XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

В нынешнее время одним из наиболее актуальных вопросов нового строительства является повышение процента энергоэффективности проектируемых объектов, что, в свою очередь, помогает выявить, как можно сократить потребление энергии и, как следствие, снизить затраты на отопление, холодоснабжение, вентиляцию, и другие коммунальные услуги. Это не только выгодно для владельцев, но и позволяет уменьшить нагрузку на энергетические сети.

Высокие стандарты энергоэффективности позволяют создавать наиболее комфортные и здоровые условия проживания и работы. Хорошая тепло- и звукоизоляция, система вентиляции и использование натуральных материалов положительно влияют на качество воздуха и общее самочувствие человека. Также следует отметить, что энергоэффективные здания способствуют снижению углеродного следа и минимизации воздействия на окружающую среду.

Наиболее полным и современным решением представленного выше вопроса можно считать энергоактивные (или просто активные) дома. Это здания с положительным энергобалансом, которые производят энергию для собственных нужд в более чем достаточном количестве, совмещая при этом в себе черты пассивного дома, который требует мало энергии и «умного дома», оборудованного высокотехнологичными устройствами.

1. Способы повышения энергоэффективности зданий

Среди способов повышения энергетической эффективности зданий можно выделить два основных направления, а именно:

1. Экономия энергии (снижение потребления энергии и потерь теплоты через ограждающие конструкции)

2. Использование возобновляемых источников энергии.

Мероприятия, которые в основном ориентированы на один из этих способов, имеют ключевые отличия и позволяют выделить два типа зданий по энергоэффективности: использующих энергию природной среды и не использующих.

Энергопассивные здания - не используют энергию природной среды (альтернативных источников) и обеспечивают снижение энергопотребления, большей частью, за счет усовершенствования систем их инженерного обеспечения, конструктивных элементов, определяющих характер и интенсивность энергообмена с внешней средой (наружных ограждений, окон и т.п.), а также оптимизации архитектурных решений, направленной на сокращение энергопотерь (повышение компактности объемов, сокращение площади остекления, использование градостроительных приемов и архитектурных форм, нивелирующих отрицательные воздействия природно-антропогенных факторов внешней среды - ветра, солнца и т.п.).

Энергоактивные здания - ориентированы на эффективное использование энергетического потенциала внешней среды в целях частичного или полного энергообеспечения посредством объемно-планировочных, ландшафтно-градостроительных, инженерно-технических, конструктивных средств, которые предполагают ориентированность пространств, архитектурных форм и технических систем на энергетические источники внешней среды (солнце, ветер, грунт и др.)

2. Способы экономии энергии

Максимальная экономия энергии в энергоактивных зданиях достигается, главным образом, за счет эффективной теплоизоляции, а также минимизации количества или полного устранения «мостиков холода».

Еще одним немаловажным способом сохранения тепла в здании является использование естественной системы вентиляции с рекуперацией тепла, благодаря чему исключаются затраты на электричество, а тепло от удаляемого воздуха передается приточному.

Отопление активного здания осуществляется за счет тепла, выделяемого бытовыми приборами, а также людьми, живущими в нем. В том случае, если тепла для обогрева не хватает, используются альтернативные источники энергии.

Также стоит отметить важность правильного размещения здания относительно сторон света. Таким образом, южная сторона должна иметь большую площадь остекления или остеклена полностью, для максимального проникновения солнечных лучей, как в летнее время, так и зимой.

В случае с северной стороной остекление не предусматривается, и на стену необходимо нанести дополнительную теплоизоляцию.

Для контроля всеми системами жизнеобеспечения в активных зданиях используется система «умный дом», которая регулирует расход тепла, воды и потребление электричества. С помощью таких систем в доме можно устанавливать минимальную температуру на время отсутствия жильцов, а к моменту их возвращения снова прогреть помещения.

3. Использование возобновляемых источников энергии.

К возобновляемым источникам энергии, многие из которых используются практически повсеместно и в разных масштабах внедряются в современном строительстве, относятся:

- энергия солнца (тепловая и световая составляющие солнечной радиации - основной первоисточник);

- геотермальная (тепло верхних слоев земной коры и массивных поверхностных форм рельефа - скал, камней и т.п.), гидротермальная (тепло грунтовых вод, открытых водоемов, горячих подземных источников) и аэротермальная энергия (тепло атмосферного воздуха) - "производные" от солнечной энергии и энергии земного ядра;

- кинетическая энергия воздушных потоков (энергия ветра - "вторая производная" от солнечной энергии);

- кинетическая энергия водных потоков (энергия водопадов и морских приливов - "производные" от гравитационных сил Земли и Луны);

- энергия биомассы (растительности, органических отходов промышленных и сельскохозяйственных производств, а также жизнедеятельности животных и людей - результат биоконверсии солнечной энергии);

Рис.1 – схема устройства дома, получающего энергию за счет возобновляемых источников энергии.

Например, ветровые энергетические ресурсы континентов, которые могут быть когда-либо использованы (с учетом неизбежных потерь), оцениваются сегодня в 170 ТВт, при этом современное энергопотребление человечества составляет около 10 Твт. Биомасса уже сегодня обеспечивает до 13% мирового производства энергии. Однако, природные энергетические ресурсы распределены весьма неравномерно, что выражается существенными отличиями природно-климатических условий, даже в границах одного климатического района. Поэтому, в каждом конкретном случае экономическая эффективность, т.е. предпочтительность использования того или иного природного источника энергии определяется местными условиями и критериями: наличием источника в районе строительства, его мощностью (величиной возможных энергопоступлений) и размерами затрат, необходимых для технического обеспечения эксплуатации источника в данном регионе. Системы энергоснабжения зданий и населенных мест, использующие энергию природной среды, часто оказываются экономически эффективнее традиционных не только вследствие значительного снижения потребления обычных дорогостоящих топливных ресурсов, но и как более дешевые в строительстве (монтаже и эксплуатации, например, в условиях вечномерзлых грунтов, слаборазвитой или недостаточно мощной имеющейся инженерной инфраструктуры (что особенно характерно для реконструируемых густонаселенных, а также вновь осваиваемых малонаселенных мест).

4. Проблемы проектирования энергоактивных зданий.

Наиболее распространенной проблемой при проектировании зданий, использующих энергию природной среды, является поиск путей и средств эффективного управления процессами распределения энергетических (воздушных, тепловых, световых и др.) потоков с целью поддержания оптимальных микроклиматических параметров помещений в условиях циклических (суточных, сезонных) и периодических (облачность, осадки) изменений параметров внешней среды. При этом ключевое значение имеет решение трех задач:

1.  Генерация энергии (получение необходимого количества энергии, учитывая ее определенную рассеянность во внешней среде, т.е. компенсация недостаточной мощности естественных энергетических потоков);

2.  Аккумуляция энергии (компенсация характерного несовпадения во времени периодов и суточно-сезонной неравномерности поступления и потребления энергии);

3.  Распределение энергии (обеспечение регулируемого распределения энергии в здании для функционирования требующихся в данный момент и в данное время технологических и микроклиматических параметров).

5. Пути решения.

  Два принципиально отличных подхода к организации среды обитания человека - техноцентрический и экологический - определяют две группы средств для решения указанных задач, обусловливая, как показывает практика, совершенно разные качества получаемых в результате архитектурно-градостроительных, конструктивных и инженерно-технических решений.

1. Таким образом, техноцентрический (традиционный) подход рассматривает здание как замкнутую внутреннюю систему и акцентирует внимание на задачах, связанных с усилением изоляционных свойств конструктивных элементов. Этот подход преимущественно основывается на использовании инженерно-технических средств, или активных технологий, для повышения энергоэффективности здания. В частности, это включает применение природных источников энергии, где сбор, хранение и распределение энергии осуществляются с помощью специализированного технического оборудования, интегрированного в здания и другие инженерные сооружения. Такой подход предполагает 'принудительное' управление энергетическими процессами, что позволяет получать значительное количество высококачественной энергии. Однако, помимо достаточно высокой стоимости таких систем, они требуют дополнительных расходов на обслуживание, технической подготовки пользователей и наличие квалифицированного персонала для обслуживания, что в итоге ограничивает их экономически целесообразное применение в основном крупными общественными и промышленными зданиями с высокой и избыточной энергоактивностью.

2. Экологический подход к проектированию энергоэффективных, включая энергоактивные здания, рассматривает здание как организм, изначально тесно связанный с окружающей средой. Следуя логике природных процессов, этот подход направлен на решение энергетических задач через создание особой материально-пространственной среды, которая обеспечивает регулируемое и естественное протекание необходимых энергетических процессов. В этом контексте само здание, его конструкции, а также элементы окружающей среды играют роль энергетической установки. Приоритет отдается задачам организации эффективных естественных обменных процессов как внутри здания, так и с внешней средой, включая использование энергии природных источников. Эти задачи решаются в основном за счет ландшафтного, градостроительного дизайна, объемно-планировочных решений и конструктивных, или пассивных, мероприятий, в то время как технические системы выполняют вспомогательные и корректирующие функции. Хотя энергетическая эффективность пассивных систем в настоящее время не высока и способна обеспечить лишь около 50% потребности зданий в энергии, их относительно невысокая себестоимость, хорошие эксплуатационные характеристики и выраженная экологичность делают их целесообразными для использования при проектировании различных архитектурных объектов. Более того, результаты ряда программ по энергосбережению в строительстве, проведенных в конце 1980-х годов, продемонстрировали более высокую экономическую эффективность пассивных систем по сравнению с большинством активных, при этом ключевую роль играли их стоимость и эксплуатационные характеристики. (Т. А. Маркус, Э. Н. Моррис).

6.Экономическая и энергетическая целесообразность.

Возвращаясь к активным методам использования энергии природной среды, необходимо подчеркнуть экономическую и энергетическую целесообразность максимального "сращивания" применяемых технических и архитектурно-конструкторских решений. Это может проявляться, например, в совмещении конструкций стен и крыш с солнечными коллекторными системами, а также интеграцией ветрогенераторов в объемные элементы здания. Такие решения, основанные на принципе объединения конструктивных элементов зданий и энергетических установок, могут сократить стоимость строительства на 25-35%.

Наиболее важной частью данного анализа методов и средств повышения энергоэффективности архитектурных объектов является вывод о их сущностном единстве: энергосберегающие и энергоактивные здания, включая как активные, так и пассивные энергосистемы, представляют собой единое целое. (Жуков Д.Д., Лаврентьев Н.А. Т. А. Маркус, Э. Н. Моррис.)

Заключение.

Наиболее перспективным классом современных архитектурных объектов можно считать энергоактивные здания и комплексы. Объективная тенденция к полному переходу на альтернативные источники энергии в энергобалансе зданий, учитывая длительные сроки эксплуатации капитальных сооружений (до 100 лет), требует проектных решений, которые обеспечивают возможность постепенного наращивания энергоактивности. Это означает, что необходимо предусмотреть возможность поэтапной модернизации энергетической структуры объекта, начиная с состояния энерgoэкономичности и переходя к использованию энергии природной среды с помощью пассивных средств, а затем и активных технологий.

На сегодняшний день наиболее экономически целесообразными и подходящими для массового строительства являются пассивные методы использования энергии природной среды, а также малые и средние ветроэнергетические установки для генерации электроэнергии и тепловые насосы, позволяющие утилизировать низкопотенциальную энергию различных источников (воздуха, грунта, водоемов и т. д.) для отопления и горячего водоснабжения. При этом наилучшие экономические результаты достигаются при комбинированном использовании как пассивных, так и активных энергосистем.

Список литературы

1. Т. А. Маркус, Э. Н. Моррис. Здания, климат, энергия. Пер. с англ. под ред. Н. В. Кобышевой, Е. Г. Малявиной. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1985. - 544 с.

2. Энергоактивные здания/ Н. П. Селиванов, А. И. Мелуа, С. В. Зоколей и др.; Под ред. Э. В. Сарнацкого и Н. П. Селиванова. - М.: Стройиздат, 1988. - 376 с.

3. Энергосберегающие и энергоактивные здания // ECOportal URL: https://ecoportal.su/public/industry/view/1084.html (дата обращения: 08.12.2024).

4. ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ ДОМА КАК СПОСОБ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ // ИЦРОН URL: https://izron.ru/articles/razvitie-tekhnicheskikh-nauk-v-sovremennom-mire-sbornik-nauchnykh-trudov-po-itogam-mezhdunarodnoy-na/sektsiya-10-stroitelstvo-i-arkhitektura-spetsialnost-05-23-00/energoaktivnye-doma-kak-sposob-ekonomii-energii/ (дата обращения: 08.12.2024).

5. Проектирование экологических домов // Studwood URL: https://studwood.net/1681787/nedvizhimost/proektirovanie_energoaktivnyh_zdaniy (дата обращения: 08.12.2024).

Код для цитирования: Скопировать