Совершенствование системы организационно-технологических решений при строительстве школ с применением энергоэффективных технологий



В статье автор проводит анализ существующих методов повышения энергоэффективности зданий и пытается выявить факторы, мешающие их внедрению. Автор предлагает пути решения проблемы по повышению энергоэффективности школ.

Ключевые слова: энергоэффективность, школа, рекуперация тепла, энергоэффективные ограждающие конструкции, ЭВОК.

Сегодня в нашей стране около половины всей вырабатываемой энергии тратится на эксплуатацию зданий [1], [2], поэтому снижение теплопотерь и повышение энергоэффективности имеет огромное значение для развития строительной и энергетической отрасли. Одна из главных характеристик энергетической эффективности зданий — удельный расход энергии на вентиляцию и отопление 1 м ² здания в год. Россия значительно отстает в этом показателе от других европейских стран.

Рис. 1. Снижение удельного энергопотребления на отопление и вентиляцию зданий [3], [4]

Но следование темпам снижения затруднительно и в наше время не осуществляется. На это есть много причин, но одной из основных является редкое использование в массовом строительстве современных энергосберегающих технологий. Также влияют пассивность региональных властей в отношении энергосбережения, и высокая стоимость новых технологий по сравнению с традиционными технологиями, особенно это заметно в бюджетных заведениях.

В 1972 г. в Манчестере было построено одно из первых энергоэффективных зданий. Компенсация энергозатрат на вентиляцию здания происходит за счет уменьшения объема поступления наружного воздуха, это достигается за счет оптимизации воздухораспределения и грамотной планировки здания, а также замены внешнего воздуха очищенным рециркуляционным. Рекуператоры тепла позволяют уменьшить на 60–75 % затраты энергии на охлаждение и нагрев приточного воздуха. Экономия электроэнергии происходит за счет системы управления искусственным освещением [5].

Хорошим примером энергоэффективности здания является EKONO-house в Отаниеми, Хельсинки. Энергоэффективность здания заключается в эффективном использовании внутреннего объема для минимизации площади ограждающих конструкции, теплоизоляции, аккумулировании тепла солнечной радиации в основании сооружения для снижения нагрузки на систему отопления, применении вентилируемых окон, системы вентиляции с рекуперацией тепла, эффективном освещении для снижения затрат электрической энергии, системе автоматического управления оборудованием климатизации и освещением. Ежегодное удельное теплопотребление первой секции здания EKONO-house составило на 50 % ниже, чем в обычном здании [6].

В 2004 г. была построена одна из первых энергоэффективных школ в Германии в соответствии с со стандартами пассивного домостроения. Здание позволяет экономить до 90 % затрат на энергию. Это происходит за счет соответствующей теплоизоляции, пеллетного котла и вентиляционной установки с рекуперацией тепла. Потребление энергии зданием снижается за счет равномерного поля температуры по помещению с поддержанием воздухообмена с помощью механической вентиляции.

Окна здания, расположенные на крыше ориентированы на южную сторону для инсоляции помещений и максимального получения естественного солнечного тепла. Кроме того, для сохранения тепла, крыша школы имеет зеленую кровлю. Газовый котел обеспечивает тепло в здании, потребность его нагрева составляет менее 12 кВт*ч/кв.м [7].

Рис. 2. Начальная школа Montessori, г. Ауфкирхен, Германия

В Нью-Йорке была построена абсолютно зеленая начальная школа Kathleen Grimm School. Преимущество школы заключается в том, что она не потребляет энергию из городской сети. Необходимое количество энергии вырабатывается огромным навесом, который состоит из фотоэлементов и ветровой турбиной. Благодаря этому здание потребляет на 50 % меньше энергии. Планировка здания привязана к сторонам света. Так, основная часть учебных помещений расположены на южной стороне здания, также часть классов находится на восточной и западной сторонах. На северной стороне располагаются окна служебных, технических, складских и подсобных помещений. Потребность в искусственном освещении заметно сокращается за счет световых люков и отражающих потолочных панелей, которые пропускают много солнечного света. Горячую воду в здание дают солнечные нагреватели, а система отопления основана на энергии земли. От излишнего перегрева здание предохраняют специальные окна, расположенные на южном фасаде [8].

В России чаще всего внедряются энергосберегающие технологии уже в построенные школы и тем не менее есть небольшое количество проектов, в которых учтены энергосберегающие технологии, но пока не реализуются. В 2011 г. провели энергосберегающие мероприятия для школы в Рыбинске. Были проведены работы по замене стеклопакетов, утепление ограждающих конструкций, ремонт системы отопления, которая включала в себя установку системы погодного регулирования в тепловом пункте, радиаторы были оснащены терморегуляторами, реализация закрытой системы ГВС через теплообменники по двухконтурной схеме [9]. Потребление энергоресурсов после реализации здания снизилось на 31,2 %. Таким образом, результаты показывают, что вложения в энергоэффективные технологии дают существенный экономический эффект.

Одним из современных эффективных решений энергосбережения является применение энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций (ЭВОК) с использованием систем активного энергосбережения (САЭ) с рекуперацией тепла, которые позволяют повысить степень теплозащиты и качества микроклимата внутри зданий при высоком уровне экономии энергетических ресурсов. В данных вентилируемых конструкциях использован метод активной рекуперации уходящего тепла (трансмиссионного и радиационного) через наружные ограждения, а также дополнительная рекуперация и утилизация низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов в условиях существующей вентиляции и при использовании теплообменников с обменом тепла и влаги. Основным принципом действия системы по рекуперации трансмиссионного тепла и радиационного тепла является определенная организация условий попадания потока наружного воздуха и дальнейшее прохождение его внутри конструкции стены или окна, а также теплоотражение при помощи специальных отражателей (автономных или в виде покрывающих слоев). В воздушном зазоре на входе воздушного потока образуется вертикальная воздушная завеса холодного поступающего воздуха, которая максимально сильно охлаждает все поверхности и элементы, которые могут передавать уходящую тепловую энергию в атмосферу. Внешние поверхности ограждающих конструкций становятся холодным, а уходившая ранее тепловая энергия передается приточному потоку воздуха, который подогревается и используется для вентиляции помещений. что улучшает качество микроклимата и дает возможность интенсивно вентилировать помещение при нахождении в нем людей. Тепловая энергия вентиляционных выбросов передаётся поступающему воздушному потоку с помощью рекуператоров с высоким КПД (до 90 %), которые могу быть встроены в ограждающие конструкции.

Таким образом, в данной системе поток наружного воздуха используется для трех целей:

– вентиляции и увеличения качества микроклимата;

– увеличения степени теплозащиты;

– активной рекуперации тепла в помещении как удобный, безопасный и имеющий высокую эффективность теплоноситель, который может осуществлять съем тепла с любой поверхности, отдающей тепло в атмосферу.

Поток холодного наружного воздуха эффективно производит съем тепла с поверхностей наружных ограждающих конструкций, значительно повышая теплопотери и снижая энергосбережение. Но это происходит только тогда, когда поток после съема тепла с поверхностей выбрасывается в атмосферу. Если же воздушный поток, который произвел эффективный съем тепла с наружных поверхностей, будет направлен внутрь помещения при помощи изменения пути, получится также высокий тепловой эффект [10].

Рис.4. Ограждающая конструкция с системой активной рекуперации, где: 1 — в вентшахту выбрасываемого воздуха, 2 — наружная облицовка, 3 — теплоотражающий экран, 4 — движение приточного воздуха, 5 — рекуператор, 6 — приточная решетка, 7 — вытяжная решетка, 8 –секции теплохладоаккумуляторов, 9 — вентшахта приточного воздуха с ветровым приточным вентиляционным дефлектором повышенной энергоэффективности, 10 — вентшахта выбрасываемого воздуха с ветровым вытяжным вентидяционным дефлектором повышенной эффективности

В заключение можно сказать, что при стремительном росте строительства школ, все острее встает вопрос об использовании энергоэффективных технологий не только на этапе строительства и проектирования, но и на этапе эксплуатации.

Применение и внедрение новых технологий (например, энергоэффективных вентилируемых ограждений) в совокупности с имеющимися знаниями значительно повысят энергоэффективность учреждения и снизят затраты на эксплуатацию. Внедрение этих конструкций поможет значительно снизить энергопотребление зданий, даст большой толчок в развитии новейших энергосберегающих технологий, поможет выполнению плану по снижению энергопотребления. Поскольку наша страна постоянно нуждается в огромных затратах на отопление, снижение этих затрат может стать стимулятором роста экономики.

В связи с комфортным, здоровым микроклиматом повышается обучаемость и работоспособность детей, что является большим преимуществом для образования. Энергоэффективность заключается не только в технологиях, но и в объемно-планировочном решении здания, в связи с этим идет не только внедрение технологий в функционирующие школы, но и проектирование образовательных заведений с учетом климатических особенностей. Школа является одним из основных институтов воспитания бережного отношения к ресурсам у молодого поколения, и решение энергоэффективности в школах имеет первостепенное значение.

Литература:

1. Смирнова С. Н. Принципы формирования архитектурных решений энергоэффективных жилых зданий: дис.... канд. архитектуры. — Н.Новгород, 2009. — 216 с.
2. Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009 N 261-ФЗ.
3. Самые известные в мире энергоэффективные здания [Электронный ресурс]. — URL: https://www.c-o-k.ru/review/samye-izvestnye-v-mireenergoeffektivnye- zdaniya (дата обращения: 17.12.2022).
4. Энергоэффективное здание: синтез архитектуры и технологии [Электронный ресурс]. — URL: https://ecoteco.ru/id565/ (дата обращения: 17.12.2022).
5. Начальная школа, Франкфурт-Ридберг/Германия [Электронный ресурс]. — URL: http://ru.4a-architekten.com/projekte/schule-frankfurt-am-main-riedburg (дата обращения: 17.12.2022).
6. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области [Электронный ресурс]. — URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1659 (дата обращения: 17.12.2022).
7. Мировой опыт формирования школьных зданий на основе энергосберегающих технологий Смолина С. И., Киселева О. В.// Сибирский федеральный университет — 2017. — С. 43–52
8. США: в Нью-Йорке построили «зеленую» школу [Электронный ресурс]. — URL: http://ukrbuild.dp.ua/2016/01/12/ssha-v-nyu-jorke-postroili-zelenuyushkolu. html (дата обращения: 17.12.2022).
9. Школа как образец энергоэффективности [Электронный ресурс]. — URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5576 (дата обращения: 17.12.2022).
10. Ахмяров Т. А., Беляев В. С., Спиридонов А. В., Шубин И. Л. Системы с авктивной рекуперацией теплового потока в ограждающих конструкциях зданий // Энергосбережение. — 2014. — № 6. — C. 26–34.