Основным путем экономии энергии в строительстве яв­ляется возведение зданий с эффективным использованием энергии (ЗЭИЭ). ЗЭИЭ — это такое здание, в котором предусмотрены оптимальные на перспективу инженерные методы и средства по эффективному использованию и эко­номии энергии, применению нетрадиционных теплоисточ­ников.

Отопление обеспечивает необходимый тепловой р ежим зданий в зимний период года с затратой около 25% энер­гии в балансе страны. Поэтому в регионах с суровым и продолжительным отопительным сезоном, типичным для большей части территории нашей страны, эффективное ис­пользование энергии для отопления является определяю­щим моментом экономии ее для теплообеспечения зданий. Реализация Энергетической программы страны, направ­ленная на эффективное использование и экономию энергии, в большей мере определяется энергоэкономнчностью реше­ний систем отопления.

Последовательность проектирования оптимального отоп­ления логически соответствует алгоритму — последова­тельности проектирования при создании современного ЗЭИЭ.

После выбора расчетных внутренних и наружных клима­тических условий (см. гл. 2) существенным является выбор энергетически рациональных градостроительных, объемно - планировочных и конструктивных решений здания.

Прежде всего необходимо стремиться, чтобы здание, его защитные свойства были бы в энергетическом отношении наилучшими. Нет смысла бороться за эффективное исполь­зование энергии на отопление в здании, которое имеет не­достаточную теплозащиту, плохо герметизировано. Расчеты и опыт эксплуатации здания показывают, что выгоднее в 2 раза дополнительно утеплить и герметизировать здание, чем пытаться в плохо защищенном здании достичь такого же результата за счет совершенствования эффективности толь­ко системы отопления. Есть такое выражение, что самой де­шевой является энергия, которую не надо расходовать.

Рассмотрим, в чем должна заключаться оптимизация градостроительных, объемно-планировочных и конструк­тивных решений здания с позиции экономии энергии для отопления.

Градостроительные решения применительно к рассмат­риваемому вопросу связаны прежде всего с выбором формы и компактности застройки, а также места расположения источника теплоснабжения. Повышение плотности жилой застройки на 10% обеспечивает снижение суммарной тепло­потребности на 5—7% по сравнению со стандартной за­стройкой. Рациональное размещение потребителей тепло­ты относительно источника, при котором наблюдается про­порциональное снижение нагрузок по мере удаления от ис­точника, дополнительно обеспечивает снижение бесполез­ных потерь еще на 15—20%.

Энергоэкономический эффект, достигаемый только за счет отмеченных градостроительных решений, оказывается существенным; при этом обеспечиваются дополнительные экономические и технологические преимущества, например, на 2—3% снижается материалоемкость, а также повышает­ся надежность системы энергообеспечения за счет сокраще­ния ее общей протяженности.

Существенное сокращение потерь теплоты на отопле­ние обеспечивает рациональная аэродинамика застройки. В частности, при уменьшении скорости ветра в зоне за­стройки можно сократить в 2—3 раза инфильтрационные теплопотери зданиями, что равноценно экономии 0,1 кг условного топлива на 1 м2 в год. В этих целях могут быть использованы специальные ветроломные щиты в виде лесо­насаждений, рациональное строительное зонирование за­стройки по этажности со снижением обдуваемости отдель­ных зданий и другие приемы. Градостроительные решения применительно к рассматриваемому вопросу связаны так­же с выбором ориентации здания по сторонам горизонта и его положения в застройке. На юге предпочтительна ши­ротная, на севере — меридиональная ориентация зданий с целью использования теплоты солнечной радиации для отопления и во избежание перегрева зданий в летнее время. Считается, что переход от одной ориентации к другой при­ходится на широту, где продолжительность отопительного сезона около 200 сут.

Выбор положения здания в застройке с точки зрения энергоэффективности связан с направлением доминирую­щих ветров зимой, косыми осадками на вертикальные ограждения, экранирующим действием и затенением сол­нечной радиации рядом расположенными зданиями, раз­рывами между ними.

Объемио-планировочные решения существенно влияют на энергопотребности отопления здания. Форма здания должна быть компактной, надо стремиться к минимальному отношению площади наружных ограждении к объему по­мещения. Идеальной формой является сфера, хорошей — куб или широкий параллелепипед, хуже — узкие и длин­ные здания или в виде высокой башни. Фасады здания не должны быть изрезанными, не желательны встроенные за­глубленные лоджии и эркеры.

Экономию энергии обеспечивает блокировка различных цехов и помещений в одном корпусе. Блокировка промыш­ленных цехов может давать экономию теплоты до 30—40%. Предпочтительным является сблокированное здание с ши­роким корпусом, многоэтажное, с неизрезанными, гладки­ми фасадами.

При планировке здания важно правильно расположить помещения различного назначения в зависимости от ориен­тации фасадов. Основные помещения, как правило, целе­сообразно размещать со стороны южного фасада, второсте­пенные— северного. С точки зрения комфортности микро­климата желательно увеличивать высоту помещений, пред­назначенных для постоянного пребывания людей.

К объемно-планировочным мероприятиям относится ор­ганизация аэрации здания. Возможно устройство квартир с односторонней ориентацией или квартир со сквозным проветриванием при двух - и трехсторонней ориентации. Необходима защита входных дверей и вестибюлей здания от врывания холодного наружного воздуха. Целесообразно использовать лестничные клетки, лифтовые холлы, кори­доры для организованного перетекания воздуха в здании с целью утилизации теплоты. Возможно устройство спе­циальных аэрационных шахт и проемов. В последнее время в зданиях применяются атриумы, которые используются как воздушные резервуары для снижения воздухообмена, организации перетекания воздуха, а также как накопители для утилизации теплоты с помощью тепловых насосов, ак­кумуляторов и др. Аэрационный режим может быть во вре­мени непрерывным, прерывистым с дневным или ночным проветриванием.

Основную роль в формировании теплового режима зда­ния играют конструктивные средства. Ограждения должны обладать высокими теплозащитными свойствами, герметич­ностью, их внутренние поверхности — свойством сорбиро­вать и десорбировать пары и газы. Основные теплозащит­ные свойства определяются сопротивлением теплопередаче R0 и теплоустойчивостью D, которые принимаются в за­висимости от назначения здания и способа его отопления.

Фундаментальные здания должны иметь теплоустойчи­вые ограждения с высоким сопротивлением теплопередаче. Здания для непродолжительной эксплуатации могут иметь ограждения с минимальным сопротивлением теплопередаче и малой тепловой инерцией. Здания с эффективным ис­пользованием энергии должны иметь повышенную тепло­изоляцию, т. е. быть «зданием-термосом» с теплоустойчи­выми внутренними слоями ограждений, обращенными в по­мещение.

В энергоэкономичных зданиях коэффициент теплопере­дачи стен и перекрытий должен быть уменьшен по сравне­нию с обычными решениями в 3—4 раза, т. е. до 0,3— 0,4 Вт/ (м2-°С). Окна по возможности должны быть со стек - лопакетами, заполненными инертным газом, с селективными покрытиями стекол, препятствующими пропусканию длин­новолнового излучения из помещения, оконные перепле­ты — с двойным (тройным) уплотнением. Следовательно, коэффициент теплопередачи окон может быть уменьшен в 2—3 раза, т. е. до 1,5 Вт/(м2-°С) и ниже.

Теплоустойчивые внутренние слои должны выполнять функцию аккумуляторов теплоты при различных решени­ях регенерации теплоты в помещении. Кроме того, функ­ции рекуператоров теплоты могут выполнять окна и ограж­дения с вентилируемыми воздушными прослойками, венти­лируемые чердаки. Для регенерации теплоты могут также использоваться перекрытия, подполья и грунт под здани­ем. С этой же целью начинают проектировать здания в обо - лотее-футляре. Перспективной является конструкция на­ружных ограждений с термоэлектрическими элементами в толще и развитыми теплообменными поверхностями с на­ружной и внутренней стороны. Они работают как термо­электрические тепловые насосы, утилизирующие энергию окружающей среды. Рациональны конструкции наруж­ных ограждений в виде солнечных коллекторов и абсорбе­ров (см. § 20.2). Наружные поверхности ограждений долж­ны иметь такие радиационные свойства, чтобы зимой ак­тивно поглощать коротковолновую солнечную радиацию и слабо отдавать длинноволновую радиацию в окружаю­щую среду.

Основные теплопотери в здании приходятся на окна, по­этому большую роль играет степень остекленности фасадов зданий. Обычно ее стремятся сократить до минимальной по условию допустимой естественной или смешанной (естест­венно-искусственной) освещенности помещений. Однако при хорошей теплозащите окон и их экранировании от воз­действия солнца летом оптимальная остекленность с уче­том использования солнечной энергии для отопления, осо­бенно в весенне-осенние периоды, может заметно превос­ходить минимально допустимую по условию освещенности. Следует также использовать многослойное остекление с применением селективных, отражающих, поглощающих и утепленных стекол, а также постоянных и временных теплозащитных экранов в виде монопанелей, ставней и др.

Рациональное применение совокупности рассмотрен­ных градостроительных, объемно-планировочных и конст­руктивных мер может значительно (в 1,5—2 раза) снизить потребность энергии для отопления зданий.

Перспективными с точки зрения экономии энергии яв­ляются наружные ограждения с переменным сопротивле­нием теплопередаче. Сопротивление можно варьировать в зависимости от наружных климатических воздействий. Теоретически возможно ограждение, в котором сопротив­ление теплопередаче может изменяться от нуля до беско­нечности. В большинстве случаев вполне достаточно обес­печить такое изменение теплозащитных свойств, при кото­ром на внутренней поверхности ограждения поддерживает­ся допустимая температура в любой момент времени. При­мером такого ограждения может служить конструкция двойного окна, межстекольное пространство которого ночью заполняется с помощью вакуум-насоса элементами из пенополистирола. В дневные часы дополнительная тепло­изоляция удаляется, и солнечная радиация свободно про­никает в помещение. Подобный эффект достигается путем вентилирования межстекольного пространства внутрен­ним воздухом, расход которого регулируется в зависимости от наружных условий.

Регулирование теплозащитных свойств ограждения воз­можно также путем изменения лучистой и конвективной со­ставляющих теплового потока на его внутренней поверх­ности. В первом случае необходимый эффект достигается облучением конструкции потоком требуемой интенсивности, например, с помощью горелок инфракрасного излучения. При этом исходное сопротивление теплопередаче конструк­ции может быть принято намного меньше требуемого, что существенно снижает капитальные затраты. Такое решение экономически оправданно для зданий сезонного действия. Во втором случае регулирование конвективного теплового потока на внутренней поверхности обеспечивается с по­мощью тепловоздушных завес в виде плоских полуограни­ченных струй.

Активное регулирование теплового потока через ограж­дение можно обеспечить путем его порогового проветрива­ния. При этом наблюдается рекуперация теплового потока через ограждение, интенсивность которой регулируется потоком фильтрующегося воздуха. Такое решение целе­сообразно для вентилируемых зданий, оно позволяет сни­жать расходы теплоты на отопление на 40—60%.

Конструкция наружного ограждения может быть вы­полнена с тепловым экраном. Тепловой экран, располо­женный ближе к наружной поверхности ограждения, обес­печивает в плоскости расположения повышенную темпера­туру за счет циркуляции низкотемпературного теплоносите­ля (например, грунтовой воды). Теплопотери через экра­нированное ограждение снижаются до 2—3 раз, а цирку­ляция теплоносителя возможна за счет гравитационных сил.

Применение этих мероприятий особенно необходимо в ЗЭИЭ, где их использование совместно с солнечными кол­лекторами или абсорберами, суточными, недельными и се­зонными аккумуляторами теплоты и тепловыми насосами (см. § 19.3) может снизить потребность в подводимой извне энергии для целей отопления в 3—4 раза.

Существенное снижение энергопотребности на отопле­ние зданий может быть достигнуто при использовании авто­матической системы управления (АСУ) работой инженерно­го оборудования здания. Структурная схема АСУ работой инженерного оборудования здания состоит из нескольких взаимосвязанных блоков: измерительного, включающего датчики регулируемых и нерегулируемых параметров, уст­ройства преобразования сигналов и сигнализаторы их зна­чений; пульта управления, ЭВМ и коммутаторов, служа­щих для сбора, обработки данных наблюдений и подачи команд; исполнительного блока, управляющего работой, в том числе системы отопления.

Работа АСУ тепловым режимом на ряде объектов общест­венного и промышленного назначения в Москве показала их высокую эффективность, обеспечивающую экономию энергии до 20% при окупаемости дополнительных капи­тальных вложений в течение около одного года.