Определение годовых расходов энергии на эксплуатацию зданий
А. Л. Наумов, генеральный директор ООО «НПО Термэк»
Г. А. Смага, технический директор АНО «РУСДЕМ»
Е. О. Шилькрот, зав. лабораторией ОАО «ЦНИИПромзданий»
Одним из ключевых направлений повышения энергоэффективности экономики является снижение энергопотребления строящихся и эксплуатируемых зданий. В статье рассмотрены основные показатели, влияющие на определение годовых расходов энергии на эксплуатацию здания.
До настоящего времени в проектной практике, как правило, определялись только расчетные максимальные нагрузки на системы тепло- и электропотребления, годовые расходы энергии на комплекс систем инженерного обеспечения зданий не нормировался. Расчет расходов тепла за отопительный период носил справочно-рекомендательный характер [1, 2].
Предпринимались попытки контролировать на проектной стадии годовые расходы тепловой энергии на системы отопления, вентиляции, горячего водоснабжения [3, 4, 5].
В 2009 году для Москвы был разработан Стандарт АВОК «Энергетический паспорт проекта здания к СНиП 23-02, МГСН 2.01 и МГСН 4.19» [6].
В этом документе в значительной степени удалось устранить недочеты предыдущих методик определения удельных энергетических показателей здания за отопительный период, но вместе с тем, с нашей точки зрения, и он нуждается в уточнениях.
Так, использование в качестве аргумента при определении удельных затрат тепла комплекса градусо-сутки представляется не вполне корректным, а при определении удельных затрат электроэнергии – нелогичным. Трансмиссионные потери тепла в районах с различной температурой наружного воздуха примерно одинаковы, так как корректируются величиной сопротивления теплопередаче. Затраты тепла на нагрев вентиляционного воздуха напрямую зависят от температуры наружного воздуха. Целесообразно устанавливать показатели удельных затрат энергии в расчете на 1 м2 в зависимости от климатической зоны.
Для всех жилых и общественных зданий при определении тепловых нагрузок на системы отопления и вентиляции за отопительный период принимается одинаковая (для заданного региона) продолжительность отопительного периода, средняя температура наружного воздуха и соответствующий показатель градусо-суток. Продолжительность отопительного периода определяется для теплоснабжающих организаций из условия установления среднесуточной температуры наружного воздуха за 5-дневный период +8 ˚C, а для ряда медицинских и образовательных учреждений +10 ˚C. По многолетней практике эксплуатации большинства зданий в прошлом веке при такой наружной температуре уровень внутренних тепловыделений и инсоляции не позволял снижаться температуре воздуха в помещениях ниже +18…+20 ˚C.
С тех пор многое изменилось: значительно выросли требования к теплозащите наружных ограждений зданий, выросла бытовая энергоемкость домохозяйств, существенно возросла энерговооруженность рабочих мест персонала общественных зданий.
Очевидно, что температура в помещениях +18…+20 ˚C обеспечивается в это время внутренними тепловыделениями и инсоляцией. Запишем следующее соотношение:
(1)
Здесь Qвн, tв, tн, ΣRогр – соответственно величина внутренних тепловыделений и инсоляции, температура внутреннего и наружного воздуха, средневзвешенное по площади сопротивление теплопередаче наружных ограждений.
При изменении значений Qвн и ΣRогр получим (относительно принимаемых в [7]):
(2)
Поскольку значения Qвн и ΣRогр увеличились, в современных условиях величина tн уменьшится, что вызовет сокращение продолжительности отопительного периода.
Как следствие, в ряде жилых новостроек фактические сроки потребности в отоплении сместились к наружной температуре +3…+5 ˚C, а в офисах с напряженным графиком работы к 0…+2 ˚C и даже ниже. Это означает, что системы отопления с адекватной системой регулирования и автоматизации до наступления соответствующей температуры наружного воздуха будут блокировать подачу теплоты в здание.
Можно ли пренебречь этими обстоятельствами? Сокращение продолжительности отопительного периода по данным метеонаблюдений в Москве за 2008 год при переходе от «стандартной» наружной температуры +8 ˚C с 216 суток снижается при +4 ˚C до 181 суток, при +2 ˚C до 128 суток, а при 0 ˚C до 108 суток. Показатель градусо-суток уменьшается соответственно до 81, 69 и 51 % от базового уровня при +8 ˚C.
В таблице приведены обработанные данные метеонаблюдений за 2008 год.
|
Изменение годовой нагрузки на систему отопления |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Не трудно показать на примере вероятные ошибки недоучета фактической продолжительности отопительного периода. Воспользуемся примером для высотного здания, приведенным в Стандарте АВОК:
- теплопотери через наружные ограждающие конструкции за отопительный период равны 7 644 445 кВт·ч;
- теплопоступления за отопительный период составят 2 614 220 кВт·ч;
- внутренние тепловыделения за отопительный период при удельном показателе 10 Вт/м2 составят 7 009 724 кВт·ч/м2.
Приняв, что система вентиляции работает с подпором воздуха, а температура приточного воздуха равна нормируемой температуре воздуха в помещениях, нагрузка на систему отопления будет складываться из баланса теплопотерь, внутренних теплопоступлений и инсоляции по формуле, предложенной в стандарте:
(3)
где Qht – теплопотери здания;
Qint – теплопоступления от инсоляции;
Qz – внутренние тепловыделения;
ν, ς, β – поправочные коэффициенты: ν = 0,8; ς = 1;
β = 1,13.
Подставив наши значения в формулу (3), получим Qiv = 61 822 кВт·ч.
Другими словами, по расчетной модели стандарта годовая нагрузка на систему отопления отрицательная и отапливать здание не нужно.
На самом деле это не так, температура наружного воздуха, при которой наступает баланс трансмиссионных теплопотерь и внутренних теплопоступлений с учетом радиации, равна около +3 ˚C. Трансмиссионные теплопотери в этот период составят 4 070 000 кВт·ч, а внутренние теплопоступления с понижающим коэффициентом 0,8 – 3 200 000 кВт·ч. Нагрузка на систему отопления составит 870 000 кВт·ч.
В подобном уточнении нуждается и расчет годового потребления тепловой энергии в жилых зданиях, что нетрудно показать на примере.
Определим, при какой температуре наружного воздуха в весенний и осенний периоды наступает баланс теплопотерь здания, включая естественную вентиляцию и теплопоступления за счет инсоляции и бытовых тепловыделений. Исходные данные взяты из примера для 20-этажного односекционного дома из энергетического паспорта [6]:
- поверхность наружных ограждений – 10 856 м2;
- приведенный коэффициент теплопередачи – 0,548 Вт/(м2·˚C);
- внутренние тепловыделения в жилой зоне – 15,6 Вт/м2, в общественной – 6,07 Вт/м2;
- кратность воздухообмена – 0,284 1/ч;
- величина воздухообмена – 12 996 м3/ч.
Расчетная среднесуточная величина инсоляции в апреле составит 76 626 Вт, в сентябре-октябре – 47 745 Вт. Расчетная величина среднесуточных бытовых тепловыделений – 84 225 Вт.
Таким образом, баланс теплопотерь и теплопоступлений весной наступит при температуре наружного воздуха +4,4 ˚C, а осенью при +7,2 ˚C.
При этих значениях температуры начала и окончания отопительного периода его продолжительность заметно уменьшится. Соответственно, показатель градусо-суток и годовые расходы теплоты на отопление и вентиляцию по отношению к «стандартному подходу» следует понизить примерно на 12 %.
Откорректировать расчетную модель по фактической продолжительности отопительного периода возможно с использованием следующего алгоритма:
- Для заданного региона путем статистической обработки метеоданных определяется зависимость от наружной температуры продолжительности отопительного периода и показателя градусо-суток [6] (см. табл.).
- На основе баланса трансмиссионных теплопотерь с учетом инфильтрации воздуха и внутренних теплопоступлений с учетом инсоляции определяется «балансовая» температура наружного воздуха, которая задает границы отопительного периода. При определении теплопоступлений за счет инсоляции проводятся итерации, так как интенсивность падающей солнечной радиации меняется в зависимости от периодов года.
- По метеотаблице определяются фактическая продолжительность отопительного периода и показатель градусо-суток. Далее, по известным формулам определяются трансмиссионные теплопотери, теплопоступления и нагрузка на систему отопления за отопительный период.
Нуждается в корректировке включение в основную расчетную формулу стандарта (1) в состав «общих теплопотерь здания через ограждающую оболочку здания» расходов теплоты на нагрев приточного воздуха по следующим соображениям:
- Продолжительность периода работы системы отопления и теплоснабжения систем вентиляции в общем случае не совпадает. В некоторых зданиях теплоснабжение систем вентиляции обеспечивается до температуры наружного воздуха +14…+16 ˚C. В ряде случаев и в холодный период года необходимо определять тепловые нагрузки на вентиляцию не по «явному» теплу, а с учетом энтальпийного теплообмена. Работа воздушно-тепловых завес также не всегда вписывается в отопительный режим.
- «Потребительский подход», устанавливающий баланс между уровнем теплозащиты ограждений и нагрузками на отопление, не корректно распространять на системы вентиляции. Теплоснабжение систем механической вентиляции напрямую не связано с уровнем теплозащиты ограждений.
- Распространять коэффициент β, «учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления, связанное с дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов…», на теплопотребление систем механической вентиляции также неправомерно.
Откорректировать расчетную модель возможно, обеспечив раздельный расчет тепловых нагрузок на системы отопления и механической вентиляции. Для гражданских зданий с естественной вентиляцией расчетная модель может быть сохранена.
Основными направлениями энергосбережения в системах механической вентиляции являются утилизация теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного и системы с переменным расходом воздуха.
Стандарт следовало бы дополнить соответствующими показателями снижения тепловых нагрузок, а также разделом, связанным с определением энергетических годовых нагрузок на системы холодоснабжения и кондиционирования воздуха. Алгоритм расчета этих нагрузок такой же, как и для отопления, но по фактической продолжительности периода работы системы кондиционирования воздуха и показателя градусо-суток (энтальпийных суток) в переходный и теплый периоды года. Потребительский подход для зданий с кондиционированием воздуха рекомендуется расширить оценкой уровня теплозащиты наружных ограждений не только для холодного, но и для теплого периода года [6].
Целесообразно в стандарте регламентировать годовое потребление электрической энергии системами инженерного обеспечения зданий:
- привод насосов в системах отопления, водоснабжения, холодоснабжения;
- привод вентиляторов в системах вентиляции и кондиционирования воздуха;
- привод холодильных машин;
- расходы электроэнергии на освещение.
Методических затруднений определение годовых затрат электрической энергии не вызывает.
Нуждается в уточнении показатель компактности здания, представляющий собой размерную величину – отношение общей поверхности наружных ограждений к объему здания (1/м). По логике стандарта, чем ниже этот показатель, тем выше энергоэффективность здания. Если сравнить двухэтажные здания размерами в плане 8 × 8 м, одно высотой 8 м, а второе 7 м, то первое будет иметь показатель компактности 0,75 (1/м), а второе худший – 0,786 (1/м).
В то же время теплопотребляющая поверхность первого здания будет на 24 м2больше при одной и той же полезной площади и оно будет более энергоемким.
Предлагается ввести другой безразмерный показатель компактности здания – отношение полезной отапливаемой площади здания к общей площади наружных ограждений. Эта величина корреспондируется и с нормативами стандарта (энергоемкость на 1 м2 площади), и с другими удельными показателями (площадь, приходящаяся на одного жителя, сотрудника, внутренние удельные тепловыделения и т. п.). Кроме того, она однозначно характеризует энергоемкость объемно-планировочных решений – чем ниже этот показатель, тем выше энергоэффективность:
Kз = Sо / Soбщ, (4)
где Sобщ – общая площадь наружных теплотеряющих ограждений;
So – отапливаемая площадь здания.
Принципиально важно ввести в энергетический паспорт возможность учета характеристик проекта по регулированию, автоматизации и управлению инженерными системами:
- автоматика перевода систем отопления в дежурный режим;
- алгоритм управления системами вентиляции с изменением температуры приточного воздуха и его расхода;
- динамика систем холодоснабжения, в том числе с использованием аккумуляторов холода;
- управляемые системы освещения с датчиками присутствия и освещенности.
У проектировщиков должен быть инструмент оценки влияния энергосберегающих решений на показатели энергоемкости здания.
Целесообразно включить в состав энергетического паспорта раздел по контролю соответствия фактической энергоемкости здания проектным показателям. Это нетрудно выполнить, основываясь на интегральных показателях домового коммерческого учета тепловой и электрической энергии, расходуемой на системы инженерного обеспечения, с использованием фактических данных метеонаблюдений за год.
Для жилых зданий целесообразно внутренние тепловыделения относить к общей площади квартиры, а не к жилой. В типовых проектах соотношение жилой площади и общей меняется в широких пределах, а в распространенных зданиях со «свободной планировкой» оно вообще не определено.
Для общественных зданий целесообразно ввести показатель теплонапряженности режима эксплуатации и ранжировать его, например, на три категории в зависимости от недельного режима работы, энерговооруженности рабочего места и площади, приходящейся на одного сотрудника, и, соответственно, задавать средние тепловыделения. Имеется достаточная статистика по тепловыделениям оргтехники.
Если этот показатель не регламентировать, то введением произвольных коэффициентов использования оргтехники 0,4, неодновременности заполнения помещения 0,7 можно достичь в офисных помещениях показателя внутренних тепловыделений 6 Вт/м2 (в стандарте – пример высотного здания). В разделе холодоснабжения этого проекта расчетная потребность в холоде не менее 100 Вт/м2, а осредненное значение внутренних тепловыделений задано на уровне 25–30 Вт/м2.
В Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» поставлена задача маркировки энергоэффективности зданий как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации.
Следовало бы в последующих редакциях стандарта учесть результаты дискуссий в НП «АВОК» об учете внутренних тепловыделений в жилых зданиях в расчетном режиме (определении установочной мощности систем отопления) и о настройке термостатов на температуру внутреннего воздуха в квартирах как оборудованных, так и не оборудованных поквартирными приборами учета.
Наработки специалистов НП «АВОК» – Ю. А. Табунщикова, В. И. Ливчака, Е. Г. Малявиной, В. Г. Гагарина, авторов статьи – позволяют рассчитывать на создание в ближайшем времени методики определения энергоемкости зданий, адекватно учитывающей основные факторы воздушно-теплового режима.
НП «АВОК» приглашает к сотрудничеству всех заинтересованных специалистов для решения этой актуальной задачи.
Литература
1. Рысин С. А. Вентиляционные установки машиностроительных заводов: Справочник. – М. : Машгиз, 1961.
2. Справочник по теплоснабжению и вентиляции в гражданском строительстве. – Киев: Госстройиздат, 1959.
3. МГСН 2.01-99. Энергосбережение в зданиях.
4. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
5. МГСН 4.19-2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве.
6. Энергетический паспорт проекта здания. Стандарт АВОК. 2009.
7. СНиП 23-01-99. Строительная климатология.
8. Наумов А. Л. Оценка расхода теплоты на отопление и вентиляцию в жилых зданиях // АВОК. – 2007. – № 8.
9. АВОК. – 2009. – № 6; – 2010. – № 2.