Первым реальным энергоэкономичным зданием с солнечным отоплением в Узбекистане назвал экспериментальный объект в Бручмулле Ташкентской области, международный консультант, эксперт по энергосбережению Всемирного Банка, ПРООН Марк Белланжер.
По мнению, Белланжера это здание не имеет аналога и в Центрально азиатском регионе и должно служить демонстрационным образцом, а его ценные результаты могут в дальнейшем использоваться в разработке новых поколений энергоэкономичных зданий.
К началу ХХI века уже ощущается все большая нехватка энергоресурсов и быстрое их подорожание. Это стало принципиальным сдвигом производившим смену базовых критериев, определяющих экономическую эффективность строительства: если раньше традиционно определяющими были значения сметной стоимости строительства и сроков окупаемости капиталовложений, то сегодня они отступают на второй план — решающее значение теперь приобретают показатели эксплуатационных затрат, в первую очередь энергетических затрат.
«Поворотной точкой», событием, положившим начало трансформации массового сознания в отношении энергетической эффективности строительства, стал разразившийся еще в 1970-е годы глобальный энергетический кризис. Он в буквальном смысле парализовал мировую экономику, лишив ее основного средства обеспечения экономически эффективной деятельности — дешевой энергии. Известно, что главным способом получения энергии человечество получало путём сжигания различных видов органического топлива. Когда-то это были дрова и каменный уголь, в XX веке львиную долю энергии стали получать сжиганием нефти, нефтепродуктов и газа.
Если учесть что, на основе производства любого вида энергии лежит сжигание топлива с вредными для окружающей среды продуктами горения, загрязняющими окружающую среду и вызывающими парниковый эффект. То эта энергосберегающая политика направлена и к решению другой острой проблемы современности — охране окружающей среды. Сегодня усилия архитекторов и строителей всего мира сконцентрированы на повышении энергетической эффективности строящихся и реконструируемых объектов.
Дешевизна и казавшаяся неисчерпаемость запасов новых энергоносителей обусловили весьма расточительный характер их использования, который наиболее ярко проявился в строительстве. «Нефтяная» и «стеклянная», архитектуры, возникшие и повсеместно распространившиеся, как плод «технологической» революции, опирались на «достижения» научно-технического прогресса, решая преимущественно социально-политические и эстетические задачи. Эта архитектура практически игнорировала природно-климатические условия строительства и особенности эксплуатации зданий и сооружений, усугубляя проблему охраны окружающей среды.
Основным источником энергии на ближайшую перспективу станет ее экономия: затраты на экономию 1 т условного топлива в настоящее время в 2–3 раза меньше затрат на добычу эквивалентного количества дополнительного топлива.
В настоящее время строительство во всем мире переживает самую настоящую революцию. Развитие рынка настоятельно диктует следующие основные требования: высокое качество вновь возводимых зданий (безупречный внешний вид, прочность и долговечность, надежная теплоизоляция) и максимальная энергоэффективность. Сегодня ведутся работы по двум направлениям повышения энергоэффективности строительных объектов.
- Стремлением экономии энергии в самом здании за счет снижения энергопотребления и энергопотерь зданием, в т.ч. утилизацией энергетически ценных отходов — их называют энергоэффективными зданиями. Энергоэффективное здание — это перспективное энергосберегающее направление в строительстве с ничтожно малым потреблением энергии, а в идеале — вообще не требующее расходов топлива. Оно имеет низкие теплопотери, отапливается альтернативными источниками энергии, в первую очередь солнечной энергией, а также при помощи тепла, выделяемого живущими в нем людьми, бытовыми приборами, горячее водоснабжение осуществляется за счет установок возобновляемой энергии, например, тепловых насосов или солнечных батарей.
- Привлечением возобновляемых природных источников энергии — солнечной энергии, энергии ветра, тепла земли, энергии биологических отходов и т.д. Дома, использующие возобновляемые источники энергии, называют энергоактивными зданиями.
Как известно климат центральноазиатского региона резко континентальный, с жарким летом и холодной продолжительной зимой. В связи с всевозрастающим дефицитом и дороговизной минерального топлива, из года в год обостряется проблема отопления зданий, особенно малоэтажных индивидуальных домов с автономной системой отопления. Эта проблема особенно остро стоит в сельских районах, не достаточно обеспеченных природным газом и углем. Обеспечение теплом из года в год становится острой проблемой требующей безотлагательного решения.
Для отопления здания расходуется огромное количество тепловой энергии. Ее доля достигает 60–80 % от общей энергии потребляемой зданием (для сравнения, потребление электрической энергии на бытовые нужды составляет всего 5–7 %) остальная часть энергии тратится на горячее водоснабжение.
Известные системы солнечного отопления разделяются на активные и пассивные системы. Многолетняя мировая практика строительства солнечных домов показала явные преимущества пассивных систем солнечного отопления по сравнению с дорогостоящими и сложными в эксплуатации активными системами. Выявлены три принципиально важных преимущества пассивной системы:
- пассивная система при равных условиях в два раза эффективнее активной системы, так как она работает при относительно низкой температуре, превышающей температуру помещения всего на 5…15°C;
- преимущества пассивной системы выявляются и в использовании прерывисто поступающей солнечной энергии при полу ясной погоде. В этих случаях из-за инерционности теплоприемника солнечного водонагревателя, активная система не способна выработать полезного тепла;
- тепловой баланс пассивных систем положителен даже в некоторых случаях полной облачности.
Эти преимущества следует считать значимыми, так как в зимний период полуясная и облачная погоды составляют 60 % от общего числа дней отопительного периода. Например, нами проведен ряд экспериментальных исследований практического использования солнечного отопления по разработанной нами технологии.
Построенное в 2008 г. дачное жилье в Бручмулле в пос. Янгикурган Ташкентской области является первым реальным объектом, отвечающим современным требованиям архитектуры и строительства и обеспечивающим необходимые условия микроклимата жилых зданий. К настоящему времени выполнены основные строительные работы позволяющие произвести экспериментальные исследования по выявлению заложенных в проект преимуществ экономии энергии, которые показали высокую эффективность пассивных систем солнечного отопления. Объект испытывался в реальных горных условиях Ташкентской области. При этом молодая семья Рустам и Наташа жили в этом здании и одновременно проводили необходимые натурные наблюдения, в частности проводили замеры температуры в отапливаемом солнцем помещении и окружающей среде. Получены термограммы хода изменения теплового состояния помещения в зависимости от изменения температуры окружающей среды и чередования ясной погоды с полуясной и пасмурной погодой.
Вот некоторые предварительные результаты натурных исследований экспериментального энергоэффективного здания в пос. Бручмулла Ташкентской области с системами солнечного отопления и отбора тепла земли.
| Технико-экономические показатели | |
|---|---|
| Общая площадь помещений | 267,6 м2 |
| Площадь помещений зимнего сада | 64,8 м2 |
| Жилая площадь 1 и 2-го этажей | 110,4 м2 |
| Площадь мансардного этажа | 60,2 м2 |
| Площадь застройки | 207,4 м2 |
| Строительный объем | 1650 м3 |
| Общая площадь остекления зимнего сада, используемого в качестве коллектора солнечного тепла | 76,0 м2 |
| В качестве аккумулятора солнечного тепла используется галечная насадка | 4х19=76 м2 |
За основу энергоэффективности экспериментального дачного жилья использованы четыре взаимосвязанных энергосберегающих технологии.
- Применение специальных архитектурно-конструктивных решений по снижению теплопотерь и увеличению теплоустойчивости здания. Результаты реализации энергосберегающей технологии №1. Специальным архитектурно-планировочным и конструктивным решением достигнуто значительное снижение теплопотерь. В таблице 1 представлены данные расчетного расхода тепловой энергии на отопление в кВт*ч/м2 в год.
Расчетные значения тепловых потерь из экспериментального помещения № п/п Наименование конструкции Потери тепла в % от общего объема, Вт Теплопотери по отдельным ограждениям жилого помещения, Вт 1 Зимний сад Вариант 1 592,7 73,7 Вариант 2 393,7 — Вариант 3 204,0 — 2 Открытая ТИ стена 63,7 7,9 3 Защищенная ТИ стена 148,2 18,4 Расчетные теплопотери по жилому помещению площадью 27,6 м2, Вт/сут 4 Среднесуточные потери тепла в январе месяце при tн=–1,0 оC Вариант 1 16220,7 Вариант 2 12208,9 Вариант 3 8384,5 5 Теплопотери на 1м2 отапливаемой площади при tн=–15 оC, Вт/м2 Вариант 1 40,9 Вариант 2 30,66 Вариант 3 21.0 Годовой расход энергии на отопление 1 м2 площади помещения, кВт*ч/м2 в год Вариант 1 90,50 Вариант 2 67,84 Вариант 3 46,46 Расход тепловой энергии на отопление по типам зданий в европейских странах (Германия) и в Узбекистане Индивидуальный жилой дом 140 м2 общей площади Годовой расход тепла по типам зданий в Германии, кВт*ч/м2 год Годовой расход тепла по типам зданий в Германии, кВт*ч/м2 год Старое строение 300 250–450 Типовой дом 70-х г.г. — 200 Типовой дом 80-х г.г. — 150 Дом низкого энергопотребления 90-х г.г. 0–70 — Дом ультранизкого энергопотребления 15–50 — Современный пассивный дом менее 15 — По данным, представленным в таблицах, можно сделать следующий вывод.
Применением специальных архитектурно-конструктивных решений достигнуто сокращение расхода тепла на отопление в 5–8 раз, что по европейским стандартам приравнивается к домам ультранизкого энергопотребления. Это высокий показатель.
- Применение технологии пассивной системы солнечного отопления с аккумулятором тепла. Согласно архитектурному замыслу зимний сад служит низкотемпературным гелиоприемником с поверхностью витражного остекления 19,0 м2 (на каждое жилое помещение). Полезное тепло, уловленное в один ясный день, в условиях января месяца по средним многолетним наблюдениям температур расчетно обеспечивает 67766,4 Вт/8384,5 Вт/сут=8 суточный запас тепловой энергии. При естественном ходе чередований погодных условий пассивная система солнечного отопления полностью обеспечивает потребности здания в отоплении, так как средне за январь месяц по многолетним наблюдениям наблюдается 8 дней с ясной погодой, 10 дней полуясной погоды. В остальные дни месяца наблюдается пасмурная погода. Можно сделать следующий вывод, что применение технологии пассивной системы солнечного отопления с аккумулятором тепла полностью покрывает потребности тепла зданием на отопление. Накопленное в аккумуляторе дневное солнечное тепло покрывает пяти- восьмидневное потребление здания на отопления.
- Использование энергоэкономичной дублирующей системы отопления тепловым насосом с отбором тепла земли близлежащих территорий.
При резких похолоданиях и затяжных днях с пасмурной погодой проектом предусмотрено энергосберегающая дублирующая система отопления. Использование в качестве дублирующей системы отопления теплового насоса рассчитанного на отбор тепла земли близлежащих территорий обеспечивает оптимальный режим работы тепловых насосов при температуре земли 8–12°C на глубине 1,2–1,5 м. Использование тепловых насосов в оптимальном режиме позволяет в 3–3,5 раза эффективнее использовать электрическую энергию на отопление. Например, на каждый затраченный 1 киловатт час электрической энергии тепловым насосом производится 3–3,5 киловатта тепловой энергии. Это дает высокую экономию дорогостоящей электрической энергии. При максимальных нагрузках на отопительную систему ежечасный расход электрической энергии на работу тепловых насосов составляет всего (30,66 Вт/м2 х 27,6 м2)/3,0=280 Вт.
По результатам третьей технологии можно сделать выводы, что в холодные зимние дни температурой –3°С и ниже обычные кондиционирующие системы в режиме отопления, рассчитанные на отбирания тепла из воздуха окружающей среды, малоэффективны или вовсе не способны вырабатывать полезное тепло. Применение тепловых насосов с отбором тепла земли работает, в любых погодных условиях с низкими температурами окружающей среды, и в 3–3,5 раза экономит электрическую энергию, используемую на отопление.
- Применение солнечных водонагревательных установок для горячего водоснабжения. Для дачного жилья проектом в 2009 г. предусмотрено применение солнечных водонагревательных установок для горячего водоснабжения. Коллекторы с теплоизолированной емкостью для горячего водоснабжения размещаются на южном скате крыши. Летом и в переходные периоды потребности горячего водоснабжения полностью покрываются за счет солнечной энергии. В зимний период в случаях повышенного потребления горячей воды и в затяжные пасмурные дни будут использоваться дублирующие системы.
Итак, применение солнечных установок для горячего водоснабжения полностью покрывает потребности летом и в переходные периоды. Лишь в холодные зимние дни с продолжительной пасмурной погодой подключается дублирующая система горячего водоснабжения.
Использование пассивных систем солнечного отопления экономически выгодно. Отличительной особенностью и экономическим преимуществом пассивной системы солнечного отопления является то, что благодаря специальному архитектурно-планировочному решению само здание совмещает некоторые функции системы солнечного отопления. Например, в зимний период, при низком солнцестоянии, ориентированные на юг зимние сады являются приёмниками солнечного тепла. Массивные теплозащищенные стены в некоторой степени играют роль аккумулятора тепла и сглаживают температурные колебания внутри помещения. Основной аккумулятор тепла — галечная насадка, летом может выполнять функции накопителя «ночного холода» и уменьшить нагрузку на кондиционирующие системы. В связи с этим затраты на пассивное солнечное отопление окупаются в течение 3–4 лет.
Обобщив имеющиеся данные можно сделать выводы по реальной эффективности использования в строительстве современных энергосберегающих технологий для условий Узбекистана.
- Строительством реального здания и проведением соответствующих экспериментальных исследований по температурному режиму помещений доказана техническая возможность и перспективность использования солнечной энергии для отопления зданий в условиях Узбекистана.
- Применением специальных архитектурно-конструктивных решений с использованием эффективных теплоизоляционных материалов достигнуто сокращение расхода тепла на отопление в 5–8 раз и по европейским стандартам приравнивается к домам ультранизкого энергопотребления. Это высокий показатель.
- Применение технологии пассивной системы солнечного отопления с аккумулятором тепла полностью на 100% покрывает потребности здания на отопление. Накопленное в аккумуляторе однодневное солнечное тепло покрывает пятидневное потребление здания на отопления.
- Применение тепловых насосов с отбором тепла земли как дублирующая система эффективна, в любых погодных условиях с низкими температурами окружающей среды и позволяет в 3–3,5 раза сэкономить электрическую энергию.
- Строительство энергоэкономичных домов с пассивными системами экономически выгодно, дополнительные расходы на приобретение и монтаж оборудования солнечного отопления окупаются в течение 4–6 лет.
- Доступность и простота эксплуатации пассивных систем солнечного отопления способствует широкомасштабному их использованию в различных типах зданий, в первую очередь в сельских малоэтажных жилых зданиях.
- Практика реализации проекта показывает, что для строительства домов с пассивными системами солнечного отопления не требуются специалисты высокой квалификации. Это способствует их широкомасштабному внедрению.
Итак, экономическая целесообразность использования пассивных гелиотехнологий в малоэтажном жилищном строительстве очевидна. Полученные результаты применимы и для других центрально-азиатских республик и северных территорий Афганистана. Принципы проектирования гелиодомов и технические решения солнечного отопления могут использоваться на территориях, расположенных в пределах 35…45° северной географической широты.
Захидов М. М., кандидат архитектуры, доцент, национальный консультант по энергопотреблениям зданий ПРООН
Комментарии