Энергосбережение у потребителя

ГЛАВА 5 энергосбережение у потребителя

Анализ опыта различных стран в решении проблемы энергосбережения свидетельствует, что одним из наиболее эффективных путей ее решения является сокращение потерь тепла через ограждающие конструкции зданий и сооружений.

Расчеты показывают, что потребность только жилищного сектора строительства в эффективных утеплителях в 2010 году может составить 25-30 млн. м³ и должна быть удовлетворена, в основном, за счет отечественных материалов.

Независимо от основного материала стен, их конструкция должна быть слоистой с использованием эффективного утеплителя для теплозащиты. Расчеты и практика проектирования показали, что эффективным может считаться утеплитель, теплопроводность которого не превышает 0,08 Вт/(м К). Необходимо отметить, что выбор эффективных утеплителей для ограждающих конструкций существенно зависит от вида строительства. Для вновь строящихся зданий можно применять эффективные утеплители как на минеральной, так и на синтетической основе.

Говоря о панельных конструкциях, следует отметить, что новым теп­лотехническим требованиям в полной мере соответствуют только трехслойные панели с гибкими связями или в отдельных случаях с железобетонными шпонками.

Существенно меняется конструкция наружных стен из кирпича. Ко лодцевая кладка кирпичных стен толщиной 770 мм при использовании уте­плителя с  = 0,04 Вт/(м К) обеспечивает приведенное термическое сопро­тивление теплопередаче не более 2,85 (м К)/Вт, т. е. не удовлетворяет нор­мативам для большинства регионов страны. Такая стена пригодна для ис­пользования только в южных регионах. Аналогичная слоистая кирпичная стена с гибкими связями обеспечивает теплозащиту, равную 5,05 (м К)/Вт, что достаточно практически для всех регионов России. В многоэтажных домах рекомендуется применять трехслойные кирпичные стены с поэтажно навесным фасадным слоем либо целиком навесные наружные стены.

Проблему существующих зданий технически можно решать путем их утепления либо с наружной, либо с внутренней стороны. Выполненные расчетно-аналитические и проектные разработки показали, что устройство дополнительной теплоизоляции здания защищает стену от попеременного замерзания, оттаивания и других атмосферных воздействий; выравнивает температурные колебания основного массива стены, благодаря чему исключается появление в нем трещин вследствие неравномерных температурных деформаций, что особенно актуально для наружных стен из крупных панелей; благоприятствует увеличению долговечности несущей части наружной стены; сдвигает точку росы во внешний теплоизоляционный слой, благодаря чему исключается отсыревание внутренней части стены; создает благоприятный режим работы стены по условиям ее паропроницаемости, исключающей необходимость устройства специальной пароизоляции, в том числе на оконных откосах, что требуется в случае внутренней теплоизоляции; формирует более благоприятный микроклимат помещения; позволяет в ряде случаев улучшить оформление фасадов реконструируемых зданий; не уменьшает площадь помещений; обеспечивает возможность утепления зданий без создания дискомфортных условий проживания жильцов.

Переход на новые теплотехнические нормативы не сопряжен со значительным удорожанием стен вновь строящихся зданий. В панельных конструкциях это достигается за счет замены дорогого керамзитобетона более дешевым тяжелым бетоном, а в кирпичных стенах - за счет уменьшения их толщины. При этом имеет место небольшое удорожание наружных стен на 0,5-1,5%. Однако экономия тепла составляет 30-35 %.

Стоимость утепления наружных стен существующих зданий в значительной степени зависит от принятого конструктивного варианта. Наиболее дешевым является вариант утепления с оштукатуриванием фасадных поверхностей (19 у. е./м² общей площади), при облицовке же кирпичом стоимость работ по утеплению возрастает на 30%, а при применении декоративных экранов («вентилируемый фасад») стоимость увеличивается в 1,8-2 раза (в зависимости от стоимости используемых экранов).

Рекомендуемые материалы

Расчеты показывают, что за счет экономии тепла повышение единовременных затрат во вновь строящихся зданиях окупается в течение 7-8 лет, а в существующих домах - в течение 12-15 лет.

При эксплуатации жилого здания потери тепла составляют примерно: через наружные стены - 40%, окна - 18, подвал - 10, крышу - 18, вентиляцию - 14. Понятно, что при строительстве и реконструкции зданий проблему необходимо решать комплексно, уделяя особое внимание ограждающим конструкциям.

Для сравнения приведем расчетные данные теплопотерь 2-этажного дома площадью 205 м² с мансардой, утепленного в соответствии с прежни­ми и современными нормами (табл. 5.1).

Один из вариантов энергосберегающей конструкции стен представлен на рис. 5.1. При этом ясно, что основным элементом в повышении сопротивления теплопередаче стен являются сама стена и утеплитель (поз. 1 и 5), которые в настоящее время могут быть выполнены из разных материалов.

Потребность в утеплителях резко возросла после ужесточения норми­руемых теплопотерь через ограждающие конструкции зданий, принятых Госстроем РФ в 1995-96 годах. Вследствие принятых решений, требуемая толщина теплоизоляционного слоя должна увеличиться в 1,5-2 раза на пер­вом этапе и в 3 и более раз - на втором. Общая потребность в утеплителях для всех отраслей хозяйства страны по расчетам ВНИПИТеплопроекта со­ставит к 2010 году до 50-55 млн. м³. Одним из действенных путей повышения теплозащитных свойств сте­новых ограждающих конструкций зданий в целях удовлетворения требова­ниям теплотехнических норм (изменение № 3 к СНиП П-3-79) является применение для их изготовления особо легких бетонов, и в первую очередь, полистиролбетонов плотностью 250-550 кг/м³, прочностью 0,5-2,5 МПа. Бетоны с такими показателями можно использовать для изготовления сплошных и пустотных стеновых блоков и применять для кладки наружных стен в малоэтажном и многоэтажном строительстве.

Из теплофизических характеристик полистиролбетона наибольшее значение имеет его коэффициент теплопроводности.

На основании экспериментальных данных ВНИИЖелезобетона, были установлены расчетные значения коэффициентов теплопроводности полистиролбетонов, которые могут быть рекомендованы для расчетов ограж­дающих конструкций (рис. 5.2).

Таблица 5.1 Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций зданий

Основой промышленности теплоизоляционных материалов является производство теплоизоляционных изделий из минеральной ваты. Некоторые предприятия выпускают материалы, которые нельзя отнести к современным. Это - минераловатные плиты на битумном связующем, минераловатные плиты, получаемые из гидромассы. К уходящим в прошлое минераловатным утеплителям следует также отнести изделия, диаметр волокна в которых превышает 5-6 мкм, а в качестве связующего используются экологически вредные вещества. Очевидно, что даже в условиях ожидаемого повышенного спроса эти материалы не будут востребованы, а мощности этих производств не будут расти.

Наиболее широко применяются в тепловой изоляции зданий такие волокнистые утеплители, как плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем, а также изделия из стеклянного волокна. Для утепления кровли, чердачных перекрытий, наряду с указанными изделиями, применяются также минераловатные плиты повышенной жесткости на синтетическом связующем и плиты минераловатные гофрированной структуры.

Рис. 5.1. Конструкция наружного утепления здания:

1 - ограждающая стена (кирпич, бетон, пористый бетон); 2 - клеевой состав;

3 - минераловатная плита или пенополистирол; 4 - фасадные дюбеля; 5 – клеевой состав; 6 - стеклотканевая сетка; 7 - пластиковый угол; 8 - кварцевый грунт; 9 - декоративная штукатурка; 10 - цокольный профиль; 11 - цоколь здания

Рис. 5.2. Теплопроводность полистиролбетона:

1 - в сухом состоянии; 2 - при условии эксплуатации (сорбционная влажность 80%); 3 - при условии эксплуатации (сорбционная влажность 97%)

Важным элементом как новых, так и известных волокнистых утеплителей является качественное, экологически безопасное связующее.

К новым волокнистым теплоизоляционным материалам, отработка технологии и оборудования для производства которых ведется ВНИПИТеплопроектом, в последние годы следует отнести пластмигран и волокнистые изделия на кожевенных отходах. Материал на кожевенном связующем разработан МГСУ и осваивается на опытном заводе Теплопроекта. Объединяет эти два материала то, что оба они предназначены для жилищного строительства, экологически чисты, технологичны в монтаже. Пластмигран представляет собой материал, в составе которого находятся минераловатные гранулы и пыль полистирола. Эта смесь помещается в перфорированную металлическую форму любой конфигурации и продувается паром. Вспенивающаяся полистирольная пыль прочно связывает волокно. К волокнистым теплоизоляционным материалам, получившим развитие в России в последние годы, следует отнести стекловолокно и волокнистые рулонные материалы - термозвукоизол.

Пенопласты представляют собой вторую основную группу теплоизоляционных материалов. Сюда относят пенополистирол, пенополиуретаны, пенополиизоционаты, фенолформальдегидные и карбомидформальдегид-ные пенопласты. По сравнению с волокнистыми утеплителями, пенопласты применяются в значительно меньших объемах. Однако в последние годы в связи с изменением требований к термическому сопротивлению ограждающих конструкций объем производства пенопластов значительно возрос и продолжает расти. Это, в первую очередь, обусловлено значительно меньшими в сравнении с другими утеплителями удельными капитальными затратами на организацию их производства. Очевидно, в ближайшие годы эта тенденция сохранится. Об этом свидетельствуют также многочисленные технические решения теплоэффективных наружных стен жилых зданий, выполненных с использованием пенопластов.

Наиболее широко применяемым в отечественном строительстве пенопластом является пенополистирол.

Кроме заливочных пенополиуретанов заводского изготовления достаточно широко применяются напыляемые композиции. С их помощью производят теплоизоляцию ограждающих конструкций жилых и общественных зданий.

Продукция наиболее высокого качества представлена на российском рынке зарубежными производителями: «Thermaflex» (вспененный полиэтилен), «Armstrong» (вспененный синтетический каучук). Такой теплоизоляционный материал поставляется в виде полых труб, готовых для монтажа, и в виде листового материала, свернутого в рулоны (иногда в нарезанных листах). Основными достоинствами этой продукции являются низкая теплопроводность (0,033-0,039 Вт/(м К) при 10°С), высокое сопротивление проникновению пара и стабильность всех теплофизических характеристик в период эксплуатации. Изоляция типа «Thermaflex» не пропускает влагу и имеет высокую химическую устойчивость.

В отечественной и зарубежной промышленности, а также в строительстве все большее развитие получают теплоизоляционные материалы с отражающим покрытием (отражающая изоляция). Среди них наибольшее применение получили следующие материалы: пенофол, армофол, самоклеящаяся алюминиевая лента и др.

Пенофол - это тепло-, шумо- и пароизоляционный материал с высоким коэффициентом отражения излучаемой тепловой энергии. Он состоит из одного или двух слоев алюминия толщиной 12-30 мкм и слоя вспененного полиэтилена. Плотность материала - 44 кг/м³, толщина - 3-10 мм, ширина - 600 и 1200 мм, теплопроводность - 0,038 Вт/(м К), звукопоглощение - не менее 32 дБ. Пенофол повышает теплозащитные свойства конструкций без увеличения их объема. Он используется как в качестве самостоятельной теплозвукоизоляции, так и совместно с другими изоляционными материалами.

На основе полиэтилена высокого давления, а также сополимера сэвилен выпускается эластичный вспененный материал марки изолон. Благодаря закрытой пористой структуре он характеризуется негидроскопичностью и высокими теплоизоляционными свойствами (при плотности 33 кг/м³ теплопроводность составляет 0,031-0,032 Вт/(м К). Изолон выпускается тол­щиной 1-50 мм и поставляется в листах и рулонах шириной до 1,6 м. Он используется для дополнительного утепления зданий.

Эффективный утеплитель марки фольма представляет собой комби­нированный материал на основе вспененного полиэтилена, стеклохолста или стеклоткани с покрытием из алюминиевой фольги. Материал характеризуется экологической чистотой, минимальными теплопотерями при небольшой толщине (принцип термоса), устойчивостью к воздействию солнечного излучения, звукопоглащаемой способностью, не подвержен коррозии и гниению. В зависимости от марки материала, его толщина колеблется от 0,2 до 10 мм, теплопроводность - от 0,038 до 0,057 Вт/(м К), температура применения - от -60 до +130°С.

К вопросу рационального использования современных утеплителей тесно примыкает проблема производства и использования качественных защитно-покровных материалов в конструкциях тепловой изоляции. Результаты обследования и эксплуатации теплоизолированных объектов показывают, что срок службы изоляции, в первую очередь, зависит оттого, насколько надежно защищена сама тепловая изоляция от внешних воздействий, как решена вся теплоизоляционная конструкция.

В настоящее время в изоляционных конструкциях применяются различные виды защитных покрытий. Это листовые покрытия из оцинкованной стали, алюминиевых сплавов, рулонные и листовые стеклопластики, фольгированные и дублированные материалы, стеклоцемент и др.

Применение того или иного вида защитного покрытия определяется условиями эксплуатации утеплителя. Вместе с тем, необходимо учитывать пожаробезопасность зданий, их долговечность, стабильность теплотехнических и физических свойств во всем периоде их эксплуатации. Массовое применение теплоизоляционных материалов в гражданском, сельском и промышленном строительстве резко уменьшает потребность в традицион­ных строительных материалах, сокращает грузопотоки, энергозатраты на строительно-монтажные операции.

Так, 1 м³ минераловатного утеплителя в конструкции стены равноценен по теплоизолирующим свойствам 3000 штукам глиняного кирпича. На организацию производства равного по теплозащитным свойствам кирпича удельные капвложения в 7 раз больше, чем для утеплителя, а масса готовой продукции больше в 20 раз. В пересчете на условное топливо для производства 1 м³ минераловатных изделий требуется 50 кг условного топлива, для производства 1т цемента - 250 кг, 1 м³ керамзита - 150 кг, для 3000 штук кирпича- 1000 кг.

Мировой опыт подтверждает, что наращивание объемов производства и применение теплоизоляционных материалов ведет к значительному сокращению потребления тепла как в сфере производства строительных материалов и в строительных работах, так и в сфере эксплуатации объектов гражданского и промышленного строительства.

Организация производства достаточного количества теплоизоляционных материалов для всех видов зданий может в значительной степени снизить объем инвестиций в развитие производства строительных материалов, в строительство и развитие топливно-энергетической базы.

Расчеты показывают, что энергоэффективное строительство с использованием современных теплоизляционных материалов, включая затраты на их разработку и строительство заводов, в три-четыре раза эффективнее, чем традиционное строительство, ведущее к энергоемкому производству строи­тельных материалов, освоению новых месторождений топлива, его добыче, транспортировке, переработке и сжиганию. При проектировании тепловой защиты зданий можно пользоваться ко­эффициентом теплопроводности основных теплоизоляционных материалов, представленных ниже (приведены данные сертификатов) и в прил. 15.

Коэффициент теплопроводности основных теплоизоляционных мате­риалов, Вт/(м К):

• пенополиуретан                                     0,02-0,025

• пенобетон                                                 0,056-0,098

• минеральная вода                                  0,03-0,04

• пенополистирол                                     0,03-0,037

• пеноплекс                                                 0,028-0,03

• пенофол                                                     0,038-0,04

• изолон                                                        0,031-0,036

• фольма                                                       0,038-0,057

• плиты «Paraten»                                     0,04-0,042

5.1. Реконструкция систем отопления

Энергосбережение в различных системах отопления и с различным уровнем автоматизации системы водяного отопления можно классифицировать следующим образом:

• традиционные однотрубные системы с вертикальным распределением теплоносителя;

• традиционные двухтрубные системы с вертикальным распределением теплоносителя:

•       традиционные одно- и двухтрубные системы с вертикальным пофасадным регулированием теплоносителя;

• горизонтальные радиаторные системы с поквартирным распределением теплоносителя;

• горизонтальные низкопотенциональные системы с поквартирным распределением теплоносителя (типа «теплый пол»):

•    системы отопления от автономных (квартирных) теплогенераторов. Ввиду того, что факторы, определяющие режимы теплоснабжения и

теплопотребления зданий, имеют в большей своей части вероятностный характер и зависят от особенностей условий функционирования данной конкретной системы (ее размера, состояния оборудования метеорологических условий, режима центрального регулирования отпуска тепла, тепло-физических характеристик ограждающих конструкций и др.), представляется возможным дать обобщенную количественную оценку потерь при распределении теплоносителя между отапливаемыми помещениями с учетом эффективности автоматического регулирования.

Вместе с тем, целесообразно оценить различные варианты схем систем отопления и способы автоматического регулирования с точки зрения эффективности использования тепловой энергии и уровня поддержания те­плового комфорта в отапливаемых помещениях. Такая оценка сделана на основе материалов исследований и публикаций большого количества авторов и обобщения имеющегося в настоящее время отечественного и зарубежного опыта. При этом варианты техниче­ских решений изложены в такой последовательности, при которой каждый последующий вариант обладает более высокими потенциальными возмож­ностями эффективного распределения тепловой энергии и обеспечения лучших условий теплового комфорта в отапливаемых помещениях.

Таблица 5.2

Наиболее распространенные варианты систем отопления и их эффективность

В качестве базового варианта принят неавтоматизированный тепловой пункт с системой коммерческого учета энергоносителей.

Из таблицы 5.2 видно, что эффективность энергосбережения в системах водяного отопления существенно зависит от схемы отопления и схемы теплового пункта, уровня автоматизации, степени децентрализации теплоснабжения.

При снабжении теплом от автономной котельной или от теплового пункта с местным пиковым догревом в периоды стояния низких наружных температур условия теплового комфорта в помещениях улучшаются, так как исключается недогрев в холодный период отопительного сезона.

Обратите внимание на лекцию "8 Основные характеристики, применяемые для описания случайных величин".

Пофасадное автоматическое регулирование отпуска тепла позволяет улучшить температурные условия в здании за счет учета при регулировании влияния ветра и солнечной радиации.

Дополнительный эффект дает программное регулирование, предусматривающее снижение отпуска тепла в ночные часы в жилых зданиях и в нерабочее время - в общественных и промышленных.

Еще более высокие показатели достигаются при установке комнатных термостатов, особенно в двухтрубных системах отопления.

Наибольший энергосберегающий эффект имеют системы с поквартирным распределением теплоносителя, системы низкопотенциального ото­пления с кондиционерами-доводчиками и, наконец, системы отопления и горячего водоснабжения от индивидуальных теплогенераторов с комнатными термостатами и программным регулированием отпуска тепла.

Изложенные выше соображения дают основания при оценке рыночной стоимости жилья помимо общепринятых критериев учитывать энергоэкономичность здания (теплозащитные качества наружных ограждений, совершенство принятых технических решений инженерных систем, уровень их автоматизации).

Понятно, что повышение уровня применяемых технических решений вызывает увеличение капитальных затрат в строительство зданий. Однако эти дополнительные затраты, учитывая неизбежный рост тарифов на отпус­каемую тепловую энергию и постепенный переход на 100% оплату населением коммунальных услуг, являются, безусловно оправданными как с точки зрения экономии топливно-энергетических ресурсов, так и с позиции социальной защиты населения.