О МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ

О МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ
УДК 697.1
Доц., канд. техн. наук О.Д. Самарин
В статье [1] предложен проект Территориальных строительных норм проектирования энергосберегающих зданий, разработанный в рамках РНТО строителей коллективом авторов под руководством Г.С. Иванова. Концепция
работы направлена на комплексное применение экономически оптимальных энергосберегающих мероприятий, способствующих развитию отечественной промышленности и строительства. Однако представленные
предложения по расчету энергетических показателей ориентированы практически только на жилые здания, они не содержат рекомендаций по оценке потребления электроэнергии на освещение, бытовыми электроприборами и
инженерными системами объекта. Кроме того, в данной работе недостаточно изложены сведения по оценке бытовых тепловыделений, а в ряде приведенных формул присутствуют досадные ошибки.
В предлагаемой статье рассматривается методика оценки энергоэффектив- ности, соответствующая концепции работы [1] и являющаяся ее дальнейшим развитием. Это позволяет применять данную методику для зданий
любого типа и уже на стадии определения основных параметров проекта учитывать наиболее важные энергосберегающие мероприятия, выбирая их оптимальные сочетания с целью минимизации капитальных и
эксплуатационных затрат по достижению необходимого уровня энергопотребления. Последний выявляется в соответствии с основной идеей работы [1] по требованию потребителя исходя из заданного относительного
снижения энергопотребления по сравнению с базовым вариантом, представляющим собой аналогичное здание без примене- ния энергосберегающих мероприятий. Таким образом, в отличие от действую- щих нормативных
документов величина энергопотребления не нормируется жестко, что дает возможность учитывать все технико-экономические и иные факторы, избегая неоправданных решений, в первую очередь по теплозащите.
Основой методики является предложение об оценке энергетической эксп-луатационной характеристики здания, которую следует принимать равной удельным суммарным затратам ΣQi тепловой и электрической энергии,
кВт·ч/(м2·год), т.е. на 1 м2 отапливаемой площади здания за один отопительный период в годовом цикле эксплуатации за вычетом теплопоступлений Qтп от людей, электробытовых приборов и солнечной радиации через
световые про- емы. Затраты энергии при этом складываются из трансмиссионных теплопотерь Q1 за счет теплопередачи через ограждающие конструкции оболочки зданий, энергозатрат Q2 на подогрев инфильтрующегося
холодного воздуха или воздуха для вентиляции помещений здания, энергозатрат на горячее водоснабжение Q3, энергопотребления всеми электроприводами инженерных систем здания (механическая вентиляция,
кондиционеры, насосы водоснабжения, лифты и др.) Q4 и электропотребления на освещение помещений, а также электро- бытовыми приборами (кухонные плиты, стиральные машины, компьютеры, телевизоры и пр.) Q5.
Для расчета составляющих затрат Qi и теплопоступлений Qтп используют- ся проектные данные о конструкции здания, его суммарном воздухообмене, технологической загрузке и режиме работы, а также применяемых
энергосбере- гающих мероприятиях и характеристиках отопительно-вентиляционного обору- дования. При этом привлекаются необходимые справочные сведения из дейст- вующих нормативных документов, в том числе
климатические характеристики района строительства, коэффициенты добавочных теплопотерь с учетом ориен- тации ограждений и округления мощности отопительных приборов, нормы расхода горячей воды и
электроэнергии на освещение, электроприборы и привод инженерных систем, коэффициенты спроса на электроэнергию, интен- сивность солнечной радиации и т.д., а также результаты натурных исследова- ний
эффективности энергосберегающих мероприятий.
Для общественного здания с механической приточно-вытяжной вентиля- цией результаты определения энергетических показателей по рассматриваемой методике приведены в табл. 1. В качестве примера там же указаны
результаты определения энергетических показателей для здания средней школы в Москве по типовому проекту 221-1-25-387 [2].
Для выявления абсолютной и относительной эффективности энергосбе- регающих мероприятий расчет проводился по двум вариантам. Вариант 1 (базисный) предусматривал устройство наружных ограждений по требованиям
[3] до внесения изменений №3 и №4 при отсутствии других энергосберегающих мероприятий. Вариант 2 предполагал применение наружных ограждений с оптимальной теплозащитой по методике [4], индивидуальное
автоматическое регулирование теплоотдачи системы отопления для использования бытовых тепловыделений и теплопоступлений от солнечной радиации, утилизацию теплоты вытяжного воздуха с промежуточным
теплоносителем (температурная эффективность kэф = 0,5), а также установку смесителей с левым расположе- нием крана горячей воды и кранов с регулируемым напором в системе горячего водоснабжения (коэффициент
снижения расхода воды kh = 0,94).
В расчетах термические сопротивления несветопрозрачных ограждений по варианту 2 определены в соответствии с методикой [4] при отношении коэффи- циентов теплотехнической однородности ограждающих конструкций
до и пос- ле утепления, равном 1, стоимости дополнительных единовременных затрат сверх стоимости материала утеплителя Ср = 90 р./м2, стоимости утеплителя (плиты минераловатные П-125) Сут = 850 р./м3 [10] и его
теплопроводности
λут = 0,042 Вт/(м·К) [11].
Кроме того, при расчете бытовых теплопоступлений на 1 м2 отапливаемой площади в качестве источников использованы поступления теплоты от людей, освещения, электроприборов и приводов инженерных систем с учетом
приведенных в табл. 1 значений Nчел, zp.i, Nпр.i, Nэ.i, kсп.i и Fот. Интенсивность солнечной радиации через окна Ii, МДж/м2, определена по табл.4 [6]. При расчете энергетической эксплуатационной характеристики
теплопоступления в варианте 1 не учитывались из-за отсутствия индивидуального автоматического регулирования теплоотдачи системы отопления.
В табл. 2, составленной по типу приведенных в работе [4] результатов оп- ределения составляющих энергетической эксплуатационной характеристики проектируемого здания с учетом рассмотренных в предлагаемой статье
допол- нений и усовершенствований, показаны абсолютные и относительные значения снижения энергопотребления исследуемого здания за счет применяемых в варианте 2 энергосберегающих мероприятий. Легко видеть, что
большинство этих мероприятий дает сопоставимый энергосберегающий эффект, за исключе- нием, может быть, переоборудования системы горячего водоснабжения, пос- кольку в данном случае очень мал нормативный
расход горячей воды.
В частности, можно заметить, что дополнительное утепление несвето- прозрачных ограждений – отнюдь не самое эффективное мероприятие, и во всяком случае ни о какой 40%-ной экономии, как об этом заявляют в работе
[12] авторы изменений №3 и №4 к [3], говорить не приходится. В лучшем случае 40%-ное снижение может быть достигнуто только по отношению к трансмиссионным теплопотерям Q1, а о наличии остальных составляющих
энергозатрат упомянутые специалисты, по-видимому, забыли.
Заметим, что определенные в варианте 2 по методике [4] экономически целесообразные термические сопротивления несветопрозрачных ограждений примерно на 15 – 20% ниже требуемых по табл. 1Б [3]. К тому же
нормируе- мая в [5] величина энергопотребления не включает затраты электроэнергии и потому с точки зрения рассматриваемой методики является заниженной, а коэффициент компактности исследуемого объекта близок к
среднему для всей группы зданий данного типа [2], т.е. никакой экономии за счет использования объемно-планировочных решений нет. Но, несмотря на все это, суммарная эксплуатационная характеристика по варианту 2
оказалась заметно меньше требуемого в табл. 3.3 [5] уровня в 175 кВт·ч/(м2·год), а суммарное снижение энергопотребления составило 65,6% от исходного значения.
Таблица 1
Результаты определения энергетических показателей
Значение
Параметр
Обозначение,
формула
Ед. изм.
Вар.1
Вар.2
1
2
3
4
5
Число учащихся
Площадь остекления
Nчел
Fок
Чел.
м2
392
464
Площадь наружных стен (без окон)
Fн.с
м2
1014
Площадь покрытия
Fпт
м2
1397
Площадь перекрытия над техподпольем
Fпл
м2
1397
Коэффициент остекления
Ко
-
0.314
Отапливаемая площадь
Fот
м2
2794
Отапливаемый объем
V
м3
10102
Средняя температура внутреннего воздуха
tв, табл.3.1 [5]
оС
+20
Средняя температура наружного воздуха за отопительный период
tо.п, табл.1 [6]
оС
-3.1
Продолжительность отопительного
периода
Zо.п, табл.1 [6]
сут
214
Характеристика отопительного периода
М = 0,024·(tв – tо.п) Zо.п [1]
тыс.°С×ч
118,6
Сопротивление теплопередаче стен
Rнс
м2×°С/Вт
0,92
2,77
То же покрытия
Rпт
м2×°С/Вт
1,66
3,70
То же перекрытия над техподпольем
Rпл
м2×°С/Вт
1,38
3,25
Сопротивление теплопередаче окон
Rок
м2×°С/Вт
0,42
0,54
Суммарная площадь наружных ограждений
Fобщ
м2
4272
Коэффициент n наружной стены
nн.с, табл.3 [3]
-
1
То же покрытия
nпт, табл.3 [3]
-
1
То же перекрытия над техподпольем
nпл, табл.3 [3]
-
0,6
То же окон
nок, табл.3 [3]
-
1
Коэффициент компактности
Ккомп=Fобщ/Vзд
м-1
0,423
Коэффициенты добавочных тепло- потерь
β1, β2, пп.3.5.2, 3.5.6 [5]
-
1,1; 1,13
Трансмиссионные теплопотери
Q1= β1·β2·М·Σ(niFi/Ri)·10-3
МВт·ч/год
538,8
Расчетный воздухообмен (по про-екту)
Lрасч [2]
м3/ч
15200
Кратность воздухообмена (в рабочее время)
Крраб = Lрасч/V
ч-1
1,505
То же в нерабочее время (принято)
Крн
ч-1
0,5
Коэффициент эффективности устройств теплоутилизации
kэф
-
0
0,5
Коэффициент учета встречного теплового потока
k, п.3.5.3 [5]
-
0,8
0,7
1
2
3
4
5
Рабочее время (исходя из режима работы)
Эффективная кратность воздухообмена
zр
ч/сут
10
Кр=[(1–kэф)·zр·Крраб+ +k·(24–zр)·Крн]/24
ч-1
0,86
0,52
Энергозатраты на подогрев воздуха для вентиляции
Q2 = 0,33·М·V·Кр·10-3
МВт·ч/год
340,0
205,6
Норма расхода горячей воды в средние сутки
qhu,m, прил.3 [7]
л/сут
1333 = 3,4·Nчел
Перепад температур в системе горячего водоснабжения
Δt, п.2.2 [7]
К
55
Коэффициент снижения расхода горячей воды
kh [8]
-
1
0,94
Энергозатраты на горячее водоснабжение
Q3 = qhu,m·1,163·10-6´
´Δt·Zоп·kh
МВт·ч/год
18,2
17,1
Мощность электроприводов инже- нерных систем
Nпр.i [2]
кВт
20
Коэффициент спроса для электро- приводов
kсп.i, табл.11 [9]
-
0,5
Энергопотребление электроприводами инженерных систем
Q4 =ΣNпр.i·kсп.i·zp.i·Zоп×10-3
МВт·ч/год
21,4
Удельная нагрузка на освещение и электроприборы
nэ.i, табл.15 [9]
кВт/1 уч.
0,22
Мощность освещения и электроприборов
Nэ.i = nэ.i·Nчел
кВт
86,2
Коэффициент спроса для освеще- ния и электроприборов
kсп.i, табл.7 [9]
-
0,76
Электропотребление на освещение электроприборами
Q5 = ΣNэ.i·kсп.i ·zp.i·Zоп·10-3
МВт·ч/год
140,2
273,9
Окончание табл. 1
Бытовые теплопоступления на 1 м2 отапл. площади
qбыт (по расчету)
Вт/м2
14,9
Бытовые тепловыделения
Qбыт =
= 24·qбыт·Zоп·Fот·10-6
МВт·ч/год
213,1
Коэффициент затенения светового проема
tок, табл.3.4 [5]
-
0,65
0,5
Коэффициент относит. проникания солн. радиации
kок, табл.3.4 [5]
-
0,57
0,83
Теплопоступления от солн. радиации через окна
Qрад = tок·kок·Σ(Fок.i·Ii/3600)
МВт·ч/год
72,2
80,9
Суммарные теплопоступления
Qтп = Qбыт + Qрад
МВт·ч/год
-
294,0
Энергетическая эксплуатацион- ная характеристика
q =(ΣQi – Qтп)·103/ Fот
кВт·ч/
/(м2·год)
378,9
130,4
Таблица 2
Сравнительная эффективность энергосберегающих мероприятий
Утепление несветопрозрачных наружных ограждений
Снижение
энергопотребления
кВт·ч/(м2·год)
81,7
%
21,6
Замена двойного остекления на тройное:
повышение термического сопротивления
снижение неорганизованного воздухообмена
Утилизация теплоты вытяжного воздуха
12,9
4,1
44,3
3,4
1,1
11,7
Установка смесителей с левым расположением крана горячей воды и кранов с регулируемым напором
0,4
0,1
Учет бытовых тепловыделений
76,2
20,1
Учет теплопоступлений от солнечной радиации через окна
28,9
7,6
Итого
248,5
65,6
Энергосберегающие мероприятия
Иначе говоря, только комплексное использование различных энергосбере- гающих мероприятий позволяет достичь максимального энергосберегающего эффекта при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.
Приве- денные таблицы 1 и 2 представляют собой рациональную форму энергетичес- кого паспорта здания. Предлагаемая методика дает возможность нормативного учета всех допустимых мероприятий на этапе
проектирования здания и их оп- тимального распределения с точки зрения получаемого снижения энергопот- ребления. Кроме того, в отличие от методики [5] она существенно проще и не перегружена большим количеством
малосущественных показателей, что долж- но облегчить ее применение и уменьшить недовольство проектировщиков от введения в проекты раздела «Энергоэффективность».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Территориальные строительные нормы проектирования энергосберегающих зданий (Проект) // Окна и двери. 2002. № 1. С. 41 – 46.
2. Строительный каталог. Перечень типовой документации общественных зданий для строительства в городах и поселках городского типа. М.: ГУП ЦПП, 1994.
3. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М.: ГУП ЦПП, 1998.
4. Иванов Г.С. Методика оптимизации уровня теплозащиты зданий // Стены и фасады. 2001. № 1-2. С. 7 – 10.
5. МГСН 2.01-99. Энергосбережение в зданиях. М.: Москомархитектура, 1999.
6. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. М.: ГУП ЦПП, 2000.
7. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий. М.: ГУП ЦПП, 2000.
8. Васильев Г.П. Результаты натурных исследований теплового режима экспери- ментального энергоэффективного дома // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. № 6. С. 3 – 5.
9. ВСН 59-88. Электрооборудование жилых и общественных зданий. М.: Госкомархитектура, 1988.
10. Стройка. 2003. №19. С. 101 – 103.
11. Румянцева И.А. Эффективные теплоизоляционные материалы и изделия в московском строительстве //Сб. докл. конф. НИИСФ. 2001. С. 227 – 234.
12. Матросов Ю.А., Бутовский И.Н. В XXI веке жить в России по новым энерго- эффективным стандартам. Ч.1 // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2001. № 7. С. 8 – 9.