При новом строительстве или реконструкции зданий можно выделить два основных направления для снижения энергопотребления в процессе эксплуатации:
- улучшение конструктивных решений: снижение теплопотерь/тепловых нагрузок через ограждающие конструкции, применение инновационных технологий при остеклении фасадов;
- проектирование инженерных систем с выбором оптимальных технических решений: применение оборудования с рекуперацией тепловой и холодильной энергии, применение количественно-качественного регулирования для систем отопления, установка приборов учета, применение теплоизолирующих материалов для инженерных сетей.
Самыми значительными факторами при выборе конструктивных материалов или технологий в строительстве являются их начальная стоимость, доступность на рынке и срок окупаемости. Роль государства в стимулировании и поддержке применения передовых энергоэффективных решений также имеет большое значение.
В РФ требования по энергоэффективности закреплены в СП 50.13330.20224 «Тепловая защита зданий» № 28-ФЗ от 03.04.96 г. «Об энергосбережении», СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», а также Приказ от 6 июня 2016 года № 399/пр «Об утверждении Правил определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов».
Оценка теплопотерь через ограждающие конструкции в многоквартирных домах в процентном отношении выглядят следующим образом:
- «мостики холода» — 28%
- Остекление — 28%
- Фасады — около 25%
- Кровля, перекрытия — около 19%
Для борьбы с «мостиками холода» применяют различные изоляционные материалы. Наиболее распространенными являются маты из минеральной ваты, стекловаты или жесткие плиты из пенополистирола, которые закрепляются на внешней стене здания и создают термооболочку здания, защищая ограждающие конструкции от возникновения «мостиков холода». Далее утеплитель защищают от различных видов атмосферных воздействий. Из новых технологий хотелось бы отметить жидкую теплоизоляцию — материал, похожий на жидкую краску, состоящий из микрополостей керамики и силикона с вакуумом внутри. Окружающая их связующая жидкость состоит из смеси полимеров акрила, синтезированного искусственно каучука и пигментов. Эффект теплоизоляции обеспечивается вакуумом в микрополостях. Срез такого покрытия на снимке с увеличением напоминает губку. Эта структура помогает обеспечивает значительное снижение теплопотерь при нанесении небольших, тонких слоев покрытия. Теплопроводность такого покрытия во много раз ниже аналогичных показателей обычных утеплителей. При нанесении на защищаемую поверхность, слой жидкой изоляции в 1 мм способен полностью заменить минераловатный утеплитель, уложенный слоем в 50 мм. Эта теплоизоляция обладает несколькими преимуществами перед классическими вариантами утепления. Одним из них нужно признать отсутствие необходимости в дополнительной защите теплоизоляционного слоя от атмосферных воздействий: жидкий утеплитель не боится осадков, ультрафиолетового излучения, перепадов температур. Эксплуатировать его можно и при очень низких температурах (-60˚C), и при очень высоких (до +250˚C), не опасаясь ухудшения качеств материала.
Для снижения теплопотерь через остекления довольно давно применяют стеклопакеты, состоящие из нескольких камер. Материалы рам и створок обычно ПВХ, стеклопластик или алюминий. Из новых тенденций интересны стеклопакеты, заполненные инертным газом (аргоном). У газа нет цвета и запаха, он никак не взаимодействует с окружающей средой, и абсолютно безопасен для человека. Аргон снижает коэффициент теплопроводности, повышает качество звукоизоляции, не позволяет развиться конденсации. Также существуют специальные покрытия стекол из оксидов титана и хрома, хорошо отражающие ультрафиолет или фотохромные покрытия, свойства которым придают серебро и цезий, которые добавляют в стекольную массу при производстве. Такие защитные покрытия позволяют экономить на электроэнергии кондиционирования летом, а зимой тепло, отражаясь от внутренней поверхности дополнительно согревает помещение.
На сегодняшний день одним из основных требований к строительным материалам является требование долговечности, соответствующей жизненному циклу зданий, сооружений. Для жилых зданий — это 50 лет. Это же требование относится и к кровельным материалам. По данным различных исследований, долговечность традиционных битумных и битумно-полимерных материалов составляет в России от 1 года до 5 лет. Технология устройства и ремонта мягких кровель является по сути своей пожароопасной. Путь решения проблем повышения надежности и долговечности кровель — это безотлагательное применение инновационных материалов и технологий нового поколения, которые уже разработаны российскими специалистами и постепенно находят свое применение. Это быстрые, энергоэффективные, всепогодные и доступные продукты — рулонные эластомерные кровельные и гидроизоляционные материалы на основе каучуков. Еще один плюс в том, что это безопасные безогневые технологии, которые с использованием новых материалов применимы практически на любых зданиях и сооружениях в любых климатических зонах. Грамотный конструктив покрытия в тандеме с полимерными кровельными материалами даёт до 40% экономии на отоплении здания, а применение материалов светлых цветов также способствует снижению затрат на кондиционирование.
С ростом индустриализации и урбанизации в начале 20 века возникла острая необходимость в эффективных системах вентиляции для обеспечения здорового микроклимата в густонаселённых районах и промышленных объектах. Города стали сталкиваться с проблемами загрязнения воздуха, что повысило внимание к вентиляционным системам, как способу борьбы с неблагоприятными условиями окружающей среды. В этот период были разработаны и внедрены новые технологии, такие как механическая приточно-вытяжная вентиляция. Это стало возможным благодаря прогрессу в области электроэнергетики и моторостроения, что позволило создавать более мощные и эффективные вентиляционные системы. Особое внимание к системам вентиляции начало уделяться в контексте охраны труда. В условиях промышленного производства правильно организованная вентиляция стала одним из ключевых аспектов обеспечения безопасных условий работы. Это касалось как удаления вредных примесей и газов, так и предотвращения риска взрывов и пожаров за счёт контроля концентрации горючих веществ в воздухе. С началом 21 века индустрия систем вентиляции вступила в новую эру, ознаменованную усиленным вниманием к экологической устойчивости, энергоэффективности и интеграции современных технологий. Этот период характеризуется быстрым прогрессом в разработке и внедрении инновационных решений, направленных на создание более здоровой и комфортной среды в помещениях. Одной из ключевых тенденций стало широкое распространение систем вентиляции с рекуперацией энергии. Такие системы способны не только обеспечивать постоянный приток свежего воздуха, но и значительно снижать потребление энергии за счёт использования тепла отработанного воздуха для предварительного нагрева или охлаждения, поступающего в обслуживаемые помещения.
Цель рекуперации в системах вентиляции одна — снизить энергозатраты, требующиеся на нагрев/охлаждение приточного воздуха. Существует несколько типов рекуперации: с роторными и пластинчатыми рекуператорами, с промежуточным теплоносителем, фреоновые («тепловая труба») и др.
Так как каждая система обладает своими особенностями, то и выбор той или иной системы зависит от конкретных задач и условий проекта. Например, наивысший КПД (до 85%) имеют системы с роторными рекуператорами, а применение специальных технологий, таких как покрытие алюминиевой поверхности рекуператора силикагелем, позволяет рекуперировать не только явную энегию (тепло или холод), но и скрытую энергию (влагу). Эффект от такой технологии может быть весьма существенным и позволяет снизить затраты не только на нагрев и охлаждение, но и на осушение и увлажнение приточного воздуха. Применение систем рекуперации приводит к увеличению габаритов и стоимости вентиляционной установки, возрастает потребление энергии вентиляторами и приводом, необходимым для вращения ротора, но эффект энергосбережения оказывается в несколько раз выше и становится тем существеннее, чем выше расход воздуха. Дополнительный вклад в энергосбережение вносит автоматизация — управление подачей приточного воздуха по датчику СО2 (вентиляция по потребности) и установка VAV регуляторов в помещениях.
Из относительно новых технологий интересна система приточно-вытяжной вентиляции в сочетании с оконечными устройствами — безвентиляторными эжекционными доводчиками (активными охлаждающими балками), устанавливаемыми в обслуживаемых помещениях.
Рис.1 Активные охлаждающие балки для монтажа в подвесной потолок
Такие системы наиболее востребованы в общественных зданиях и офисах высокого класса с тепловыми нагрузками до 120 Вт/м2, в которых требуется поддерживать хороший микроклимат и низкий уровень шума. Т.к. в охлаждающих балках нет вентиляторов (работа охлаждающих балок основана на принципе эжекции приточного воздуха через форсунки), то нет и энергопотребления, в отличии от «традиционных» фанкойлов, нет шума от вращающихся вентиляторов, а т.к. вентиляторы отсутствуют, то они не могут выйти из строя и не требуется их обслуживание. Регулирование подачи требуемого расхода воздуха осуществляется или на самих балках, путем изменения проходного сечения форсунок или VAV регуляторами. Также преимуществом такого решения является отсутствие конденсата при работе (в отличии от фанкойлов), а значит его не нужно удалять. Работа без образования конденсата достигается путем подачи холодной воды минимум на 1 град выше, чем температура точки росы в помещении при заданных параметрах. Так, например, при температуре помещения 24С и 50% отн. вл. температура точки росы составляет 12,9С, следовательно, минимально возможная температура подачи на балки не должна быть ниже 14С. Удаление влаги из помещений осуществляется путем осушения приточного воздуха в центральном кондиционере. Приточный воздух должен быть охлажден до температуры 14-15С (абс. влагосодержание 8 — 9 г/кг), а затем нагрет до температуры 15-16С. Встает вопрос как летом, при отсутствии теплоснабжения можно нагреть воздух до такой температуры. И для решения этой задачи разработана система рекуперации с двумя роторными рекуператорами. Первый, по ходу приточного воздуха, роторный рекуператор адсобционного типа (переносит как тепло/холод, так и влагу), далее идет водяной охладитель и второй стандартный роторный рекуператор (без утилизации влаги). Пример работы такой системы в летнем режиме приведен на рис. ниже.
Рис.2 Схема работы системы рекуперации с двумя роторными рекуператорами в летнее время
Вытяжной воздух из помещения с параметрами 24С, 50% отн.вл., абс вл. 9,3 г/кг попадает на первый (по ходу своего движения) роторный рекуператор, охлаждаясь до 19-20С, передает тепло приточному воздух, нагревая его до требуемых 15-16С, далее охлажденный вытяжной воздух попадает на второй рекуператор на котором происходит охлаждение и осушение приточного воздуха с 32С, 50% отн.вл., абс.вл. 15г/кг до 22-23С и абс.вл. 10,5-11 г/кг. Приточный воздух после охлаждения и осушения на адсорбционном рекуператоре дополнительно осушается на водяном охладителе до нужных 8-9 г/кг (11-12C) и догревается указанным выше стандартным рекуператором до 15-16С. Применение системы с 2 рекуператорами снижает нагрузку на охлаждающий теплообменник, а значит и на всю систему холодоснабжения и позволяет нагревать воздух в летний период до нужной температуры при неработающей системе теплоснабжения. В зимний период работает только один адсорбционный рекуператор, который кроме нагрева приточного воздуха, увлажняет его, снижая тем самым нагрузку на необходимое увлажнение.
Системы кондиционирования чиллер-фанкойл наиболее широко востребованы и применяются повсеместно. Однако, в последнее время набирают популярность фреоновые системы кондиционирования, в том числе и при многоквартирном строительстве. Стремясь повысить привлекательность своих проектов, девелоперы все чаще предлагают решения с центральной или поквартироной системой вентиляции и системой кондиционирования на базе VRF блоков. Такие системы представляют интерес по нескольким причинам. Компактные наружные VRF блоки (экономия места на кровле или технических помещениях), большое разнообразие внутренних блоков, компактные, по сравнению с водяными фреоновые трассы (экономия места в шахтах), отсутствие в системы воды (нет гидравлической системы, протечек и связанных с ними дорогостоящего ремонта), встроенная интеллектуальная система автоматики (разработка проекта по автоматизации существенно упрощается), поэтапный ввод в эксплуатацию (по мере заполнения здания). Некоторые производители предлагают решения с поквартирным учетом энергопотребления, удаленной диагностикой и сервисным мониторингом состояния оборудования (удобство для управляющих компаний и сервисных организаций). Наиболее популярными являются 2-х трубные системы с воздушным охлаждением конденсатора, работающие на охлаждение или нагрев воздуха, но также интересны и 3-х трубные системы, в которых возможно рекуперировать энергию и перераспределять холодопроизводительность в соответствии с текущими потребностями, например, при меняющейся тепловой нагрузке в течение суток, а последнее поколение VRF систем на уровне автоматики решило возникавшие ранее проблемы с отключением всей системы при пропадании питания на внутренних блоках. Важным аспектом успешной реализации проектов с VRF системами является соблюдение технологий монтажа и ввода в эксплуатацию.
Применение индивидуальных поквартирных установок приточно-вытяжной вентиляции обладает рядом преимуществ по сравнению с централизованной системой. Пользователь сам решает, когда, в каком режиме и с какими параметрами он хочет эксплуатировать установку, а следовательно, точно знает сколько энергии потребляется и рекуперируется. Такие установки компактные и могут быть смонтированы за потолком в санузлах, гардеробных или коридорах. Обычно они также оснащаются системами рекуперации с пластинчатым или роторным рекуператором, в том числе и адсорбционного типа. Роторный рекуператор наиболее востребован, т.к. кроме более высокого КПД, при его работе при нормальных условиях не образуется конденсат, а, следовательно, установку можно размещать не только горизонтально, но и вертикально, например, на стене. Основным условием применения индивидуальной вентиляции в многоквартирных домах является наличие возможности забирать приточный воздух с фасада здания, что не всегда реализуемо.
Говоря о новых тенденциях энергосбережения в системах вентиляции, стоит отметить разработки зарубежных производителей вентиляционного оборудования для систем с промежуточным теплоносителем. Это надежные и хорошо зарекомендовавшие себя интеллектуальные системы рекуперации энергии с эффективностью рекуперации тепла до 80% и отсутствием остановок работы в условиях холодной зимы.
Рис.3 Установка рекуперации с промежуточным теплоносителем
Такие системы можно подключать ко всем типам источников отопления и охлаждения, в том числе к низкопотенциальным. Например, можно использовать низкотемпературные источники энергии от холодильников и морозильников в продуктовых магазинах или отработанную в технологических процессах воду с более низкой температурой, чем в системах отопления, которая, как правило не используется или обратную воду систем отопления, или термальные источники. Благодаря двум теплообменникам, расположенным в приточной и вытяжной частях вентиляционной установки нет риска перетока вытяжного воздуха в приточный, поэтому такие системы можно применять в больницах, фармацевтике и микроэлектронной промышленности.
Методы центрального регулирования в системах теплоснабжения были разработаны с учетом технических и технологических возможностей первой половины ХХ века, которые претерпели значительные изменения. При корректировке принципов регулирования тепловой нагрузки возможно частичное использование зарубежного опыта по применению других методов регулирования, в частности, количественного регулирования. Перевод систем теплоснабжения на количественное и качественно-количественное регулирование тепловой нагрузки является эффективным энергосберегающим мероприятием.
Преимущества количественного и качество-количественного регулирования
- увеличение выработки электроэнергии на тепловом потреблении за счет понижения температуры обратной сетевой воды;
- возможность применения недорогих методов обработки подпиточной воды теплосети
- работа системы теплоснабжения большую часть отопительного периода с пониженными расходами сетевой воды и значительной экономией электроэнергии на транспорт теплоносителя;
- меньшая инерционность регулирования тепловой нагрузки, т.к. система теплоснабжения более быстро реагирует на изменение давления, чем на изменение температуры сетевой воды;
- постоянная температура теплоносителя в подающей магистрали теплосети, способствующая снижению коррозионных повреждений трубопроводов теплосети;
- наилучшие тепловые и гидравлические показатели по режиму систем отопления за счет уменьшения влияния гравитационного напора и снижения перегрева отопительных приборов;
- возможность применения в местных системах и квартальных сетях долговечных трубопроводов из неметаллических материалов;
- поддержание температуры сетевой воды постоянной, которое благоприятно сказывается на работе компенсаторов;
- отсутствие необходимости в смесительных устройствах абонентских вводов.
Из недостатков: переменный гидравлический режим работы тепловых сетей и большие, по сравнению с качественным регулированием, капитальные затраты в теплосети.
Технико-экономическое исследования основных технических параметров систем теплоснабжения доказывают целесообразность перевода систем теплоснабжения на новые технологии регулирования тепловой нагрузки. Расчеты показывают, что приведенные затраты в системе теплоснабжения при реализации количественного регулирования тепловой нагрузки на 40-50% меньше затрат при качественном регулировании тепловой нагрузки.
Вывод
Приведенные выше примеры описывают далеко не все возможные способы повышения энергоэффективности зданий, но и они показывают, что существует огромный потенциал для экономии энергии, а значит и экономии затрат при эксплуатации зданий. По мнению автора, задача сделать здания более энергоэффективными, применяя современные инженерные разработки, технологии и материалы и является ключевой для строительной отрасли, к реализации которой нужно стремиться.
