История вопроса энергоэффективности домов
1. Мировое потребление энергии
Если строить иерархию человеческих потребностей, то энергия займет в этом списке четвертое место, после воздуха, воды, пищи. Она является одной из основных потребностей человека, предоставляющей возможности для приготовления пищи, обогрева, освещения, транспорта, связи и т.д. Наши предки использовали энергию в виде огня и мускульной силы животных, сейчас существует множество способов ее получения, от сжигания ископаемого топлива до ядерных реакций.
В первобытные времена на человека в год приходилось немногим более 1 МВтч энергии, всего же ее потреблялось порядка 5 миллионов МВт-ч/год. В настоящее время в среднем на жителя Земли вырабатывается 20 МВт-ч/год, при этом в странах Западной Европы душевое потребление энергии составляет более трех условных тонн угля в год, то есть около 25 МВт-ч/год. В США и Канаде этот показатель в три раза выше, а в большинстве стран Африки — в тридцать-сорок раз ниже. То есть разница между удельным энергопотреблением в разных странах достигает двух порядков.
Суммарное потребление энергии человечеством в наше время превышает 120 миллиардов МВт-ч/год. Таким образом, за исторический период энергопотребление выросло в 30 000 раз и продолжает расти. Уже многие десятилетия ежегодный прирост производства энергии составляет около трех процентов в год.
Хотя экономически развитые страны, благодаря курсу на энергоэффективность, в последнее время замедляют темпы роста своей энергетики, это не оказывает заметного тормозящего влияния на мировой рост энергопотребления, поскольку сейчас наблюдается ускоренный ввод энергетических мощностей в крупных развивающихся странах — Китае, Индии, Бразилии, Индонезии. Это страны второй волны индустриализации, экологические последствия которой обещают быть еще более разрушительными, чем первой.
2. Энергия и окружающая среда
Производство и использование энергии всегда сопровождается экологическим ущербом, чего, по-видимому, не удастся избежать и в будущем. Среди всех отраслей производства энергетическая лидирует в нанесении ущерба окружающей среде. При рассмотрении экологических проблем любого города или промышленного района всегда приходится сталкиваться, как с одним из главных, с букетом экологических проблем, порожденных производством и использованием энергии. Экологический ущерб от энергетики, как правило, носит комплексный характер, загрязняются воздух, вода, почвы, земли отчуждаются под шахты, электростанции, отвалы и терриконы, нарушается гидрологический режим местности. С энергетикой связаны такие глобальные экологические проблемы как кислотные дожди, потепление климата, озоновые дыры.
Таким образом, многие важнейшие экологические проблемы современности связаны с энергией: ее производством, преобразованием, передачей и использованием. Это атмосферное загрязнение, обезлесивание, опустынивание, климатические изменения и окисление озер. По данным американских экологов, энергетические установки в США ответственны, например, за 26% загрязнения воздуха пылью, 76% — окислами серы, 85% — окислами азота.
Нажав на электрический выключатель, мы можем получить тепло, звук, свет, горячую воду, холод, выстиранное белье и многое другое. Но одновременно мы получаем загрязненные реки, озера, воздух и почву, карьеры, золоотвалы при ТЭЦ, терриконы возле угольных шахт, радиоактивное загрязнение и отходы и многое другое в том же роде. Вопрос стоит, однако, не об отказе от пользования энергией, а о ее всемерном сбережении и эффективном использовании.
Взаимосвязь энергетических и других проблем видна, в частности, из следующего примера. Более 2,5 миллиарда людей во всем мире полагаются на древесное топливо как на главный источник энергии для приготовления пищи и обогрева. При отсутствии альтернативных видов доступного топлива у сельских и городских бедняков нет другого выбора, как продолжать использование биологических видов топлива, несмотря на сопутствующую этому экологическую опасность. Сверхзависимость от древесного и других видов топливной биомассы приводит к деградации окружающей среды в различных направлениях. Чрезмерное использование древесного топлива ведет к обезлесению, эрозии почвы и опустыниванию, тогда как сжигание навоза и сельскохозяйственных отходов приводит к потере питательных веществ и корма для скота.
С экологической точки зрения технологии получения энергии можно, прежде всего, разделить на возобновляемые и невозобнов-ляемые, а также на добавляющие и недобавляющие. Добавляющая энергия — это энергия ископаемого топлива и ядерная, она добавляется к энергии Солнца и дополнительно нагревает Землю.
До сих пор не известно ни одного экологически безвредного способа получения энергии, вероятно, таковых и не будет найдено в обозримом будущем. Все надежды в прошлом, что тот или иной способ получения энергии будет экологически безвредным, например гидроэнергии, не оправдались. Учитывая этот опыт, специалисты находят негативные эффекты и у новых возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Так, солнечные энергоустановки затеняют земельные площади, ветроагрегаты распугивают птиц, шумят, создают электромагнитные помехи, изменяют локальный климат и т.д. Производство самих ВИЭ сопровождается экологическим уроном. Тем не менее, экологический ущерб от ВИЭ многократно меньше, чем от традиционных источников.
3. Энергоэкономность и Энергоэффективность
Очевидно, что кардинальный путь решения экологических проблем энергетики состоит в сокращении производства и потребления энергии. Энергоаудиторы всех стран единодушно рекомендуют, прежде чем решать вопрос о строительстве новой энергостанции, семь раз подумать: нельзя ли получить искомую энергию за счет экономии? Расчеты и практика показывают, что в жилищном секторе можно обходиться многократно меньшим количеством энергии без ухудшения условий жизни.
Первоначально говорили об экономии энергии или энергосбережении, однако, позднее стали использовать термин «энергоэффективность». Добиваться большего с меньшими затратами — это не то же самое что делать меньше, делать хуже или обходиться без чего-либо. Эффективность не означает урезание, неудобство или лишение чего-то. Второе понятие шире, оно подразумевает не только ликвидацию лишних трат энергии, но и повышение эффективности использования энергии во всех энергетических процессах без ухудшения качества конечного результата. Сейчас общепризнано, что самый крупный источник энергии — это сэкономленная энергия.
Экономия энергии, где бы то ни было, всегда благоприятно отражается на состоянии природной среды, поскольку позволяет сократить ее производство (или наращивать меньшими темпами) и избежать загрязнения и отходов по всей, как правило, весьма длинной цепочке ее производства, распределения и использования. По оценкам экологов, энергосбережение оказывается в 4—5 раз экономически выгоднее, чем выработка того же количества энергии.
Писать на тему энергоэффективности вообще, и в домостроении в частности, в последнее время стало модно. Однако большинство пишущих об энергоэффективных зданиях рассуждают об экономии тепловой энергии домами на 15, 20 или даже на все 45% от типичного среднего уровня потребления и попадают тем самым в категорию «процентщиков». Лишь немногих пока можно отнести к «вразчикам», т.е. к тем, кто считает, что говорить об экономии энергии в новых домах менее чем в три-четыре раза допустимо было лишь лет тридцать назад, а сейчас можно и нужно добиваться экономии в 5—15 раз.
4. Потребление энергии в жилищном секторе
По данным МИРЭК (Мировой энергетической конференции), около трети всей энергии в странах с умеренным климатом тратится на отопление зданий. В недавно вышедшей директиве Европейского парламента и Совета ЕС по энергетическим характеристикам зданий указывается, что на энергоснабжение зданий в Европе тратится 40% вырабатываемой энергии. При этом, чем суровее климат, тем эта величина относительно больше. Эта оценка подтверждается и другими многочисленными источниками. Так, в США 36% энергии расходуется на энергообеспечение зданий. На жилищный сектор в Польше приходится 34—38% общего энергопотребления страны. 74% этого количества уходит на отопление. В России потребление первичной энергии на выработку тепла для отопления и горячего водоснабжения жилья можно оценить в 400 миллионов тонн условного топлива в год. Если предположить, что пятая часть этой энергии производится за счет угля, то при нынешних показателях аварийности при его добыче это, помимо прочего, означает гибель более чем сотни шахтеров.
После известного нефтяного кризиса 1974 года было обращено внимание на то, что здания имеют большие неиспользованные резервы повышения их тепловой эффективности, возможности в этом направлении изучены плохо, а проектировщики не умеют оптимизировать потоки тепла в зданиях.
Энергия расходуется на строительство и эксплуатацию зданий. Проведенный в нашей стране анализ показал, что при производстве строительных конструкций тратится энергии 8%, при транспортировке и строительстве — 2%, при эксплуатации зданий — 90%.
Для того чтобы лучше представить возможности повышения энергоэффективности жилищ, нужно проанализировать потоки энергии в них.
5. Энергопотоки в жилище
Дом сравнивают с раковиной, второй одеждой или третьей кожей, поэтому его допустимо рассматривать как единую со своими обитателями живую систему. Как через всякую такую систему, через дом проходят потоки различных энергий. Прежде всего, дом обменивается тепловой энергией с окружающей средой, и в зависимости от географических условий и сезона этот поток может быть суммарно направлен как внутрь дома, так и наружу. Для России как северной страны актуальна, в первую очередь, потеря домом тепловой энергии в холодный период года. Хотя существующие дома могут требовать и охлаждения летом, для экодомов вследствие их хорошей теплоизоляции летнее охлаждение в условиях России не потребуется, поэтому в данной работе будет рассматриваться только тепловой баланс дома в холодное полугодие.
В дом поступает энергия солнца в виде прямого, отраженного и рассеянного излучения. Оно может нагревать непрозрачные поверхности (крышу, стены) или проникать внутрь дома через окна. Даже в средней полосе падающая на дом за год солнечная энергия в несколько раз превышает все его энергетические потребности за тот же период. Но уловить и полезно использовать солнечную энергию довольно сложно. Эта задача частично решается с помощью солнечных коллекторов, устанавливаемых обычно на крыше, о чем будет сказано в дальнейшем.
В дом поступает то или иное топливо, например, газ, которое расходуется на отопление, нагрев горячей воды и приготовление пищи. Электроэнергия расходуется на освещение и привод различных бытовых приборов и устройств. В конечном итоге она вся рассеивается внутри дома в виде тепла. Продукты питания, которые мы приносим в дом, также добавляют в него энергию. Тепловыделения от бытовых и осветительных приборов, а также от людей и домашних животных (энергия продуктов питания) объединяются под понятием внутренних тепловыделений, и учитываются строительными нормами обычно как 10 Вт/м2. Это немалая величина, она сопоставима по мощности с отопительной системой, которая в средней полосе составляет 60 — 100 Вт/м2.
Феномен внутренних тепловыделений объясняет, почему в принципе возможны дома без отопления, или так называемые пассивные. Действительно, если снизить теплопотери дома за счет хорошего утепления в 8—10 раз, то внутренних тепловыделений окажется достаточно для его отопления.
Теряет дом тепловую энергию путем «нагрева улицы» теплопередачей и излучением через внешнюю оболочку, с вентилируемым воздухом и воздухом из топки котла, если таковой имеется.
6. Энергоэффективные дома
Всплеск интереса к энергоэффективным зданиям произошел после мирового энергетического кризиса 1974 г. Строительные проекты, в которых доминирующим показателем качества было энергопотребление, бывшие дотоле единичными, стали, по рекомендации МИРЭК, инициироваться десятками и сотнями. В докладе МИРЭК отмечалось, что энергоресурсы могут быть использованы более эффективно путем применения мер, которые осуществимы технически, обоснованы экономически, а также приемлемы с экологической и социальной точек зрения, т. е. использованы с минимумом изменений привычного образа жизни. На пути реализации этих возможностей и возник энергоэффективный дом — дом, у которого существенно снижено (относительно среднего современного уровня) потребление энергии без потери качества проживания.
В обычных домах более 90% потребляемой энергии тратится в виде тепла на отопление и горячее водоснабжение (ГВС), причем на последнее тратится 15—30%. Поэтому энергоэффективный дом начинается со снижения теплопотребления.
Отопительное теплопотребление снижают по трем основным направлениям, первые два из которых относят к пассивным мероприятиям, третье — к активным:
усиление теплоизоляции внешней оболочки здания;
снижение тепловых потерь с вентилируемым воздухом;
использование энергии окружающей среды.
Усиление теплоизоляции внешнего контура здания требует не только усиления теплоизоляции, но и минимизации мостиков холода, неизбежных в любой строительной конструкции. Утепление различным образом выполняется для стен, крыш, перекрытий, фундаментов и прозрачных конструкций, т. е. окон. Немаловажное значение имеет и выбор рациональной архитектурной формы здания, которая в идеале должна соответствовать местному климату и ландшафту.
Теплопотери через окна снижаются как использованием более теплосберегающих их конструкций, так и с помощью устройств, временно увеличивающих их теплосопротивление в периоды, когда в светопропускании нет необходимости.
В старых зданиях около трети всего тепла улетучивалось с вентиляционным воздухом. Экономить это тепло сокращением объемов вентиляции ниже санитарных пределов нельзя, но можно — сокращением бесполезной вентиляции и применением рекуператоров, которые передают тепло удаляемого воздуха приточному.
Активные мероприятия заключаются в использовании энергии окружающей среды, т.е. возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Это, прежде всего, солнечные и ветровые установки, энергогенераторы на биомассе и тепловые насосы. Возможны и другие менее распространенные виды ВИЭ, такие, как микроГЭС, приливные и волновые станции, геотермальные установки и т.д.
Экономить энергию, затрачиваемую на нагрев горячей воды, можно экономным ее использованием, в чем могут помочь специальные сантехнические устройства, и отбором от нее тепла перед выпуском из дома.
Список различных мероприятий по повышению энергоэффективности дома включает десятки и сотни наименований. Каждое из них имеет свое соотношение затрат и выгод, зависящих и от того, в каком составе они используются. Кроме того, в плане эффективности мероприятия влияют друг на друга. Поэтому выбор оптимального набора энергосберегающих конструктивных решений требует обширных знаний и является до некоторой степени искусством.
В руководстве по энергетическому аудиту зданий Министерства окружающей среды Финляндии отмечается: «В сфере эксплуатации зданий меры по экономии энергии не обязательно очень выгодны, если рассматривать их только в энергетическом аспекте. Однако, если возможности экономии энергии здания рассматривать в связи с другими усовершенствованиями здания, тогда доходность предложенных мер возрастает. Например, после дополнительной изоляции стен сэкономлено тепло и уменьшены проблемы локального промерзания и сквозняков. Установка дополнительной изоляции требует, как правило, и нового внешнего покрытия стен, которое, в свою очередь, увеличивает срок службы здания. Таким образом, экономия тепла приносит много других положительных последствий».
Энергоэффективный дом можно определить как дом, в котором на современном уровне оптимизированы все энергетические процессы. Поскольку основные энергозатраты в средних и высоких широтах (а мы, естественно, ведем разговор прежде всего о России) связаны с отоплением, прежде всего, в энергоэффективном доме должны быть до минимума снижены теплопотери. Это достигается усиленной, в 2-4 раза больше нормативных требований, теплоизоляцией оболочки здания, уменьшением потерь тепла через окна и вентиляцию. Применением более совершенных осветительных и других электроприборов экономится электроэнергия. Такие дома обычно комплектуются солнечными тепловыми и иногда электрическими приемниками энергии, коллективными или индивидуальными ветроустановками и т.д. При наличии хороших условий для работы возобновляемых источников энергии энергоэффективные дома могут быть энергоавтономными или даже энергоизбыточными и, например, отдавать энергию в сеть. Примеры таких домов приведены в шестой части.
Существуют разные степени энергоэффективности. Они определяются удельным, на единицу общей площади здания, расходом тепловой энергии на отопление. По принятой в Европе классификации различают дома неэнергоэффективные, дома низкого, ультранизкого и нулевого теплопотребления. Последние еще называют пассивными, как видно из названия, они не нуждаются в отоплении вообще. Н еэнергоэффективные — это, как правило, старые дома, постройки 70—80-х и более ранних годов.
Объективной характеристикой степени суровости зимы, с точки зрения энергозатрат на отопление зданий, является ГСОП (градусосутки отопительного периода). ГСОП тем больше, чем ниже опускаются температуры и чем дольше они держатся. ГСОП по российским правилам подсчитывается как сумма разностей температуры в 18°С (по новым СНиП — 20) и среднесуточных температур, за период, когда эти температуры опускались ниже 8°С, причем сумма считается не по конкретному году, а по усредненному по многолетним наблюдениям. В некоторых зарубежных, странах, в частности в США и Англии, ГСОП считается иначе: берется период с температурой ниже не 8, а ниже 18°С. Естественно при таком подсчете длительность периода подсчета увеличивается, и ГСОП получается больше. У тех, кто этого не знает, создается впечатление о западном климате как о более суровом, чем он есть на самом деле. Не все авторы об этом знают, и иногда в литературе зарубежные данные по ГСОП напрямую сопоставляются с российскими, чем вводятся в заблуждение как читатели, так и сами авторы. С другой стороны, если известны среднемесячные температуры, пересчитать российский ГСОП в англосаксонский и обратно несложно.
Соотношение теплоэнергетических характеристик малоэтажных зданий Германии и России приведено в таблице № 1. Климатические условия Германии можно считать типичными для центральноевропейских стран. При составлении таблицы были приняты ГСОП для Германии 2200, для России — 4800 (Подмосковье). В последней графе приведены примерные расходы энергоносителей за отопительный сезон в пересчете на жидкое топливо. Из таблицы видно, что на отопление в России в силу более сурового ее климата уходит в несколько раз больше энергии.
Следует учесть, что далеко не все дома в России, в особенности малоэтажные, строятся в настоящее время в соответствии с новым, более требовательным СНиПом по теплотехнике, поэтому их реальное теплопотребление больше, чем указано в таблице.
Подобно тому, как при покупке автомобиля интересуются расходом топлива на 100 км, также и при покупке дома логично было бы выяснять расход тепловой энергии на отопление. Этот показатель за рубежом сейчас считается одной из основных характеристик дома, влияющих и на его стоимость. Для удобства сравнения его можно приводить к какому-либо одному виду топлива. В таблице № 1 приведено потребление различными домами тепловой энергии в пересчете на жидкое топливо. Потребление горючего за сезон удобно использовать для сравнения домов, находящихся в схожих климатических условиях. Если климатические условия разные, можно пользоваться удельным теплопо-хреблением Вт.ч/м2 град.-сут. или пересчитывать его, исходя из соотношений ГСОП в этих регионах.
Зная цену топлива в определенный период в том или ином месте, по его расходу можно рассчитать топливную составляющую стоимости отопления. Общая стоимость отопления слагается из топливной и аппаратной. Последняя включает в себя расходы на обслуживание системы отопления и распределенную по сроку службы стоимость самой системы отопления. Аппаратная стоимость зависит от многих факторов, если они неизвестны, аппаратную стоимость для автономного отопления можно грубо оценить как половину или 2/3 от топливной составляющей.
Цены на различные виды топлива меняются от страны к стране и со временем, поэтому затруднительно дать точные оценки стоимости отопления. По крайней мере, можно с уверенностью утверждать, что строительство домов низкого энергопотребления и, тем более, пассивных позволяет экономить многие сотни долларов в год уже сейчас.
Энергоэффективные дома можно считать самыми близкими родственниками экологических, и с них можно начинать современную историю экодомостроения. Несмотря на то, что энергоэффективность далеко не исчерпывает всех сторон экологического дома, она является главным атрибутом экологического дома, и степень его энергоэффективности является одной из основных его характеристик. Успешные проекты энергоэффективных домов являются хорошей основой для конструирования домов экологических.