МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ПОВЫШЕНИЮ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

METHODOLOGICAL APPROACHES TO IMPROVING THE ENERGY EFFICIENCY OF HIGH-RISE BUILDINGS

Луняков Михаил Александрович, профессор, д.э.н., профессор института экономики, управления и информационных систем в строительстве, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), Lunyakovma@yandex.ru

Ахметов Ильдар Айратович, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), ildarairatovich@gmail.com

Luniakov Mikhail Aleksandrovich

Akhmetov Ildar Airatovich

Аннотация. В статье рассмотрены методические подходы к повышению энергоэффективности высотных зданий.

Было выявлено, что современные здания могут как потреблять энергию, так и производить. Динамичное поведение пользователей  сегодня выступает важным фактором, потенцирующим процесс совершенствования производства энергии, а также  сохранения тепла и энергетических ресурсов. Данные меры будут способствовать снижению  потребления энергоресурсов в несколько раз. 

Сегодня актуальным выступает вопрос внедрения инновационных решений при проектировании зданий с целью повышения их энергоэффективности. Новые материалы и решения постоянно разрабатываются для зданий и систем: герметичные ограждающие конструкции, тройное и вакуумное изоляционное остекление, недорогие солнечные элементы и модули, интегрированные в здание, тепловые насосы, тепло-и электроаккумулирование, системы управления энергией и интеллектуальные сети.

Изменения климата, экономические факторы,  традиции строительства и, возможно, самое главное, общественное восприятие и отношение к экологической обстановке в мире привели к тому, что темпы внедрения энергоэффективных материалов и технологий для разных уголков нашей планеты различны. Однако, например, в Европе, благодаря согласованной энергетической политике, соблюдению строгих строительных норм, а также внедрению новых материалов и технологий для энергетики, возобновляемым источникам энергии выбросы на квадратный метр новых зданий были снижены. В результате фокус внимания внутри Европы смещается на  переоснащение существующего строительного фонда, отличающегося плохим качеством изоляции стен зданий. С этой целью возводятся  непроницаемые ограждающие конструкции зданий и применяются различные инновационные энергосберегающие технологии.  Для нового строительства требуется высокий уровень энергоэффективности, в зданиях должен быть обеспечен тепловой комфорт, высокое качество воздуха в помещении.

Summary. The article considers methodological approaches to improving the energy efficiency of high-rise buildings.

After integrating renewable energy systems, buildings become both producers and consumers of energy. Combined with dynamic user behavior, temporary changes in energy production require storing heat and electricity and integrating buildings into smart grids and district power networks. A combination of these measures can reduce the energy consumption of the building stock by three times.

Today, the issue of implementing innovative solutions in the design of buildings in order to increase their energy efficiency is topical. New materials and solutions are constantly being developed for building envelope structures and systems: sealed envelope structures, triple and vacuum insulated glazing, low-cost solar cells and modules integrated into the building, heat pumps, heat and electric storage, energy management systems and intelligent networks.

Climate change, economic factors, construction traditions and, perhaps most importantly, public perception and attitudes to climate change have led to the fact that the pace of introduction of energy-efficient materials and technologies varies from one corner of our planet to another. However, in Europe, for example, emissions per square meter of new buildings have been reduced due to coordinated energy policies, strict building regulations, and the introduction of new materials and technologies for energy. As a result, the focus within Europe is shifting to re-equipping the existing building stock, which is characterized by poor quality insulation of building walls. For this purpose, impenetrable enclosing structures of buildings are erected and various innovative energy-saving technologies are applied. For new construction, a high level of energy efficiency is required, buildings must be provided with thermal comfort and high indoor air quality.

Ключевые слова: энергоэффективность, энергосбережение, тепловой комфорт, качество воздуха, оболочка здания.
Keywords: energy efficiency, energy saving, thermal comfort, air quality, building envelope.

Введение. Высотные здания потребляют около 40% мирового объема энергии, а более широкое внедрение инновационных решений для зданий представляет огромный потенциал для снижения спроса на энергию и выбросов парниковых газов. Соответственно, актуальным выступает вопрос внедрения инновационных решений при проектировании зданий с целью повышения их энергоэффективности [11].

 По сравнению с обычными решениями, инновационные материалы для теплоизоляции (вакуумные изоляционные панели, кремнеземный аэрогель) могут достигать таких же тепловых характеристик при значительно более тонкой изоляции. Благодаря низкоэмиссионным покрытиям и подходящим присадочным газам, двойное и тройное остекление снижает тепловые потери на порядок. Вакуумное и аэрогелевое остекление также способствуют аккумулированию тепла. Переключаемые решения для остекления максимизируют солнечную выгоду в зимнее время и минимизируют потребность в освещении, избегая перегрева летом. После интеграции систем возобновляемой энергии здания становятся как производителями, так и потребителями энергии. В сочетании с динамичным поведением пользователей временные изменения в производстве энергии требуют хранения тепла и электроэнергии и интеграции зданий в интеллектуальные сети и сети районных энергосистем. Сочетание этих мер может снизить энергопотребление фонда здания в три раза [6]. 

Материалы и методы. В процессе написания исследования были применены: аналитический метод, методы сравнения и сопоставления. 

Результаты. На долю зданий приходится примерно 40% ресурсов мировой энергетики.  Соответственно, повышение энергоэффективности зданий  сегодня  – одна из актуальных тем для современных исследований. При этом, оценка общего потенциала экономии энергетических ресурсов должна производиться, в том числе, и с учетом местоположения здания и климатических условий, в которых оно функционирует.

Обычно здания,  расположенные в северном климате, отличаются высоким энергопотреблением по причине больших затрат на отопление. В свою очередь, здания, находящиеся в теплой климатической зоне, отличаются  высоким энергопотреблением из-за необходимости охлаждения помещений [5].

Для сокращения затрат энергии в разных странах мира сегодня применяют инновационные ограждающие конструкции зданий, с использованием двойного или тройного остекления.  Несмотря на высокие инвестиции в строительство таких зданий, которые значительно повышают их стоимость, будущая экономия энергии их составляет около 60-65% к существующим затратам.  Сегодня в мире имеется значительное количество зданий, которые построены с учетом старых технологий, их модернизация позволит повысить уровень энергосбережения в несколько раз. 

Среди инженерных решений, позволяющих сократить потребление энергии высотными зданиями, занимает особое место возведение ограждающих конструкций – оболочек здания.  Такие конструкции представляют собой разделение между внутренним и внешним пространством здания и выполняют три основных функции: формирование структуры здания, контроль затрат энергии и  эстетика.

Оболочка здания позволяет регулировать поступление в здание  тепла, света, воздуха, воды, звука. Это позволяет создать  комфортное внутреннее пространство для жителей домов и сократить их затраты на коммунальное обслуживание. Кроме того, сегодня   существуют проекты, в которых оболочка зданий играет еще одну роль – производство возобновляемой энергия через солнечные батареи [8].

Для возведения ограждающих конструкций зданий используются различные материалы, самыми распространенными из них выступают бетон и кирпич. Иногда выполняется функционально-слоистая конструкция, например, строится бетонная стена, а на нее наносится слой изоляционного материала. Достаточно часто отдельные части оболочки берут на себя структурные и контрольные функции: так, например, часть стены состоит из несущей конструкции (например, бетонной колонны), а часть изготавливается из стенового материала (например, кирпич, бетон, блоки и пр.).

Необходимо учитывать, что как в холодном, так и в жарком климате, поток воздуха через ограждающую конструкцию здания должен быть сведен к минимуму, так как трещины и утечки обычно приводят к нежелательным тепловым потерям. Поэтому герметичность обычно включается в современные строительные стандарты и нормы, реализуется технически в виде различных воздушных и пароизоляционных систем. Вентиляционные системы устанавливаются таким образом, чтобы обеспечить рекуперацию тепла из вытесняемого воздуха для снижения потребности отопления в холодном климате и для повышения качества воздуха в помещениях [6].

Помимо обычных непрозрачных строительных элементов и окон, в здании имеются и другие элементы, которые пассивно воздействуют на внутренний комфорт и экономят энергию. Это вентилируемые, холодные, зеленые крыши, а также фотоэлектрические крыши и фасады. Вентилируемые крыши обладают охлаждающим эффектом, подобным стенкам полости, снижая приток тепла в теплое время года. Холодные крыши служат уменьшению прироста тепла за счет использования материалов с высоким солнечным отражением и высоким термическим излучением.

Обсуждение. Помимо снижения воздействия на здания атмосферных осадков, ветра и солнечного облучения вышеназванные меры служат обеспечению теплового комфорта, который, безусловно, является одной из главных причин применения энергосберегающих технологий в строительстве. Уже в 1960   году были разработаны и применены модели для количественной оценки удовлетворенности жильцов здания средой проживания.  Эти модели используются не только для определения соответствующих параметров ограждающей конструкции здания (таких, как изоляция, размеры окон и т. д.), но и для разработки эксплуатационных параметров систем здания, что позволяет достичь высокого уровня теплового комфорта [4].

Существует два различных основных подхода к тепловому комфорту в зданиях: рациональный или тепловой баланс и адаптивный подход. Первый основан на экспериментальных данных о комфорте человека в климатических камерах в состоянии покоя, за основу здесь берутся средние значения восприятия  людьми комфортной температуры. Однако данный подход применим в кондиционированных помещениях, но не в помещениях с естественной вентиляцией.

Адаптивный подход  основан на изучении восприятия человеком теплового комфорта во время активной деятельности. Данный подход широко применяется в тропическом климате.

Также важным параметром выступает качество внутреннего воздуха.  Есть мнение, что он играет второстепенную роль по отношению к энергоэффективности, но имеет решающее значение для здоровья, комфорта и производительности жильцов зданий.

Качество воздуха в помещениях актуально не только в странах с низкими технологическими стандартами, но и там, где внедрены передовые технологии строительства. В развивающихся регионах, в помещении непреднамеренное сжигание биомассы приводит к тяжелым последствиям для здоровья людей. Качество воздуха является четвертым по значимости фактором риска развития заболеваний в мире.

Негативные параметры качества воздуха в зданиях могут вызывать различные виды аллергий. Есть убедительные доказательства связи качества воздуха в помещении и рака легких. Так, находящиеся в воздухе  частицы и микробные вещества влияют на здоровье человека [4].

Кроме того, значительное влияние на здоровье жителей оказывают показатели вентиляции. Так, скорость вентиляции до 25 Л/С приводит к развитию у людей воспаления органов дыхания, респираторным инфекциям и пр. Кроме того, сырость в зданиях повышает риск возникновения кашля или астмы.

Из-за низкого качества воздуха страдает не только здоровье, но и также комфорт и производительность труда. Так, недостаточный уровень вентиляции становится причиной заболеваемости офисных работников, проводящих в помещении целый день. Также снижение темпов работы вентиляции имело значительное негативное влияние на способность  сотрудников принимать решения.

Соответственно, грамотная конструкция вентиляции в жилом или офисном помещении  играет важную роль в сохранении здоровья человека. Соответственно, при проектировании необходимо учитывать не только экономию энергии, но и комфорт, производительность и состояние здоровья людей.    

Также важную роль в повышении энергоэффективности здания играет рациональное освещение. Нельзя отрицать,  что темпы повышения энергосбережения в рассматриваемой области достаточно высоки, Потребление энергии за счет освещения за последние два десятилетия  существенно сократилось. Эта экономия связана  также и с уменьшением потерь электроэнергии, например, за счет датчиков автоматического включения света [6].

Важным аспектом сокращения энергопотребления выступает возможность использования  возобновляемой энергии. Солнечная энергия на сегодняшний день является наиболее распространенной возобновляемой энергией. Одним из вариантов ее аккумулирования выступает применение   солнечных тепловых коллекторов. Технология солнечных тепловых коллекторов является довольно зрелой областью применения, сегодня в Европе для строительства зданий применяют  концентрирующие и неконцентрирующие тепловые коллекторы, а также вакуумные коллекторы, которые позволяют концентрировать и использовать полученную энергию в течение длительного времени. 

Заключение. Энергетические потребности зданий всесторонне изучаются как теоретиками, так и практиками.  Постоянно ведется разработка новых материалов и решений для ограждающих конструкций зданий и систем: это и герметичные ограждающие конструкции, тройное и вакуумное изоляционное остекление, недорогие солнечные элементы и модули, интегрированные в здание, тепловые насосы, тепло-и электроаккумулирование, системы управления энергией и интеллектуальные сети.

Изменения климата, экономические факторы,  традиции строительства и, возможно, самое главное, общественное восприятие и отношение к изменению климата привели к тому, что темпы внедрения энергоэффективных материалов и технологий для разных уголков нашей планеты различны. Однако, например, в Европе, благодаря согласованной энергетической политике, соблюдению строгих строительных норм,  а также внедрению новых материалов и технологий для энергетики, возобновляемым источникам энергии выбросы на квадратный метр новых зданий были снижены. В результате фокус внимания внутри Европы смещается на переоснащение существующего строительного фонда, отличающегося плохим качеством изоляции стен зданий. С этой целью возводятся  непроницаемые ограждающие конструкции зданий и применяются различные инновационные энергосберегающие технологии.  Для нового строительства требуется высокий уровень энергоэффективности, в зданиях должен быть обеспечен тепловой комфорт, высокое качество воздуха в помещении и пр.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Литвак В.В. Энергосбережение : учебное пособие / В.В. Лит- вак, М.А. Вагнер. — Томск : STT, 2012. — 212 с.
2. Леонова  А.Н., Курочка М.В. Методы повышения энергоэффективности зданий при реконструкции // Вестник МГСУ. 2018. №7 (118).
3.  Табунщиков Ю.А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий / Ю.А. Табунщиков, М.М. Бро- дач. — Москва : АВОК-ПРЕСС, 2012. — 194 с.
4. Easterling D.R., Meehl G.A., Parmesan C., Changnon S.A., Karl T.R., and Mearns L.O.: Climate extremes: Observations, modeling, and impacts. Science 289(5487), 2068–2074 (2000).
5. . Al-Homoud M.S.: The effectiveness of thermal insulation in different types of buildings in hot climates. J. Therm. Envelope Build. Sci. 27(3), 235–247 (2004).
6.  Sadineni S.B., Madala S., and Boehm R.F.: Passive building energy savings: A review of building envelope components. Renewable Sustainable Energy Rev. 15(8), 3617–3631 (2011).
7.  Fennell H.C. and Haehnel J.: Setting airtightness standards. ASHRAE J. 47(9), 26–31 (2015).
8.  Dodoo A., Gustavsson L., and Sathre R.: Primary energy implications of ventilation heat recovery in residential buildings. Energy Build. 43(7), 1566–1572 (2017).
9. Jelle B.P.: Traditional, state-of-the-art and future thermal building insulation materials and solutions—Properties, requirements and possibilities. Energy Build. 43(10), 2549–2563 (2011).
10.  Stec A.A. and Hull T.R.: Assessment of the fire toxicity of building insulation materials. Energy Build. 43(2–3), 498–506 (2011).
11.  Tyagi V.V. and Buddhi D.: PCM thermal storage in buildings: A state of art. Renewable Sustainable Energy Rev. 11(6), 1146–1166 (2017).

LIST OF REFERENCES

1. Litvak V. V. energy Saving: textbook / V. V. Litvak, M. A. Wagner. — Tomsk: STT, 2012. — 212 p.

2. Leonova A. N., Kurochka M. V. Methods for improving energy efficiency of buildings during reconstruction // MGSU Bulletin. 2018. No. 7 (118).

3. tabunschikov Yu. a. Mathematical modeling and optimization of thermal efficiency of buildings / Yu. a. tabunschikov, M. M. Bro-DACH. — Moscow: AVOK-PRESS, 2012. — 194 p.

4. Easterling D. R., A. mil G., S. Parmesan, Changnon S. A., K. T. R., and merns L. O.: extreme climate phenomena: observations, simulations, and impacts. Science 289(5487), 2068-2074 (2000).

5.. al-Homud M. S.: efficiency of thermal insulation of various types of buildings in a hot climate. J. Therm. Building An Envelope. Sci. 27(3), 235-247 (2004).

6. Sadineni S. B., Madala S., and Boehm R. F.: passive energy saving in buildings: overview of building envelope components. Renewable Energy, Sustainable Development. 15(8), 3617-3631 (2011).

7. H. C. Fennell And Haehnel J.: setting standards of integrity. ASHRAY j. 47(9), 26-31 (2015).

8. Dodoo A., Gustavsson L., and Sathre R.: primary energy consequences of heat recovery of ventilation in residential buildings. energy storage. 43(7), 1566-1572 (2017).

9. Jelle B. P.: traditional, modern and promising thermal insulation materials and solutions for thermal buildings—properties, requirements and opportunities. energy storage. 43(10), 2549–2563 (2011).

10. Stack A. A. and hull T. R.: Assessment of fire toxicity of building insulation materials. energy storage. 43(2-3), 498-506 (2011).

11. Tyagi V. V. and Buddhi D.: thermal storage of PCM in buildings: current state. Renewable Energy, Sustainable Development. 11(6), 1146-1166 (2017).