Встатье проанализированы методы повышения энергоэффективности зданий, включая как и строительное производство, так и при эксплуатации здания. Рассмотрены такие факторы влияния на энергоэффективность здания, как конфигурация здания, ориентирование по сторонам света. Приведены примеры повышения энергоэффективности за счет оптимизации вентиляции здания; альтернативных методов повышения температуры воды; организации зеленых насаждений на кровле; увеличения естественного освещения при уменьшении теплопроводности окон; теплоизоляции фундамента и теплого пола; применения различных утеплителей. А также приведены примеры новаторских решений в строительстве, отвечающих потребности в увеличении энергоэффективности зданий.

Ключевые слова: энергоэффективность, конструкции, строительство, экология, экономичное жилье.

Введение

Стремление к энергоэффективности в строительстве обусловлено, прежде всего, экологией — не просто современным трендом, но реальной необходимостью в условиях нашего времени. Промышленный прогресс и развитие строительства за последние столетия набирают большие обороты. Поэтому, одна из больших задач современных участников архитектурно-строительного процесса — максимально сократить расход невосполнимых ресурсов, соблюдая при этом принципы энергоэффективности и экологичности. Внедрение методов энергоэффективности экономически оправдано на всем жизненном цикле объекта строительства: от строительного производства до эксплуатации.

При этом необходимо помнить, что изготовление энергоэффективных материалов путем больших затрат энергии было бы неразумно. Энергетическая эффективность строительной отрасли в общем зависит от всех затрат энергии от строительства до эксплуатации. Промышленные предприятия по производству строительных материалов, изделий и конструкций являются крупными потребителями энергии. Ежегодный расход энергии отраслью составляет порядка 60 млн тонн условного топлива и около 40 млрд. кВт·ч электроэнергии, что составляет около 6 % от всех добываемых и расходуемых на внутренние нужды топливно-энергетических ресурсов.

Основная часть

Прежде чем говорить о самих конструкциях стоит сказать, что в повышении энергоэффективности не малую роль играет планировочное решение: любые выступающие в плане части здания (эркеры, балконы) чреваты теплопотерями, а наиболее выгодным в этом отношении является прямоугольник или квадрат в плане. Не всегда этого можно добиться в виду того, что подчас эстетические искания архитектора более приоритетны.

Рис. 1. Влияние конфигурации плана здания на его энергопотребление (стрелкой показано направление роста энергоэфективности) [1]

К методам повышения энергоэффективности при проектировании можно отнести расположение по сторонам света и учет розы ветров. Расположение окон здания по сторонам света может значительно повлиять на энергоэффективность здания. В северном полушарии рекомендуется располагать окна на южной стороне здания для максимального использования солнечного света и тепла. Это поможет снизить затраты на отопление зимой и обеспечит естественное освещение помещений.

Кроме того, следует учитывать ориентацию здания относительно сторон света при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Например, если здание ориентировано таким образом, что большинство окон находятся на восточной или западной стороне, то в летнее время оно будет сильно нагреваться от прямых солнечных лучей. Чтобы избежать этого, можно использовать специальные солнцезащитные устройства (жалюзи, шторы) или выбирать материалы с низким коэффициентом теплопередачи для стен и крыш.

Также стоит обратить внимание на планировку внутреннего пространства здания. Например, большие открытые пространства могут способствовать циркуляции воздуха и улучшению вентиляции, что также способствует повышению энергоэффективности здания.

Эти факторы энергоэффективности сложно жестко урегулировать для всего строительства, так как каждая стройка обладает сугубо индивидуальными условиями, в которых всем участникам проектирования и строительного производства и нужно создать уникальное решение. А все ранее сказанное лишь направление, которое важно учитывать, и в котором действительно стоит развиваться.

В 60-х годах прошлого века — в момент расцвета индустриального массового строительства панельных зданий — было построено огромное количество жилья. До сих пор в нем проживает около 14 % населения страны (чуть менее 9 млн человек). В общем, около 35 % россиян на данный момент проживают в жилье, построенном в советское время. Срок службы этих зданий 50–80 лет, то есть уже через 15–20 лет вопрос об их замене будет стоять достаточно остро. Процесс сноса или реконструкции при этом будет достаточно энерго- и экономически затратным.

Рассмотрим основные методы и способы повышения энергоэффективности зданий.

1. Процесс вентиляции можно сделать более энергоэффективным за счёт рекуперациии воздуха — процесса, при котором тепло забирается из удаляемого воздуха и передаётся поступающему свежему воздуху. Это позволяет значительно снизить энергозатраты на обогрев или охлаждение помещений. Суть процесса заключается в следующем: при вентиляции помещения воздух внутри него заменяется наружным. При этом вместе с ним уходит и часть тепла, которое было накоплено внутри помещения. Это особенно заметно зимой, когда холодный воздух снаружи быстро охлаждает помещение. Чтобы этого избежать, используется система рекуперации. Система рекуперации состоит из двух основных элементов: теплообменника (рекуператора) и вентилятора. Теплообменник устанавливается между приточным и вытяжным каналами вентиляции. Когда воздух выходит из помещения через вытяжной канал, он проходит через рекуператор и отдаёт своё тепло. Затем свежий воздух с улицы проходит через тот же рекуператор, но уже в обратном направлении, и забирает это тепло. Таким образом, температура входящего воздуха повышается, что позволяет снизить затраты на его обогрев.
2. Для более энергоэффективного повышения температуры воды можно:

– установить солнечные коллекторы для нагревания воды. Солнечные коллекторы улавливают солнечную энергию и перерабатывают ее в тепло, которое можно использовать для нагревания воды.

– установить высокоэффективные термосифонные или тепловые насосы для обогрева воды. Они экономичны в использовании и могут значительно снизить потребление электроэнергии.

– утеплить трубопроводы для предотвращения потери тепла. Хорошо изолированные трубы снижают потери тепла при транспортировке горячей воды.

– разработать график работы системы нагревания воды с учетом пиковых нагрузок и минимизировать перерасход ресурсов.

– использовать «умные» технологии управления нагреванием воды, такие как автоматические термостаты и таймеры. Они позволят оптимизировать расход энергии и минимизировать излишние затраты.

Во всем мире, в частности и в России, основным энергетическим ресурсом для отопления является газ. Также используются электричество, масло и твердые виды топлива (дрова, уголь). Газ, масло и уголь является невосполняемыми ресурсами, тогда как электричество успешно вырабатывается вполне экологичными способами. Поэтому, с точки зрения экологии необходим переход на отопление электроэнергией, что в данный момент не выгодно с экономической точки зрения, так как это гораздо дороже. Тут можно отметить несколько задач, которые необходимо решить для улучшения энергоэффективности: удешевление электроэнергии и увеличение доступности ее выработки экологичным путем; уменьшение энергозатрат на отопление здания путем уменьшения теплопроводности строительных конструкций. И последнее является наиболее приоритетным ввиду того, что отвечает, как экологичным вопросам, так и экономическим.

3. Организация зеленых насаждений на кровле здания может снизить потребление энергии на кондиционирование воздуха. Зеленая кровля может действовать как естественный утеплитель, помогая снизить теплопотери здания зимой и уменьшить поглощение тепла летом. Кроме того, растения на кровле могут поглощать солнечное излучение и уменьшать тепловой эффект города, что в конечном итоге помогает снизить нагрузку на кондиционирование воздуха и снизить энергопотребление здания. К тому же, озеленение один из основных и действенных способов улучшения экологии в городе.

Рис. 2. Зеленые кровли [https://vk.com/zincorus]

4. Уменьшить энергозатраты на освещение можно увеличением естественного освещения. При это можно использовать энергосберегающие окна с низким коэффициентом теплопередачи (U-фактор), которые становятся все более популярными среди потребителей, стремящихся сократить расходы на отопление и кондиционирование воздуха. Эти окна обладают несколькими слоями стекла и заполнены инертным газом, который помогает сохранять тепло внутри помещения.

Окна с низким U-фактором позволяют уменьшить потери тепла через стекло, что делает их идеальным выбором для домов и офисов, расположенных в холодных климатических условиях. Кроме того, такие окна также помогают снизить затраты на электроэнергию, необходимую для работы систем отопления и кондиционирования воздуха. Важно отметить, что использование энергосберегающих окон с низким U-фактором является одним из наиболее эффективных способов экономии энергии в доме. Они могут значительно повысить комфорт жизни и снизить отрицательное влияние на окружающую среду.

5. Также теплоизоляция фундамента играет важную роль в создании энергоэффективного здания. Она помогает сохранять тепло в здании, уменьшая теплопотери через основание. Грамотная запроектированная и исполненная теплоизоляция фундамента снижает расходы на отопление здания, вследствие уменьшения потребления энергии для поддержания комфортной температуры.

Существует несколько способов утепления фундамента, включая использование утеплителей, теплоизоляционных материалов и гидроизоляции. Важно выбирать правильный материал в зависимости от типа и глубины фундамента, а также климатических условий в регионе.

Рис. 3. Схема воздействия природных факторов на фундамент и его теплоизоляцию. [https://vsebloki.ru/stati/ekstrudirovannyy-penopolistirol-osnovnye-harakteristiki-teploprovodnost/]

6. Система напольного отопления «теплый пол» также может быть отнесена к инженерным системам энергоэффективных технологий. Данная технология получила достаточно широкое применение за счет возможности использования любого напольного покрытия. Поднимаясь от пола вверх, тепло равномерно прогревает воздух. Такой пол эффективно функционирует при более низких значениях температур, чем обычный радиатор, кроме того, есть возможность сократить энергопотребление за счет уменьшения температуры в неиспользуемых в данный момент помещениях с помощью современных терморегуляторов.
7. Еще одним энергоэффективным методом можно использование более экологичных утеплителей. Рассмотрим некоторые из них:

– Минеральная вата — теплоизоляционный материал, изготавливаемых из волокон, получаемых методом расплава минерального сырья при высоких температурах и его преобразования в тончайшие, длинные нити. Она обладает высокой звукоизоляцией, пожаростойкостью и долговечностью.

– Овечья шерсть — натуральный материал, который обладает высокой теплоизоляцией и звукопоглощением. Он также является биоразлагаемым и экологически чистым продуктом. Его недостатком является то, что он впитывает влагу, а это, в свою очередь, приводит к увеличению теплопроводности.

– Фибролит — строительный материал, представляющий собой затвердевшую и спрессованную смесь деревяных мелкогабаритных отходов и цемента. Используют не только как утеплитель, но также из него делают перегородки и несъёмную опалубку для фундамента. Он обладает высокой прочностью и устойчивостью к влаге. Однако его устойчивость к биологическому и химическому воздействию не высока.

– Камка — утеплитель, получаемый из морской травы зостеры. Пожаростойкий, выделяет йод, что благотворно сказывается на здоровье человека. При это имеет невысокую прочность, нуждается в гидроизоляции.

– Торфяное утепление — утеплитель, получаемый из торфа. Экологичный и безопасный материал с высокой теплоизоляцией. Горюч.

– Пробковый утеплитель — это материал, получаемый из коры пробкового дерева. Лёгкий, эластичный, непроницаемый и огнестойкий. Недостатком является его высокая стоимость.

– Льняной утеплитель — Утеплитель, в котором применяется, льняные волокна на 85 % состоит именно из волокон льна и лишь 15 % занимает связывающее вещество — лавсан или полиэстер. Долговечен. Срок службы такого утеплителя — до 75 лет. Однако у материала слабая устойчивость к горению и биофакторам.

– Эковата — утеплитель, получаемый путем переработки бумажного вторсырья. Он обладает высокой теплоизоляцией, биоустойчивостью, паропроницаемостью. Проблемами использования эковаты являются неудобство монтажа и усадка теплоизоляционного слоя.

– Хлопковый утеплитель — теплоизоляционный материал из хлопковых плит. Он обладает высокой теплоизоляцией и звукопоглощением. Однако он горюч и непрост в нарезке и монтаже.

Каждый из этих утеплителей имеет свои преимущества и недостатки. При выборе материала необходимо учитывать не только его свойства, но и условия эксплуатации здания, а также возможные риски для здоровья человека.

Также стоит уделить внимание современным и несколько нестандартным решениям вопроса энергоэффективности строительных конструкций.

Так, например, исследователи из Мичиганского университета объединили 3D-печать и компьютерное моделирование для создания сверхлегких бетонных конструкций. По словам специалистов, такое сочетание технологий позволяет оптимально использовать строительные материалы, размещая их только в необходимых местах для обеспечения прочности. В доказательство своей идеи они разработали бетонную оболочку Shell Wall. Эта конструкция, имеющая органическую форму, на 72 % легче традиционной монолитной бетонной стены того же размера и способна выдерживать аналогичную нагрузку. При этом для 3D-печати можно применять обычный бетон, а не специализированные смеси. «Все эти факторы в итоге дают возможность нам создавать более качественные и экологически чистые конструкции при меньших затратах», — подчеркнули разработчики.

Рис. 4. Shell Wall (вид спереди и сзади подчеркивает уменьшение расхода материала, достигнутое за счет тонкой мембраны между структурными ребрами в высокой, дважды изогнутой стене) [https://www.forma.spb.ru/archiblog/2023/04/04/sverhlyogkaya-beton-dlya-3d-pechati/?ysclid=m6rpkjw1id912196171]

Или напротив, возврат к более экологичным материалам, используемыми ранее, но с современным взглядом на строительство. Пример тому здание с самой крупной соломенной крышей в Европе. Оно является современным сооружением, а не исторической постройкой. И располагается на оздоровительном курорте Lansehof Sylt, разработанном архитектурной студией Ingenhoven Architects на немецком острове Зильт.

Рис. 5. Здание с самой крупной соломенной крышей в Европе [https://www.archdaily.com/1004635/lanserhof-sylt-health-resort-ingenhoven-associates]

Комплекс состоит из нескольких зданий, самое большое из которых имеет площадь 7100 квадратных метров. Выбор такого кровельного материала обусловлен несколькими факторами. Во-первых, заказчик желал использовать исключительно натуральные экологически чистые материалы. Во-вторых, технология возведения соломенной крыши позволила создать формы, которые гармонируют с окружающим дюнным ландшафтом. Наконец, это также отражает уважение к местной архитектурной традиции. «Наши проекты следует понимать как современный ответ на достижения предыдущих поколений», — подчеркнули архитекторы.

Литература:

1. Рубцова М. В., Семенова Э. Е. Учет влияния формы здания на его энергоэффективность // Инженерно-строительный вестник Прикаспия. 2021. № 2 (36). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/uchet-vliyaniya-formy-zdaniya-na-ego-energoeffektivnost (дата обращения: 05.02.2025).
2. Шеина С. Г., Гиря Л. В., Швец А. Е., Ларин Н. С. Методы повышения энергоэффективности на этапе строительства жилых зданий повышенной этажности // Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. 2022. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-povysheniya-energoeffektivnosti-na-etape-stroitelstva-zhilyh-zdaniy-povyshennoy-etazhnosti (дата обращения: 05.02.2025).
3. Алоян Р. М., Федосов С. В., Опарина Л. А. Энергоэффективные здания — состояние, проблемы и пути решения — Иваново: ПресСто, 2016. — 276 с.
4. Верижников Е. Ю. Современные методы повышения энергоэффективности зданий в строительстве // Научный журнал молодых ученых. 2023. № 3 (33). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-metody-povysheniya-energoeffektivnosti-zdaniy-v-stroitelstve (дата обращения: 05.02.2025).
5. Опарина, Л. А. Основы ресурсо- и энергосбережения в строительстве: учеб. пособие / Л. А. Опарина. — Иваново: ПресСто, 2014. — 256 с.
6. Девликамова, А. С. Энергоэффективные технологии в строительстве / А. С. Девликамова, К. А. Петулько. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 8 (112). — С. 1268–1271.
7. Онищенко М. Ю., Борисова Н. И., Борисов А. В. Энергосберегающие технологии в строительстве // Экономика и менеджмент инновационных технологий. 2016. № 3 [Электронный ресурс]. URL: https://ekonomika.snauka.ru/2016/03/11128 (дата обращения: 05.02.2025).