Министерствообразования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВПО «Уральскийфедеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Кафедра «Энергосбережения»
Зданияс нулевым потреблением энергии (пассивные, здоровье)
Реферат попредмету «Энергосбережение»
Екатеринбург
2010
Оглавление
Введение
Отопительная система
Электроснабжение
Водоснабжение
Примеры
Заключение
Литература
Введение
По авторитетным мнениямученых, мы неудержимо приближаемся к изменению климата. Такие климатическиеизменения периодически случались в истории нашей планеты, однако, впервые этовызвано деятельностью человека, и скорость текущих изменений беспрецедентна.СО2, выделяемый при сгорании ископаемого топлива и кислорода, изменяет составнашей атмосферы. Кроме всего прочего, неконтролируемое использование ископаемойэнергии ведет к драматическому истощению мировых запасов ископаемыхэнергоносителей. Малейшая экономия энергии, особенно в густозаселенных местах,ведет к снижению объема выброса загрязняющих веществ и, следовательно, помогаетзащитить окружающую среду.
Единственная область,где можно резко снизить объемы потребляемого топлива и, как следствие, расходэнергии и объемы выбросов – это существующие и новые здания, для этогонеобходимо улучшить теплоизоляцию и установить более эффективные отопительныесистемы. Для снижения выбросов СО2 и защиты окружающей среды в будущем нампридется обходиться намного меньшим количеством энергии для отопления, чем мыиспользовали до сих пор. В то время, как существующие не усовершенствованныездания старой постройки расходуют на отопление от 300 до 400 кВт•ч/м2 энергии,потребность в отопительной энергии для зданий будущего поколения составит от 20до 40 кВт•ч/м2. Так что основная характеристика архитектуры зданий будущего –это ультранизкое и даже нулевое потребление энергии.
Таким образом можновыделить основные направления развития зданий с нулевым энергопотреблением:
1. Снижениепотребления тепловых ресурсов.
2. Полноеили частичное удовлетворение электроэнергией.
3. Созданияболее совершенной вентиляции и теплоизоляции.
4. Сниженияпотребления воды.
Но эта задача не одногодесятилетия, предстоит долгий путь перехода и первые шаги уже сделаны.[1]
Многие современныеновации в области строительства направлены на то, чтобы человеческие поселенияприносили как можно меньше ущерба окружающей среде. Примером домов, которые вбудущем позволят нам жить в гармонии с природой, в то же время не лишая себяпривычного комфорта, являются так называемые жилища «нулевой энергии»(zero energyhouse) или«пассивные» дома (passivehouse), объединяемые общимтермином «энергоэффективные дома».
Концепция«пассивного» дома — один из самых значительных прорывов встроительстве. Такой дом не зависит от внешних источников энергии. Этостановится возможным благодаря рациональному использованию источников тепла иэнергии самого дома и окружающей его территории. Аварийное отопление (на случайдлительных морозов), система горячего водоснабжения, электропитание пассивногодома осуществляются за счет энергии природных источников. Кроме того,максимально используется тепло от бытовых приборов, стоков, естественное теплообитателей дома. Наиболее совершенные проекты учитывают даже ориентацию посторонам света и розе ветров. При этом теплопотери предотвращаются благодаряконструктивным особенностям здания, использованию энергосберегающих технологийи высокоэффективных теплоизоляционных материалов.[2]
В современныеэнергоэффективные дома подразделяют:
1. Пассивныйдом
Дом с ничтожно малымэнергопотреблением (согласно нормативам Закона о сбережении энергии — менее 15кВтч в год на 1 м2 отапливаемой площади). Отопление и горячее водоснабжениепассивного дома осуществляется с помощью альтернативных источников энергии. Утакого дома есть целый ряд преимуществ:
Комфортный микроклимат.Даже в сильные морозы стены не промерзают, за счет чего температура и уровеньвлажности в помещении остаются постоянными.
Нет необходимостипокупать емкости и выделять место для хранения топлива, не говоря уже о том,чтобы тратить деньги на его закупку и транспортировку.
Благодаря отсутствиювредных выбросов при отоплении можно наслаждаться свежим воздухом.
Пассивный дом по сути — энергоавтономная система, а значит, не требует прокладки масштабных инженерныхсетей, а это — существенная экономия денег.
2. Домс нулевым энергопотреблением
Здание, которое ненуждается во внешних (электричество, газ, нефтепродукты и т.д.)энергоносителях. Необходимая энергия (для отопления, горячего водоснабжения ибытовой техники) генерируется с помощью систем на основе альтернативныхисточников энергии — тепловых насосов, солнечных коллекторов и батарей.Технически дом с нулевым потреблением энергии — это улучшенный вариантпассивного дома, а если он генерирует больше энергии, чем потребляет, то можноуже говорить о энергогенерирующем доме.
3. Энергогенерирующийдом
Концепция дома,генерирующего энергию, сходна с концепцией пассивного дома: высокоэффективнаятеплоизоляция, энергоэффективные оконные системы и система вентиляции срекуперацией тепла, а использование альтернативных источников энергии позволяетэтому дому самому «производить» энергию, причем в большем количестве,чем может потребоваться жильцам дома.
4. Вращающийся«солнечный» дом
Вращающийся«солнечный» дом — это энергогенерирующий дом на одну семью,энергопотребление которого покрывается полностью или частично за счетиспользования солнечной энергии. От простого энергогенерирующего дома егоотличает то, что все здание установлено на так называемой «вращающейсяподставке», вследствие чего солнечные коллектора постоянно расположеныоптимально по отношению к направлению инсоляции. Таким образом достигается болееполное использование солнечной энергии.
5. 3-Liter-Haus
Для отопления этихдомов требуется менее 30 кВтч в год на 1 м2 отапливаемой площади. Этосоответствует примерно 3 литрам жидкого топлива в год на 1 м2 отапливаемойплощади. Название «3-Liter-Haus» употребляется по большей части припродаже и покупке жилья для характеристики показателя энергопотребления.Критериев, позволяющих проверить энергопотребление дома на соответствие этомуназванию, нет, поэтому, «3-Liter-Haus» это, скорее, обещание, нежелиреальные показатели. Это определение заимствовано из автомобильной отрасли, гдесуществует такое понятие как «машина 3 литра» для автомобилей,расходующих очень малое количество топлива. В обиход определение«3-Liter-Haus» ввела немецкая компания Viebrockhaus. Позже появилисьтакже «1-Liter-Haus», «5-Liter-Haus» и т.п. Их можнообъединить под одним общим понятием «Х-Liter-Haus».
Рассмотрим отдельноотопительную, энергосбережение, водоснабжение.
Отопительнаясистема
Благодаря быстромуразвитию науки и переходу на использование новых энергоэффективных строительныхконструкций и материалов, возможен переход от зданий старой постройки (группа1) к зданиям с нулевым расходом энергии (группа 5). Проведенные в Германииисследования показывают, что в помещениях зданий старой постройки, на обогреводного квадратного метра требуется от 300 до 400 кВт•ч/м2, а в зданиях,построенных в течение последних 20 лет, потребность в отопительной энергииснижена до 150–200 кВт•ч/м2 (группа 2). Сегодня уже эксплуатируются жилыездания, построенные с использованием новейших энергосберегающих технологий и сприменением современных энергоэффективных материалов, в которых удельный расходэнергии на отопление составляет около 20 кВт•ч/м2. [1]Длядостижения таких целей требуется:
1. –высокоэффективная теплоизоляция зданий;
Исследованияпоказывают, что при эксплуатации традиционного многоэтажного жилого дома черезстены теряется до 40 % тепла, через окна — 18 %, подвал — 10 %, покрытия — 18%, вентиляцию — 14 %.
Наиболеепредпочтительным способом повышения теплозащиты уже имеющихся зданий(реконструируемых зданий) считается наружная теплоизоляция стен с применениемэффективных теплоизоляционных материалов. При этом обеспечивается значительноеповышение теплотехнической однородности наружных ограждений, простотаконструктивных решений дополнительной теплозащиты, возможность утепления зданийбез выселения жильцов, сохранение полезной площади, улучшениетемпературно-влажностного режима существующих наружных ограждений. Распространениев строительной практике получили конструкции наружной теплоизоляции, которыеусловно можно разделить на «мокрые» системы с оштукатуриваниемплитного (предпочтительнее — минераловатного) утеплителя, и «сухие»вентилируемые системы с облицовкой на относе от слоя теплоизоляции. Те жеподходы используются при проектировании и возведении новых энергоэффективныхзданий. Применение новейших энергосберегающих решений с привлечениемсовременных теплозащитных материалов, многослойных стеновых конструкций,герметичных многокамерных стеклопакетов, энергосберегающей сантехники иинженерного оборудования позволяет значительно сократить теплопотери. Снижениеэнергопотребления зависит от региона строительства и объемно-планировочныхрешений зданий и в среднем составляет около 40 % по сравнению со зданиями,построенными по старым нормам. Помимо вышеперечисленных аспектов пассивногоэнергосбережения, также стоит упомянуть о новейших решениях с привлечениемвысоких технологий. Имеются в виду интеллектуальные системы отопления,позволяющие оптимизировать поступление и распределение тепла в здании – то естьобеспечить необходимое и достаточное его количество тогда и там, где этонеобходимо. Однако такой подход требует внесения значительных и порой радикальныхизменений в распространенную, в частности, в России схему централизованногоотопления. [3]
2. современные«интеллектуальные» отопительные установки и системы регулировкиотопления, соответствующие высокому уровню теплоизоляции с высоким КПД;
3. –большие стеклянные поверхности (окна) для пассивного использования солнечнойэнергии, установленные, преимущественно, с южной стороны здания;
4. –рекуперация тепла в системах вентиляции, регулируемых пользователем;
5. –положительное отношение жильцов к зданиям с низким энергопотреблением.
Электроснабжение
Рассмотрим на примерездания дом Роуз (Rose House), Портленд, штат Орегон, США, это небольшой дом,который послужил в качестве лаборатории для энергосберегающего жилищногопроекта в 2004 году, и, как оказалось, стал первым домом в штате,спроектированным для достижения нулевого потребления полезной энергии.
/>
Фотоэлектрическиепанели снабжают дом электроэнергией и используют «фактические замеры дляопределения разницы показаний». Электросчетчик в доме считает каквходящие, так и исходящие ватты; энергоснабжающая компания покупает запасэнергии во время солнечного периода и продает ватты при необходимости.
С такими показателямисистема солнечных батарей может сберегать мощность в сети в дневное время ииспользовать электросеть ночью, когда спрос на электроэнергию невелик.Особенность состоит в разработке системы, потребление и производствоэлектроэнергии в которой уравновешены или в которой солнечная энергияпроизводит больше ватт, чем необходимо для дома.
Максимальная мощностьфотоэлектрических панелей в доме Роуз (Rose House) оценивается в 3,3 кВт. Прифактическом использовании, он генерирует постоянную среднюю мощность около 6кВт/ч в сутки.
Надлежащим образомрасположены окна и системой затенения, чтобы получать солнечный свет, когда игде это необходимо для производства тепла и освещения. Конечно, размещение оконважно дабы получать достаточно света с южной, восточной и западной сторон дляпропорционального естественного освещения, и минимизации потери тепла ссеверной стороны.
Кроме того, одно изизобретений Элдона Хайнса, — солнечная батарея с медным отражателем (CopperCricket solar panel), которая также обеспечивает нагрев горячей воды. [4]
Конечно стоит отметитьчто при всех своих НОУ-ХАУ такой дом все еще далек от полного само обеспеченияэнергией. Это связано в большей степени с тем, что оборудование недостаточносовершенно. Но по заявлениям авторов проекта, данный дом достигнет нулевогоэнергопотребления.Водоснабжение
В пассивных домах частоиспользуют альтернативные источники холодного и горячего водоснабжения. Дляэтого обычно используют тепловые насосы, а также солнечные водонагреватели.
1. Тепловойнасос — устройство для переноса тепловой энергии от источниканизкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю(теплоносителю) с более высокой температурой, Термодинамически тепловой насоспредставляет собой обращённую холодильную машину. Такие системы могут отбиратьтепло:
a. извоздуха, в жарких странах как правило это кондиционеры, а в холодных,отопители.
b. Изгорных пород. Таким образом речь идет о том что температура грунта на глубиненескольких метров не меняется в течении года, что делает такие установкинезависимыми от погоды. По данным на 2006 год в Финляндии таких установок уже50 тыс, в Норвегии 70 тыс. В таких системах производят бурение на глубинускальных пород 100-200 метров (срок окупаемости 10-15лет).
c. Изгрунта. В землю зарывают на глубину 30-50см ниже уровня промерзания грунтарегиона. Здесь уже не требуется бурение но нужны обширные площади для такойсистемы. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 мтрубопровода в год, в глине 50-60 кВт*ч в песке,30-40 кВт*ч для умеренныхширот, на севере цифры меньше.
d. Изводоема. При использовании в качестве источника тепла близлежащего водоёмаконтур укладывается на дно. Глубина не менее 2 метров. Коэффициентпреобразования энергии тепловым насосом такой же как при отборе тепла отгрунта. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода — 30 Вт.
2. Солнечныйводонагреватель — разновидность солнечного коллектора. Предназначен дляпроизводства горячей воды путём поглощения солнечного излучения, преобразованияего в тепло, аккумуляции и передачи потребителю. Солнечные водонагревателимогут быть активного или пассивного типов. Активная система используетэлектрический насос для циркуляции жидкости через коллектор; пассивная системане имеет насоса и полагается только на естественную циркуляцию. Естьэкспериментальные образцы, где перекачка теплоносителя производитсястирлинг-насосом, получающем энергию от солнца.[5]
Комплекс систем поэффективному использованию водоснабжение, электроэнергии и тепловой энергиипозволяют достигать максимального снижения (10% от обычного) потребленияэнергии и в будущем достигнет полного само обеспечения.
Теперь рассмотримпримеры подобных сооружений.
Примеры
1. Первым«пассивным» домом стало здание Учебного Центра по изучению окружающейсреды (Огайо, США). Причем проект постоянно совершенствуется — разработчикирассчитывают к 2020 году довести здание до климатической нейтральности, то естьоно не будет нуждаться во внешних источниках энергии и воды. Одной из основныхконцепций здания является возможность производства при помощи солнечных батарейэлектрической энергии, превышающей потребности самого здания. Это техническоерешение позволяет зданию Центра стать экспортером энергии, но пока эта цель недостигнута. По мере развития новых технологий планируется внедрение новыхэнергоэффективных инженерных систем здания. Разработчики проекта надеются к2020 году сделать климатически нейтральное здание — здание, которое не требуетвнешних поступлений энергии и воды.
В здании был примененряд инновационных решений, повышающих его энергоэффективность. Этоиспользование тепла земли для отопления и охлаждения здания, утилизация теплавентиляционных выбросов, использование естественного освещения и другиемероприятия. По оценке проектировщиков, энергопотребление здания Центра должносоставить не более 25% от энергопотребления традиционных зданий такой жеплощади.
Особая установка,называемая «Living Machine», включающая бактерии, растения, улиток инасекомых, обеспечивает очистку сточных вод, используя биологические процессы.При этом традиционные методы химической очистки сточных вод не применяются.
Здание Центра состоитиз двух частей: двухэтажной, в которой расположены классные комнаты идвухэтажный атриум, и, соединенной с ней, постройкой, в которой расположенааудитория на 100 мест и оранжерея с установкой «Living Machine».Помимо учебного процесса, здание используется для конференций, приемов и другихподобных мероприятий. На прилегающем участке расположены сады для выращиваниясельскохозяйственной продукции, места отдыха и прогулок, а также размещенводоем и болота, позволяющие собирать дождевую воду для использования в целяхирригации. Планируется в дальнейшем использовать часть этой воды дляводоснабжения здания.[6]
2. Ещеодин дом «нулевой энергии» Glass & Bedolla House в Чикагопостроен американской компанией Zoka Zola 2005г.
/>
3. Здесьбыли применены едва ли не все известные на сегодня решения: солнечныеэлектрические батареи и солнечные теплоколлекторы, ветрогенератор игеотермальный источник тепла (зимой) и холода (летом). Тщательно продуманаориентация помещений и окон по отношению к солнцу, с учётом смены его высотынад горизонтом в разные времена года. Помимо того, применены эффективные идолговечные теплоизоляционные решения. Даже дерево у одной из стен дома — непросто украшение, но механизм сокращения потребления энергии. Оно будет даватьажурную тень в жару, зимой же, с опавшими листьями, не будет препятствоватьпроникновению света внутрь.
4. Аналогичныйпринцип наибольшей экономии энергии за счет солнца использован и в новом жиломкомплексе «Солнцеград». В настоящее время он вводится в эксплуатациюна востоке Москвы, в 2-х километрах от столицы. Одной из его особенностейявляется линейная архитектура района. Это уникальное расположение домов, линиикоторых находятся под углом в 15 градусов друг к другу и постоянно освещаютсясолнцем. Окна ориентированы так, чтобы максимально использовать естественноеосвещение. [2]
Хочется отметить, чтосегодняшние новостройки строят настолько герметичными, что воздухообмен толькочерез неплотности в наружной оболочке недостаточен. Часто рекомендуетсяфорточное проветривание, но оно также не приносит убедительного положительногорезультата. Свежий воздух — это не только вопрос комфортного проживания, но инеобходимость для здоровья человека. Следовательно, вентиляция квартир будетявляться ключевой задачей будущего касательно всех жилых зданий, как вновьвозводимых, так и текущих.
Закл/>ючение
Каковы же перспективыиспользования технологии пассивного дома в России? Они огромны. Сегоднябольшинство зданий в России значительно отстают по энергоэффективности отевропейских стандартов. В Германии обыкновенными домами считаются здания судельным годовым расходом тепла около 300 кВт ч/м2 в год, а у нас – 400-600 кВтч/м2 в год. При этом очевидно, что пассивные дома гораздо актуальнее в нашихсуровых условиях, чем в относительно мягком климате большинствазападноевропейских стран. Но до недавнего времени энергоэффективные зданиявоспринимались в России как нечто фантастическое; лишь в последние нескольколет появляются некоторые признаки грядущих перемен.
Определеннымсдерживающим фактором в строительстве домов нового типа становитсяотносительная дороговизна при их возведении. В настоящее время стоимостьпостройки квадратного метра энергоэффективного дома у нас примерно на 8-10 %больше средних показателей для обычного здания. Тем не менее, только в Москвеуже построено несколько экспериментальных зданий с использованием технологиипассивного дома (в частности жилой дом в Никулино-2). Демонстрационный проекттакого дома возведён также под Петербургом. Надо сказать, что разница в ценебыстро нивелируется — дополнительные затраты на строительство окупаются уже втечение 7-10 лет. Между тем, повсеместное использование энергоэффективныхзданий смогло бы существенно снизить потребление энергии в РФ, сэкономитьмиллионы тонн условного топлива!/>
Литература
1. http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3589
2. http://www.stroyby.com/index.php?newsid=601
3. http://www.bitwood.kiev.ua/articles/articles-ekonomicheskie-aspekty.html
4. http://mos-archi.ru/archi-world/portland/house-zero-energy.php
5. http://ru.wikipedia.org/
6. http://reenergy.by/index.php?option=com_content&task=view&id=42