Энергоэффективные дома Дании - Здания высоких технологий - Инженерные системы

Энергоэффективные дома Дании

Это целая система, из которой бесполезно выдёргивать отдельные элементы, утверждают датчане. В Дании в качестве пилотных проектов выбираются не только дома и кварталы (жилой дом в Остербро), но и города. Один из них – Копенгаген, который должен стать «карбонейтральным» к 2025 году. Другой – Сённерборг, где реализуется план Project Zero, рассчитанный до 2029 года.

Национальная идея

В 2011 году в Дании создано Министерство климата, энергетики и строительства, что демонстрирует комплексный подход страны к теме зелёного строительства на правительственном уровне. Ещё в середине 1970‑х годов в результате нефтяного кризиса в стране пришлось полностью запретить движение автомобильного транспорта (кроме экстренных служб) в выходные дни. С тех пор энергетическая независимость, комфорт и безопасность граждан – национальная сверхидея датчан. В стране объявлена задача стать независимыми от ископаемых видов топлива к 2050 году. Осуществить этот переход необходимо экономически эффективно. Пока получается: с начала 2000‑х годов ВВП Дании увеличился на 80 %, а выбросы СО_² остались на прежнем уровне.

Велохайвеи

Одна из составляющих экологической политики – зелёная мобильность. Ожидается, что к 2025 году 75 % всех перемещений по городу будет осуществляться на велосипеде, общественном транспорте либо пешком. Кроме того, 20–30 % легкового и 30–40 % грузового автотранспорта перейдут на водородное топливо, биогаз или биоэтанол (этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья).

В Копенгагене поражает количество трёхколёсных велосипедов с тележками разных модификаций. Для четверти семей с детьми именно велосипед является основным транспортным средством. К 2015 году их будет не менее 30 %. Для велосипедистов создают соответствующую инфраструктуру. Светофоры настроены на зелёную волну именно для велосипедистов. К 2025 году столицу с пригородами соединит система велохайвеев – скоростных трасс, где возможно движение только на велосипедах.

Теплоснабжение

Дания – страна централизованного теплоснабжения. В отличие от России потери в сетях там не 70 %, а всего 3–5 %. Централизованное теплоснабжение считается основой энергоэффективной политики страны. Здесь запрещено электрическое отопление. Сейчас в Дании разрабатывается программа использования системы центрального теплоснабжения для охлаждения домов летом. В стране активно строят «солнечные» бойлерные – водонагревательные коллекторы устанавливают не на крышах зданий, а на полях. Рассматривается возможность использовать для обогрева ветровые электростанции.

Электросеть

Электрическая сеть Дании является частью объединённой скандинавской электросети. Цены на этом рынке корректируются каждый час, и скачки бывают существенными (до 150 %). В Швеции и Норвегии основу электрогенерации составляют гидроэлектростанции. Когда в этих странах идут дожди, цена на электроэнергию падает и электричество, вырабатываемое на ТЭЦ в Дании за счёт сжигания топлива, становится неконкурентоспособным.

Особым почётом у энергетиков пользуются ветряки. Датчан не останавливает даже то, что подключение этих крайне нестабильных источников электроэнергии к сети требует больших затрат. Другое направление – перевод ТЭЦ на установки когенерации (одновременного производства теплоты и электроэнергии). В качестве топлива всё чаще используются альтернативные источники энергии (биомасса, пеллеты – гранулы из древесных отходов, биоэтанол) и бытовой мусор (сжигается около 80 % всех отходов).

Теплоизоляция

Первоочередной задачей по энергосбережению в Европе является утепление ограждающих конструкций. В домах Дании традиционно использовалось однослойное остекление. В Сённерборге подавляющая часть домов относится к трём последним классам по энергоэффективности из семи возможных. Именно в Сённерборге в 2008 году был построен первый в Дании активный дом. Толщина его стен с изоляцией – 60 см; 42 м² солнечных панелей генерируют 6 кВт·ч энергии, что покрывает потребности семьи. Для отопления и охлаждения используются тепловые насосы. С 2009 по 2012 год стоимость солнечных панелей снизилась почти в 2 раза. Сегодня 1 500 из 37 500 домов Сённерборга имеют солнечное электроснабжение, часть из них делится энергией. В Копенгагене 70 % старых домов не имеют удовлетворительных показателей по энергоэффективности. Средние затраты на капитальный ремонт (замена окон, утепление) составили 22 000 евро на индивидуальный дом.

Приведём далее пример жилого здания в Остербро (Osterbro), центральном районе Копенгагена. Реконструкция этого дома привела к значительному сокращению затрат энергии на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Задачей проекта было достичь снижения потребления энергии до 50 %.

Жилое здание в Остербро

Реконструкция здания (на 76 квартир), построенного в середине прошлого века, осуществлялась в 1994–1995 годах при поддержке EU Thermie – европейской комиссии по исследованию, развитию, демонстрации и внедрению неядерных энергетических технологий. Реконструкция включала в себя следующее:

Для снижения теплопотребления здание оборудовали пассивным солнечным коллектором для подогрева приточного воздуха в системе вентиляции и солнечными коллекторами для приготовления горячей воды в системе горячего водоснабжения.

Интенсивность солнечной радиации района реконструкции, падающая на поверхность, различается в зависимости от ориентации и угла наклона к горизонту. В холодный период на вертикальную поверхность с южной стороны поступает приблизительно такое же количество солнечной радиации, что и на крышу со скатом 45°. На поверхность западной ориентации, по сравнению с крышей, радиации поступает почти столько же летом и наполовину меньше зимой.

Устройство пассивного солнечного коллектора для подогрева приточного воздуха в системе вентиляции выполнено следующим образом: южный (обращённый во внутренний двор) фасад здания покрыт прозрачными теплоизоляционными панелями площадью 178 м² («солнечная» стена). Наружный воздух поступает в здание через воздушный промежуток между ограждающими конструкциями и прозрачными панелями «солнечной» стены, подогреваясь энергией солнца. Двенадцать квартир, расположенных с южной стороны здания, получают таким образом приточный воздух для системы вентиляции. Вклад солнечной радиации в подогрев наружного воздуха в год – 105 кВт•ч на 1 м² конструкции стены, в среднем за год теплопоступления по всей поверхности «солнечной» стены – 18 690 кВт•ч.

Конструкция «солнечной» стены, помимо подогрева приточного воздуха в системе вентиляции, обеспечивает и дополнительную теплоизоляцию здания. Это позволило отказаться от дополнительного утепления наружных ограждающих конструкций здания по всей площади «солнечной» стены. Конструкция «солнечной» стены оказалась в 2 раза дороже предполагаемой из-за большого количества окон и дорогостоящих сопряжений между окнами и стеной.

Солнечные коллекторы (для горячего водоснабжения) вмонтированы в конструкцию крыши здания с восточной, западной и южной сторон. Все три группы солнечных коллекторов установлены под углом 45°. Общая площадь коллекторов составляет 238 м². Вода, подогретая в солнечных коллекторах, направляется при помощи циркуляционного насоса в баки-аккумуляторы и по мере необходимости расходуется жильцами. Циркуляционные насосы включаются только в случае, если температура воды в солнечных коллекторах превышает температуру воды в баках-аккумуляторах.
Годовая производительность 1 м² солнечных коллекторов составляет 354 кВт•ч, общая производительность всей площади коллекторов – 84 252 кВт•ч. Эта система позволяет покрыть 60–65 % ежегодных затрат энергии на горячее водоснабжение.

Наименование: жилой дом в районе Остербро.

Типы помещений: жилые, общественные (магазин).

Завершение работ по реконструкции: 1995 год.

Вертикальные ограждающие конструкции, не изолированные «солнечной» стеной, были утеплены теплоизоляционным материалом Rockwool толщиной 200 мм.

Чердак был утеплён слоем минеральной ваты толщиной 300 мм. Главный архитектор Копенгагена дал разрешение на покрытие теплоизоляционным слоем наружных стен только со стороны двора, с тем чтобы не нарушать традиционных для Копенгагена фасадов из старого кирпича.

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЙОНА СТРОИТЕЛЬСТВА

Географические координаты – 56° с. ш., 13° в. д.

Средняя температура наиболее холодного месяца – – 0,4 °С.

В здании были установлены новые конструкции окон из трёхслойных стеклопакетов. Приведённое сопротивление теплопередаче окна (стеклопакета и оконного переплёта) составляет 0,80 м²•°C/Вт. Для сравнения, старые окна имеют сопротивление теплопередаче 0,25 м²•°C/Вт. С выбором конструкции окон также возникли трудности. Главный архитектор Копенгагена не давал разрешение на изменение традиционной для Дании формы окон типа «датского флага». Проблема заключалась в том, что у такого типа окон площадь фрамуг занимает 50 % от общей площади окна, а это снижает приведённое сопротивление теплопередаче окна даже при использовании высокоэффективных стеклопакетов.

Установка новых герметичных трёхслойных окон повысила требования к вентиляционной системе. Для улучшения качества микроклимата во всех квартирах была установлена механическая вентиляция с подогревом приточного воздуха в противоточных теплообменниках-утилизаторах, потребляющих минимальное количество электрической энергии (35–50 Вт на одну квартиру). Разработка экономичных систем механической вентиляции осуществлялась в сотрудничестве с фирмами ABB Energy и Temovex. Эффективность теплообменников составляла 80 %. Двенадцать квартир, примыкающих к южному фасаду здания, выходящему во двор, получают наружный воздух, предварительно подогретый в конструкции «солнечной» стены.

Рассматривалось два варианта установки теплообменников: использование индивидуальных теплообменников в каждой квартире или установка одного теплообменника на чердаке на каждые пять располагаемых одна над другой квартир. Несмотря на то что первый вариант был дороже, для удобства жильцов, которых не выселяли из квартир во время реконструкции, теплообменники были установлены в каждой квартире. Кроме того, это позволяло изучить эффективность устройства поквартирных механических систем вентиляции.

В проекте реконструкции была заложена идея использования низкотемпературных отопительных приборов, работающих на обратной воде централизованного теплоснабжения.

Однако теплоснабжающая организация отметила, что за последние годы температура обратной воды снизилась до 50 °C и в ближайшие годы может достичь ещё более низких значений. Такая тенденция показывает нецелесообразность использования в реконструируемом здании только низкотемпературной обратной воды, более целесообразно использовать её параллельно с прямой водой в целях эксперимента.

За первый год эксплуатации здания (1996 год) затраты энергии на отопление здания в Остербро, получаемой от централизованного теплоснабжения, составили 61 кВт•ч/ м² для 9 896 м² жилой площади. Около половины зданий этого типа в Дании имеют энергопотребление на отопление и горячее водоснабжение примерно 140 кВт•ч/м², четверть таких зданий потребляет 102 кВт•ч/м². До реконструкции (1994 год) в данном здании затраты энергии на отопление и горячее водоснабжение составляли 125 кВт•ч/м². После реконструкции годовое энергопотребление сократилось с 1 241 до 607 МВт•ч, причём затраты энергии на отопление уменьшились на 54 %, затраты энергии на горячее водоснабжение – на 37,5 %. Общее снижение энергопотребления составило 51 %. Период окупаемости энергосберегающих окон составил семь лет.

Ожидаемое снижение затрат энергии должно было равняться примерно 60 %. Авторы проекта надеялись достичь этой величины путём дальнейшего усовершенствования системы. Например, в 1999 году в здании были установлены терморегуляторы новой конструкции, позволяющие усовершенствовать регулирование температуры отопительных приборов, что позволяет снизить затраты энергии на отопление. Снижение затрат энергии возможно также при правильной эксплуатации жильцами оборудования климатизации. Например, в процессе эксплуатации вентиляционных установок была отмечена низкая эффективность теплообменника в некоторых квартирах из-за снижения жильцами температуры в ванной комнате и туалете, откуда воздух удаляется через теплообменник. В любом случае реализация проекта позволила начать разработку абсолютно новых стандартов по экономичной и энергоэффективной реконструкции зданий, которые могли бы использоваться при реконструкции жилых домов в Копенгагене.

Николай Шилкин – канд. техн. наук, доцент МАрхИ.
Алла Насонова – журналист, пишущий об энергоэффективности и инновационных технологиях в строительстве; сотрудник кафедры общей химии Московского государственного строительного университета.

Период окупаемости энергосберегающих мероприятий, использованных в проекте, составил 33,5 лет, однако при исключении дорогостоящей «солнечной» стены срок окупаемости уменьшается до 12,5 лет. Наилучшие энергосберегающие мероприятия, реализованные в данном здании, в настоящее время используются во многих других реконструируемых объектах в Дании, демонстрируя возможный потенциал повышения энергетической эффективности строительной отрасли. ●