Человечество в результате второй научно-технической революции в XX веке начало задумываться об энергосбережении и экологических последствиях своей деятельности [1]. В связи с сокращением невозобновляемых энергетических ресурсов (природный газ, нефть, уголь) правительства ведущих стран мира пришли к выводу, что нужно сокращать потребление энергии. В этот момент и появился термин «энергосбережение».

В постиндустриальных странах, где главенствует третичный сектор экономики (сфера услуг), в термин «энергосбережение» включают и рациональное сокращение экономических затрат при применении энергосберегающих технологий.

В России энергосбережение уже отнесено к стратегическим задачам государства и одновременно оно также является основным методом обеспечения энергетической безопасности [2]. Впервые данные задачи были озвучены на заседании комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России 18 июня 2009 года, а утверждены указом Президента РФ от 7 июля 2011 года №899 «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники».

Для составления списка энергосберегающих мероприятий проектировщик обязан знать назначение здания и распределение энергопотребления по инженерным системам. На данный момент как в России, так и в мире нет единой точной методики для подсчёта энергопотребления здания.

В СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003» предпринята попытка подсчёта потребления тепловой энергии зданий и сооружений, но в данном документе рассмотрены только системы вентиляции и отопления.

Ведущими учёными, которые занимались методикой расчёта теплопотребления инженерных систем в России, являются: выпускник МВТУ им. Н. Э. Баумана, профессор кафедры отопления и вентиляции МИСИ В. М. Чаплин [3]; д.э.н. Л. Д. Богуславский; к.т.н. В. И. Ливчак [4]; д.т.н., профессор кафедры теплогазоснабжения и вентиляции В. И. Прохоров [5, 6].

Результатами их работы стало появление термина «удельная тепловая характеристика здания», его применение при расчёте годового энергопотребления инженерными системами и расчёт экономических затрат при проектировании, эксплуатации и реконструкции систем теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха в здании.

В нашей стране после определённых исторических событий в большинстве жилых многоквартирных домах применяется естественная система вентиляции воздуха [7]. Лишь некоторые зарубежные проектные организации, ведущие работу в Российской Федерации, конструируют механическую приточно-вытяжную систему вентиляции и кондиционирования воздуха в жилых зданиях. Количество таких домов не очень велико. В старых жилых домах устанавливают только системы кондиционирования воздуха.

Доли энергопотребления различными инженерными системами в жилых домах распределяются лишь между системами горячего водоснабжения (ГВС) и системой отопления (СО). По исследованиям М. А. Разакова [8], в среднем многоквартирном доме в Московском регионе на долю горячего водоснабжения приходится около 51% потребляемой тепловой энергии, а на систему отопления — 49%.

На рис. 1 приведена диаграмма годового потребления тепловой энергии усреднённого многоквартирного жилого дома. Одним из определяющих факторов является количество проживающих людей, а также объём здания.

Энергосбережение в жилых многоквартирных домах. 6/2019. Фото 1

Следует учитывать, что система горячего водоснабжения функционирует в течение всего года, а система отопления — лишь в период отопительного сезона.

Для увеличения коэффициента сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий различного назначения и инженерных систем внутри зданий применяется дополнительное утепление существующих конструкций. По данным Л. Д. Богуславского и В. И. Ливчака [4], экономически обоснованное увеличение толщины утеплителя для любых конструкций составляет 20–25% от первоначальной. При массовом утеплении жилых домов в период с 2014 по 2018 годы эта величина могла иметь различные значения.

Основными материалами-утеплителями, применяемыми для жилых домов и зданий различного назначения на тот период, являлись минераловатные материалы, материалы из стекловаты, плиты из экструдированного пенополистирола, вспененный полиэтилен, краски и штукатурки. Ниже приведены некоторые характеристики данных теплоизоляционных материалов.

1. Минераловатные материалы — это теплоизоляционные материалы, которые изготовлены из камня и шлаков. Они представляют собой вату, сырьём для которой служат базальтовые породы, известняк, доломит и прочие. Шлаковату производят из отработки изделий цветной и чёрной металлургии. Данные материалы обладают рядом неоспоримых качеств — высокие теплои звукоизоляционные качества, устойчивость к воздействию влаги, тепла, жидкостей. Они негорючие, лёгкие, экологичные. Их монтаж довольно прост, поскольку они легко поддаются изменению формы и размера. Материалы на их основе используются в противопожарных системах. Они применяются при утеплении как внутренних, так и внешних стен.

2. Материалы для теплоизоляции из стекловаты имеют схожие свойства с минераловатными изделиями. Из-за того, что волокна стекла более длинные и толстые, стекловата более упругая и прочная, она легко поддаётся деформации и принимает практичные формы. Данный вид изоляции также обладает высокими звукоизоляционными свойствами. Изделия из стекловолокна не подвержены влиянию агрессивных сред, химических веществ и микроорганизмов, поэтому срок их службы практически не ограничен. Стекловата также негорючая. Она хорошо подойдёт для внутреннего утепления любых конструкций, например, в зданиях культурного наследия [9].

3. Ещё одним теплоизоляционным материалом являлся экструдированный пенополистирол. Плиты из пенополистирола обладают низкой теплопроводностью и довольно высокой плотностью. Данный факт позволяет применять его не только в качестве утеплителя, но и как конструктивный материал, из которого могут быть составлены часть стены или потолка. Пенополистирол также обладает низкой гигроскопичностью, то есть не впитывает влагу. Он трудновоспламеняем и обладает хорошими звукоизоляционными качествами.

4. Вспененный полиэтилен использовался в качестве теплоизоляции, гидроизоляции и звукоизоляции зданий и сооружений. Продукция выпускается в виде рулонов, матов, жгутов и полых труб стандартных толщин и диаметров. Изоляция для труб, например, представляет собой оболочки с продольным разрезом, которые одеваются поверх труб и склеиваются специальным скотчем, клеем или соединяются скобами. Они легко режутся, поэтому с помощью специальных шаблонов можно, не имея специальных навыков, сделать изоляцию на колена, вентили, ответвления. Материал имеет закрытую структуру ячеек: водопоглощение — менее 0,8% после семи суток нахождения в воде.

Вспененный полиэтилен обладает химической стойкостью к маслам, строительным материалам, биологически не разлагается. Диапазон рабочих температур данной изоляции составляет −50…+90°C, срок службы достигает 25 лет. Использование материалов на вспененной основе даёт комплексную защиту инженерных сетей. В системах ГВС с температурой носителя до 90°C хорошо зарекомендовала себя изоляция на основе вспененного полиэтилена. При температуре носителя свыше 90°C необходимо использовать изоляцию на основе вспененного каучука, поскольку полиэтилен не способен долго выдерживать такие температурные режимы без потери свойств. В системах ХВС основной проблемой является защита труб от конденсата. В них применяется каучуковая изоляция, но с экономической точки зрения удобнее использовать изоляцию из пенополиэтилена с фольгированным слоем (фольга служит отличным «паробарьером»). Для изоляции трубопроводов и воздуховодов систем кондиционирования применяется вспененный каучук или отражающая изоляция. Установка этих материалов позволяет повысить эффективность системы, увеличить её долговечность и снизить уровень шума.

5. Краски. Требования к окрашиваемой поверхности минимальны: она должна быть очищенной от грязи, жира и ржавчины и иметь температуру от +7 до +150°C. Допустимый диапазон температур при эксплуатации самой энергосберегающей краски составляет −47…+260°C. Для нанесения краски на окрашиваемую поверхность можно использовать как обычный распылитель, так и малярную кисть или валик. Наиболее частые области применения энергосберегающих красок: системы кондиционирования воздуха, крыши зданий, водонагреватели, трубопроводы для горячей воды, теплообменники и т. д.

6. Штукатурки. Для утепления стен дома помимо пенополистирольных плит и стекловолокна применяют изоляционные материалы нового поколения — энергосберегающие штукатурки, которые не только выравнивают стены, но и утепляют их. Роль утеплителя в данном случае играет теплоизоляционный наполнитель. В качестве него чаще всего используют вспененный пенополистирол или вспученные перлит и вермикулит в виде гранул.

Теплоизоляция — это лишь одна из позиций в обширном списке свойств данных отделочных материалов. Использование энергосберегающих штукатурок позволяет сэкономить трижды. Первый раз — при отделке стен, исключив из этого процесса монтаж и покупку утеплителя, второй раз — при эксплуатации здания, сократив расходы на энергоносители, третий раз — на отделочных материалах. Изоляционные материалы нового поколения также характеризуются длительным сроком эксплуатации.

Кроме того, высокая паропропускная способность современных энергосберегающих штукатурок позволяет избежать промерзания стен и предохраняет их от увлажнения, что значительно снижает риск поражения стен грибком и плесенью, деформации от температурных колебаний, коррозии железобетонных конструкций, а создание монолитного контура теплоизоляции не допускает образования мостиков холода. Энергосберегающие штукатурки подходят как для внутренней, так и для внешней теплоизоляции стен домов. Их применение также возможно в жилых домах с длительным сроком эксплуатации [10].

В последние годы все энергоэффективные технологии для жилого сектора объединяются в идее «пассивного» дома [11, 12] — здания, имеющего крайне низкое потребление энергии и максимально использующего окружающую среду (энергию ветра, солнечную инсоляцию, теплоту грунта). В европейских странах строятся «пассивные» дома с энергопотреблением не более 15 кВт·ч/( м²·год). Они представляют собой некий стандарт энергоэффективности в строительстве, который позволяет поддерживать комфортность проживания при нанесении минимального вреда окружающей среде. «Пассивный» дом потребляет так мало тепловой энергии, что отпадает необходимость в установке отдельной отопительной системы, или её мощность и размеры настолько невелики, что достаточно использовать низкопотенциальные источники тепловой энергии. Внешний вид одного из таких домов представлен на рис. 2.

Энергосбережение в жилых многоквартирных домах. 6/2019. Фото 2

При планировании такого дома надо учитывать климат региона строительства. На рис. 3 изображены зоны со средними температурами января на территориях всех стран Земли. Из рис. 3 следует, что в России существуют зоны с температурой −20°C и ниже [13, 14], в то время как европейские страны расположены в зонах до −10°C и выше. В России «пассивное» строительство со 100%-й уверенностью может применяться только на юге страны, в остальных регионах нужны дополнительные исследования.

Энергосбережение в жилых многоквартирных домах. 6/2019. Фото 3

Выводы

Первым несомненным побудительным мотивом к снижению энергопотребления является указ Президента РФ, но вторым фактором, не менее важным, служит изменение норм при проектировании тепловой защиты. В 2014 году был введён СП 50.13330.2012 «Тепловая защита здания» вместо СНиП 23-02-2003, в котором резко были увеличены значения термического сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. Они были приближены к мировым и европейским стандартам проектирования. К сожалению, из-за недопонимания особенностей распределения тепловой энергии в России и других странах между инженерными системами были резко повышены значения величин, имеющих отношение к тепловой защите зданий. Проблему нельзя было рассматривать с позиции только одной инженерной системы.

В западных странах в жилых домах часто устанавливают механическую приточно-вытяжную или гибридную систему вентиляции и кондиционирования воздуха. В нашей же стране подавляющее количество жилых зданий имеет естественную систему вентиляции. В дальнейшем была произведена борьба с основным источником потерь теплоты в ограждающих конструкциях — окнами. Это, в свою очередь, привело к различным аварийным ситуациям и даже взрывам газа. Проблема в том, что пластиковые окна имеют меньшую воздухопроницаемость, чем деревянные, что приводит к сокращению кратности воздухообмена.