Составляющие энергосберегающего дома

К. Сергеев

Неотъемлемым атрибутом современных жилых домов является соединение трех важнейших составляющих: экономики, экологии и комфорта. При незначительном увеличении вложенных средств ныне удается практически наполовину уменьшить расходы на обогрев домов, при этом существенно сократив выбросы вредных веществ в атмосферу и повысив комфорт эксплуатации дома

Принято считать, что потребность в тепловой энергии, необходимой для обогрева в типовых жилых зданиях должна составлять приблизительно 120 кВт*ч/(м²*год). В реальности во многих одноквартирных домах это значение больше и может доходить до 160 кВт*ч/(м²*год). Основная причина такого высокого потребления – неблагоприятный показатель компактности дома (соотношение площади наружных стен к объему помещений дома, которое в целях энергосбережения должно быть минимальным) и значительные теплопотери на вентиляцию. Между тем, энергосберегающими домами считаются объекты, сезонная потребность которых в тепловой энергии для обогрева не превышает 70 кВт*ч/(м2*год). Для достижения такого показателя энергопотребления, применяют комплексные строительные и инженерные решения. Они затрагивают системы вентиляции, отопления и горячего водоснабжения.

Как свидетельствуют результаты исследований, наибольшие потери тепла происходят: в системе вентиляции (при естественной вентиляции потери составляют до 30–40% тепла), а также через щели окон и дверей (20–25%). Среди ограждающих конструкций, на первом месте крыша, затем – стены и пол (приблизительно по 10–15% в общем объеме потерь), мостики холода (5%).

Широко используемые новшества, способствующие уменьшению утечек тепла, представлены на рис. 1. К таким инновациям относятся:

применение принудительной вентиляции с рекуперацией тепла, подача приточного воздуха через грунтовый теплообменник и обеспечение герметичности здания, что позволяет снизить теплопотери при вентиляции почти на 80%;
ограничение утечек тепла через окна и наружные двери за счет установки энергосберегающих окон (снижение утечки тепла через них на 20–25%);
увеличение толщины наружной теплоизоляции стен (удается сократить теплопотери через них почти на 40%);
теплоизоляция крыши (утечки тепла уменьшаются на 35%);
утепление пола на грунте (сокращение на 35%);
применение конструктивных решений, в которых отсутствуют мостики тепла (потери уменьшаются более чем на 50%).

Doma_Ris_1

Рис. 1. Энергоэффективный дом: основные элементы

Снижение потребности в тепловой энергии влияет на снижение расчетной мощности отопления. Иными словами, необходима адаптация отопительной системы к новым энергетическим потребностям дома. Кроме того, значительное ограничение потребности в тепловой энергии для отопления приводит к тому, что в энергетическом балансе домов наиболее важное значение приобретает потребность в ГВС. Поэтому при модернизации необходимо предпринимать действия, минимизирующие теплопотери в системе горячего водоснабжения, но при этом не ухудшающие комфорт ее пользования.

Программы для расчетов

Для моделирования систем энергосберегающих домов разработаны компьютерные программы, например, TRNSYS и РНРР. Программа TRNSYS (Transient Simulation Program) позволяет выполнить динамичное моделирование зданий, рассчитать работу систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. В свою очередь, РНРР (Passivhaus Projektierung Paket 2004), которая появилась на основании немецких и европейских норм, для расчетов использует средние значения температуры и солнечного излучения, полученные на основе многолетних наблюдений. Программа позволяет использовать данные метеорологических станций, находящихся в разных температурных зонах.

При выполнении вычислений необходимо учитывать необходимость поддержания температур в помещениях, соответствующих ДБН В.2.2-5-2005 «Жилые здания. Основные положения», а именно:

в жилых комнатах – 20°С;
в ванных – 25°С;
в кухнях – 18°С;
в тамбурах – 16°С.

Система вентиляции

Опыт ведущих стран показывает, что без применения принудительной приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла (рис. 2) нельзя достичь стандарта энергосберегающего дома. Она позволяет значительно ограничить теплопотери на вентиляцию, и, в отличие от естественной вентиляции, не зависит от существующих атмосферных условий. Система обеспечивает постоянный приток в дом свежего воздуха и удаление отработанного. Это имеет решающее влияние на комфорт проживания, поскольку постоянный воздухообмен защищает от чрезмерного увеличения концентрации углекислого газа, пыли или спор плесневых грибков.

Doma_Ris_2

Рис. 2. Приточно-вытяжная установка с рекуператором

Таким образом, блок принудительной приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла выходит на первый план в вентиляционной системе энергосберегающего дома. Представленные на рынке рекуператоры позволяют получить из удаляемого воздуха от 65 до 95% тепла. Одновременно они разделяют потоки удаляемого и поступающего воздуха. Блоки вентиляционных установок, применяемые в энергосберегающих домах, должны иметь КПД рекуперации более 70%. Такие технические параметры как создаваемое давление на выходе, а также производительность, можно определить, выполняя соответствующие расчеты. Требуемый воздухообмен определяется на основании ДБН В.2.5-67:2013 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

В случае применения грунтового теплообменника для охлаждения и нагрева воздуха при общем расчете системы учитывают потерю давления в нем. С учетом возможной не герметичности системы и неточности при оценке потерь давления, рекомендовано увеличить значение производительности и создаваемого давления на 5–0%. Помимо нагнетания соответствующего потока воздуха и создания давления, блок приточно-вытяжной вентиляции должен иметь возможность периодически изменять производительность, а также оснащается байпасом, позволяющим обойти грунтовый теплообменник в межсезонье – весной и осенью.

Согласно рекомендациям, вентиляция должна работать круглосуточно. Ее производительность может быть снижена максимум до 60% на протяжении восьми часов в сутки. Это значительно снижает потери тепла на вентиляцию и не приводит к чрезмерному снижению уровня влажности в помещениях.

Грунтовый теплообменник – один из важных элементов вентиляционной системы энергосберегающего дома. Зимой он использует аккумулированное в земле тепло для нагрева наружного воздуха до температуры 2–3 °С. Летом проходящий через грунтовый теплообменник воздух охлаждается до 15–20°С. В наиболее простом варианте функцию теплообменника может выполнять пластиковая труба, уложенная в земле на глубине 1,5–2 м.

Использование грунтового теплообменника не только уменьшает потребность в тепловой энергии, но и влияет на правильность работы вентиляционной системы. Эффективность ее главного элемента – блока с рекуперацией тепла – в значительной степени зависит от температуры наружного воздуха. Если она будет ниже -3°С, может произойти замерзание конденсата на поверхности теплообменника, в результате чего он может перестать работать. Чтобы избежать этого, блоки приточно-вытяжной вентиляции оборудуют устройствами антиобледенения. Наиболее часто применяемые с этой целью решения – устройство предварительного нагрева и периодическое выключение на некоторое время приточной вентиляции. Но эти решения невыгодны с точки зрения эффективности. Так, в первом случае увеличивается потребление электроэнергии, что существенно увеличивает расходы, связанные с эксплуатацией системы вентиляции.

Соответствующим образом должна быть организована циркуляция воздуха в энергосберегающем доме. Приточная вентиляция обеспечивает подачу свежего воздуха непосредственно в спальни и гостиную. Для чего в этих помещениях должна быть хотя бы одна приточная решетка. Загрязненный воздух из кухни и ванной удаляется через размещенные в них вытяжные решетки. Схема циркуляции проста: свежий воздух сначала попадает в жилые помещения. Затем проходит через промежуточную зону в меньшие по размерам влажные помещения, в которых воздухообмен должен происходить чаще. Благодаря этому свежий воздух используется оптимально.

Однако для обеспечения такого типа вентиляции помещения не должны быть герметично отделены друг от друга. Для этого под межкомнатными дверями предусматривают зазоры высотой до 2 см, а в дверях ванных и санузлов врезают вентиляционные решетки. В отдельных помещениях, таких как котельная и кухня, нужны индивидуальные решения приточно-вытяжной вентиляции. Ведь каждое из них, учитывая специфику, имеет требования, отличающиеся от остальной части дома.

В энергосберегающем доме, принимая во внимание принудительную вентиляцию с рекуперацией тепла, следует стремиться к ограничению неконтролируемого притока наружного воздуха за счет минимизации количества отверстий в наружных стенах дома. Поэтому вместо котлов с открытой камерой сгорания рекомендовано устанавливать турбированные котлы. Они оборудованы коаксиальным каналом (труба в трубе), в котором по внешней трубе в топку вентилятором снаружи нагнетается воздух для сжигания топлива, а по внутренней – продукты сгорания отводятся за пределы помещения. Благодаря этому нет необходимости выполнять приточный канал. За счет этого отсутствует неконтролируемый приток наружного воздуха, минующий систему принудительной вентиляции, снижаются теплопотери. Но использование котла с закрытой камерой сгорания не освобождает от необходимости сооружения канала естественной вентиляции и применения соответствующих проветривателей. Учитывая подключение к газовой сети, это помещение должно иметь независимую систему вентиляции. Чтобы не было нарушений в работе принудительной и естественной вентиляций, двери между котельной и помещениями в доме должны плотно закрываться.

Окна и двери

Существует большое количество способов ограничения утечек тепла через окна и двери. Важнейшим является применение рам и стеклопакетов с повышенными теплоизоляционными характеристиками, соответствующее размещение окон относительно сторон света (предпочтительнее – на юг), а также установка ставней и жалюзи. Первый способ предпочтительнее при реконструкции, поскольку позволяет избежать значительного вмешательства в архитектуру здания.

На рынке представлены разные типы энергосберегающих окон: в основном изготовленных из пластика. В них стеклопакеты имеют два или три стекла, при этом зазор между стеклами, имеющий ширину более 10 мм, заполнен сухим воздухом или инертным газом. Некоторые окна имеют специальное отражающее инфракрасное излучение покрытие. Недостаток энергосберегающих окон – высокая стоимость в сравнении с достигаемым эффектом.

Доступные на рынке окна характеризуются сопротивлением теплопередаче R = 0,63 (м²*К)/Вт. Этот параметр следует определять в соответствии с действующими положениями в ДБН В.2.6-31:2006. Он принимает во внимание разные изоляционные свойства оконных рам и остекления, а также учитывает утечку тепла через мостик холода на стыке оконной рамы с остеклением. Стандартные окна выполнены из рам с сопротивлением теплопередаче R =0,67 (м²*К)/Вт и остеклением с R = 0,9 (м²*К)/Вт. Усовершенствования, касающиеся окон и наружных входных дверей, позволяют уменьшить теплопотери почти на 10%.

Теплоизоляция ограждающих конструкций

Из ограждающих конструкций, в соответствии с ДБН В.2.6-31:2006 «Конструкция зданий и сооружений. Тепловая изоляция строений», наибольшие требования предъявляются к крыше. При этом самыми лучшими значениями сопротивления теплопередаче должны обладать совмещенные перекрытия (то есть крыши без чердачных помещений). Вопрос утепления перекрытий актуален по той простой причине, что, как известно по законам физики, теплый воздух поднимается вверх. Вследствие этого, с учетом большой площади потолков, и теплопотери через перекрытия будут существенными, если их тщательно не утеплить.

Большие теплопотери наблюдаются также через наружные стены и пол. Во втором случае, учитывая более-менее постоянную температуру грунта, утечки тепла не настолько существенны. Однако, утепление пола – также важный вопрос, который в частном доме можно решить совместно с обустройством напольного водяного или электрического отопления, что к тому же повысит комфортность микроклимата.

В старых домах, не имеющих подвального помещения, нередко трубы системы отопления укладываются прямо на бетонное основание пола. Если не предусмотрена достаточная его теплоизоляция, это может также приводить к потерям тепла. В новых постройках, где разводка располагается в подвальных помещениях важно обратить первостепенное внимание технической теплоизоляции трубопроводов, кроме того, возможно утеплить и фундамент. В частности, целесообразна сплошная теплоизоляция подвальной части здания. Помимо сохранения тепла она должна обеспечивать гидроизоляцию. Материал, применяемый для изоляции фундамента должен иметь высокую механическую прочность на сжатие и низкое водопоглощение. Поэтому можно использовать, например, экструзионный пенополистирол.

Мостики холода

Места, в которых происходит значительно больший теплообмен, чем через обычные ограждающие конструкции называют мостиками холода. Различают два их вида. Геометрические мостики холода (рис. 3) возникают там, где площадь ограждающей конструкции с наружной стороны отличается от площади ограждающей конструкции с внутренней стороны, например, в углах. Такие мостики существуют даже в пассивных домах. Другой вид мостиков – конструктивный. Он возникает в местах, где слой теплоизоляции более тонкий, прерван или неоднороден. Такие мостики в энергосберегающих домах можно и нужно исключить. Устранение их достигается путем создания непрерывности слоя теплоизоляции во внешних ограждающих конструкциях и на их соединениях.

Рис. 3. Мостик холода на экране тепловизора

В энергосберегающих домах это, как правило, удается реализовать повсеместно.

ГВС

Следует стремиться к максимальному ограничению теплопотерь в системе ГВС, уменьшению потребления горячей воды и, насколько это рентабельно – использованию возобновляемых источников энергии (солнечной и грунтовой энергии). Система ГВС должна быть тщательно теплоизолирована, при этом толщина применяемой изоляции может превышать рекомендованную нормами. Диаметр разводящих труб и труб для циркуляции теплоносителя должен быть небольшим. Ограничить теплопотери можно также за счет автоматического регулирования температуры воды и работы циркуляционных насосов. Потребление горячей воды уменьшают и путем установки специальных смесителей, например, новых конструкций вентильных головок, аэраторов вместо обычных душевых ситечек либо устройств, перекрывающих воду в незакрученных кранах.

Система отопления

В энергосберегающих домах расчетная потребность в мощности для обогрева уменьшилась почти наполовину по сравнению с типовыми домами. Теперь для обогрева помещений площадью 140 м² достаточно установить котел мощностью около 6 кВт. Но эта мощность может быть недостаточной для приготовления горячей воды. Поэтому при выборе теплогенератора нужно учитывать большую из требуемых мощностей. В энергосберегающих домах, как правило, устанавливают конденсационные котлы. В этом случае, соответственно, целесообразно и применение в целом низкотемпературной системы отопления.

Меньшая требуемая мощность для обогрева дома приводит и к тому, что для подачи необходимого количества тепла потребуется меньшая площадь радиаторов, следовательно, их количество (число секций) уменьшится. При этом также желательно применение зональных систем регулирования температуры воздуха в помещениях.

Возобновляемая энергия

Резервом экономии может быть использование энергии из возобновляемых источников: – энергия, получаемая с помощью солнечных коллекторов, установленных на крыше или стене здания, идет на нагрев горячей воды и теплоносителя системы отопления; – сжигание биомассы (древесины и ее отходов, соломы и т.д.) в твердотопливных котлах; – тепло, накопившееся в грунте, может добываться с помощью тепловых насосов или грунтового теплообменника. Полученное из возобновляемых источников энергии тепло имеет низкую удельную стоимость, но связано с высокими капитальными затратами. Наиболее недорогая схема – использование грунтового теплообменника, служащего для предварительного нагрева