Современному селу — зеленое строительство (часть 1)

Что такое «зеленое строительство»?

По статистике, все существующие в мире здания потребляют около 40% мировой первичной энергии, 67% электричества, 40% сырья и примерно 14% совокупных запасов питьевой воды. При этом они производят порядка 35% от мировых выбросов углекислого газа и около 50% твердых отходов. Именно такая статистика заставила инженеров и архитекторов задуматься над совершенствованием строительных технологий, в результате чего возникли «зеленые здания».

Определение «зеленое здание» характеризует не просто определенный тип строений или использование при его возведении определенного набора архитектурных приемов — это понятие подразумевает комплексную систему специально разработанных принципов, на основе которых осуществляется непосредственно и строительство, и эксплуатация здания.

Основные принципы «зеленого строительства»:

- Экономия и энергоэффективность — рациональное использование ресурсов (земли, энергии, стройматериалов);
- Комфорт — обеспечение должного уровня удобства для людей, которые будут проживать или работать в этих зданиях;
- Экологичность — обеспечение минимального уровня вредного влияния здания на окружающую среду и здоровье человека.

Каждое «зеленое здание» на протяжении всего своего срока эксплуатации должно оставаться экологически безопасным и энергоэффективным. Это касается всех этапов — от проектирования и строительства до сноса.

Несмотря на то, что понятие    «натуральное   строительство» принято также относить к «зеленому строительству», в целом «зеленое строительство» не основывается на использовании только 100% природных материалов. Наоборот, в этой отрасли используются самые передовые технологические разработки, направленные на минимизацию энергетических затрат и сокращение вредных последствий для окружающей среды.

«Зеленые» стандарты

Для того чтобы оценить соответствие возводимых зданий основным принципам «зеленого строительства», были разработаны специальные стандарты. Первые «зеленые» стандарты появились в 1990 году, когда в Великобритании компанией BRE Global была введе на система стандартизации BREEAM (BRE Environmental Assessment Method). В настоящее время эта система оценки экологичности зданий применяется во многих странах мира. Согласно этому стандарту, каждое здание оценивается по 9 критериям:

1. Управление.
2. Энергия.
3. Здоровье и благополучие.
4. Транспорт.
5. Мусор.
6. Материалы.
7. Землепользование и экология.
8. Загрязнение.

Специальная экспертная комиссия определяет общий рейтинг. Для этого полученные баллы по каждому критерию умножаются на коэффициент, отражающий актуальность данного фактора для конкретного проекта. Полученная итоговая сумма с учетом всех коэффициентов отражает рейтинг здания по следующей шкале: великолепно, отлично, очень хорошо, хорошо и удовлетворительно.

Позднее, в 1998 году,  в США появилась другая рейтинговая система для сертификации «зеленых зданий» — LEED (Leadership in Energy and  Environmental  Design). Для прохождения сертификации в этой системе здание должно отличаться максимальным использованием при его строительстве и эксплуатации возобновляемых источников энергии. Оценка зданий по данному стандарту осуществляется по 5 критериям:

1. Территория под застройку.
2. Энергия и атмосфера.
3. Материалы и ресурсы.
4. Качество воздуха.
5. Инновации.

По каждому пункту зданию присваиваются определенные баллы, на основании которых затем выдается определенный сертификат: за 40 баллов — зеленый сертификат, за 50 баллов — серебряный, за 60 баллов — золотой, за 80 баллов — платиновый.

Развивается и имеет большое будущее международный стандарт «Пассивный дом» (Passive House), разработанный в Германии.

Чем выше рейтинг здания, присвоенный в соответствии с этими стандартами, тем оно более удобно, безопасно и экологично.

В России в настоящее время ведутся разработки собственных экологических стандартов для строительства.

Нужен системный подход

Одной из основных задач, стоящих перед строителями и будущими владельцами объектов строительства, будь то жилые или производственные здания и сооружения, является повышение эффективности применяемых конструкций за счет разработки и внедрения в практику строительства энергоэффективных конструктивно-технологических решений.

Энерго эффективность  — это полезное (рациональное) использование энергетических ресурсов с целью оптимизации количества используемой энергии для сохранения постоянного уровня энергообеспечения здания или сооружения.

В настоящее время энергоэффективные конструкции зданий и сооружений успешно применяют в Канаде, США и большинстве европейских стран. В России технологии энергосбережения стали более  интенсивно   внедряться в строительную практику с 1996 года после принятия Федерального закона «Об энергосбережении» от 03.04.96 № 28-ФЗ. В соответствии с положениями этого закона предусматривалось ужесточение требований к приведенному сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций зданий, а также классификация зданий и сооружений по энергоэффективности. Рост цен на тепловую энергию и энергоносители также определяет необходимость повышения теплозащиты зданий и сооружений на этапе их эксплуатации.

Несмотря на это, энергоэффективные технологии пока недостаточно широко применяются в практике строительства в нашей стране. По некоторым данным, энергопотребление при эксплуатации существующих жилых и общественных зданий и сооружений в России примерно в три раза превышает аналогичные показатели в передовых зарубежных странах со сходными климатическими и инженерно-геологическими условиями. Среди основных причин нерационального расходования тепловой энергии в нашей стране можно отметить:

- несовершенство нерегулируемых систем естественной вентиляции;
- недостаточное теплоизоляционное качество окон и балконных дверей;
- несовершенные архитектурно-планировочные и инженерные решения отапливаемых лестничных клеток и лестнично-лифтовых блоков;
- недостаточное теплоизоляционное качество наружных стен, покрытий и перекрытий подвалов и чердаков;
- устаревшие типы котельного оборудования, несовершенные системы отопления и горячего водоснабжения, отсутствие приборов учета, контроля и регулирования указанных систем;
- чрезвычайно развитая сеть наружных теплотрасс с недостаточной тепловой изоляцией;
- отсутствие действенного механизма материальной заинтересованности энергопотребителей в экономии тепловой энергии;
- недостаточное использование нетрадиционных источников энергии.

Таким образом, для повышения энергоэффективности как существующих, так и вновь возводимых зданий и сооружений необходим системный подход и экономически обоснованный комплекс взаимосвязанных и взаимозависимых энергосберегающих мероприятий градостроительного, архитектурно-планировочного, конструктивного, инженерного и эксплуатационного характера.

Здание как единая энергосистема

Цель проектирования и строительства энергоэффективных зданий заключается в эффективном использовании энергоресурсов, затрачиваемых на энергоснабжение здания, путем принятия экономически обоснованных инновационных решений.

На данный момент не существует единой классификации зданий по энергопотреблению. В Европе получила распространение следующая классификация:

- энергосберегающие дома низкого потребления (годовой расход тепла 70-30 кВт•ч/м2);

- энергосберегающие дома ультранизкого потребления (годовой расход тепла 30-15 кВт•ч/ м2);

- энергопассивные дома (годовой расход тепла до 15 кВт•ч/ м2);

- энергосберегающие дома (годовой расход тепла сведен к 0);

- энергоэффективные дома (вырабатывают энергии больше, чем потребляют).

На фоне возрастающего интереса к повышению энергоэффективности можно отметить приоритетные направления повышения энергоэффективности зданий:

- эффективная теплоизоляция ограждающих конструкций;
- уменьшение длины теплопроводов;
- применение источников возобновляемой энергии: энергия солнца, энергия ветра, тепловая энергия грунта;
- повышение эффективности систем отопления;
- эффективное планирование участка застройки и выбор энергосберегающей формы здания;
- использование систем принудительной вентиляции с рекуперацией;
- эффективная компьютерная система управления расходом энергии.

В соответствии с принципами системного анализа при проектировании энергоэффективного здания необходимо рассматривать две независимые энергетические подсистемы:

1) наружный климат как источник энергии;
2) здание как единая энергетическая система.

Анализ первой подсистемы позволяет произвести расчеты энергетического потенциала наружного климата и определить методы его использования для теплои холодоснабжения здания или сооружения. Анализ второй подсистемы позволяет определить характеристики архитектурно-конструктивных, теплотехнических или энергетических показателей здания как единой энергетической системы.

Как построить энергоэффективный дом

Достигается это путем соответствующих решений в сфере строительства, отопления, освещения и утепления. Какие технологии для энергосберегающих домов существуют на данный момент и сколько ресурсов они смогут сэкономить?

Проектирование и архитектурные решения

Жилище будет максимально экономным, если оно было спроектировано с учетом всех энергосберегающих технологий. Переделать уже построенный дом будет сложнее, дороже, да и ожидаемых результатов добиться будет трудно. Важный момент — учет климатических особенностей региона.

Чтобы добиться экономии ресурсов, необходимо уделить внимание планировке и внешнему виду дома. Жилище будет максимально энергосберегающим, если учтены такие нюансы:

1) правильное расположение. Дом может быть расположен в меридиональном или широтном направлении и получать разное солнечное облучение. Северный дом лучше строить меридионально, чтобы увечить приток солнечного света на 30%. Южные дома, наоборот, лучше возводить в широтном направлении, чтобы уменьшить затраты на кондиционирование воздуха;

2) компактность, под которой в данном случае понимают соотношение внутренней и внешней площади дома. Оно должно быть минимальным, а достигается это за счет отказа от выпирающих помещений и архитектурных украшений типа эркеров. Получается, что самый экономный дом — это параллелепипед;

3) тепловые буферы, которые отделяют жилые помещения от контакта с окружающей средой. Гаражи, веранды, лоджии, подвалы и нежилые чердаки станут отличной преградой для проникновения в комнаты холодного воздуха извне;

4) правильное естественное освещение. Благодаря несложным архитектурным приемам можно в течение 80% всего рабочего времени освещать  дом с помощью солнечных лучей. Помещения, где семья проводит больше всего времени (гостиная, столовая, детская) лучше расположить на южной стороне, для кладовой, санузлов, гаража и прочих вспомогательных помещений достаточно рассеянного света, поэтому они могут иметь окна на северную сторону. Окна на восток в спальне утром обеспечат зарядом энергии, а вечером лучи не будут мешать отдыхать. Летом в такой спальне можно будет вообще обойтись без искусственного света. Что же касается размера окон, то ответ на вопрос зависит от приоритетов каждого: экономить на освещении или на обогреве. Отличный прием — установка солнечной трубы. Она имеет диаметр  25-35 см и полностью зеркальную внутреннюю поверхность: принимая солнечные лучи на крыше дома, она сохраняет их интенсивность на входе в комнату, где они рассеиваются через  диффузор.  Свет получается настолько ярким, что после установки пользователи часто тянутся к выключателю при выходе из комнаты;

Даже построенный с учетом всех архитектурных хитростей дом требует правильного утепления, чтобы быть полностью герметичным и не выпускать теплоту в окружающую среду.

Фундамент энергоэффективного дома

Через фундамент и пол первого этажа теряется по 10% теплоты. Пол обычно утепляют теми же материалами, что и стены, но можно использовать и другие варианты: наливные теплоизоляционные смеси, пенобетон и газобетон, гранулобетон с рекордной теплопроводностью 0,1 Вт/(м°С). Можно утеплить не пол, а потолок подвала, если подобный предусмотрен проектом.

Традиционно при строительстве коттеджей в России не обращали внимания на теплоизоляцию фундамента и отмостки. Части здания, которые соприкасались с грунтом, фактически являлись проводниками, по которым тепло утекало в землю и «грело грунт».

При строительстве пассивных домов это недопустимо. Проектирование коттеджа предполагает теплоизоляцию всех ограждающий конструкций. Толщина этой изоляции рассчитывается с помощью специальных программных средств.

Простого утепления пола здесь недостаточно, поскольку оно не решает проблему «мостиков холода», через которые коттедж теряет тепло. Нам важна именно непрерывность теплового контура. При простом же утеплении пола места примыкания стен и фундамента являются слабыми местами, этот контур прерывающими.

Самое простое и распространенное решение, используемое при строительстве энергоэффективных коттеджей, пассивных домов — утепленная фундаментная плита. В Германии официально допускается применение пенополистирольных утеплителей под плитой толщиной до 30 см.

Если строится подвал (цокольный этаж) в пассивном доме, плита, лежащая в основании (так же, как и стены) утепляется.

Плитный энергоэффективный фундамент пассивного дома может также служить элементом системы отопления коттеджа (впрочем, как и других типов зданий). В данном случае еще до заливки бетона, на стадии крепления арматуры, устраивается система отопления — прокладываются трубы, по которым будет циркулировать теплоноситель. Такой принцип  используется, в частности, при строительстве фундаментов, которые называют утепленная шведская плита (УШП). Большой объем бетона энергоэффективного фундамента накапливает и излучает соответствующий объем тепла. Данный вид технологии относится к  так  называемому тепловому активированию конструкций — принципу, достаточно часто применяемому в современном энергоэффективном строительстве, в пассивных домах в частности. В отличие от простого напольного отопления в данном случае  в процесс вовлекается большая масса конструкции, обладающая большей тепловой инерционностью, соответственно сокращается количество циклов работы отопительного оборудования. Поскольку для обогрева помещений здесь достаточны весьма низкие температуры конструкции — 23-26 С, такая система отопления идеально сочетается с тепловыми насосами, о которых речь пойдет позже.

При строительстве ленточных и ростверковых фундаментов пассивного дома также существуют решения, обеспечивающие непрерывность теплового контура здания. Например, поверх ленты устраивается «отсечка» — кладется специальный высокоплотный утеплитель (используется пеностекло Foamglas особой марки) — на котором уже возводятся стены. Таким образом ликвидируется потенциальный мостик холода.

Для утепления конструкций фундамента пассивного дома снизу, в том числе отмостки, часто применяется пеностеклянная крошка (пеностеклянный щебень).

При проектировании и строительстве коттеджей архитекторами в обязательном порядке учитываются потенциальные «слабые места» в оболочке здания, которые могут привести к потерям тепла, рассчитываются с помощью инструментов моделирования «тепловые мосты», которые по результатам проектирования коттеджа сводятся к нулю.

И главное. В пассивном доме фундамент утепляется не только в целях экономии энергии, но и для повышения потребительских свойств коттеджа и комфорта его обитателей, который обеспечивается равномерным прогревом помещения и отсутствием холодных поверхностей.

Энергоэффективные материалы для строительства дома

Ячеистые бетоны

Пористый строительный материал на основе бетона.  Имеет множество разновидностей: газобетон, пенобетон, керамзитобетон, полистиролбетон. Теплопроводность ячеистого бетона в сухом состоянии примерно втрое меньше, чем у кирпича. А если учесть, что кирпичные и блочные стены теряют больше всего тепла через кладочный раствор, то энергоэффективность  пористого бетона еще выше: его крупные блоки имеют точные размеры, поэтому допускается их кладка на клеевой раствор с толщиной шва всего 3 мм.

Арболит

При влажности 6% теплопроводность арболита примерно в 6 раз ниже, чем у кирпича. Состоит материал из высокопрочного цемента (марки М500) и древесной щепы (80% от общего состава, что дало второе название материалу — древобетон). В раствор также добавляют разрешенные пропитки (сульфат алюминия), которые предохраняют древесину от гниения. После затвердевания состава и его формовки получают блоки, из которых можно построить прочный дом

Бревна

Несмотря на развитие новых технологий, традиционные рубленые дома остаются в числе самых востребованных: лесоматериалы относительно доступны, экологичны, энергоэффективны. Дерево проводит тепло поперек волокон примерно вдвое медленнее, чем пенобетон. Но основные теплопотери бревенчатой стены приходятся на слабые места между венцами и по углам, поэтому теплозащитные свойства стен в целом будут зависеть от качества рубки.

Сэндвич-панели

Панелей для быстровозводимых каркасных домов выпускается множество видов, ведь одно из преимуществ технологии — возможность адаптировать ее к местным условиям и материалам. Все они состоят из обшивки  с  защитными  и отчасти конструкционными функциями и термоизоляции, заполняющей почти всю толщу стены.

Поризованная керамика

Материал представляет собой пустотелые керамические блоки с повышенными теплоизоляционными свойствами. При их производстве в глиняную массу добавляют просеянные древесные опилки или другие включения, которые под воздействием высокой температуры выгорают, оставляя поры в теле кирпича. Помимо микропор, в блоках есть множество вертикальных пустот, расположенных в шахматном порядке. Таким образом, тепло, чтобы пройти сквозь стену из «теплой» керамики, проделывает длинный извилистый путь по перегородкам между воздушными полостями.

Теплоизоляция стен

Через стены уходит около 40% тепла из дома, поэтому их утеплению уделяют повышенное внимание. Самый распространенный и простой способ утепления — организация многослойной системы. Внешние стены дома обшиваются утеплителем, в роли которого часто выступает минеральная вата или пенополистирол, сверху монтируется армирующая сетка, а потом — базовый и основной слой штукатурки.

Более дорогая и прогрессивная технология — вентилируемый фасад. Стены дома обшиваются плитами из минеральной ваты, а облицовочные панели из камня, металла или других материалов монтируются на специальный каркас. Между слоем утеплителя и каркасом остается небольшой зазор, который играет роль «тепловой подушки», не позволяет намокать теплоизоляции и поддерживает оптимальные условия в жилище.

Современные экологически чистые утеплители из растительных волокон не содержат фенола и формальдегида и производятся из природного возобновляемого сырья — волокон льна, древесины, конопли. Для скрепления волокон используются безопасные вещества, которые могут быть синтетическими (например, полиэстер) или натуральными (крахмал). В последние десятилетия эко утеплители пользуются большой популярностью в Европе и производятся во Франции, Германии, Финляндии, Чехии, Польше и других странах. В России в 2010 году было начато производство экологически чистого утеплителя в виде льняных матов.

Помимо экологической безопасности, такие теплоизоляционные материалы имеют и ряд важных практических преимуществ. Маты (плиты) из растительных волокон обладают одними из лучших показателей по теплоемкости, хорошими акустическими характеристиками.

Примером может быть утеплительThermo-Hanf (Термо-Ханф). Он производится на заводе компании Hock GmbH & Co. в городе Нердлинген (Германия). Продукция Thermo-Hanf на 83-87% состоит из волокон конопли и не содержит добавок, вредных для здоровья человека. Конопля особенно устойчива к неблагоприятным воздействиям. При выращивании ее не обрабатывают фунгицидами, а при использовании в качестве теплоизоляционного материала она не только не подвергается гниению и воздействию плесени, но и помогает защитить от них строительные конструкции. Поэтому коноплю называют природным антисептиком.

Теплоизоляция кровли

Через кровлю уходит около 20% тепла. Для утепления крыши используют те же материалы, что и для стен. Широко распространены на сегодняшний день минеральная вата и пенополистирол.

Технологии не стоят на месте, многие исследования направлены на поиск новых энергосберегающих технологий. Так, шведским инженерам из компании SolTech Energy, работающей в этой области не первый год, удалось найти новый кровельный материал — стеклянную черепицу, которая способна не только выполнять функции обычной кровли, но и обогревать ваш дом за счет энергии солнца. По своей форме,  габаритам  и массе стеклянная черепица ничем не отличается от своего глиняного аналога, но при этом изготавливается из ударопрочного стекла, что увеличивает срок ее эксплуатации в несколько раз по сравнению с глиной. Помимо красоты и прочности, такая крыша будет выдавать большую часть тепловой энергии, необходимой для обогрева дома, причем даже в самых северных районах.

Весь секрет в том, чтобы сориентировать крышу так, чтобы на нее как можно больше и дольше светило солнце,   а   также  уложить стеклянные элементы на листы черного нейлона под определенным углом, чтобы солнечные лучи не скользили по стеклу, а проникали сквозь него. Черный нейлон «притягивает» солнечные лучи, которые проходят сквозь прозрачный слой черепицы и нагревают воздух, находящийся под кровлей. Этот воздух нагревается до такой степени, что может быть использован для нагрева теплоносителя, залитого в отопительную систему дома. Причем за день воздух прогревается так сильно, что он нагревает теплоноситель даже ночью. Разработчики этого кровельного материала утверждают, что такая система нагрева способна вырабатывать до 350 кВт/ч тепловой энергии с 1 м2 кровли.  Что  примечательно,  в зимний период стеклянная кровля не требует очищения от снежных масс, поскольку подогреваемый снизу нагретым воздухом снег подтаивает и сползает с крыши.

В России в настоящее время практически не производятся специальные виды стекла для кровельных работ, в этой области используется продукция зарубежных производителей. Одним из исключений   является  OАO «Саратовский институт стекла», ведущее научно-исследовательские работы в области составов и новых видов флоат-стекла и производящее тонированное флоат-стекло, рефлектное, низкоэмиссионное, закаленное стекло, а также энергосберегающие стеклопакеты.

«Зеленые» крыша и фасад

Одним из элементов теплозащитной оболочки зеленого здания может стать «зеленая» крыша. Это многослойная ограждающая конструкция, состоящая из железобетонной плиты покрытия, основного слоя водоизоляционного ковра, теплоизоляции из экструдированных пенополистирольных плит,  разделительного   слоя из геотекстиля, дренажного и фильтрующего слоев, почвенного слоя, растительного слоя (рис.). В зависимости от вида растительного слоя озеленение крыш можно разделить на интенсивное и экстенсивное. При интенсивном озеленении, основанном на использовании высоких растений с развитой корневой системой (сада на крыше), может потребоваться массивный почвенный слой толщиной до 1 м; такая крыша требует, как правило, постоянного ухода садовников. Экстенсивно озеленённые крыши, напротив, не требуют систематического ухода, а для размещения растений требуется минимальный слой почвы или компоста. По сравнению с «интенсивными», «экстенсивные» крыши имеют более простое конструктивное решение. Основными преимуществами озелененных крыш являются:

- смягчение эффекта «тепловых островов» за счет выравнивания температуры поверхностей; в летнее время увеличение площади «зеленых» крыш может существенно снизить среднюю температуру целого города;
- сокращение затрат на отопление здания в холодный период года благодаря высокому сопротивлению теплопередаче конструкции; здания с зеленой крышей приближаются к стандартам пассивного дома;
- сокращение затрат на охлаждение и климатизацию зданий в теплый период года за счет увеличения массы конструкции, а также благодаря естественному испарению влаги;
- существенное уменьшение загрязненности воздуха и обогащение его кислородом, что, в свою очередь, повышает комфортные условия проживания и сокращает число аллергических и астматических заболеваний;
- повышение акустического комфорта за счет дополнительного поглощения городского шума, при этом почвенный слой поглощает преимущественно низкочастотный звук, а растительный слой — высокочастотный;
- уменьшение количества влаги, попадающей в ливневую систему канализации в виде атмосферных осадков; покрытия с озеленением очищают дождевую воду, в том числе и от тяжелых металлов.

В последние годы, в связи с увеличением в атмосфере концентрации парниковых газов, наблюдается процесс глобального потепления. Парниковые газы – это, в основном, углекислый газ – продукт сгорания топлива, который в огромных количествах выбрасывается в атмосферу; метан, выбросы которого происходят в основном в сельском хозяйстве, и окись азота, так называемый «веселящий газ». В результате глобального потепления в мире происходят различные катаклизмы: жара и засуха; ливни и наводнения, ураганы и повышение уровня моря в разных местах. Растительность на крышах в результате фотосинтеза снижает количество углекислого газа путём поглощения его с использованием энергии солнца, в результате выделяется кислород в атмосферу. «Зелёные крыши» могут внести свою лепту в спасение человечества от глобального потепления.

Современному селу — зеленое строительство (часть 2)