В статье рассматривается новое направление в строитель­стве энергоэффективных малоэтажных жилых домов, в которых снижение теплопотерь обеспечивается как за счет строительства подземных этажей, в том числе и ниже границы сезонного промерзания грунтов, так и за счет прогрева помещений дома прямыми солнечными лучами.

УДК 721.01+728.37:658.18

А.В. ВЕСЕЛОВ, канд. техн. наук, доцент, В.Д. КОРНИЕНКО, инженер-архитектор, volodya.Kornienko2319@yandex.ru, Магнитогорский государственный технический университет, г. Магнитогорск

Ключевые слова: малоэтажное строительство, теплопотери, энергоэффективность, пассивный дом, световая шахта, сезонно-мерзлые грунты
Keywords: low-rise building, heat loss, energy efficiency, passive house, light shaft, seasonally frozen soils

Одним из наиболее востребованных в настоящее время видов жилищного строительства является возведение индивидуальных малоэтажных жилых домов. Вместе с тем практика постоянного круглогодичного проживания в таком доме показывает, что экономические затраты на его содержание велики, особенно на отопление помещений дома в холодное время года. Это объясняется традиционно малой энергоэффективностью существующих и проектируемых индивидуальных жилых домов в нашей стране, поскольку во времена Советского Союза вопросы энергоэффективности жилых зданий не рассматривались в качестве приоритетных. На первом месте тогда стояли задачи экономии строительных материалов и уменьшения сроков строительства. Как следствие, снижение капитальных затрат на строительство домов в разы увеличивало их эксплуатационные затраты. Расчет при этом был на то, что дешевого топлива богатой природными ресурсами стране хватит надолго. Сейчас энергопотребление в России на 1 кв. м жилья в год в домах частного сектора составляет около 600 кВт/ч, в то время как в западных странах со схожим климатом (Швеция, Финляндия, Нидерланды и др.) энергопотребление в аналогичных домах не превышает 120-150 кВт-ч/м² в год [1]. Тепловые потери в домах происходят в основном через ограждающие конструкции (наружные стены, перекрытия чердачные и над подвалами, оконные и дверные проемы и др.). Усредненные значения теплопотерь в процентах представлены на рис. 1.

В контексте данной проблемы и с учетом развития национальной программы «Доступное и комфортное жилье – гражданам России», а также растущего спроса на индивидуальное жилье одним из приоритетных направлений в исследованиях становятся вопросы энергоэффективности в малоэтажном строительстве.

За рубежом в настоящее время проблему повышения энергоэффективности индивидуальных жилых домов на стадиях их проектирования и строительства решают за счет выполнения комплекса различных мероприятий [2]. Первые эксперименты по созданию домов с низким потреблением энергии начались в США и Европе в 1972-1978 годах.

В единую научную концепцию технологии возведения «пассивного дома», у которого средний удельный расход тепловой энергии на отопление не должен превышать 120 кВт-ч/м² в год, начали складываться в середине 1980-х годов [1]. Концепция возведения «пассивного дома» включает следующие основные положения:

− выбор оптимальной формы здания, обеспечивающей наименьшие теплопотери и теплопоступления в холодный и теплый периоды года, соответственно. Такие здания могут быть квадратными или круглыми в плане, кубической или сферической формы. При одной и той же площади они имеют меньшую поверхность наружных стен, чем здания прямоугольные и в форме параллелепипеда;

− рациональная, с учетом рельефа местности, ориентация здания по сторонам света, учет влияния на здание господствующего ветра, других климатических особенностей;

− принудительная система вентиляции с рекуперацией тепла и с возможным применением грунтовых теплообменников;

− наличие массивных аккумулирующих тепло элементов в виде строительных конструкций, располагаемых внутри помещений, куда попадают прямые солнечные лучи от низкого зимнего солнца, для обеспечения приема, сохранения и отдачи ими тепловой энергии;

− принцип герметичности, отсутствие воздухо- и паропроницаемых конструкций. Полное утепление всех элементов конструкции здания, отсутствие так называемых мостиков холода;

− светопрозрачные конструкции, установленные по правилу: теплопритоки всегда превышают теплопотери через них же. Тройной стеклопакет с наполнением инертным газом и низкоэмиссионным покрытием внутренней части стекла. Профиль окна должен иметь высокое сопротивление теплопередаче. Предусматривается максимальная площадь световых проемов в наружных стенах южной ориентации и, соответственно, минимальная − в стенах северной ориентации.

− учет всех источников тепла в доме (приборы отопления, электроосвещения, бытового оборудования, тепловыделение жильцов дома и др.).

Подводя итог вышесказанному, отмечаем, что снижение теплопотерь в «пассивном доме» осуществляется в большей степени за счет максимальной теплоизоляции всех наружных поверхностей ограждающих конструкций и применения принудительной системы вентиляции воздуха с рекуперацией тепла (рис. 2).

Следует отметить, что первичные затраты на строительство «пассивного дома» будут значительно выше аналогичных затрат на строительство обычного малоэтажного индивидуального жилого дома при сопоставимых площадях и объемах зданий. Необходимость использования большого количества эффективных дорогостоящих теплоизоляционных материалов может полностью свести на нет экономический эффект от снижения теплопотерь в «пассивном доме» в последующий эксплуатационный период.

Авторами статьи предлагается принципиально иной подход к строительству индивидуальных энергоэффективных жилых домов, основанный на возведении большей части помещений дома под землей ниже глубины промерзания грунта. Известно, что ежегодно с наступлением холодных зимних периодов под действием отрицательных температур наружного воздуха происходит промерзание грунта. Глубина промерзания грунта в каждом регионе сохраняет постоянные значения и лишь в отдельные годы незначительно от них отклоняется. Температура мерзлого грунта, имеющая на его поверхности отрицательный минимум, по мере заглубления повышается и на определенной постоянной глубине переходит от отрицательных значений к положительным. Ниже глубины промерзания температура грунта имеет положительные значения в течение всего года, и эта закономерность была положена в основу нового подхода к проектированию и строительству энергоэффективных индивидуальных жилых домов.

На рис. 3 и 4 представлено проектное решение индивидуального энергоэффективного жилого дома (авторская разработка), у которого большая часть строительного объема расположена ниже планировочной отметки земли.

Планировочное решение такого индивидуального жилого дома включает подземную и надземную части, имеющие различное функциональное назначение (рис. 4, таблица). Центральным помещением жилой подземной части дома и ее композиционной основой является световая шахта (поз. 5 на рис. 4), вертикально пересекающая толщу сезонно промерзающего грунта и заглубленная в непромерзающий грунт на заданную глубину, зависящую от высоты подземных помещений дома. В плане шахта может быть квадратной, прямоугольной или трапециевидной, при этом одна из ее параллельных стен должна быть обращена фасадом на юг. Вертикальные стены шахты, выступающие над поверхностью земли для предотвращения попадания в шахту весенних паводковых и дождевых вод, служат опорой для светопрозрачного купола, герметично перекрывающего сверху шахтный проем. Солнечный свет, попадающий в световую шахту через купол, сквозь световые остекленные оконные и дверные проемы, выполненные в нижней части стен шахты, проникает в граничащие с ней подземные помещения. В темное время суток все подземные помещения, включая световую шахту, могут освещаться искусственными энергосберегающими источниками света.

Таблица. Экспликация помещений этажей, представленных на рис. 4

Номер помещения	Наименование помещения
1	Холодный тамбур
2	Теплый тамбур (в холодный период года используется как второй тамбур, летом может использоваться как гардеробная)
3, 6	Холл
4	Гараж теплый
5	Световая шахта
7, 8, 9	Соответственно – уборная, постирочная, душевая
10	Гостиная (общая комната)
11	Кухня-столовая
12	Жилая комната
13	Гардеробная индивидуальная

Повышение энергоэффективности подземной части жилого дома обеспечивается снижением его теплопотерь за счет:

– круглогодичных положительных температур на наружных поверхностях стеновых ограждений и фундаментной плиты;
– отсутствия ветрового воздействия холодного воздуха на наружные поверхности ограждающих конструкций;
– выполнения эффективной теплоизоляции ограждающих конструкций.

Выполнение только этих мероприятий обеспечит снижение теплопотерь в подземных помещениях дома на 70% и более по сравнению с количеством теплопотерь в традиционном малоэтажном индивидуальном жилом доме.

Надземная часть дома соединяется с подземной частью посредством лестницы, расположенной в световой шахте. Эта часть дома проектируется и строится с учетом энергосберегающих требований, предъявляемых к «пассивному дому», с возможностью утилизации и последующего использования всех тепловыделений для дополнительного обогрева помещений подземной части дома.

Помещения подземной и надземной частей дома различаются по своему функциональному назначению. Все помещения подземной части, за исключением световой шахты, имеют прекрасную естественную свето- и звукоизоляцию, в них отсутствуют сквозняки и в них легко поддерживать заданную температуру. Поэтому они могут быть успешно использованы в качестве спальных комнат для взрослых и детей, детских игровых комнат, рабочих кабинетов, фотолабораторий, кладовых и т.д. Просторное помещение световой шахты с ее полноценным естественным освещением может использоваться в качестве гостиной, зала для занятий физкультурой и работы на спортивных тренажерах, устройства декоративной оранжереи и др. В надземной части дома могут размещаться: входной тамбур, прихожая с гардеробной, а также кухня, столовая, санузел, ванные комнаты и прачечная, надземное расположение которых продиктовано удобством подведения к ним и обслуживания сетей газо-, электро-, водоснабжения и водоотведения.

Перенос большей части помещений индивидуального жилого дома под землю позволяет значительно уменьшить площадь и объем его надземной части. Это, в свою очередь, обеспечивает снижение теплопотерь через ее ограждающие конструкции, площади которых сократились, а также дает возможность уменьшить площадь земельного участка, отводимого под застройку. За счет этого достигается увеличение используемой для других нужд площади земельного приусадебного участка.

Строительство индивидуальных жилых домов с подземными помещениями потребует от проектировщиков и строителей решения многих технических задач, связанных с возможным локальным понижением уровня грунтовых вод; использованием эффективной наружной тепло- и гидроизоляции поверхностей подземных ограждающих конструкций; принудительной вентиляцией и дополнительным обогревом помещений, в том числе с применением солнечных коллекторов и другого энергогенерирующего или энергосберегающего оборудования. Вместе с тем большинство эффективных решений поставленных задач уже найдено и успешно используется при возведении подземных частей объектов гражданского и промышленного назначения.

Библиографический список

1. Башмаков И.А. Энергоэффективность зданий в России и в зарубежных странах // Специализированный журнал «Энергосбережение», – М., № 3, 2015, с. 24-30.

2. Башмаков И.А., Башмаков В.И. Политика повышения энергоэффективности России // Специализированный журнал «Энергосбережение», – М., № 4, 2012, с. 10-16.