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.

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/( м?·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.

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.

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.