Расчет теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий как основы энергосбережения. Новое руководство АВОК

Расчет теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий - основа энергосбережения. Новое руководство АВОК

В. И. Ливчак, вице-президент НП «АВОК»,начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы

Когда-то древний философ, изучая строение мира, пришел к выводу, что чем больше он знает, тем больше понимает, что ничего не знает. Так и в нашей технике инженерных систем. Наконец-то на многих тепловых пунктах в зданиях или ЦТП появились приборы учета тепловой энергии. По ним может быть выполнено измерение потребленного за какой-то период количества тепла, но тут же возникает вопрос: а много это или мало?

Есть ли резерв сокращения этого количества и за счет чего? Сначала разберемся в исходных позициях.

Основной в этой области техники СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» и его предшественник, СНиП 2.04.05-91, не дают ответа на поставленные вопросы.

Этот СНиП предназначен для определения расчетных расходов тепла, для выбора оборудования и конструирования описываемых систем. Поэтому в последних редакциях этого СНиП и возникла нечеткость в понимании величины расчетной температуры внутреннего воздуха в жилых и административных зданиях.

Под девизом удовлетворения потребностей жителей восстановлен статус-кво о необходимости поддержания внутренней температуры на комфортном уровне - 20 °С, вместо принятого в предыдущем СНиП 2.04.05-86 значения в 18 °С.

И это правильно, т. к. длительное поддержание температуры воздуха в помещении, где находятся люди в спокойном состоянии, на уровне 18 °С воспринимается ими некомфортно.

Однако поскольку СНиП регламентирует расчетные параметры, температура воздуха в 20 °С автоматически перешла для поддержания и в расчетных условиях, что неприемлемо, т. к. это влечет за собой необходимость увеличения мощности источника примерно на 5 %.

Расчетная температура воздуха в жилых и административных зданиях должна сохраниться на том же уровне t_int = 18 °С, как это рекомендовалось в предыдущих редакциях СНиП. Из-за кратковременности периодов с расчетной наружной температурой это никогда не вызывало нарекания населения, а с учетом возрастания доли бытовых тепловыделений в тепловом балансе здания с повышением наружной температуры температура воздуха в помещениях будет автоматически повышаться от 18 °С при наружных условиях по параметру Б до 20 °С по достижении параметров А. В СНиП 2.04.07-86 «Тепловые сети» в Приложении 22 (из последнего СНиП 41-02-2003 с тем же названием это приложение вообще выпало) приводится формула определения расхода тепла на отопление за отопительный период:

Q_o^y = 86,4 Q_omax * n_о * (t_int - t_ext^ср) / (t_int - t_ext).

Однако эта формула справедлива только для общественных и производственных зданий, в которых при определении расчетного расхода тепла на отопление внутренние (бытовые) тепловыделения не учитываются.

В жилых зданиях расчетный расход тепла на отопление определяется путем вычитания бытовых тепловыделений из теплопотерь через наружные ограждения и на нагрев инфильтрующегося воздуха:

Q_o = Q_ht + Q_inf - Q_int.

Поэтому нахождение по формуле СНиП расхода тепла на отопление за отопительный период будет означать, что бытовые тепловыделения уменьшаются, как и теплопотери здания с повышением наружной температуры, в то время как они практически неизменны в течение всего отопительного периода.

Из этого следует, что, как это и было рекомендовано в [1, 2, 3], расход тепла на отопление жилых зданий при отличающейся от расчетной наружной температуре (с индексом т - текущая) должен определяться по иной формуле, чем приведена в СНиП 2.04.07-86*:

Q_о ^т = (Q_omаx + Q_int) * (t_int^т - t_ext^т) / (t_int - t_ext) - Q_int.

Здесь t_int = 18 °C, t_int^т = 20 °С.

Несмотря на неоднократные обращения в Госстрой и к авторам СНиП о включении этого определения в СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование», оно было проигнорировано.

И наоборот, возобладала тенденция ничем не обоснованного и не подтвержденного испытаниями снижения удельной величины бытовых тепловыделений в квартирах с 30 Вт/м² площади пола жилых комнат в СНиП 11-33-75 (обоснованное натурными тепловыми испытаниями ряда зданий в течение нескольких отопительных сезонов в 1970-х годах [1, 2, 3]), уточнения до 21 Вт/м² площади пола жилых комнат и кухни в издании СНиП 1982 года и до не менее 10 Вт/м² в СНиП 2.04.05-91* - издания 1999 года.

И только в 1995 году в Своде правил по проектированию тепловых пунктов СП 41-101-95, в разработке которого принимало участие НП «АВОК», была включена эта зависимость при расчете температурных графиков регулирования подачи тепла на отопление жилых зданий (Приложение 18).

А далее в полном объеме методика определения расхода тепла на отопление за отопительный период была приведена в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» для расчета удельного расхода тепла, по которому оценивалась энергоэффективность проекта здания. Эта методика была предварительно «обкатана» на Московских городских нормах МГСН 2.01-99 «Энергосбережение в зданиях» [4].

В связи с этим интересно отметить, что одно из первых упоминаний в литературе о необходимости учета бытовых тепловыделений в жилых домах при определении расхода тепла на отопление было в 1948 году [5], а о бытовых тепловыделениях и инфильтрации наружного воздуха в полном объеме в многоэтажных зданиях - в 1951 году [6]. И только в 1975 году как обязательноерешение это было включено в СНиП 11-33-75. В СНиП 23-02-2003 дан дифференцированный подход в зависимости от степени расчетной заселенности квартир к принятию величин удельных бытовых тепловыделений и нормируемого воздухообмена. При средней заселенности 20 м²/чел. общей площади квартиры менее рекомендуется принимать 17 Вт/м² площади жилых комнат с постепенным снижением удельной величины до 10 Вт/м² при заселенности 45 м²/чел. Норму воздухообмена рекомендуется принимать при заселенности до 20 м²/чел. - 3 м³/ч на м² площади жилых комнат, а при большей площади на одного человека - 30 м³/ч на жителя, но не менее 0,35 обмена в час от объема квартиры.

При определении количества потребленного тепла на отопление за отопительный период рекомендовано учитывать эффективность принятой системы автоматического регулирования отопления и теплопоступления через наружные светопрозрачные конструкции от солнечной радиации с учетом ориентации фасадов по 8 румбам, интенсивности ее при действительных условиях облачности, затенения светового проема непрозрачными элементами и относительного проникания ее через светопропускающие заполнения окон [7].

СНиП 23-02-2003 предназначен для проектирования новых зданий и реконструкции. А как быть с эксплуатируемыми зданиями, в которых воздухообмен может превышать нормируемый из-за большой воздухопроницаемости оконных проемов, или сопротивление теплопередаче наружных ограждений отличается от проектного значения?

На эти вопросы отвечает разработанное НП «АВОК» по заданию Департамента топливно-энергетического хозяйства г. Москвы руководство «Расчет теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий», в основу которого положена методика, изложенная в Приложении Г СНиП 23-02-2003.

Количество тепловой энергии, требуемой для отопления и вентиляции жилых зданий за отопительный или иной период Q_h^y, определяется по следующей формуле:

Q_hy=[Q_tr y + Q_inf y - (Q_int y + Q_ins y) * * ] * _hl , (1)

где Q_tr^y - теплопотери здания через наружные ограждения за отопительный период, кВт*ч, которые рассчитываются с учетом площади каждого ограждения и его приведенного сопротивления теплопередаче. Сопротивление теплопередаче может быть принято по проекту или рассчитано в соответствии с СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» с учетом фактической конструкции.

Q_inf^y - теплопотери здания за счет вентиляционного воздухообмена с учетом инфильтрации через окна и входные двери в зависимости от их сопротивления воздухопроницанию и действующего гравитационного и ветрового напоров.

Сопротивление воздухопроницанию может быть задано исходя из сертификата на изделие либо получено по результатам натурных испытаний. При наличии встроенных помещений общественного назначения воздухообмен в них определяется в зависимости от назначения помещений и режима работы раздельно в рабочее и нерабочее время. Приводятся два метода расчета инфильтрационной составляющей теплопотерь, в основном тексте по упрощенной схеме: для квартир по норме воздухообмена в них, для лестнично-лифтовых узлов - в долях от воздухообмена в квартирах, для помещений общественного назначения - по норме воздухообмена в рабочее время и по кратности обмена в нерабочее время.

В двух приложениях дается более точный метод расчета - в зависимости от располагаемого перепада давления воздуха на внутренней и наружной поверхности ограждения и воздухопроницаемости изделий, причем по разным методикам для зданий строительства до 2000 года с негерметичными окнами и с сопротивлением воздухопроницанию более 0,9 м²*ч/кг.

Q_int^y - бытовые теплопоступления в квартирах и в помещениях общественного назначения за отопительный период, кВт*ч.

Q_ins^y - нормативные теплопоступления через наружные светопрозрачные ограждения от солнечной радиации с учетом ориентации фасадов по 8 румбам за отопительный период, кВт*ч.

- коэффициент, учитывающий снижение использования теплопоступлений в периоды превышения их над теплопотерями помещений, = 0,8 для зданий с улучшенной теплозащитой и = 0,85 для зданий строительства до 2000 года и не подвергавшихся капитальному ремонту.

- коэффициент эффективности систем автоматического регулирования подачи тепла на отопление; рекомендуемые значения: = 1,0 - в системе отопления с термостатами и с пофасадным авторегулированием на узле управления или поквартирной горизонтальной разводкой; = 0,9 - в однотрубной системе с термостатами и с центральным авторегулированием на узле управления или в однотрубной системе без термостатов и с пофасадным авторегулированием на вводе; = 0,85 - в однотрубной системе с термостатами и без авторегулирования на вводе; = 0,95 - в двухтрубной системе отопления с термостатами и с центральным авторегулированием на вводе; = 0,9 - в двухтрубной системе отопления с термостатами без авторегулирования на вводе; = 0,7 - в системе без термостатов и с центральным авторегулированием на вводе с коррекцией по температуре внутреннего воздуха; = 0,6 - то же без коррекции по температуре внутреннего воздуха; = 0,5 - в системе без термостатов и без авторегулирования на вводе - регулирование температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха, центральное в ЦТП или котельной.

_hl - коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления, связанное с дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, с их дополнительными теплопотерями через зарадиаторные участки ограждений, теплопотерями трубопроводов, проходящих через неотапливаемые помещения; рекомендуемые значения: _hl = 1,13 - для многосекционных и других протяженных зданий;_hl = 1,11 - для зданий башенного типа; _hl = 1,07 - для зданий с отапливаемыми подвалами; _hl = 1,05 - для зданий с отапливаемыми чердаками и подвалами, а также с квартирными генераторами тепла.

В руководстве приводится расчет количества тепловой энергии для горячего водоснабжения в зависимости от среднего за отопительный период объема потребления горячей воды одним пользователем в условиях обеспечения давления воды перед водозаборным краном на минимальном уровне независимо от этажа здания.

В соответствии со СНиП 2.04.01-85*, для жилых домов квартирного типа с централизованным горячим водоснабжением эта величина составляет 105 л/сутки на человека. Для других потребителей - из таблицы Приложения 3 того же СНиП. Среднечасовой за отопительный период расход тепловой энергии на горячее водоснабжение определяется с учетом потерь тепла трубопроводами в зависимости от наличия сетей горячего водоснабжения от ЦТП или размещения водонагревателей непосредственно в здании и наличия тепловой изоляции стояков (задается коэффициентом тепловых потерь).

При определении годового теплопотребления учитывается повышение температуры холодной воды в летнее время, снижение в этот же период объемов водопотребления и отключение системы на ремонт.

Эта методика позволяет определить фактическое теплопотребление горячим водоснабжением, подставляя вместо нормативного значения водопотребления фактическое, замеренное по водосчетчику, установленному на холодной воде, направляемой в водонагреватели горячего водоснабжения. А это, в свою очередь, позволяет определить теплопотребление системой отопления, когда теплосчетчик установлен на вводе трубопроводов тепловой сети в тепловой пункт здания - по разнице показаний теплосчетчика и вычисленного значения потребленного тепла горячим водоснабжением за тот же период времени.

Итак, руководство позволяет рассчитать потребление тепловой энергии на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение здания за отопительный период или за его часть при известных (или заданных) значениях сопротивления теплопередаче и воздухопроницанию ограждающихконструкций здания для сравнения с фактическим теплопотреблением, измеренным теплосчетчиком на вводе тепловой сети или на системе отопления. Этот расчет может быть использован для прогнозирования потребления тепловой энергии на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение здания с целью оценки требуемого количества топлива и лимитирования потребления.

Лимит требуемой тепловой энергии рассчитывается как количество энергии на отопление и вентиляцию за отопительный период при нормативных значениях параметров наружного климата или пересчетом на фактические величины с учетом проектных значений приведенного сопротивления теплопередаче и воздухопроницанию наружных ограждений и коэффициенте эффективности системы автоматического регулирования подачи тепла на отопление = 0,5 (наличие только центрального регулирования в ЦТП или котельной). Лимит требуемой тепловой энергии на горячее водоснабжение рассчитывается исходя из нормативного водопотребления без тепловой изоляции стояков.

Если фактическое, измеренное теплосчетчиком количество тепловой энергии превышает значение, рассчитанное как необходимое по лимиту, то это означает, что потребитель израсходовал большее количество тепла и за разницу будет платить по более высокому тарифу.

Это будет способствовать повышению социальной справедливости в обществе. Так, например, для какого-то элитного дома заказчик потребовал выполнить расчет системы отопления не на расчетную температуру воздуха 18 °С, а 21-22 °С, но лимит ему будет посчитан, как для всех, исходя из 18 °С. Система отопления потребит большее количество тепловой энергии, и за создание более высокого комфорта потребитель заплатит большие деньги.

Выполнение расчета теплопотребления зданием по руководству АВОК поможет при проведении энергоаудита выявить причины увеличенных теплопотерь и позволит оценить эффективность предложенных энергосберегающих мероприятий.

В приложении к руководству приводятся примеры расчета необходимого количества тепловой энергии на отопление и вентиляцию жилых зданий с различными теплотехническими характеристиками наружных ограждений и с разной эффективностью авторегулирования на отопление. Результаты расчета по руководству каждой составляющей теплового баланса позволяют заполнить энергетический паспорт, обязательный в соответствии с новой «Директивой Европейского союза по энергетическим показателям зданий» во всех странах Европы «…для возможности сравнения и оценки энергетических параметров здания».

И наконец, это руководство позволит более справедливо оценить долю потребления тепла каждым зданием при отсутствии домовых приборов учета тепла и измерении количества тепла только в ЦТП.

Сейчас распределение количества тепла между зданиями, подключенными к одному ЦТП, проводится пропорционально расчетному расходу тепла на отопление [8], принятому из договорных нагрузок, которые взяты из проекта.

Но, во-первых, за последние 40 лет нормативы расчета расхода тепла на отопление неоднократно менялись, что ставит под сомнение достоверность проектных данных. И, во-вторых, расчетный расход тепла позволяет оценить степень теплозащиты здания и даже изменение инфильтрационной составляющей теплопотерь в зависимости от фактической воздухопроницаемости окон (конечно, после соответствующего пересчета проектных данных), но он не может учесть эффективность принятой автоматизации системы отопления, т. к. ее наличие или отсутствие не оказывает никакого влияния на величину расчетного расхода тепла. В результате такого распределения здание, в котором установлено авторегулирование системы отопления и которое будет потреблять меньшее количество тепла по сравнению с аналогичным зданием без авторегулирования, получит одинаковый счет на оплату за якобы потребленную энергию.

Использование рассматриваемого руководства позволяет выполнить распределение тепла на отопление, измеренное в ЦТП, для каждого здания не только с учетом фактических теплотехнических характеристик его ограждений, но и с учетом эффективности принятой системы авторегулирования отопления.

Это подтверждает высказанный ранее [9] тезис о нецелесообразности при наличии измерения количества потребленного тепла в ЦТП установки теплосчетчиков в каждом доме, подключенном к этому ЦТП, т. к. используя методику этого стандарта можно довольно точно оценивать теплопотребление каждого здания.

Литература

1. Ливчак В. И. О температурном графике отпуска тепла для систем отопления жилых зданий // Водоснабжение и санитарная техника. 1973. № 12.

2. Ливчак В. И., Грудзинский М. М. Эффективность группового автоматического регулирования расхода теплоты на отопление с коррекцией по температуре внутреннего воздуха // Теплоэнергетика. 1983. № 8.

3. Грудзинский М. М., Ливчак В. И., Поз М. Я. Отопительно-вентиляционные системы зданий повышенной этажности. М.: Стройиздат, 1982.

4. Матросов Ю. А., Ливчак В. И., Щипанов Ю. Б. Энергосбережение в зданиях. Новые МГСН 2.01-99 требуют проектирования энергоэффективных зданий // Энергосбережение. 1999. № 2.

5. Мелентьев Л. А. Теплофикация, ч. II. Л.: РИСО АН СССР, 1948.

6. Ливчак И. Ф. Вентиляция многоэтажных жилых домов. М.: Госиздат, 1951.

7. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Научные основы проектирования энергоэффективных зданий // АВОК. 1998. № 1.

8. Кудряшов В. В., Ливчак В. И., Табунщиков Ю. А., Гаврилов В. Н., Шахов К. К. Методика распределения объемов и стоимости поставленной тепловой энергии между потребителями // Энергосбережение. 2002. № 1.

9. Ливчак В. И. Лучшее - враг хорошего, или об исполнении постановления Правительства Москвы № 77-ПП // Сантехника. 2005. № 1.