Влияние энергоэффективного капитального ремонта на микроклимат жилых многоэтажных зданий

Душан Петер, канд. техн. наук, профессор, Словацкий технологический университет в Братиславе»

На здания приходится значительная доля мирового потребления энергии. На территории стран Европейского союза площадь, занимаемая жилыми зданиями, составляет 75 % от всего строительного фонда [1]. Поэтому жилые здания потребляют значительную часть вырабатываемой энергии. В 2009 году на европейские жилые дома пришлось 68 % от общего конечного потребления энергии в зданиях.

Максимальный расход энергии идет на отопление помещений. Во многом количество потребляемого тепла зависит от величины наружной температуры в зимний период конкретного года [2].

В большинстве европейских стран основную часть жилищного фонда составляют дома старой постройки (с 1950-х годов). Большинство этих жилых зданий, особенно в Центральной Европе, были возведены из сборных железобетонных блоков. На них приходится более трети конечного энергопотребления. Учитывая их плохое техническое состояние, капитальный ремонт таких зданий стал одной из первостепенных мер по энергосбережению.

Энергоэффективный ремонт является актуальным не только для достижения энергосбережения. Он может повлиять и на качество жизни. Люди проводят более 90 % своего времени в помещении, причем значительную часть – дома [3]. Это является основной причиной, по которой потенциальным воздействием мер по повышению энергоэффективности на качество внутренней среды в помещениях нельзя пренебрегать, особенно в странах, где существенны усилия по герметизации оболочки здания, то есть, по сути, сокращению доли наружного воздуха, проникающего через оболочку здания и плотные пластиковые окна. Неясно, какое те или иные энергосберегающие мероприятия оказывают влияние на качество окружающей среды в помещении: отрицательное, положительное или вообще не будут влиять [4, 5].

Общая площадь всех зданий в Словакии составляет 341 млн м², из которых 88 % (300,08 млн м²) приходится на жилой фонд [1]. Большинство жилых домов построено с 1948 по 1990 годы, при этом интенсивнее всего строительство велось с 1971 по 1980 годы. Значительная часть этих многоквартирных домов (МКД) не соответствует действующим европейским требованиям по энергоэффективности, несмотря на то, что принимаются общенациональные корректирующие меры для повышения энергоэффективности жилых зданий и снижения их энергопотребления [6].

Поэтому было проведено исследование влияния энергоэффективного капитального ремонта на тепловой комфорт и качество воздуха в жилых домах в отопительный период.

Таблица 2 Энергопотребление и классы энергоэффективности

Выбор объектов исследований

Для анализа было выбрано 12 многоквартирных жилых зданий, разбитых на пары по виду строительных конструкций, соответствующих шести типовым строительным сериям зданий. В каждой паре один дом был недавно отремонтирован (утеплен фасад, установлены новые энергоэффективные окна, проведена гидравлическая балансировка системы отопления, предусмотрено ручное управление отопительными приборами, выполнена теплоизоляция основных веток труб отопления и водопровода), а в другом ремонт не проводился.

Рисунок 1. Оцениваемые жителями зданий а) тепловые ощущения и б) приемлемость тепловой среды

Исследование качества внутренней среды проводилось в трех парах жилых домов, расположенных в юго-западной части Словакии, в 20 км от столицы (см ^*)). Выбор основывался на методе, примененном при исследовании энергетических характеристик и тепловой среды в [7]. Во всех зданиях использовалась естественная вентиляция. Вытяжная вентиляция присутствовала в ванных комнатах и туалетах [9].

Для определения энергетических характеристик зданий был проведен энергоаудит. Он включал осмотр объектов, оценку и анализ существующего уровня расхода энергии. Потребность в энергии для отопления рассчитывалась для каждого объекта. Также были получены реальные данные о потреблении энергии от жилищных организаций, обслуживающих отдельные жилые здания. Подробные шаги энергетического аудита показаны в публикации [8].

Этапы измерений

Первый этап измерений в здании был проведен в январе 2015 года, до проведения энергоэффективного капитального ремонта, а второй – в январе 2016 года, после того как были приняты меры по энергосбережению. В доме было отобрано 20 квартир; они были в равной степени распределены по нижнему, среднему и верхнему этажам здания. Именно в этих квартирах были сделаны необходимые замеры в течение восьми дней отопительного периода, как до ремонта, так и после [11, 12]. В спальнях квартир были измерены температура и относительная влажность внутреннего воздуха, а также концентрация CO₂ (рис. 3).

Рис. 2. Тепловой баланс здания а) до капитального ремонта и б) после капитального ремонта

Результаты измерений и их анализ

Оценка энергоэффективности

Отопительная нагрузка была рассчитана для каждой пары жилых зданий [7]. Полученный эффект энергосбережения превышал 30 % во всех парах исследуемых домов (табл. 1). Максимальное повышение энергоэффективности (52 %) было достигнуто после ремонта домов серии TА 06 BA. Согласно национальным требованиям Словакии на основании проведенных расчетов каждому зданию был присвоен соответствующий класс энергоэффективности. Отремонтированные здания получили более высокие классы энергоэффективности, чем их неотремонтированные аналоги.

Фактические данные о снижении потребления энергии исследуемыми зданиями соответствуют результатам расчетов почти во всех случаях, кроме домов серий:

• ZTB: фактическая экономия энергии составила15 %, что на 36 % ниже расчетного значения (51 %);
• BA NKS-S P.1.15: фактическая экономия энергии (28 %) на 12 % ниже расчетного значения (40 %).

Существенная разница между расчетными и фактическими значениями может быть вызвана нормируемыми климатическими условиями для Братиславы, которые использовались в методе расчета. Реальные условия обычно отличаются от нормируемых. В нашем случае реальная температура наружного воздуха менялась в течение отопительного периода.

Уровень комфортности тепловой среды

Теперь представим результаты обследования уровня комфорта, основанные на субъективной оценке жильцов. Опрос проводился в тех же квартирах, где определялось фактическое потребление энергии, и включал мнение жителей об их ощущении теплового комфорта (рис. 1а) и показатель «приемлемости тепловой среды» (acceptability of thermal environment) (рис. 1б). Средний показатель теплового комфорта по ощущениям в зданиях без капремонта составил 0,78, что соответствует уровню дома «почти теплый», а в модернизированных зданиях – 1,36 (между «немного теплый» и «теплый»). Отвечая на вопрос о том, какой уровень теплового комфорта по ощущениям (по 7-балльной шкале ASHRAE) они предпочли бы, жители, проживающие в домах без реконструкции, практически единодушно выбрали среднее значение 1,23, а проживающие в модернизированных домах – 1,28, то есть. независимо от места проживания жильцы предпочитают одинаковый уровень теплового комфорта. Приемлемость тепловой среды тоже оценивали по шкале ASHRAE, и жители отремонтированных зданий указали на более приемлемые тепловые условия (0,56), чем жители зданий без внедрения энергосберегающих мероприятий (0,30).

Присвоение класса энергоэффективности

В процессе исследования рассчитывалась потребность в тепловой энергии как для неотремонтированных, так и для модернизированных зданий. Оказалось, что наибольшая экономия энергии обеспечивается за счет повышения теплоизоляции наружных стен. Это можно объяснить большой площадью поверхности стен. Удельный расход тепловой энергии на отопление определялся с учетом внутренних теплопоступлений и теплопоступлений с солнечной радиацией (рис. 5). В результате ремонта потребность в теплоте для теплоизолированной части здания значительно снизилась, а расчетная кратность воздухообмена осталась неизменной.

В соответствии с действующим словацким законодательством отремонтированным и неотремонтированным жилым домам был присвоен класс энергетической эффективности. Предпринятые мероприятия по энергосбережению снизили энергопотребление здания на 55 %, поэтому жилому дому, имевшему до ремонта класс энергоэффективности Е (159 кВт•ч/м² в год), после реконструкции присвоен класс В (74 кВт•ч/м² в год).

Качество внутреннего воздуха

Из собранных опытных данных видно (рис. 7 (справа), табл. 3), что средние дневная и ночная температуры внутреннего воздуха были выше в здании, где проведен энергоэффективный ремонт. Что касается относительной влажности воздуха, то она после ремонта практически не изменилась (рис. 7 (слева), табл. 4). Оба этих показателя соответствуют требованиям словацкого стандарта STN EN 15 251 (20 °C < T <24 °C; 30 % < RH < 70%)

Таблица 5 Концентрации CO2 в дневное и ночное время до и после капитального ремонта жилог о здания

Концентрация СО₂ до реконструкции здания (рис. 9, синяя линия) практически находилась в допустимых пределах (рис. 9, зеленая линия), однако после реконструкции были зафиксированы значительно более высокие значения (рис. 9¸ красная линия). В табл. 5 и на рис. 10 представлена описательная статистика концентрации CO₂ в дневное и ночное время до и после ремонта жилого здания.

До реконструкции здания среднее значение СО₂ составляло 1 205 промилле, а медиана составляла 1 190 промилле. После реализации мер по энергосбережению среднее значение концентрация CO₂ составило 1 570 промилле, а медиана – 1 510 промилле.

Более низкая концентрация CO₂ до ремонта обеспечивалась лучшим воздухообменом в квартирах (в среднем 0,61 ч–1). После реконструкции средняя кратность воздухообмена (0,44 ч–1) упала ниже рекомендуемого минимума (0,50 ч–1) (табл. 7 и рис. 11).

Таблица 7 Кратность воздухообмена до и после капитального ремонта

Подведение итогов

Анализируя данные, полученные в результате натурных исследований энергопотребления, теплового комфорта и качества воздуха в помещениях, можно сделать вывод, что энергетические характеристики исследованных зданий улучшились после осуществления мер по энергосбережению. Энергоэффективный капитальный ремонт зданий старой постройки позволяет повысить их класс энергоэффективности на два порядка.

Установлено, что жители, находясь дома, предпочитают более высокий уровень теплового комфорта (температуру внутреннего воздуха), а это является одним из основных факторов, напрямую влияющих на расход энергии (повышающих его).

Однако герметизация зданий в целях их утепления имеет и отрицательный результат: снижается кратность воздухообмена, а значит, и качество воздуха в помещении. Средняя концентрация CO₂ в отремонтированных зданиях и не соответствует нормативному значению 1 000 ppm. Поэтому энергоэффективный капитальный ремонт зданий старой постройки должен включать в себя также и модернизацию системы вентиляции. В зданиях после ремонта без установки механической вентиляции единственным способом контроля скорости воздухообмена и улучшения качества воздуха в помещениях по сравнению со зданием, в котором ремонт не проводился, является более частое проветривание.

КОММЕНТАРИЙ Александр Николаевич Колубков, вице-президент НП «АВОК», директор ППФ «АК», эксперт ООО «Мосэксперт», член ТК 465 «Строительство»

В отличие от Европы в России здания постройки 1950-х годов не ремонтируются, а, как правило, сносятся – на их месте строится новое, комфортабельное жилье. Тем не менее в России проблемы капитального ремонта, например проводившегося 10 лет назад в панельных зданиях Москвы, весьма схожи с европейскими. В Словакии полученный эффект энергосбережения за счет утепления фасада, установки энергоэффективных окон превысил 30 %. Оказалось, что наибольшая экономия энергии обеспечивается за счет повышения теплоизоляции наружных стен. Предпринятые мероприятия по энергосбережению снизили энергопотребление здания на 55 %, поэтому жилому дому, имевшему до ремонта класс энергоэффективности Е (159 кВт•ч/м2 в год), после реконструкции присвоен класс В (74 кВт•ч/м2 в год). При этом при ремонте ограждающих конструкций термическое сопротивление стен повысилось с 2,70 до 4,34, а окон с 0,64 до 0,77 м2•K/Вт. Отсюда можно понять, что в статье анализируются пятиэтажные жилые дома. Сравним с требованиями программы реновации жилья в Москве в отношении предусматриваемых показателей энергосбережения для аналогичных зданий. Базовый уровень энергопотребления зданием определен в размере 113,8 кВт•ч/м2 в год, а высокий – 80 кВт•ч/м2 в год. Дана установка на его снижение к 2028 году на 50 %, то есть до 55 кВт•ч/м2 в год. За 10 лет предполагается повысить термическое сопротивление ограждающих конструкций стен с 3,5 до 4,0, а окон с 0,8 до 1,0 м2•K/Вт. Пока темпы примерно одинаковы, но нужно учесть, что в Словакии более мягкий климат. Безусловно, энергоэффективный капитальный ремонт влияет на микроклимат помещений, то есть на тепловой комфорт и качество воздуха. Энергоэффективный капитальный ремонт зданий старой постройки должен включать в себя также и модернизацию системы вентиляции. В зданиях после ремонта без установки механической вентиляции единственным способом контроля скорости воздухообмена и улучшения качества воздуха в помещениях по сравнению со зданием, в котором ремонт не проводился, является более частое проветривание. Это подробно описано в статье. У нас все схоже: программа реновации жилья в Москве тоже предписывает оборудование зданий системами естественной вентиляции, практически не работающими большую часть года. Отсюда и повышенное содержание углекислого газа в жилых помещениях, и пониженное качество микроклимата. Очень сомнительно, что без механической вентиляции с рекуперацией тепла удаляемого воздуха удастся за 10 лет добиться снижения энергопотребления вдвое.

Литература

1.  Buildings Performance Institute Europe (BPIE), Europe’s Building under the Microscope – a country by country review of the energy performance of buildings, 2011.
2. Eurostat – your key to European statistics, 2009.
3. Molloy S. B., Cheng M., Galbally I. E., Keywood M. D., Lawson S. J., Powell J. C., Gillett R., Dunne E., Selleck P. W. Indoor Air Quality in Typical Temperate zone Australian dwellings. Atmospheric Environment, 2012, vol. 54, pp. 400–407.
4. Krajcík M and Petráš D. Evaluation of the indoor environment and energy audit of a panel apartment building in Slovakia. In: 9th International Conference & Exhibition Healthy Buildings 2009, Syracuse, NY, 13–17 September 2009.
5. Krajcík M, Pustayová H and Petráš D. Survey on the connections between energy consumption for heating and indoor environment in prefabricated apartment buildings. In: Clima 2010 – REHVA World Congress, Antalya, Turkey, 9–12 May 2010.
6. Földváry V., Petráš D. Indoor Air Quality in Apartment Buildings in Slovakia and Its Dependence on Renovation. In: Proceedings of 13th SCANVAC International Conference on Air Distribution in Rooms: New ventilations strategies with base in active and passive technology in building and for comfort in airplanes, Sao Paulo, Brazil, 19–22.10.2014, pp. 104–109.
7. Pustayová H. Evaluation of energy performance and thermal comfort in the dwelling buildings in process of refurbishment. Doctoral thesis, 2013.
8. Dahlsveen, T, Petráš, D. Energy audit of buildings. Bratislava: Jaga GROUP, 2005.
9. Földváry V., Bekö G., Petráš D. Impact of energy renovation on indoor air quality in multifamily dwellings in Slovakia. Proceedings of Indoor Air 2014, Hong Kong, Paper No. HP0143.
10. Földváry V., Bekö G., Petráš D. Seasonal variation in indoor environmental quality in non-renovated and renovated multifamily dwellings in Slovakia. Proceedings of Healthy Buildings Europe 2015, Eindhoven, Paper ID 242.
11. Földváry V. Assessment of indoor environmental quality in residential buildings before and after renovation. Doctoral thesis. Bratislava, Slovakia, 2016.
12. Bekö G., Földváry V., Langer S., Arrhenius K. Indoor air quality in a multifamily apartment building before and after energy renovation. Proceedings of the 5th International Conference on Human-Environment System, ICHES 2016 Nagoya, Japan.
13. Sánka I., Földváry V., Petráš D. Experimentálne meranie CO₂ a intenzity výmeny vzduchu v bytovom dome. (Experimental measurements of CO₂ concentration and air exchange rate in a residential building.) TZB-Haustechnik, Vol. 25, 5/2016, pp. 46–49.
14. Sánka I., Földváry V., Petráš D. Evaluation of Indoor Environment Parameters in a Dwelling Before and After Renovation. Magyar épuletgépészet, 2017, Vol. 65, pp. 29–33.

^*) Один из исследованных домов (рис. 1) расположен в городе Шаморине, Словакия и построен в 1964 году из легких бетонных панелей. В здании была предусмотрена естественная вентиляция. Вытяжная вентиляция использовалась только в санитарных помещениях: ванные комнаты и туалеты. Капитальный ремонт здания был проведен в 2015 году и включал следующие меры: утепление ограждающих конструкций здания, утепление кровли и гидравлическая балансировка системы отопления. В большинстве квартир данного дома уже были установлены новые пластиковые окна [10].

¹ Работа была выполнена в рамках грантов VEGA 1/0807/17 и 1/0847/18.