| К вопросу определения 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 энергоемкости строящихся и эксплуатируемых зданий. 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]. В 2009 г. был разработан для г. Москвы стандарт НП «АВОК» «Энергетический паспорт проекта здания к СНиП 23-02, МГСН 2.01 и МГСН 4.19» [5]. В этом документе в значительной степени удалось устранить недочеты предыдущих методик определения удельных энергетических показателей здания, но вместе с тем, с нашей точки зрения, и он нуждается в уточнениях. 1. 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, т.к. корректируются величиной сопротивления теплопередачи. Затраты тепла на нагрев вентиляционного воздуха напрямую зависят от температуры наружного воздуха. Целесообразно устанавливать показатели удельных затрат энергии а расчете на 1м2 в зависимости от климатической зоны. 2. Правильно ли для всех жилых и общественных зданий при определении тепловых нагрузок на системы отопления и вентиляции устанавливать одинаковую для заданного региона продолжительность отопительного периода, соответствующие показатели градусо-суток и средней температуры наружного воздуха? Напомним, что сроки отопительного периода определяются для теплоснабжающих организаций из условия установления среднесуточной температуры наружного воздуха за 5-дневный период +8о С, а для ряда медицинских и образовательных учреждений +10оС. 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 +18-20о С. 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. Эти изменения привели к тому, что в ряде жилых новостроек фактические сроки потребности в отоплении сместились к наружной температуре +3 - +5о С, а в офисах с напряженным графиком работы к 0 - +2о С 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 г. Москве за 2008 г. при переходе от «стандартной» наружной температуры +8о С с 216 суток снижается при +4о С до 181 суток, при +2о С до 128 суток, а при 0о С до 108 суток, показатель градусо-суток снижается соответственно до 81, 69 и 51% от базового уровня при +8о С. Таблица 1. Изменение годовой нагрузки на систему отопления в зависимости от продолжительности отопительного периода
В таблице 1 приведены обработанные данные метеонаблюдений за 2008 г.. Не трудно показать на примере вероятные ошибки недоучета фактической продолжительности отопительного периода. Воспользуемся примером для высотного здания, приведенным в Стандарте НП «АВОК»: - теплопотери здания 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,
где Qht - теплопотери здания; Qint- теплопоступления от инсоляции; Qz- внутренние тепловыделения; ν = 0,8, ς = 1, β = 1,13 – поправочные коэффициенты. Подставив наши значения в эту формулу, получим: [7.644.445 – (2.614.220 + 7.009.724) 0,8 1,0] 1,13 = -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 +3о С. 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 теплопоступлений за счет инсоляции и бытовых тепловыделений. Исходные данные взяты из примере для 20-ти этажного односекционного дома из энергетического паспорта [ 5]: - поверхность наружных ограждений – 10856 м2; - приведенный коэффициент теплопередачи – 0,548 Вт/(м2 оС); - внутренние тепловыделения в жилой зоне – 15,6 Вт\м2, в общественной – 6,07 Вт/м2; - кратность воздухообмена - 0,284 1/час; - величина воздухообмена – 12996 м3/час. Расчетная среднесуточная величина инсоляции в апреле составит – 76626 Вт, в сентябре-октябре – 47745 Вт. Расчетная величина среднесуточных бытовых тепловыделений составит – 84225 Вт. Таким образом, баланс теплопотерь и теплопоступлений весной наступит при температуре наружного воздуха +4,4о С, а осенью при +7,2о С. Соответственно 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] (табл. 1); - на основе баланса трансмиссионных теплопотерь с учетом инфильтрации воздуха и внутренних теплопоступлений с учетом инсоляции определяется «балансовая» температура наружного воздуха, определяющая 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 (см. п. 1) определяется фактическая продолжительность отопительного периода и показатель градусо-суток. Далее по известным формулам определяются трансмиссионные теплопотери, теплопоступления и нагрузка на систему отопления за отопительный период. 3. Представляется не корректным 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 совпадают. В ряде зданий теплоснабжение систем вентиляции обеспечивается до температуры наружного воздуха +14-16о С. 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 некий баланс между уровнем теплозащиты ограждений и нагрузками на отопление не корректно распространять на системы вентиляции. Теплоснабжение систем механической вентиляции на прямую не связано с уровнем теплозащиты ограждений; - распространять коэффициент b, «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. 4. В Стандарте отсутствует раздел, связанный 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]. 5. 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. 6. 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 х 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 м2 больше 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. Этот показатель корреспондируется и с нормативами Стандарта (энергоемкость на 1 м2 площади), и с другими удельными показателями (площадь, приходящаяся на одно жителя, сотрудника, внутренние удельные тепловыделения и т.п.). Кроме того, он однозначно характеризует энергоемкость объемно-планировочных решений – чем ниже показатель, тем выше энергоэффективность.
где Àì.î. - общая площадь наружных теплотеряющих ограждений; Àî.ï.- отапливаемая площадь здания. 7. 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 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. 8. 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. 9. 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. 10. Для общественных зданий целесообразно ввести показатель теплонапряженности режима эксплуатации и ранжировать, 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 введение произвольных коэффициентов использования оргтехники 0,4, неодновременности заполнения помещения 0,7 можно достичь в офисных помещениях показатель 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 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. Наработки специалистов НП «АВОК» Ю.А. Табунщикова, В.И. Ливчака, Е.Г. Малявиной, В.Г. Гагарина, авторов статьи позволяют рассчитывать на создание в ближайшее время 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. С.А. Рысин. «Вентиляционные установки машиностроительных заводов». Справочник. Машгиз, М., 1961 2. СНиП 2.04.07-86*. Тепловые сети 3. МГСН 2.01.-99. Энергосбережение в зданиях 4. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий 5. Стандарт НП «АВОК». «Энергетический паспорт проекта здания». 2009 г. 6. А.Л. Наумов. «Оценка расхода теплоты на отопление и вентиляцию в жилых зданиях». АВОК № 8, 2007 г. 7. СНипП 23-01-99. Строительная климатология |
(1)
(2)