Статья: Реализация энергоэффективных подходов в зеленом строительстве

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский

Московский государственный строительный университет»

Реализация энергоэффективных подходов в зеленом строительстве

Курочкина Валентина Александровна

Кандидат технических наук, доцент

Бронникова Юлия Александровна

Москва, Россия

Аннотация

Рост численности населения, повышения требований к качеству и комфорту жилья приводит к потребности в развитии среды жизни человека в условиях расширение городских агломераций, следствием которой является все возрастающая нагрузка на все системы жизнедеятельности городов. В современных условиях нельзя недооценивать значимость окружающей среды, так как качество среды напрямую влияет на здоровье и благополучие граждан. Одним из перспективных направлений развития строительной сферы является переход на эко-строительство, подразумевающее внедрение энергоэффективных технологий, а также использование экологически чистых материалов. В статье рассмотрены различные материалы с целью определения их энергоэффективности и оптимальности их применения в «зеленом» строительстве.

Ключевые слова: экологические дома; экологичные материалы; устойчивое развитие; «зелёное» строительство; энергоэффективность

Введение

Строительная отрасль оказывает значительное влияние на окружающую среду и климатические условия. Согласно некоторым исследованиям, на строительство приходится до 50 % климатических изменений, 40 % энергопотребления в мире.

Под экологически чистые дома принято понимать дома, которые проектируются и строятся с учетом современных экологических подходов, основанных на применении устойчивых и экологичных материалов, и технологий.¹ Данные дома предназначены для минимизации негативного влияния на окружающую среду и на здоровье людей. Эко-дома могут включать в себя энергоэффективную изоляцию, солнечные панели для генерации электроэнергии, системы сбора и использования дождевой воды, системы сбора и переработки отходов, а также использование природного освещения и вентиляции для минимизации потребления энергии. Проектирование и строительство эко-домов, эко-кварталов и эко-городов происходит с оглядкой на такой важный показатель негативного воздействия на окружающую среду с экологической точки зрения как углеродный след -- совокупность выброса парниковых газов, диоксида углерода (CO2) и метана (CH4).

Попробуем рассмотреть эту тему подробнее. Экологические дома достаточно популярна во многих странах. В России данные здания начали строиться в 1980-х годах в Новосибирском Академгородке [1]. В последнее время, так как ситуация с загрязнением окружающей среды стоит на данный момент очень остро, начали более осознано подходить к теме экологического строительства, формированию благоприятной и комфортной среды [2-4].

Материалы и методы

Энергоэффективность и возобновление источников энергии являются важным фактором в экодомах, это сказывается на экономической выгодности данных домов, так как они снижают затраты на счета за электроэнергию и отопление. зеленый строительство город экологический

Согласно доктрине Организации объединённых наций (ООН) главной задачей человечества является переход к устойчивому развитию. Что это значит? Развитие без глобальных катаклизмов, например, войны, экологические катастрофы; поддержка равновесия и баланса поколений, при котором жизнь современного поколения осуществляется без вреда для существования предстоящих поколений. Устойчивое развитие предполагает под собою равновесие интересов человека, экономики и природы (рис. 1).

Рисунок 1. Устойчивое развитие (рисунок авторов)

При этом одним из значимых факторов загрязнения окружающей среды или факторов, определяющих «чистую среду обитания», является строительство [5; 6].

Результаты исследования

Эко-дома относятся к «зелёному» строительству. Если сформулировать коротко, то экологическое строительство -- это особый подход к строительству, основанный на принципах устойчивого развития при осознанном выборе экологических материалов, который позволяет создавать здания, минимально отрицательно влияющие на окружающую среду и обеспечивающие высокую энергоэффективность.

«Зелёное» строительство способствует сокращению потребления энергии и диверсификации источников энергии, это помогает уменьшить энергетическую зависимость и повысить энергетическую безопасность. «Зелёное» строительство -- это ключевое направление для создания устойчивого будущего и играет важную роль в создании экологически устойчивых городов и обществ.

Энергоэффективность является ключевым требованиям в «зелёном» строительстве. Это обусловлено тем, что на данный момент в мире существует проблема глобального изменения климата, которое ускоряется вследствие эмиссии парниковых газов. Отопление является одним из основных антропогенных источников парниковых газов, оно практически на 100 % обеспечивается сжиганием топлива -- природного газа, угля, нефтепродуктов и т. д. Эмиссию парниковых газов можно снизить с помощью повышения энергоэффективности, т. е. сокращение потребности в отоплении. И создание экологических энергоэффективных домов, направленных на сохранение окружающей среды, поможет решить эту задачу.

Экологически чистым домам иногда присваивают статус пассивных домов, с чем авторы данной статьи не согласны.

К пассивным домам относят дома, которые построены или разработаны с использование особых принципов и технологий по стандарту немецкого института Пассивного дома. В пассивных домах отсутствует как таковая традиционная система отопления. Данные здания обогреваются с помощью подогреваприточного воздуха в приточно-вытяжной системе вентиляции с рекуперацией.

К экологически чистым домам следует относить дома, которые построены из экологически чистых конструктивных и отделочных материалов (рис. 2).

Рисунок 2. Понятие экологически чистого дома (рисунок авторов)

Существуют система рейтинговых «зелёных» сертификаций, с помощью которой оценивается соответствие зданий стандартам «зелёного» строительства. Разработанная бальная система позволяет присваивать баллы по тем или иным критериям, определяющим экологичность здания, в результате суммирования которых определяется рейтинг здания.

Основными критериями экологически чистых домов являются: применение экологических материалов. Следовательно, экологичность дома уже начинается на стадии проектирования при создании экологического дизайна здания. Экологичные материалы -- это материалы (традиционно природного происхождения), которые не оказывает негативного воздействия на природу, окружающую среду и человека. Виды экологичных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Достоинства и недостатки экологичных материалов

Составлено авторами

Далее экологичность дома прослеживается на таких стадиях жизненного цикла как -- строительство и эксплуатация. Зеленая строительная практика и Устойчивое строительство и эксплуатация -- важные составляющие «зеленого» строительства.

Таким образом, существует несколько основных задач, которые решает «зелёное» строительство.

Одна из них заключается в том, что дома, построенные с применением зеленых технологий, позволяют значительно снижать негативное воздействие человека на окружающую среду. Это касается как выбора самих строительных материалов, как правило, природного происхождения, так и формирование всего жизненного цикла дома, начиная с проведения изысканий, проектирования, строительства, эксплуатации до реновации или сноса объекта.

Рисунок 3. Школа с фасадом из дерева, Любляна, Словения (фотография авторов)

Другой главной задачей, которую можно решить с помощью эко-домов -- это повышение комфорта за счет улучшения микроклимата помещений, что приводит к улучшению здоровья и благополучия человека, а также делает их облик более интегрированным и гармоничным с окружающей средой, что повышает их эстетичность. На рисунке 3 представлена школа из дерева в столица Словении -- Любляне.

К рекомендациям «зелёного» строительства можно отнести следующие аспекты (рис. 4) в соответствии с [4]. Следует отметить, что энергоэффективные здания компакты, так как чем меньше площадь ограждающих конструкций на единицу отапливаемого объема, тем лучше. В таких домах достаточно много света. Для светопрозрачных конструкций более эффективны профильные системы с терморазрывами, стеклопакете с низкоэмиссионным стеклом, которые заполнены инертным газом.

Рисунок 4. Рекомендации «зелёного» строительства (рисунок авторов)

Оптимальный температурно-влажностный режим также является важным фактором в данных домах. В энергоэффективных домах присутствует система приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией теплоты, они снижают вентиляционные теплопотери примерно в 2-4 раза. Рекуперация теплоты -- обогрев приточного воздуха теплотой вытяжного воздуха.

Снижение энергоэффективности теплозащитной оболочки здания происходит с помощью мостиков холода, они представляют собой теплопроводные включения в ограждающих конструкциях, например вылеты несущих конструкций, такие как балконные плиты или консольные балки [7-10].

В данной статье рассмотрен узел консольного вылета балки для жилых зданий, выполненный из древесины, железобетона и стали. Различные материалы были выбраны для исследования количественной оценки теплопотерь при использовании различных строительных материалов. Для климатических условий Московского региона принята следующая температура наружного воздуха N = -25°С, температура внутреннего воздуха tв = +20°С, влажность внутреннего воздуха фв = 50 %, температура точки росы внутреннего воздуха +9,28°С.

Нагрузка на консоль принята одинаковой, для сравнительных целей. Поперечное сечение определено индивидуально, согласно расчётной схеме на изгиб с проверкой по прогибу. Параметры расчётной схемы в данной статье были приняты следующие: длина -- 1,5 м с шагом 1 м, данная схема соответствует конструкции балкона. Кратковременная нагрузка взята в соответствии с СП 20.133 3 0.2016² и нагрузка от собственного веса составляет 3,6 кН/м². Результаты исследования приведены в таблице 2.

Расчёты были произведены с помощью компьютерного моделирования температурных полей с помощью метода конечных элементов в трёхмерном пространстве. Было принято, что стена состоит из обыкновенного кирпича (81 = 250 мм, Ад = 0,81 Вт/(м²-°С)), утеплённая минеральной ватой (82 = 100 мм, Х2 = 0,04 Вт/(м²-°С)) с тонким штукатурным слоем.

Таблица 2

Параметры равнопрочных консольных балок из различных материалов

* Примечание. Обозначения расчётных сопротивлений и необходимых коэффициентов для их вычисления приняты по соответствующим нормативным документам. Составлено авторами

Как было ранее написано, шаг балок составляет 1 м -- ширина расчётной схемы. Высота данной схемы принята характерно высоте этажа -- 3 м. Площадь расчётного фрагмента стены Аст = 3,0 м². Расчётные схемы представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Расчётные схемы для компьютерного моделирования температурных полей (рисунок авторов)

К поверхностям конечно-элементной модели приложены граничные условия конвективного теплообмене, с указанием коэффициента теплоотдачи и температуры. Адиабатические граничные условия заданы на торцевых участках фрагмента стены, что соответствует условию симметрии.

Результаты компьютерного моделирования представлены на рисунке 6 и сведены в таблице 3.

Рисунок 6. Результаты компьютерного моделирования температурных полей. Распределение температур в вертикальных сечениях по осям балок (рисунок авторов)