Микроклимат и энергосбережение: пора понять приоритеты
Ю.А. Табунщиков
В последние двадцать лет две проблемы находятся в центре внимания специалистов строительной отрасли всего мира. Это – энергосбережение и качество микроклимата. Может быть, на первый взгляд, это покажется странным, но по своей природе (сущности) обе эти проблемы являются близнецами одной и той же матери – энергии. Действительно, микроклимат помещения* характеризуется температурой внутреннего воздуха, температурой внутренних поверхностей ограждающих конструкций и качеством внутреннего воздуха. Энергетическое содержание первых двух характеристик микроклимата помещения сомнений не вызывают. Третья характеристика – качество воздуха в помещении – определяется величиной вентиляционного воздухообмена, которая также имеет энергетическое содержание. Таким образом, каждая из характеристик микроклимата помещения является частью энергии, потребляемой системами климатизации здания.
Если согласиться с этим, то специалисты должны искать наилучшее (оптимальное) решение следующей задачи: обеспечить заданные значения энергетических показателей микроклимата помещения при минимальном расходе энергии. А то, что специалисты методом проб и ошибок ищут оптимальное решение этой задачи, убеждает анализ развития систем климатизации: от энергетически неэффективного водяного отопления и нерегулируемой естественной вентиляции до интегрированных систем климатизации помещений типа охлаждающих балок и комбинированных с ними интеллектуальных систем воздухообмена здания с использованием двойных фасадов.
Интрига, однако, состоит в том, что проблема энергосбережения, которая по значимости влияния на качество жизни и здоровье человека существенно менее значима, чем проблема обеспечения качества микроклимата, изучается с такой глубиной и тщательностью, на которую только способна современная наука. О проблеме энергосбережения модно говорить на всех уровнях общества: от обывателя до политиков самого высокого ранга. Проблема качества микроклимата помещения находится в положении пасынка, которому хотя и надо уделять внимание, но его значимость совершенно неясна широкому кругу потребителей.
Цель настоящей статьи – попытаться объяснить причины нарушения приоритетов в изучении этих двух проблем, важнейших для строительной практики XXI века. Потому что вместе с пониманием сложившейся ситуации можно надеяться на установление на всех уровнях общества правильного приоритета в изучении этих проблем.
Прежде всего, сформулируем четыре основных, по нашему мнению, стратегических принципа, определяющих политику энергосбережения не только в настоящее время, но и на значительное время в будущем:
- Общество прочувствовало в целом ряде кризисных ситуаций, что энергоресурсы имеют критическое значение не только для поддержания и улучшения качества жизни, но также для обеспечения независимости и безопасности страны.
- Энергетическая политика XXI века будет основана на применении технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
- Приоритет при выборе энергосберегающих технологий имеют технические решения, одновременно способствующие улучшению микроклимата помещений.
- Электрическая энергия, тепловая энергия и вода – это товар, который поставляется, продается, покупается и который должен иметь все признаки товарно-денежных отношений.
Первый принцип в комментариях не нуждается. Он достаточно сильно проявил себя в конфликтах в Персидском заливе и в наших отношениях со странами СНГ и Западной Европы.
Второй принцип подтверждает, например, программа по борьбе с глобальными изменениями климата, одобренная комиссией Европейского Сообщества в 2008 году, предусматривающая увеличение доли использования возобновляемых источников энергии с 8,5 до 20 %.
Третий принцип не получил должного признания в настоящее время и находит свою реализацию только в отдельных уникальных проектах, таких, как здание «Ворота Дюссельдорфа». Собственно говоря, задача настоящей статьи – объяснить причины очень слабой реализуемости третьего принципа.
Четвертый принцип проявляет в полной мере свою привлекательность при теплоэнергоснабжении зданий в следующем факте: сэкономленная энергия является сэкономленными расходами. Этот факт является понятным стимулом для инвесторов, которые инициируют строительство энергоэффективных зданий во многих странах мира.
В конце XX и в начале XXI века широкое распространение в мировой строительной практике получили следующие концепции строительства энергосберегающих зданий (рис. 1–5):
- Энергоэффективные здания.
- Здания с низким энергопотреблением.
- Здания с ультранизким энергопотреблением.
- Здания с нулевым энергопотреблением.
- Пассивные здания.
- Здания высоких технологий.
- «Умные» (интеллектуальные) здания.
- Здания биоархитектуры.
- Sustainable Building (экологически устойчивые здания).
Рисунок 1. Федеральное офисное здание (Манчестер, США) | Рисунок 2. Здание «EKONO-house» (Отаниеми, Финляндия) |
Рисунок 3. Здание «Ворота Дюссельдорфа» (Германия) | Рисунок 4. Информационный центр «KORONA» в Хельсинки (Финляндия) |
Рисунок 5. Здание мэрии в Лондоне (Великобритания) |
В мировой практике в развитых странах строительство энергоэффективных зданий является обязательным требованием, предъявляемым к каждому проектируемому зданию. Более того, в последние годы широкое распространение получает практика оценки (сертификации) проектов зданий по эффективности использования энергии, снижению негативного влияния на окружающую природную среду и повышению качества среды обитания человека, например, сертификат LEED (Leadership in Energy and Environmental Design Building). Проект здания, получивший «платиновый», «золотой» или «серебряный» сертификат LEED, как правило, получает налоговые льготы и гранты. Очевидно, что здание, имеющее соответствующий сертификат LEED, более привлекательно для арендаторов и стоит дороже при продаже потребителю.
Достаточно обширный материал, посвященный энергосбережению в системах теплоэнергоснабжения и климатизации зданий, опубликованный в журналах «АВОК», позволяет сделать следующие выводы:
- Энергосбережение в мировой строительной практике обеспечено государственной поддержкой и развитой гибкой законодательной системой стимулирования, экономически привлекательно и прозрачно для инвесторов и переживает период реализации продуктивных, перспективных решений.
- Энергосбережение в российском строительстве до настоящего времени не обеспечено законодательным стимулированием, проектирование и строительство зданий осуществляется на базе традиционных технологий без обязательного сравнительного технико-экономического обоснования, выбора технологий, конструкций с высокой энергоэффективностью и экономической оптимизации параметров выбранного решения.
Теперь рассмотрим состояние проблемы обеспечения качества микроклимата, которая является частью проблемы экологической безопасности жилища и включает в себя следующие основные показатели:
- Качество воздуха в помещении.
- Наличие газообразных загрязнителей.
- Наличие «биологических загрязняющих факторов» (плесень).
- Радиационная обстановка в помещении.
- Уровень концентрации радона в помещении.
- «Болезнь легионеров» (Legionellosis).
- Синдром «больного здания».
Приведенные ниже результаты экологических исследований показывают, что проблема энергосбережения при всей своей значимости не обладает тем угрожающим влиянием на качество жизни и здоровье людей, которое присуще проблеме качества микроклимата.
- «Один миллион зданий в США имеет плохое качество внутреннего воздуха, в результате чего снижается производительность труда, и величина этих потерь достигает 60 миллиардов долларов в год. Более половины проблем с качеством внутреннего воздуха связаны с непрофессионализмом в проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха». По результатам изучения Национального института по безопасности жилья и здоровья США, 2002 год.
- «Ежедневно около 5 тысяч человек умирает от плохого качества внутреннего воздуха». П. Оле Фангер, Международная конференция по архитектуре и качеству окружающей среды, Тяньжань, Китай, 13 мая 2004 года.
- По данным Финского Сообщества по контролю качества воздуха в помещениях, Национальное агентство Финляндии по новым технологиям опубликовало показатели влияния на здоровье людей и финансовые потери синдрома «больного здания» (см. табл.).
Таблица
Последствия проявления синдрома «больного здания» | Финансовые потери, вызванные синдромом «больного здания», евро в год | Условия, включенные в расчеты |
---|---|---|
Увеличение числа случаев аллергических реакций | 1,18 миллиарда | 30 % стоимости всех аллергических заболеваний В условиях работы в офисе 600 000 служащих_ |
Отпуск по болезни | 0,8 миллиарда | 15 % служащих отсутствовали по причине «плохого» воздуха в помещении |
Снижение производительности труда | 0,2 миллиарда | Уменьшение офисных служащих на 10 %Общая сумма заболевших 170 миллионов, |
Инфекционные заболевания | 84 миллиона | половина которых заболела по причине «плохого» воздуха |
Заболевание раком легких вследствие радонового загрязнения помещений | 34 миллиона | 450 случаев в год, стоимость одного случая 75 000 евро |
Помимо того, что микроклимат и энергосбережение могут рассматриваться как части энергии, потребляемой системами климатизации зданий, уровень реализации одной проблемы оказывает влияние на уровень требований, предъявляемых к реализации другой проблемы.
Так, например, если источник энергии, ТЭЦ или котельная не обладают высокой энергоэффективностью и расходуют много энергии, то при этом происходит загрязнение окружающей среды продуктами сгорания и загрязненная окружающая среда приводит к ухудшению наружного воздуха, поступающего в помещение с вентиляционным воздухообменом (рис. 6).
Рисунок 6. |
Покажем взаимосвязь этих проблем «внутри здания».
Рассмотрим, как изменилась за последние 35 лет структура расхода энергии, затрачиваемой на обеспечение микроклимата помещения в жилых зданиях массовой застройки. На рис. 7 приведены диаграммы теплопотерь жилых многоэтажных зданий, построенных до 1995 года, и жилых зданий, построенных после принятия известных Постановлений Госстроя РФ о необходимости повышения теплозащитных показателей наружных ограждающих конструкций.
а) построенных до 1995 года;
б) построенных после принятия Постановлений Госстроя РФ о необходимости повышения теплозащитных показателей наружных ограждающих конструкций
Вывод, который можно сделать из рассмотрения рис. 7, – в утепленных зданиях наибольшие теплопотери приходятся на вентиляцию. Отсюда напрашивается заключение о том, что поиски путей снижения расхода энергии, затрачиваемой на отопление здания, должны вестись в направлении уменьшения расхода тепловой энергии на подогрев вентиляционного воздуха. Здесь можно сделать абсолютно неверный посыл: дальнейшая экономия энергоресурсов за счет снижения воздухообмена. Но еще более странным является то обстоятельство, что именно в этом направлении уже много лет развивается российская нормативная база в части требований к воздухопроницаемости оконных заполнений. Необходимо помнить, что естественная вентиляция многоэтажных жилых зданий традиционно основана на том принципе, что воздух в квартиры поступает через неплотности оконных заполнений. В то же время требования к воздухопроницаемости оконных заполнений изменялись с 1971 года в следующей последовательности:
– 1971 год – 18 кг/(м2∙ч);
– 1979 год – 10 кг/(м2∙ч);
– 1998 год – 5 кг/(м2∙ч).
Теперь покажем, как эти изменения сказывались на обеспечении требуемого вентиляционного воздухообмена помещений здания. Рассмотрим пример, приведенный в Стандарте АВОК 1-2004 «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена», с. 14:
– общая площадь – 95 м2;
– площадь жилых помещений – 60 м2;
– объем квартиры – 280 м3;
– общая площадь окон – 10 м2;
– в квартире проживает 4 человека.
Требуемый воздухообмен составляет 140 м3/ч или примерно 163 кг/ч.
В соответствии с изменяющимися нормативными требованиями к воздухопроницаемости оконных заполнений изменялось количество наружного воздуха, поступающего в помещение через эти заполнения, которое составляет:
• 1971 год – 18 × 10 = 180 кг/ч, что больше требуемой величины 163 кг/ч.
• 1979 год – 10 × 10 = 100 кг/ч, что меньше требуемой величины на 40 %.
• 1998 год – 5 × 10 = 50 кг/ч, что меньше требуемой величины на 70 %.
Таким образом, ужесточение требований к воздухопроницанию оконных заполнений привело к нарушению принципа естественной вентиляции многоэтажных зданий – воздух в квартиры поступает через неплотности оконных заполнений – и необеспеченности требований по нормативному воздухообмену и, в результате, к ухудшению микроклимата помещений.
Возможный путь снижения затрат энергии на вентиляционный воздухообмен – это использование регулируемой вентиляции и утилизации теплоты удаляемого воздуха. Здесь имеют место следующие инновационные решения, которые в настоящее время привлекают внимание специалистов:
- Гигрорегулируемая вентиляция – регулирование воздухообмена в зависимости от режима эксплуатации помещений, определяемого по уровню влажности.
- Гибридная вентиляция – приток естественный, вытяжка механическая (рис. 8).
- Механическая вентиляция с утилизацией теплоты удаляемого воздуха.
- «Персональная» вентиляция (рис. 9) – подача чистого воздуха в небольших количествах вблизи зоны дыхания каждого человека (предложение проф. П. Оле Фангера).
Рисунок 8. Гибридная вентиляция |
Однако, это скромный перечень инновационных решений, которые могут быть применены преимущественно во вновь строящихся зданиях. Но количество таких зданий составляет тысячные доли процента по отношению к существующим зданиям. В результате проблема качества микроклимата в существующих зданиях оставляет серьезные причины для беспокойства.
Рисунок 9. «Персональная» вентиляция по П. Оле Фангеру |
Сделаем следующие выводы:
- Приоритетной задачей современного строительства является задача обеспечения приемлемого климата помещений, то есть такого микроклимата, когда в помещении отсутствуют известные загрязнители в опасных концентрациях, установленных полномочными органами. Цель строительства здания состоит не в красивой архитектуре – а она должна быть красивой, не в оригинальных и надежных строительных конструкций – а они должны быть оригинальными и надежными, но цель строительства зданий в том, чтобы создать в ограниченном пространстве, то есть в помещениях, микроклимат, комфортный для человека или требуемый для технологического процесса.
- Особую опасность представляет микроклимат в помещениях многоэтажных жилых зданий современного массового строительства с естественной вентиляцией. Здесь и дешевые строительные материалы, и мебель на основе клеевых древесно-стружечных материалов с обивкой из синтетических тканей, и пластиковые покрытия полов, и газовые плиты и так далее.
- Проблему обеспечения приемлемого микроклимата помещения следует изучать как задачу оптимального проектирования: обеспечить заданные энергетические значения показателей микроклимата помещения при минимальном расходе энергии. В этом случае появляется возможность не только найти принципиально новые решения систем климатизации, но также сделать проблему привлекательной для инвесторов.
Автор надеется, что с пониманием приоритета изучения проблемы обеспечения качества микроклимата у специалистов после прочтения этой статьи сохранится чувство тревоги: возможность – это еще не реальность.
♦ В соответствии со Стандартом АВОК «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена» термин «микроклимат помещения» определяется как состояние внутренней среды помещения, характеризуемое следующими показателями: температурой воздуха, радиационной температурой, скоростью движения и относительной влажностью воздуха в помещении. Принятое в статье определение «микроклимата помещения», по крайней мере, не противоречит принятому в Стандарте АВОК.
Журнал «AВОК», №5/2008