В развитых странах строят экологичные и энергоэффективные здания. Современные технологии позволяют возводить здания с нулевым энергопотреблением. Многие страны планируют достичь этого к 2020-2030 г

Энергоэффективное здание – это продукт совместного творчества архитекторов, конструкторов и инженеров, сочетающий оптимальную форму и ориентацию постройки с высоким уровнем теплозащиты наружных ограждений и энергосберегающими системами инженерного обеспечения с элементами генерации энергии. В свою очередь, инженерные системы базируются на энергоэффективном инженерном оборудовании: насосах, вент-установках, кондиционерах, средствах автоматизации, контроля и управления.

К сожалению, сформировать типовой набор решений энергоэффективного здания – задача нереальная, так как на сочетание энергоэффективных элементов влияют многие факторы:

• климатические условия;
• функциональное назначение здания;
• режим эксплуатации;
• доступность и стоимость энергетических ресурсов, в том числе возобновляемых;
• технологический уровень производства материалов и оборудования;
• располагаемые инвестиции;
• менталитет жителей и работников.

Основные технологии и решения

1. Пассивные архитектурные решения

• Ориентация здания по сторонам света для максимального использования солнечной энергии зимой и защиты от перегрева летом.
• Тепловая масса —использование материалов с высокой теплоёмкостью (бетон, кирпич) для стабилизации температуры.
• Эффективное остекление — окна с тройным стеклопакетом, низкоэмиссионными покрытиями и заполнением инертным газом.
• Компактная форма здания для уменьшения площади теплопотерь.

2. Активное оборудование

• Системы вентиляции с рекуперацией тепла — возврат до $90\%$ тепла из вытяжного воздуха.
• Тепловые насосы — эффективное отопление и охлаждение с коэффициентом преобразования энергии $3–4$ (на $1$ кВт затраченной электроэнергии дают $3–4$ кВт тепловой энергии).
• Умные системы управления — автоматизация освещения, отопления, вентиляции на основе датчиков присутствия и погоды.

3. Возобновляемые источники энергии

• Фотоэлектрические панели — преобразование солнечной энергии в электричество.
• Солнечные коллекторы — нагрев воды для ГВС и отопления.
• Ветрогенераторы — в районах с устойчивыми ветрами.
• Биоэнергетика — использование биомассы или биогаза.

4. Материалы и конструкции

• Высокоэффективная изоляция — стены, крыши, фундаменты с сопротивлением теплопередаче в $2–3$ раза выше нормативных значений.
• Зелёные крыши — растительный покров снижает теплопотери зимой и защищает от перегрева летом.
• Экологичные материалы — древесина, переработанный металл, низкоуглеродный бетон.

Преимущества, недостатки схем систем общеобменной вентиляции

Страны-лидеры

1. Германия

• Программа Energieeffizienzhäuser — стандарты энергоэффективных домов.
• К 2050 году — все здания должны стать климатически нейтральными.
• Стандарт Passivhaus (пассивный дом) — потребление не более $15$ кВт·ч/м² в год.

2. Дания

• Закон о строительстве 2010 года — все новые здания должны соответствовать                                                      стандартам почти нулевого энергопотребления.
• Копенгаген планирует стать углеродно‑нейтральным к 2025 году.

3. США

• Департамент энергетики (DOE) поддерживает проекты ZEB.
• Калифорния — с 2020 года все новые жилые дома должны иметь солнечные панели.

4. Европейский Союз

• Директива EPBD (Energy Performance of Buildings Directive) —к 2021 году все новые здания должны быть почти с нулевым потреблением энергии                                        (nearly Zero‑Energy Buildings).

5. Япония

• Программа ZEH (Zero Energy House) — субсидии на строительство                                                                              энергоэффективных домов.
• Цель — 50 % новых домов должны быть ZEH к 2030 году.

Экономические и экологические преимущества

Экономические:

• Снижение эксплуатационных расходов на $70–90\%$.
• Рост стоимости недвижимости — энергоэффективные здания на $10–15\%$ дороже.
• Создание новых рабочих мест в «зелёном» строительстве и энергетике.

Экологические:

• Сокращение выбросов CO2​ — до $100\%$ при полной автономности.
• Уменьшение нагрузки на энергосистему.
• Рациональное использование ресурсов.

Проблемы и барьеры

• Высокие первоначальные затраты — стоимость строительства на $10–30\%$ выше обычных зданий.
• Нормативно‑правовая база — необходимость адаптации строительных кодексов.
• Квалификация кадров — дефицит специалистов по энергоэффективному проектированию.
• Климатические ограничения — сложность достижения нулевого баланса в регионах с холодным климатом.
• Хранение энергии — необходимость аккумуляторов для бесперебойного энергоснабжения.

Перспективы

К 2030 году ожидается:

• массовое внедрение умных энергосетей (smart grids);
• снижение стоимости солнечных панелей и аккумуляторов на $30–50\%$;
• развитие технологий теплового накопления;
• появление новых изоляционных материалов с рекордными характеристиками;
• интеграция зданий в городские энергетические системы (здания как мини‑электроста

6. Россия

В России есть несколько примеров проектов, реализующих принципы энергоэффективности и близкого к нулевому энергопотребления. Хотя полностью здания с нулевым энергобалансом (ZEB) в стране пока не распространены, существуют объекты, которые демонстрируют значительные успехи в снижении энергопотребления и использовании возобновляемых источников энергии. 

Офисный центр «Экохаб» (Москва)

Особенности проекта:

• Энергопотребление — 34 кВт·ч/м² в год.
• Источники энергии: 120 кВт солнечных панелей и геотермальный контур.
• Система управления: BIM-управление всеми инженерными системами.
• Окупаемость дополнительных инвестиций — 7 лет. 

Проект демонстрирует применение современных технологий для минимизации энергопотребления в условиях столичного климата.

Школа в Иннополисе (Республика Татарстан)

Технологии и решения:

• Вакуумные солнечные коллекторы для нагрева воды.
• Стеновые панели с фазопеременными материалами, которые накапливают и отдают тепло в зависимости от температуры.
• Результат: автономность по теплу — 92%, снижение выбросов CO₂ на 78 тонн в год. 

Школа расположена в Верхнеуслонском муниципальном районе, на территории Особой экономической зоны. Жилой комплекс «Русская Европа» (Калининград)

Характеристики:

• Первый в России многоквартирный жилой комплекс, сертифицированный по «Зелёному стандарту МКД» (ГОСТ Р 70346–2022). vk.com +1
• Класс энергоэффективности — А+ благодаря использованию современных теплоизоляционных материалов и систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. 
• Индивидуальные крышные газовые котельные с автоматизированным погодным регулированием для минимизации потерь тепла. 
• Умные решения: автоматизация учёта ресурсов, видеонаблюдение, видеоаналитика, цифровое управление доступом, мобильное приложение для жителей. 

Вторая очередь строительства — жилой комплекс «Вдохновение» — также получила сертификат соответствия «Зелёному стандарту МКД». 

Экодом WWF России (Москва)

Архитектурные и инженерные решения

• Фасад отделан натуральным деревом, сертифицированным по экологическим стандартам (FSC). Для отделки планировалось использовать жжёное дерево — негорючий материал с декоративной поверхностью, который по японской технологии обжигают на месте строительства. Фасады символизируют ладони, обнимающие земной шар.
• Зелёная крыша выполняет несколько функций: обеспечивает тепло- и звукоизоляцию, регулирует дождевую воду, служит местом для прогулок и отдыха. По просьбе сотрудников на фасаде предусмотрели углубления для крепления скворечников, чтобы привлечь птиц. 

Стеклянный фасад, обращённый к зелёному внутреннему двору, позволяет сохранить визуальный контакт с природой для работников офиса. Световой атриум обеспечивает дневное освещение на всех трёх этажах здания. 

Энергоэффективность достигнута за счёт:

• Реконструкция офисного здания по принципам «пассивного дома»,
• Технологии: повышенная теплоизоляция стен, которая делает здание похожим на «термос», зелёная крыша для поглощения тепла, использование тепловой инерции здания для охлаждения помещений, геотермальных и солнечных коллекторов (воздуховодов подземного заложения в системе вентиляции и отопления, регулирование и использование дождевой воды) для обеспечения коммунальных потребностей. 
• Цель: достижение энергопассивности, при которой здание минимально зависит от внешних источников энергии для поддержания комфортной температуры.
• Интеллектуальных систем управления освещением, вентиляцией, отоплением и водоснабжением. 

Энергосберегающие технологии для холодильной техники

Экодом WWF России должен был стать демонстрационной площадкой применения экологических технологий в строительстве, особенно в российских условиях. Офис планировали открыть для посещений студентов, инженеров, архитекторов и всех, кто заинтересован в продвижении идей экостроительства. web.archive.

Миссия проекта — показать, что в центре Москвы можно строить здания, соответствующие высоким требованиям экологии и энергоэффективности, по конкурентным ценам с использованием доступных материалов. Также проект призван продвигать идею гармонии человека и природы, демонстрируя здание, построенное с минимальным ущербом для окружающей среды.

Проект стал пилотным в рамках российской политики энергоэффективности. 

Метод экспертных оценок

Для выбора лучших практик в области энергоэффективности в строительстве был применен метод экспертных оценок по следующему алгоритму:

1. Были проанализированы примеры зданий высокой экологической и энергетической эффективности, включая энергопассивные и здания с нулевым энергопотреблением, в части применяемых инженерных систем и оборудования. Были рассмотрены объекты, реализованные как в нашей стране, так и за рубежом.

2. Были определены критерии оценки значимости энергоэффективности инженерных систем:

• энергоэффективность как совокупный критерий энергосбережения, цены жизненного цикла, сроков окупаемости;
• масштабность области применения;
• технологическое совершенство и надежность;
• экологичность.

3. Были определены критерии оценки значимости энергоэффективности инженерного оборудования:

• класс энергоэффективности;
• соответствие рекомендациям Минрегионразвития РФ (проекты приказов о повышении энергоэффективности);
• масштабность области применения;
• представительство на рынке страны;
• сроки окупаемости;
• надежность.

На основе экспертных оценок рассмотрения массива источников информации (Интернет, библиотека научных статей и коммерческой информации журналов «АВОК», «Энергосбережение», «Сантехника», «Мир климата», «Водоснабжение и санитарная техника», REHVA, ASHRAE, бюллетеней EUROVENT и EUROPUMP) специалисты ООО «НПО ТЕРМЭК» составили «Топ-10» примеров лучшей практики энергоэффективности в области инженерного оборудования и систем.

Автоматизация инженерных систем общественных зданий

В категории инженерного оборудования методом экспертных оценок были выбраны:

• циркуляционные насосы со встроенным частотным приводом;
• канальные вентиляторы ЕС с частотным приводом;
• абсорбционные чиллеры;
• балансовые вентустановки с утилизаторами теплоты вытяжного воздуха;
• тепловые насосы;
• конвекторы отопительные;
• фэнкойлы (вентиляторные доводчики);
• водосчетчики и теплосчетчики;
• системы кондиционирования VRF;
• солнечные коллекторы.

В категории инженерных систем методом экспертных оценок были выбраны:

• горизонтальные и поквартирные системы отопления;
• адаптивные системы вентиляции;
• системы кондиционирования воздуха с аккумуляторами холода;
• системы вытесняющей вентиляции;
• системы отопления и обогрева с газовыми инфракрасными излучателями;
• система водяного напольного отопления и охлаждения;
• система персональной вентиляции и локального кондиционирования воздуха;
• системы горячего водоснабжения с регулируемым циркуляционным контуром;
• адиабатные системы кондиционирования воздуха;
• система утилизации теплоты наружных блоков VRF и конденсаторов холодильных машин для нагрева воды ГВС.

Следует обратить внимание, что этот перечень – не догма, и в дальнейшем он должен обновляться по мере совершенствования технологий с привлечением более широкого круга специалистов.

Пример:

Подробно рассмотрим энергоэффективные системы вентиляции:

Системы вытесняющей вентиляции

Это системы вентиляции с вертикальными воздухораспределителями, работающими по принципу «затапливания» зоны обслуживания (рабочей зоны) свежим приточным воздухом с малыми скоростями и вытеснения загрязненного воздуха с конвективными потоками от людей и оборудования в верхнюю зону для его удаления вытяжными системами.

Основным элементом системы являются низкоскоростные воздухораспределители, представляющие собой цилиндрические или полуцилиндрические панели с перфорированной поверхностью высотой до 2 м.

Системы вытесняющей вентиляции применяются для зданий, помещения которых характеризуются избыточными конвективными тепловыделениями (от людей и оборудования):

• концертных залов;
• офисных помещений;
• производственных цехов точного машиностроения;
• сборочных производств.

При устройстве систем вытесняющей вентиляции достигается сокращение воздухообмена по сравнению с традиционной перемешивающей вентиляцией на 30–50% за счет повышения эффективности воздухораспределения (при этом загрязнения не перемешиваются с приточным свежим воздухом, а с конвективными потоками вытесняются в верхнюю зону), экономия тепловой энергии (холода) 25–40%, электрической энергии на привод вентиляторов 20–25%.

Системы вытесняющей вентиляции применены на следующих объектах:

• головной офис Министерства энергетики Малайзии (здание «Бриллиант»), Путраджайя (Малайзия);
• комплекс «Прибрежные сады» (Gardens by the Bay) на берегу Сингапурского пролива, Республика Сингапур;
• энергоэффективное офисное здание корпорации Manitoba Hydro, Виннипег, Канада;
• Большой зал Московской государственной консерватории им. П.И. Чайковского;
• торговый центр строительных материалов в Новосибирске;
• космопорт компании Virgin Galactic Gateway to Space, США;
• здание аэропорта, Бангкок.

Адаптивные системы вентиляции

Эти системы предназначены для вентиляции помещений с переменным воздухообменом и индикацией степени загрязнения воздуха по концентрации углекислого газа в воздухе помещений. Система включает вентустановку, сеть воздуховодов, регулирующие клапаны, воздухораспределители, датчики концентрации углекислого газа, блоки автоматики.

В зависимости от концентрации углекислого газа, замеряемой, как правило, в вытяжном воздуховоде или представительной точке помещения, регулируется величина воздухообмена на соответствие нормативным значениям концентрации [2]. Необходимо отметить, что дополнительные капиталовложения для организации адаптивной системы вентиляции незначительны; для повышения энергетической эффективности существующей системы вентиляции в помещениях с переменным количеством людей в течение периода эксплуатации необходимо приобрести датчик углекислого газа (расположить его в вытяжном канале), заменить вытяжной и приточный вентилятор на аналогичные с частотным приводом и включить в существующую систему автоматизации контроллер, позволяющий регулировать частоту вращения вентиляторов в зависимости от измеряемой концентрации СО₂.

Адаптивные системы вентиляции особенно эффективны при применении в зданиях с переменным количеством персонала (посетителей):

• залах ожидания вокзалов и аэропортов;
• конференц-залах;  
• переговорных комнатах;
• зрительных залах кинотеатров, театров, спортивных комплексов;
• торговых комплексах.

При устройстве адаптивных систем вентиляции:

• достигается снижение среднегодовой величины воздухообмена на 40–60%,
• экономия тепловой энергии до 60–80 кВт·ч/м² в год и
• электрической энергии до 10–15 кВт·ч/м² в год.

Данные системы были запроектированы ООО «НПО ТЕРМЭК» в экоофисе в Сколково, на остановочных пунктах Московской кольцевой железной дороги.

1 – приточный вентилятор;
2 – вытяжной вентилятор;
3 – роторный теплоутилизатор;
4 – водяной нагреватель;
5 – водяной охладитель;
6 – фильтры;
7 – заслонки;
8 – шумоглушители;
Н – наружный воздух;
П – приточный воздух;
В – вытяжной воздух;
У – удаляемый воздух;
Д – датчик концентрации СО₂;
К – контроллер;
ЧП – частотный преобразователь

Принцип работы: Датчик Д измеряет концентрацию CO₂ в вытяжном воздуховоде или в представительной точке помещения. Контроллер К анализирует данные и регулирует частоту вращения приточного и вытяжного вентиляторов (с частотными преобразователями ЧП) так, чтобы поддерживать заданный уровень воздухообмена в соответствии с нормативными значениями концентрации CO₂. 

Такие системы особенно эффективны в помещениях с переменным количеством людей (посетителей), например в залах ожидания, конференц-залах, торговых комплексах. Они позволяют снизить среднегодовой воздухообмен на 40–60%, а также экономить тепловую и электрическую энергию.

Система персональной вентиляции и локального кондиционирования воздуха

В такой системе приточный воздух подается непосредственно в зону дыхания человека на рабочем месте от приточно-вытяжной установки с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха в объеме, обеспечивающем заданное качество воздуха на рабочем месте. Приточный воздухораспределитель располагается непосредственно над экраном компьютера. Также система персональной вентиляции может быть скомбинирована с системой локального кондиционирования воздуха.

Локальные системы вентиляции и кондиционирования воздуха

При этом рециркуляционный воздух охлаждается или нагревается в канальном фэнкойле и подается через рециркуляционные воздухораспределители в пространство под столом. Таким образом формируется «воздушный оазис» вокруг тела человека на рабочем месте с поддержанием в нем оптимальных значений микроклимата; за пределами фиксированного рабочего места достаточно поддерживать допустимые параметры микроклимата [3].

Данные системы могут применяться в административных и офисных зданиях с фиксированными рабочими местами.

За счет эффективности воздухораспределения системы персональной вентиляции [2] расчетный воздухообмен, обеспечивающий заданное качество воздуха, может быть снижен в 2–3 раза по сравнению с традиционной перемешивающей вентиляцией. Система персональной вентиляции может быть оснащена датчиками присутствия на рабочих местах, что приведет к расходу приточного воздуха по фактической заполненности работниками помещений и экономии тепловой энергии на систему вентиляции до 80%. При сочетании с локальным кондиционированием воздуха оптимальные параметры поддерживаются только на рабочих местах (15–20% от всего объема офисных помещений), в остальном объеме – допустимые; снижение энергопотребления системой кондиционирования воздуха может составить 15–25%.

Системы персональной вентиляции установлены в офисных зданиях в Дании, например в банках SAXO BANK и JYSKE BANK A/S, организациях Energimidt A/S; Exo Draft A/S и King+King Architects.

Каждый из рассмотренных трех видов систем вентиляции имеет свою область применения и ориентирован на достижение высокой энергетической эффективности.

Заключение

Эти проекты демонстрируют, что в России возможно реализовывать энергоэффективные здания даже в условиях сурового климата. Они используют комбинацию архитектурных решений, инженерных систем и возобновляемых источников энергии для снижения энергопотребления и экологического воздействия. Однако массовое внедрение технологий нулевого энергопотребления пока ограничено технологическими, финансовыми и регуляторными барьерами.

Литература

1. ГОСТ 30494–2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
2. Наумов А.Л., Капко Д.В. Локальные системы кондиционирования воздуха в офисных зданиях // АВОК. – 2012. – № 2.
3. Скистад Х., Мундт Э., Нильен П., Хагстрем К., Райлио Й. Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях / Пер. с англ. – 2-е изд., испр. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2006.

По теме:

Вентиляция помещений многоэтажных жилых зданий 

Устройство вентиляции в квартирах многоэтажных жилых зданий