Энергосбережение представляет собой комплекс мер, реализуемых на государственном и корпоративном уровнях и направленных на сокращение потерь и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на всех этапах (от добычи до утилизации). Актуальность повышения энергоэффективности обусловлена комплексом глобальных вызовов: ростом цен на энергоресурсы и увеличением мирового энергопотребления, а также необходимостью противодействия изменению климата на планете через снижение выбросов парниковых газов.

Согласно исследованиям А. С. Горшкова [1], энергоэффективность в строительстве требует сбалансированного подхода, который оптимизирует затраты на утепление конструктивных элементов здания в сравнении с будущим снижением затрат на отопление для достижения экономической целесообразности, а не просто максимизирует толщину утепления. В статье также говорится о том, что значительная часть энергии теряется из-за «мостиков холода» и недостаточного сопротивления теплопередаче стен и окон. Также утверждается, что снижение энергопотребления невозможно без автоматизации систем отопления и вентиляции.

В работе С. Н. Осипова, А. В. Захаренко и Е. М. Широковой [2] рассматриваются вопросы повышения энергоэффективности систем кондиционирования воздуха. Авторы показывают, что применение ламинарных воздушных потоков и оптимизация режимов воздухообмена позволяют существенно снизить энергозатраты, при этом подчёркивается необходимость комплексного подхода к проектированию систем отопления, вентиляции, водоснабжения и канализации.

В статье В. М. Якубсона [3] рассматриваются проблемы энергоэффективности ограждающих конструкций зданий. Отмечается, что фактическое энергопотребление нередко превышает проектные значения (до 60% и более), что связано с недостаточной эффективностью проектных решений и слабым контролем при вводе объектов в эксплуатацию. Подчёркивается необходимость совершенствования нормативной базы и её гармонизации с международными стандартами (ISO), поскольку действующие нормы не обеспечивают требуемый уровень энергоэффективности. Особое внимание уделяется ограждающим конструкциям как основному источнику теплопотерь; ключевыми мерами являются повышение теплоизоляции, устранение мостиков холода и контроль качества материалов.

В статье М. В. Колосова, А. Ю. Липовка и Ю. Л. Липовка [4] рассматриваются вопросы повышения энергоэффективности зданий на основе систем мониторинга теплопотребления.

Авторы отмечают, что одной из ключевых проблем является расхождение между расчётными и фактическими значениями теплопотребления зданий, что может приводить к некорректной оценке эффективности энергосберегающих мероприятий. В работе [4] предложена система мониторинга, основанная на использовании компьютерного моделирования и геоинформационных технологий, позволяющая в реальном времени анализировать теплопотребление зданий и выявлять неэффективные режимы работы систем теплоснабжения. Подчёркивается, что внедрение подобных систем позволяет повысить точность оценки энергоэффективности, оптимизировать эксплуатационные режимы и снизить избыточное потребление тепловой энергии.

В статье П. Сормунена [5] рассматриваются современные подходы к повышению энергоэффективности зданий на примере Финляндии. Автор отмечает, что здания являются одним из крупнейших источников выбросов парниковых газов (до 40%), в связи с чем повышение их энергоэффективности рассматривается как ключевое направление экологической политики. В работе показано, что ужесточение нормативных требований приводит к существенному снижению энергопотребления зданий (на 30–40% и более), при этом особое внимание уделяется переходу к учёту полного энергобаланса и использованию первичной энергии.

В статье С. В. Гужова, А. А. Арбатского и др. [6] рассматриваются вопросы повышения эффективности автоматизированных систем управления приточно-вытяжной вентиляцией. Авторы отмечают, что эффективность систем вентиляции во многом определяется качеством автоматического регулирования параметров приточного воздуха, в частности, температуры и влажности. Неправильная настройка или отсутствие автоматизации приводит к избыточному энергопотреблению и снижению комфортности микроклимата в зданиях.

В вышеуказанной работе предложена модернизация системы вентиляции с использованием цифровых регуляторов, расширенного набора датчиков и внедрения секции увлажнения воздуха. Показано, что применение автоматизированных систем управления позволяет обеспечить устойчивое поддержание заданных параметров и повысить энергоэффективность эксплуатации здания.

За последние 20 лет (2005–2025 годы) средние потребительские цены на электроэнергию в РФ для населения выросли более чем в 4,5 раза, на отопление — более чем в 2,5 раза, на горячее водоснабжение — почти в 4,0 раза, значительно опережая средние темпы инфляции в отдельные периоды [7]. Основной рост пришёлся на этапы рыночного реформирования отрасли и недавние годы (2022–2025).

Следовательно, необходимы меры по повышению энергоэффективности, что приведёт к снижению трат на потребление энергоресурсов.

Демографический фактор [8] оказывает дополнительное влияние на спрос на ресурсы. В связи с этим растёт и энергопотребление, увеличивается количество вредных выбросов, в том числе парниковых газов [9].

Теплотехнические расчёты и оценка показателей энергоэффективности здания

1. Архитектурно-планировочные решения, технико-экономические показатели здания. Для оценки показателей энергоэффективности было выбрано пятиэтажное общественное здание суда в городе Екатеринбурге. В качестве примера для расчётов будет рассматриваться отдельно Блок Б в осях 2б-15б, пятиэтажное здание с общей площадью 10687 м².

2. Теплотехнические расчёты всех фрагментов теплозащитной оболочки здания с учётом неоднородностей. Определение расчётных удельных характеристик здания, его энергопотребление. Расчётные характеристики приняты по Приложению М СП 50.13330.2024 [10] и на основании данных производителей материалов. Весь дальнейший расчёт выполнялся с учётом требований: СП 50.13330.2024 [10], СП 118.13330.2022 [11], СП 131.13330.2020 [12], СП 230.1325800.2015 [13], СП 345.1325800.2017 [14].

Для типов стен С1, С2, С4 и С6 были учтены три неоднородности: плоский элемент, что соответствует самой стене, и два линейных, окна и углы. Для типов стен С3 и С5 были учтены две неоднородности: плоский элемент и линейный, так как у данных типов стен отсутствуют окна.

Для кровли учтены две неоднородности: плоский элемент, сама плита, а также линейный элемент, перфорация плиты, учёт узла сопряжения стены с плитой.

Из всех полученных расчётных значений для стен самый низкий коэффициент теплотехнической однородности оказался: r = 0,89 с Roпр = 4,99 м²·°C/Вт. Для кровли: r = 0,63 и Roпр = 4,34 м²·°C/Вт. Пол по грунту: Roпр = 8,06 м²·°C/Вт. Стена в грунте: Roпр = 2,76 м²·°C/Вт.

Далее был проведён расчёт всех необходимых коэффициентов и показателей, необходимых для определения класса энергоэффективности здания, все результаты были отражены в паспорте здания, соответствующие таблицы приведены в данной статье ниже.

Далее приведены вспомогательные показатели для расчётов, рассчитанные удельные характеристики здания, комплексные показатели расхода тепловой энергии и энергетические нагрузки здания:

  • Kобщ = 0,317 Вт/( м²·°C) — общий коэффициент теплопередачи здания;
  • nв = 2,808 ч-1 — средняя кратность воздухообмена здания за отопительный период при удельной норме воздухообмена;
  • qбыт = 95,789 Вт/м² — удельные бытовые тепловыделения в здании;
  • Степл = 3 руб/ кВт·ч — тарифная цена тепловой энергии для проектируемого здания;
  • kоб = 0,059 Вт/( м³·°C) — удельная теплозащитная характеристика здания (тр. 0,155);
  • kвент = 0,318 Вт/( м³·°C) — удельная вентиляционная характеристика здания;
  • kбыт = 0,574 Вт/( м³·°C) — удельная характеристика бытовых тепловыделений в здании;
  • kрад = 0,031 Вт/( м³·°C) — удельная характеристика теплопоступлений в здание от солнечной радиации;
  • Kэф = 0,65 — коэффициент эффективности рекуператора;
  • qотр = 0,138 Вт/( м³·°C) — расчётная удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания за отопительный период;
  • qоттр = 0,313×0,6 = 0,188 Вт/( м³·°C) — нормируемая удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания за отопительный период;
  • C (повышенный) — класс энергетической эффективности;
  • q = 74,02 кВт·ч/( м²·год) — удельный расход тепловой энергии на отопление здания за отопительный период;
  • Qотгод = 796493 кВт·ч/год — расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания за отопительный период;
  • Qогобдщ = 2179276 кВт·ч/год — общие теплопотери здания за отопительный период.

Нормируемая удельная характеристика расхода тепловой энергии снижена на 40%, согласно приказу Минстроя России №1550/пр [15], для вновь создаваемых зданий предусмотрено поэтапное снижение удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию.

С учётом того, что расчёт выполняется на 2026 год, в настоящее время действует требование о снижении данного показателя на 40% по сравнению с базовыми нормативными значениями. С учётом приказа Минстроя России №399/пр. [16] был установлен класс энергоэффективности C (повышенный).

Оценка влияния предлагаемых мероприятий на энергетическую эффективность общественного здания в г. Екатеринбург

В рамках исследования рассмотрен комплекс мероприятий, направленных на повышение энергоэффективности общественного здания:

1. Установка рекуператора в системе приточно-вытяжной вентиляции. Данное мероприятие позволяет снижать теплопотери на вентиляцию. В работе рассмотрены варианты с различными коэффициентами эффективности рекуператора: η = 0,4; η = 0,65; η = 0,9.

2. Изменение ориентации фасадов здания по сторонам света. Предусматривается оптимальное размещение оконных проёмов по фасадам, преимущественно с ориентацией на восточную, южную, юго-восточную и юго-западную стороны, что способствует дополнительному снижению тепловых нагрузок.

3. Толщина утеплителя ограждающих конструкций. Повышение сопротивления теплопередаче наружных стен достигается за счёт увеличения толщины теплоизоляционного слоя. В работе рассмотрены варианты толщины утеплителя: 100, 150, 200 и 250 мм.

4. Установка терморегуляторов в системе отопления. Применение терморегуляторов обеспечивает возможность индивидуального регулирования температуры в помещениях, а также автоматическое снижение температуры в нерабочее время, что позволяет снизить избыточное потребление тепловой энергии.

Все вышеперечисленные мероприятия будут рассмотрены далее более детально, с оценкой их энергоэффективности и с точки зрения инвестиционных затрат.

Для оценки влияния различных мероприятий, направленных на повышение энергетической эффективности, предлагается рассмотреть следующее:

1. Здание оборудовано рекуператорами.

Рекуператоры позволяют использовать вторичную теплоту. Обычно они забирают тепло у тёплого воздуха, который выводится из помещения, и отдают его холодному свежему воздуху, поступающему с улицы. Рекуператор в расчёте влияет на коэффициент удельной вентиляционной характеристики здания, соответственно, далее будет акцентировано внимание именно на нём, а также на итоговом расходе тепловой энергии для выявления класса энергоэффективности здания.

Проведём анализ для случаев:

1.1. Рекуператор с коэффициентом эффективности 0,4. Предлагается вариант с заменой рекуператоров с коэффициентом 0,65 на 0,4, они более дешёвые и далее необходимо выяснить, как это повлияло бы на энергоэффективности здания и экономическую часть проекта.

В случае замены расходы на отопление увеличились бы на 50%. Тогда расчётный коэффициент:

kвент. 0,4 = 0,535 Вт/( м³·°C).

И в итоге расчётная удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию:

qотр0,4 = 0,355 Вт/( м³·°C), что сразу ставит зданию класс энергоэффективности G (очень низкий).

1.2. Рекуператор с коэффициентом эффективности 0,8. Рекуператор с таким коэффициентом будет ещё более затратным, но и более результативным:

kвент. 0,8 = 0,187 Вт/( м³·°C), qотр. 0,8 = 0,02 Вт/( м³·°C), что сразу ставит зданию класс энергоэффективности A (очень высокий).

Экономия и чистая приведённая стоимость (Net Present Value, NPV) были рассчитаны (для сравнения) для варианта, когда здание не имеет рекуператоров.

При сравнении всех вариантов с различными коэффициентами рекуперации было установлено, что применение рекуператора с коэффициентом 0,8 является экономически целесообразным, несмотря на более высокие капитальные затраты (табл. 1, рис. 1).

Следовательно, применение рекуператора с коэффициентом η = 0,8 является предпочтительным вариантом с точки зрения инвестиционной эффективности, хотя сроки окупаемости в данном случае чуть больше, чем для случая с рекуператором с коэффициентом 0,65.

2. Оптимальное расположение относительно сторон света. Данное расположение позволяет охватить максимальное количество фасадов здания — это стороны южная, южно-восточная, северо-восточная, южно-западная, где происходят теплопоступления через окна от солнечной радиации (табл. 2, рис. 2).

В том случае, если бы здание находилось перпендикулярно востоку и западу, то теплопоступления снизились бы на 55%:

Qрагодд = 288200 < 645441 МДж/год.

При пересчёте в таком случае мы получили бы меньшие теплопоступления, чем если бы здание оставалось в прежнем положении. Тогда:

kрад = 0,014 Вт/( м³·°C), qотр = 0,144 > 0,138 Вт/( м³·°C).

Разница с прежним вариантом посадки здания кажется не такой великой, но при правильном подходе эта разница в 5% может сэкономить ощутимое количество средств.

Данная разница помогла бы экономить дополнительные 107 тыс. руб. в год.

3. Толщина утеплителя. Во всех стенах на данный момент, за исключением С5, толщина составляет 150 мм. Однако необходимо проанализировать и вычислить, является ли данная толщина оптимальной для данных условий. Были исследованы четыре варианта толщин: 100, 150, 200 и 250 мм. Экономия и величины NPV для наглядности показаны относительно утеплителя толщиной 50 мм, результаты сведены в табл. 3 и показаны на рис. 3.

В результате, несмотря на снижение теплопотерь при увеличении толщины утеплителя, инвестиции растут значительно быстрее экономии. Дополнительные капитальные затраты не компенсируются получаемой экономией энергии в расчётный период.

С учётом нормативных требований в данном регионе, допустимая толщина должна быть не менее 150 мм для данного здания. Поэтому оптимальным вариантом остаётся утеплитель 150 мм. Он же является и самым благоприятным вариантом с точки зрения инвестиции.

4. Терморегуляторы и пофасадное авторегулирование на вводе. Рассматриваемое здание обязательно оборудовано терморегуляторами и пофасадным авторегулированием на вводе, что влияет на итоговый расчёт, учитывая коэффициент Kрег = 0,95.

Рассмотрены также дополнительные варианты:

4.1. Без терморегуляторов и авторегулирования на вводе, Kрег = 0,6. В таком случае расчётное значение было бы qотр = 0,226 Вт/( м³·°C), что соответствовало бы классу E (пониженный) для здания.

4.2. С местными терморегуляторами и без авторегулирования на вводе, Kрег = 0,8. Тогда qотр = 0,175 Вт/( м³·°C), что соответствовало бы классу D (нормальный) для рассматриваемого здания.

Далее в графике и таблице приводятся расчёты NPV, экономии и окупаемости, которые для сравнения и наглядности учтены относительно варианта Kрег = 0,6.

Итоговые данные сведены в табл. 4 и показаны на рис. 4.

В данном случае для рассматриваемого здания нет смысла экономить на местных терморегуляторах и пофасадном авторегулировании на вводе, поскольку при таких инвестициях они окупятся всего за четыре года. Класс энергоэффективности также является хорошим показателем благоприятного влияния проведения данных мероприятий, с разницей в расчётных показателях в 63%.

Фактический проект, с классом энергоэффективности C (повышенный), демонстрирует результат системного применения всех перечисленных выше решений. Ни одна отдельная мера не способна обеспечить такой результат, что доказывает необходимость целостной методики проектирования.

Заключение

В рамках данного исследования была выполнена энергетическая и экономическая оценка влияния мероприятий, направленных на повышение энергоэффективности общественного здания. Ключевой отличительной чертой является не просто перечень рекомендаций, а алгоритм, основанный на принципе экономической и технической целесообразности и подтверждаемой через сравнительное энергетическое моделирование.

Проведённое исследование на примере общественного здания позволило сделать следующие выводы:

1. Критическая важность решений на этапе проектирования. Моделирование подтвердило, что без применения приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла и автоматизированного погодозависимого регулирования достижение даже нормативных показателей энергоэффективности очень сложно. Эти меры являются обязательной технологической основой, исключение которой приводит к падению класса здания.

2. Необходима синергия пассивных и активных стратегий. Максимальный эффект достигается при последовательной интеграции решений.

3. Доказательность и адаптивность исследования. Использование сравнительного моделирования различных сценариев в данном исследовании позволяет количественно оценить вклад каждого решения и адаптировать комплекс мер под конкретные условия.

Таким образом, данное исследование поможет в обеспечении перехода к устойчивому, экономически обоснованному и ресурсосберегающему проектированию общественных зданий, что отвечает стратегическим задачам в области энергосбережения и экологии. Дальнейшим развитием работы может стать разработка специального алгоритма для автоматического поиска оптимального соотношения между капитальными затратами и эксплуатационной экономией.