повышения

Понятие энергоэффективность неразрывно связано с вопросами энергосбережения [1]. Но эта связь является обоснованной только в том случае, если мероприятия, направленные на снижение потребляемой зданиями энергии, технически осуществимы, экономически обоснованны и не оказывают влияния на безопасность здания.

При поверхностном рассмотрении проблемы энергосбережения напрашивается довольно тривиальное решение: чем меньше здание теряет тепла, тем меньшее количество энергии требуется подвести к зданию для восполнения тепловых потерь. В этой связи наиболее простым и рациональным способом экономии энергии на отоплении выглядит увеличение теплозащитных свойств ограждающих конструкций. В России с 2000-го года требования к уровню тепловой защиты применительно к стенам и покрытиям были повышены в среднем на 1 50 т- 200 %, к окнам - на 20 4- 30 %, но требования к сокращению затрат энергии на вентиляцию помещений не были регламентированы. Однако, несмотря на кажущуюся простоту решения проблемы, данный способ снижения энергозатрат и, как следствие, повышения энергоэффективности в принятой терминологии имеет свои ограничения и, кроме того, не всегда оказывается эффективным с экономической точки зрения.
Во-первых, изменение тепловых потерь через 1 м² ограждающей конструкции (Q) в зависимости от при¬ведённого сопротивления теплопередаче (R₀^np) изменяется нелинейно - по гиперболической зависимости (рис. 1]. Представленная на рисунке 1 зависимость со¬ответствует климатическим условиям города Москвы (ГС0П= 4943,4 °С-сут/год).
Из приведённого графика (рис. 1) видно, что по мере увеличения приведённого сопротивления тепло¬передаче (R₀^np), теплопотери (Q) уменьшаются вначале очень быстро, затем более медленно и при некотором значении приведённого сопротивления теплопередаче (R₀^np > 3 м²-°С/Вт) теплопотери (Q) убывают очень незначительно. В то же время дальнейшее увеличение сопротивления теплопередаче (до 4,0 н- 5,0 м²-°С/Вт и более) существенным образом увеличивает себестоимость возведения квадратного метра стеновой конструкции. И эти затраты могут превысить экономию, которая достигается в результате увеличения сопротивления теплопередаче.
Это означает, что дальнейшее увеличение сопротивления теплопередаче снизит расходы на отопление, но с учётом высоких капитальных затрат на возведение стены может оказаться экономически неэффективным шагом.
                                                                                                                                    Рисунок 1 График зависимости теплопотерь через 1 кв.м ограждающей конструкции
                                                                                                                                                                     в зависимости от приведенного сопротивления теплопередаче

Расчёты показывают, что при нынешних ценах на энергоносители и стоимости строительных материалов, экономически целесообразное сопротивление теплопередаче (R ), соответствующее минимуму приведённых затрат на возведение квадратного метра стены с учё¬том эксплуатационных расходов на отопление в течение безремонтного срока эксплуатации 30-50 лет, находится в диапазоне от 2 до 4 м²-°С/Вт
Экономически целесообразное значение сопротивления теплопередаче (R_3K) будет зависеть от стоимости и теплофизических характеристик материалов (из которых возводится стеновая ограждающая конструкция), типа стеновой конструкции (однородная стена, многослойная типа вентилируемого фасада и т. д.), а также от её срока службы (долговечности), то есть времени, в течение которого могут быть подсчитаны эксплуатационные расходы.
В монографии [2], а также пособии [3] представлены формулы, по которым можно оценить оптимальное значение сопротивления теплопередаче стеновой конструкции по минимуму приведённых затрат. Приведённые затраты (П) включают, собственно, капитальные затраты (К) на возведение квадратного метра стенового или другого ограждения, а также эксплуатационные расходы (Э), подсчитанные для заданного периода эксплуатации (Т):
П = К + Э•Т (1)
Заданный период эксплуатации (Т) должен быть приравнен к сроку службы рассчитываемой ограждающей конструкции до первого капитального ремонта. Иначе в формуле (1) необходимо учитывать также за¬траты на проведение капитальных ремонтов, как это правильно указано, например, в работе [4].
При расчёте приведённых затрат на строительство ограждающих конструкций формула (1) может быть преобразована к виду [5]: (2)
где t_B - температура внутреннего воздуха в помещениях, принимаемая для жилых зданий согласно ГОСТ 30494-96;
t_от.пер- средняя температура наружного воздуха за отопительный период [°С], принимаемая для заданного климатического района согласно СНиП 23-01-99;
z_от.пер~ продолжительность отопительнгого перио¬да, принимаемая согласно СНиП 23-01-99;
с_т - стоимость тепловой энергии [руб/Гкал], опре¬деляемая согласно действующим в заданном регионе прейскурантам на тепловую энергию (для Санкт-Петер¬бурга определялась согласно [8]);
R₀ - сопротивление теплопередаче варианта ог¬раждающей конструкции [м²-°С/Вт];
Т_экспл. - срок эксплуатации рассматриваемого типа ограждающей конструкции до первого капитального ремонта (в Пособии [5] срок эксплуатации не учитыва¬ется, т. е. расчёт приведённых затрат сводится к оценке эксплуатационных затрат за один год эксплуатации);
к- переводной коэффициент, вводимый для приве¬дения слагаемых в формуле (2) к единой размерности;
С_Д - единовременные затраты, [руб/м³], определяемые по формуле:
С_Д=1,25•[(Ц+Т)•1,02+С_М (3)

где Ц-цена1 м² ограждающей конструкции, определяемая по прейскурантам, действующим в заданном регионе строительства [руб/м²]; Т - стоимость транспортирования конструкции с учётом погрузочно-разгрузочных работ [руб/м²];
С_м - стоимость монтажа (возведения) ограждающей конструкции по действующим в регионе сборникам расценок строительно-монтажных работ [руб/м²].

На рис. 2 представлена зависимость приведённых затрат [руб/м²] от толщины стены при предполагаемом безремонтном сроке эксплуатации 50 лет. Представлен¬ная зависимость была рассчитана для стены, возведенной из газобетонных блоков марки по плотности D400. Из рис. 2 видно, что по мере увеличения толщины сте¬новой конструкции и, как следствие, её сопротивле¬ния теплопередаче, эксплуатационные затраты через 1 м² конструкции, рассчитанные на период 50 лет, уменьшаются в соответствии с законом, показанным на рис. 1. В то же время капитальные вложения по мере увеличения толщины стены возрастают. Как следует из графика, минимум приведенных затрат соответствует толщине стены 0,35 м, что соответствует сопротивлению теплопередаче 3,15 м²-°С/Вт (при ЛБ = 0,117 Вт/м-°С по ГОСТ 31359 [9]).

Рисунок 2 Определение оптимальной толщины стеновой конструкции по методу приведенных затрат	Рисунок 3 Оптимальная толщина стен из газобетона при различном сроке эксплуатации

При меньшем эксплуатационном сроке минимум приведённых затрат будет соответствовать меньшей толщине стеновой конструкции, при большем - боль¬шей (рис. 3). Например, при сроке эксплуатации 25 лет оптимальная толщина стены составит 0,25 м, при сроке эксплуатации 60 лет - 0,375 м. Однако при сроках эксплуатации свыше 50 лет необходимо будет учитывать также затраты на проведение капремонтов, что неизменно скажется на расчётах.
Всё вышесказанное указывает на то, что при оценке экономической эффективности энергосберегающих мероприятий или внедрении энергосберегающих технологий необходимо учитывать срок их службы или эффективной эксплуатации. Это второе обстоятельство, на которое необходимо обращать внимание при выборе параметров теплозащиты ограждающих конструкций. Многие типы современных стеновых конструкций с более высокими показателями тепловой защиты оказываются неремонтопригодными, а применяемые в их составе материалы - недолговечными. Затраты на проведение капитальных ремонтов недолговечных ограждающих конструкций зданий могут частично или полностью компенсировать то уменьшение эксплуатационных расходов, которое обеспечивается за счёт увеличения их теплозащитных качеств. Не стоит забывать о том, что затраты на проведение ремонтов (текущих, капитальных] по сути также представляют собой затраты энергии: на производство новых материалов, добычу полезных ископаемых для их изготовления, расход топлива при их перевозке, работу машин и механизмов и т. д. В этой связи не только уровень тепловой защиты ограждающих конструкций, но и показатели их капитальности (долговечности] следует относить к критериям энергоэффективности.

Рациональным способом повышения энергоэффективности является только сочетание различных конструктивных и инженерных мероприятий, например, увеличение теплозащитных свойств ограждающих конструкций при одновременном использовании современных инженерных энергосберегающих методов и технологий.

В-третьих, нельзя забывать о таком важном пара¬метре, как требуемый воздухообмен помещений, необходимый для поддержания требуемого уровня микроклимата в помещениях. При вентиляции происходит удаление взвешенных в воздухе частиц пыли, бактерий, влаги, кроме того, поддерживается уровень кислорода в необходимой для нормальной жизнедеятельности и работоспособности концентрации. В зимний и, в общем случае, в любой период, в течение которого производится отопление помещений, энергия затрачивается в том числе на подогрев вентилируемого воздуха. Затраты на вентиляцию современных зданий при составлении энергетических паспортов зданий оцениваются в AQ -f 50 % всех затрат на отопление. При этом требуемый уровень воздухообмена необходим как в «холодных» домах, так и «тёплых». Отсюда следует, что как бы мы не утепляли здание, расходы тепла на вентиляцию, без использования специальных инженерных методов, уменьшаться от этого не будут, и чем теплее будет «шуба» здания, тем большими в относительном выражении будут затраты на вентиляцию. Подтверждением данного утверждения является следующий пример. В 2005 году сотрудника ми ОАО«СПб-ЗНИиПИ» и 000 «НТЦ «Технологии XXI века» проводи¬лось комплексное обследование здания в историческом центре города, где после реконструкции сопротивление теплопередаче было увеличено до 5 м²-°С/Вт. При этом никаких инженерных решений по оптимизации затрат энергии на отопление, например, автоматическое регулирование параметров теплоносителя по температуре воздуха в помещениях не производилось. В результате в здании зимой регулярно происходил перетоп. Для уменьшения последствий перетопа сотрудники, работающие в здании, также регулярно в течение всего отопи¬тельного периода по приходу на работу открывали окна и, в буквальном смысле, отапливали улицу. Таким образом, становится понятным, что рациональным и экономически целесообразным способом повышения энергоэффективности является только сочетание различных конструктивных и инженерных мероприятий, например, увеличение теплозащитных свойств ограждающих конструкций (при условии, что срок эффективной эксплуатации внедряемых материалов, технологий и конструкций превышает период их окупаемости) при одновременном использовании современных инженерных энергосберегающих методов и технологий.
Однако, как показывает практика, и этих мер может оказаться недостаточно. Связано это в первую очередь с тем, что во многих случаях фактические и расчётные параметры энергоэффективности могут существенно отличаются друг от друга. В расчётах закладываются одни значения теплотехнических параметров (например, приведённого сопротивления теплопередаче], а на практике (с учётом качества строительно-монтажных работ) получаются совершенно другие. Кроме того, в проектах часто не учитывается теплотехническая неоднородность стеновых конструкций. В результате собственники жилых помещений вынуждены использо¬вать для обогрева дополнительные источники энергии (электронагреватели, масляные радиаторы, тепловентиляторы и т. д.), потребляя при этом энергию на отопление. Для повышения степени соответствия расчётных и фактических затрат энергии на отопление зданий не¬обходим контроль энергопотребления, достигаемый за счёт совокупного выполнения следующих условий:

• обязательная установка во всех зданиях приборов учёта всех видов энергии;
  
• наличие комплексной методики учёта и контроля потребляемой зданием энергии;
  
• разработка норм потребления зданиями энергии.
  

Что касается последнего пункта из представленного перечня условий, то наиболее рациональным способом их внедрения является потребительский подход к оценке уровня теплозащиты [показатель «в» требований тепловой защиты зданий по СНиП 23-02-2003. К сожалению, в практике проектирования чаще применяется предписывающий подход, а именно - установление заданных численных значений сопротивления теплопередаче (показатель «а» требований по СНиП 23-02-2003).
Преимуществом потребительского подхода является более гибкий выбор материалов для ограждающих конструкций и инженерных методов в реализации требуемых параметров энергопотребления (удельных затрат энергии с квадратного метра площади или с кубического метра строительного объёма здания). Кроме того, данный подход при наличии комплексной методики контроля и учёта затрат энергии на отопление позволяет сравнивать расчётные и фактические параметры энергопотребления зданий, а после апробации и отработки системы контроля и учёта регулировать нормы потребления в сторону их постепенного снижения, например, один раз в пять лет. Для реального уменьшения затрат энергии на отопление зданий необходимо:

1. разработать и установить нормативы энергопотребления в рамках потребительского подхода к уровню теплозащиты зданий;
   
2. для утепления зданий применять долговечные, проверенные климатическими условиями района строительства материалы;
   
3. более интенсивно и эффективно использовать инженерные методы и способы повышения энергоэффективности (например, системы приточно-принудительной вентиляции и рекуперации);
   
4. применять проверенные на практике архитектурные методы повышения энергоэффективности (например, уменьшение коэффициентов компактности зданий);
   
5. разработать эффективную методику комплексного учёта и контроля энергии, расходуемой на отопление здания;
   
6. по мере внедрения и апробации системы контроля и учёта потребляемой зданиями энергии, при условии соответствия расчётных и фактических пара¬метров энергопотребления, постепенно, с заданной периодичностью снижать нормативы энергопотребления.
   

Казалось бы, после внедрения в практику проектирования и строительства всех этих мероприятий, обозначенную в статье проблему точно можно считать решённой. Да, объекты строительства будут потреблять меньше энергии. Но нельзя забывать ещё и о том, что помимо потребителей энергии есть ещё и её производители, а также компании, которые транспортирют энергоносители, обслуживают энергоустановки и, в конечном итоге, есть компании, которые эту энергию продают конечному потребителю. В этих условиях может сложиться ситуация, при которой уменьшение энергопотребления (жилыми и общественными зданиями, производством и т. д.) скажется на снижении товаро- оборота всей этой цепочки компаний и, как следствие, их доходности. Как известно, одним из способов восстановления доходности является увеличение тарифов. Таким образом могут сложиться условия, при которых потребители будут экономить на энергии, а платить меньше от этого не станут. В конечном итоге тарифы в нашей стране достигнут общеевропейского уровня, а при низкой эффективности работы этих компаний и превысят его. Конечно, представленный выше сценарий является несколько упрощённым, но вероятность его реализации присутствует. Косвенным подтверждением подобного развития событий является хотя бы тот факт, что в нашей стране тарифы на энергоносители растут постоянно, вне зависимости от направления тренда стоимости нефти, увеличения теплозащитных свойств ограждающих конструкций и т. д. В качестве более аргументированного подтверждения развития данного сценария можно привести, в частности, анализ, основанный на конкретном примере внедрения на предприятии энергоэффективных мер [11].

Многие типы современных стеновых конструкций с более высокими показателями тепловой защиты оказываются неремонтопригодными. Затраты на капитальный ремонт недолговечных ограждающих конструкций зданий могут компенсировать то уменьшение эксплуатационных расходов, которое обеспечивается за счёт увеличения их теплозащитных качеств.

Безусловно, при условии выполнения всех перечисленных выше инженерных мероприятий, количество затрачиваемой потребителями энергии будет уменьшаться, но насколько это будет выгодно потребителю - неизвестно. Чтобы данный прогноз не сбылся, необходимо принимать меры по увеличению энергоэффективности оборудования и устройств в самих генерирующих компаниях, по уменьшению потерь энергии при транспортировке теплоносителя конечному потребителю, по внедрению жёсткого регулирования и контроля государством тарифов на тепловую энергию.
А.С. Горшков: Критерии энергоэффективности в строительстве и меры ее повышения, журнал "Светопрозрачные конструкции" № 3, 2010г.

Примечание

1. Горшков А.С, Гладких А.А. Мероприятия по повышению энергоэффективности в строительстве // Academia. Архитектура и строительство. М.: РААСН, 2010,
   
2. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондициони¬рования воздуха). Учебник для вузов. 3-е изд. СПб.: АВОК-Северо-Запад, 2006. С. 246-250.
   
3. Рекомендации по применению стеновых мелких блоков из ячеистых бетонов. М.: ЦНИИСК им. А.В. Кучеренко, 1987.
   
4. Гагарин В.Г. Экономический анализ повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций // Строитель¬ные материалы. № 8. 2008.
5. Пособие по расчёту и проектированию теплозвукоизоляции ограждающих конструкций объёмно-блочных зда¬ний (к СНиП 11-12-77 и СНиП И-3-79*). М.: НИИСФ Госстроя СССР, 1986.
   
6. ГОСТ 30494. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
   
7. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология.
   
8. Приложение к распоряжению Комитета по тарифам Санкт-Петербурга № 177-р от 27.11.2009.
   
9. ГОСТ 31359-2007. Бетоны ячеистые автоклавного твердения. Технические условия.
   
10. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
    
11. От тарифов не зарекайся // Эксперт, № 28. 2008. С. 44-50.
    

Вклад участника:

Смирнова Дана