Оценка расхода теплоты на отопление и вентиляцию в жилых зданиях

А. Л. Наумов, вице-президент НП «АВОК», генеральный директор ООО «НПО ТЕРМЭК»

Жилищно-коммунальный сектор является одним из основных потребителей теплоэнергетических ресурсов страны. В большинстве регионов приняты программы энергосбережения, в той или иной степени направленные на экономию тепловой энергии в жилищно-коммунальный сектор.

Тем не менее, адекватных механизмов выявления и оценки потенциала энергосбережения в этом секторе к настоящему времени не принято.

Казалось бы, алгоритм этой задачи достаточно прост: сравнить показания домового теплосчетчика с контрольным значением для этого здания и измеренное превышение считать потенциалом энергосбережения, выявить причины перерасхода тепла и их устранить. Если дом не оборудован теплоизмерительным узлом, можно определить расход тепла накладным тепломером на вводе в здание.

И вообще, существует ли как таковая проблема энергосбережения во всем жилом фонде? В подавляющем большинстве случаев здания проектируются и строятся в соответствии со cтроительными нормами и правилами и мощность систем отопления выбирается правильно; в квартирах в холодный период года сохраняется температура воздуха, как правило, не ниже 18–20 °С.

Проверка удельных расходов тепла на массиве зданий (более 300) в одном из округов Москвы по итогам отопительного сезона 2006–2007 годов выявила отклонение показателей от среднего значения на 25–30 %, а расходы тепла на отдельных однотипных зданиях отличались в 2 раза. Удельные расходы тепла рассчитывались помесячно по показаниям поверенных коммерческих узлов учета тепла. Работа проводилась под методическим руководством НП «АВОК» с привлечением специалистов ООО «НПО ТЕРМЭК».

Причиной перерасходов тепла в данном случае стали не отрегулированный избыточный отпуск тепла с ЦТП и несоответствие графика отпуска тепла фактическому ходу наружной температуры воздуха. Жители нормально воспринимают «перетопы», их вполне устраивает температура воздуха зимой в квартире 24–25 °С при активной естественной вентиляции. Довольны и теплоснабжающие организации, заинтересованные в увеличении продажи своего товара – тепла. Инвесторы-застройщики не без выгоды для себя переложили «обременения» по подключению к сетям теплоснабжения на стоимость жилья.

В столице практически во всех округах сложился якобы «дефицит» тепловой энергии. Якобы – потому что с помощью малозатратных технологий регулирования отпуска тепла можно снять проблему перетопов и сберечь 10–15 % тепловой энергии, обеспечив программу строительства новостроек на 10–15 лет без ввода дополнительных теплоисточников.

Результаты экспресс-энергоаудита жилых домов представлены на рис. 1–4.

Удельный расход тепловой энергии для домов (4–5 этажей)

Удельный расход тепловой энергии для домов (6–9 этажей)

Удельный расход тепловой энергии для многоэтажных домов (более 10 этажей)

Доли отпущенного тепла (1) и доли потребности в тепле (2) для здания 16 этажей постройки 1990 года в % месячной нагрузки от годовой

На рис. 1 показаны удельные годовые нагрузки на отопление и вентиляцию для зданий высотой 4–5 этажей в зависимости от года ввода в эксплуатацию. Контрольные показатели для этой группы зданий для расчетной температуры внутреннего воздуха 18–21 °С соответствуют интервалу 0,19–0,26 Гкал/м 2 • год.

Более половины зданий имеют показатель, превышающий контрольный уровень. Общий потенциал энергосбережения в данном случае превышает 25 %. На рис. 2 и 3 приведены результаты для зданий высотой 6–9 этажей и свыше 10. Потенциал энергосбережения в этих случаях еще больший.

На рис. 4 показана динамика потребности в тепле жилого 10-этажного здания, рассчитанная по реальному изменению температуры наружного воздуха за отопительный период 2006–2007 годов (линия 1) и фактического отпуска тепла из тепловой сети (линия 2). Помимо избыточной подачи тепла имеет место и несоответствие графика отпуска тепла на ЦТП погодным условиям.

Принципиальный вопрос – какие контрольные показатели теплопотребления для каждого конкретного дома считать нормальными? Во многих регионах планируется, а в ряде населенных пунктов уже предприняты попытки ввести на каждый дом энергетический паспорт с указанием контрольного показателя теплопотребления.

В общем случае на теплопотребление конкретного здания оказывает влияние большое количество факторов, оценить которые возможно при проведении полного энергомониторинга. Но полный энергомониторинг – дорогостоящее мероприятие, требующее продолжительного времени. Только в Москве более 40 тыс. жилых зданий, и их полный энергоаудит потребует значительных финансовых ресурсов и растянется на десятилетия.

Выделим основные факторы, определяющие контрольный показатель теплопотребления здания:

1. Наружные климатические условия, определяемые показателем «градусо-сутки».

2. Уровень теплозащиты наружных ограждений здания.

3. Объемно-планировочные характеристики здания.

4. Величина бытовых тепловыделений в квартирах.

5. Наличие индивидуальных средств регулирования теплоотдачи отопительных приборов.

6. Наличие регулируемых систем вентиляции.

Ставится задача разработки достаточно простого, но корректного алгоритма определения контрольных показателей теплопотребления зданий, доступного для специалистов дирекций по эксплуатации зданий, товариществ собственников жилья, эксплуатирующих организаций.

Рассмотрим перечисленные основные факторы.

Показатель «градусо-сутки» определяется суммированием среднесуточной разности расчетной температуры воздуха в квартирах и фактической наружной температуры воздуха по данным метеонаблюдений за все дни анализируемого отопительного сезона:

(1)

где n – число суток отопительного периода;

t_в – расчетная температура воздуха в квартирах, °С;

t_нi – среднесуточное значение температуры наружного воздуха.

При определении контрольного показателя в целом по дому предлагается принимать значение температуры воздуха в квартирах 20 °С. Энергетические обследования жилых домов показали, что при снижении температуры воздуха ниже этого уровня жители включают дополнительные электрообогреватели, ограничивают вентиляционный воздухообмен ниже санитарно-гигиенических требований.

Уровень теплозащиты наружных ограждений регламентирован cтроительными нормами и правилами [1]. Нормативы предусматривали разный уровень теплозащиты для зданий, введенных в эксплуатацию до 1995 года, с 1995 по 2000 год и после 2000 года, и это различие необходимо учитывать при определении контрольных показателей теплопотребления.

Объемно-планировочные характеристики здания существенно влияют на величину теплопотерь. Удельные теплопотери на 1 м 2 площади здания снижаются с повышением этажности здания. Показателем компактности зданий в первом приближении предлагается пренебречь, так как влияние этого фактора на теплопотребление, если не принимать во внимание уникальные планировочные решения, не приводит к погрешности более чем в 5 %. На следующем этапе уточнения контрольных значений теплопотребления этот показатель может быть учтен так же, как и отклонение от средней высоты этажа.

Бытовые тепловыделения в квартирах – могут составлять до 15–20 % от общей теплопотребности жилого здания. На их величину может влиять большое количество факторов: возрастной состав семьи, социальное положение и материальный достаток, национальные особенности и региональная специфика. Основной и единственный фактор, который предлагается учитывать в контрольных показателях теплопотребления, – площадь квартиры, приходящаяся на 1 жителя (табл. 1).

Таблица 1 Вероятные значения бытовых тепловыделений

№ п/п Плотность заселения, м 2 /чел. Тепловыделения, Вт/м 2 1 30 5,8

Определение этого показателя возможно в целом на дом по числу проживающих (прописанных) жителей и жилой площади здания.

Наличие индивидуальных средств регулирования теплоотдачи отопительных приборов позволяет достаточно экономично решать проблему «перетопов». Хорошо себя зарекомендовали автоматические термостатические вентили. По данным натурных обследований в контрольных показателях теплопотребления можно уверенно закладывать 5 % экономию тепловой энергии по сравнению с нерегулируемыми системами отопления.

Наличие регулируемых систем вентиляции все чаще предусматривается в новостройках. Примерный расход тепловой энергии в зависимости от типа системы вентиляции по данным [2] приведен в табл. 2.

Таблица 2 Годовые расходы тепла на вентиляцию жилых зданий на 1 м 2 жилой площади, Гкал/м 2

№ п/п Градусо- сутки Естест- венная нерегули- руемая вентиля- ция Центральная механическая вытяжная вентиляция Центральная приточно- вытяжная вентиляция с утилизацией теплоты вытяжного воздуха Индиви- дуальная приточно- вытяжная вентиляция с реку- перацией Индиви- дуальная приточно- вытяжная вентиляция с реге- нератором 1 2 3 4 5 6 7 1 2 000 0,0240 0,0280 0,0170 0,0120 0,0051 2 4 000 0,0500 0,0550 0,0330 0,0230 0,0062 3 6 000 0,0740 0,0800 0,0480 0,0340 0,0074 4 8 000 0,1060 0,1120 0,0540 0,0380 0,0088 5 1 000 0,1300 0,1420 0,0820 0,0570 0,0140 6 12 000 0,1640 0,1800 0,1020 0,0710 0,0210

В качестве базовых контрольных показателей могут быть использованы данные, приведенные в [2, 3, 5]. На эти контрольные показатели могут вводиться поправочные коэффициенты, учитывающие основные факторы, приведенные выше, а также следует учесть подходы, изложенные в Руководстве АВОК–8– 2005 [4].

Вывод

К настоящему времени имеются достаточные методические наработки по проведению оценки и реализации потенциала энергосбережения в системах жилищно-коммунального хозяйства, что позволит ввести в строй миллионы квадратных метров новостроек без дополнительных источников тепла.

Литература

1. СНиП II–3–79**. Строительная теплотехника. – М., 1995.

2. Теплоснабжение в Российской Федерации. Пути выхода из кризиса // Национальный доклад Минпромнауки. – Кн. 2. – М., 2002.

3. Научно-технический отчет ООО «НПО ТЕРМЭК»: Разработка удельных затрат тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение жилых и общественных зданий. – М., 2006.

4. СТО АВОК–8–2005. Руководство по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий.

5. МГСН 2.01–99. Энергосбережение в зданиях.

Методика расчета удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий

1. Расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания в течение отопительного периода Q_от год (кВт·ч), следует определять по формуле

Q_wn год — общие теплопотери здания за отопительный период, кВт·ч, определяемые по 2;

Q_быт год — бытовые, внутренние теплопоступления в течение отопительного периода, кВт·ч,

определяемые по 6;

Q_инс год — теплопоступления через окна и фонари от солнечной радиации в течение отопительного периода, кВт·ч, определяемые по 7;

коэффициент снижения теплопоступлений за счет тепловой инерции ограждающих конструкций, рекомендуемые значения определяются по формуле:

n = 0,7+0,000025(ГСОП-1000) (2)

здесь ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, определяемые по формуле:

где: t _от , z _от — среднесуточная температура наружного воздуха, °С, и продолжительность, в сутках, отопительного периода, из СНиП 41-02-2003;

t _в – расчетная температура внутреннего воздуха здания, °С, из СНиП 41-01-2003.

коэффициент эффективности авторегулирования подачи теплоты в системах отопления; рекомендуемые значения:

в однотрубной системе с термостатами и с пофасадным авторегулированием на вводе или поквартирной горизонтальной разводкой;

в двухтрубной системе отопления с термостатами и с центральным авторегулированием на вводе;

однотрубной системе с термостатами и с центральным авторегулированием на вводе или в однотрубной системе без термостатов и с пофасадным авторегулированием на вводе, а также в двухтрубной системе отопления с термостатами и без авторегулирования на вводе;

в однотрубной системе отопления с термостатами и без авторегулирования на вводе;

в системе без термостатов и с центральным авторегулированием на вводе с коррекцией по температуре внутреннего воздуха;

в системе без термостатов и без авторегулирования на вводе — регулирование центральное в ЦТП или котельной;

—

коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления, связанное с теплопотерями трубопроводов, проходящих через неотапливаемые помещения, дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, их дополнительными теплопотерями через зарадиаторные участки ограждений, повышенной температурой воздуха в угловых помещениях, равный:

=1,13

для многосекционных и других протяженных зданий;

=1,11

для зданий башенного типа;

=1,07

для зданий с отапливаемыми подвалами или чердаками;

=1,05

для зданий с отапливаемыми подвалами и чердаками, а также с квартирными генераторами теплоты.

коэффициент, учитывающий снижение теплопотребления жилых зданий при наличии поквартирного учета тепловой энергии на отопление, принимается до получения статистических данных фактического снижения ξ = 0,1для центральных систем отопления с измерением теплоотдачи на отопительном приборе или на стояке и ξ = 0,15 для квартирных систем отопления с измерением теплосчетчиком в целом на квартиру.

2. Общие теплопотери здания Q _тп год , кВт·ч, за отопительный период следует определять по формуле

где Q _огр год – трансмиссионные теплопотери через наружные ограждения за отопительный период, кВт·ч, определяемые по 3;

Q _инф год – теплопотери за счет вентиляционного воздухообмена с учетом инфильтрации за отопительный период, кВт·ч, определяемые по 4.

3. Трансмиссионные теплопотери через наружные ограждения , Q _огр год , кВт·ч, следует определять по формуле

где K _тр – общий трансмиссионный коэффициент теплопередачи через наружные ограждающие конструкции здания, Вт/(м 2 ·°С), определяемый по формуле:

(6)

A _ст ,

площадь (по наружному обмеру), м 2 , и приведенное сопротивление теплопередаче, м 2 ·°С/Вт, наружных стен (за исключением проемов);

А_ок ,

то же, заполнений светопроемов (окон, витражей, фонарей);

А_дв ,

то же, наружных дверей и ворот;

А_покр ,

то же, совмещенных покрытий (в том числе над эркерами);

А_черд ,

то же, чердачных перекрытий;

А_цок ,

то же, цокольных перекрытий;

А_{пр ,}

то же, перекрытий над проездами и под эркерами.

коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху: для наружных стен, покрытий и перекрытий, контактирующих с наружным воздухом п=1; для чердачных перекрытий холодных чердаков и перекрытий над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом п=0,9; для чердачных перекрытий «теплых» чердаков и цокольных перекрытий техподполий и подвалов с разводкой в них трубопроводов систем отопления и горячего водоснабжения по формуле: n = ( t _в — t _в *)/( t _в — t _н р ) (7)

здесь t _в – то же , что и в формуле (3); t _в * –температура воздуха в чердаке или техподполье; t _н р – расчетная температура наружного воздуха, °С, принимаемая по СНиП 41-01-2003.

сумма площадей всех наружных ограждений отапливаемой оболочки здания, м 2 ;

то же, что и в формуле (3), °С·сут.

При проектировании полов по грунту или отапливаемых подвалов вместо А_цок, и перекрытий над цокольным этажом в формуле (6) подставляют площади и приведенные сопротивления теплопередаче стен, контактирующих с грунтом, и полов по грунту, разделенных по зонам согласно своду правил, и определяют соответствующие этим зонам А_цок и ;

4. Теплопотери за счет вентиляционного воздухообмена с учетом инфильтрации за отопительный период, Q _инф год , кВт·ч, следует определять по формуле:

количество приточного воздуха в здание при неорганизованном притоке, либо нормируемое значение при механической вентиляции, м 3 /ч, равное

а) жилых зданий с расчетной заселенностью квартир менее 20 м 2 общей площади на человека — 3 A _ж ;

б) других жилых зданий – 0,35· h _эт ·(А_кв), но не менее 30 т; где т – расчетное число жителей в здании;

в) общественных и административных зданий принимают условно: для административных зданий, офисов, складов и супермаркетов – 4 A _р ; для магазинов шаговой доступности, учреждений здравоохранения, комбинатов бытового обслуживания, спортивных арен, музеев и выставок – 5 A _р ; для детских дошкольных учреждений, школ, среднетехнических и высших учебных заведений – 7 A _р ; для физкультурно-оздоровительных и культурно-досуговых комплексов, ресторанов, кафе, вокзалов – 10 A _р ,

А_кв — общая площадь квартир без летних помещений, м 2 , к которым относятся спальни, детские, гостиные, кабинеты, библиотеки, столовые, кухни-столовые; для общественных и административных зданий – расчетная площадь (А_р), определяемая согласно СНиП 31-05 как сумма площадей всех помещений, за исключением коридоров, тамбуров, переходов, лестничных клеток, лифтовых шахт, внутренних открытых лестниц и пандусов, а также помещений, предназначенных для размещения инженерного оборудования и сетей, м 2 ;

высота этажа от пола до потолка, м;

плотность внутреннего воздуха, кг/м 3 , принимаемая , (9)

здесь t _в – то же , что и в формуле (3);

число часов работы механической вентиляции в течение недели;

количество инфильтрующегося воздуха в здание через ограждающие конструкции, кг/ч: для жилых зданий – воздуха, поступающего в лестничные клетки в течение суток отопительного периода, определяемое согласно 5;

коэффициент учета влияния встречного теплового потока в светопрозрачных конструкциях, принимается для окон и балконных дверей равным:

k = 0,7 – с тройными раздельными переплетами;

k = 0,8 – с двойными раздельными переплетами;

k = 0,9 – со спаренными переплетами;

k = 1 –с одинарными переплетами;

число часов учета инфильтрации в течение недели, ч, равное 168 для зданий со сбалансированной приточно-вытяжной вентиляцией и в лестничной клетке жилого здания; (168 — n _вент ) для зданий, в помещениях которых поддерживается подпор воздуха во время действия приточной механической вентиляции;

удельная теплоемкость воздуха, равная 1,006 кДж/(кг·°С);

то же, что и в формуле (3), °С·сут;

= 0,28·24/168, здесь 24 — число часов в сутках; 168 — число часов в неделю.

5. Количество инфильтрующегося воздуха, поступающего в лестничную клетку жилого здания или в помещения общественного здания, G _инф , кг/ч, через неплотности заполнений проемов, полагая, что все они находятся на наветренной стороне, следует определять по формуле

(10)

соответственно суммарная площадь окон и балконных дверей и входных наружных дверей, м 2 ;

соответственно требуемое сопротивление воздухопроницанию окон и балконных дверей и входных наружных дверей, по своду правил;

соответственно расчетная разность давлений наружного и внутреннего воздуха для окон и балконных дверей и входных наружных дверей, определяемые по своду правил.

6. Бытовые теплопоступления в течение отопительного периода Q _быт год , кВт·ч, следует определять по формуле

удельная величина бытовых теплопоступлений на 1 м 2 площади жилых комнат (А_ж) или расчетной площади общественного здания (А_р), Вт/м 2 , принимаемая для:

а) жилых зданий с расчетной заселенностью квартир менее 20 м 2 общей площади на человека q _быт = 17 Вт/м 2 ;

б) жилых зданий с расчетной заселенностью квартир 45 м 2 общей площади и более на человека q _быт = 10 Вт/м 2 ;

в) других жилых зданий – по формуле

где N – количество жителей в доме;

г) для общественных и административных зданий бытовые теплопоступления учитываются по расчетному числу людей (90 Вт/чел), находящихся в здании, освещения (по установочной мощности) и оргтехники (при отсутствии данных 10-15 Вт/м 2 ) с учетом количества рабочих часов в неделю;

то же, что и в формуле (3), сут.

7. Теплопоступления через окна и фонари от солнечной радиации в течение отопительного периода Q _инс год , кВт·ч, для четырех фасадов зданий, ориентированных по четырем направлениям, следует определять по формуле

( 13 )

коэффициенты относительного проникания солнечной радиации для светопропускающих заполнений соответственно окон и зенитных фонарей, принимаемые по паспортным данным соответствующих светопропускающих изделий; при отсутствии данных следует принимать по своду правил; мансардные окна с углом наклона заполнений к горизонту 45° и более следует считать как вертикальные окна, с углом наклона менее 45° — как зенитные фонари;

коэффициенты, учитывающие затенение светового проема соответственно окон и зенитных фонарей непрозрачными элементами заполнения, принимаемые по проектным данным; при отсутствии данных следует принимать по своду правил;

площадь светопроемов фасадов здания (глухая часть балконных дверей исключается), соответственно ориентированных по четырем направлениям (возможно по восьми), м 2 ;

площадь светопроемов зенитных фонарей здания, м 2 ;

средняя за отопительный период величина солнечной радиации на вертикальные поверхности при действительных условиях облачности, соответственно ориентированная по четырем (восьми) фасадам здания, кВт·ч/м 2 , определяется по методике свода правил;

средняя за отопительный период величина солнечной радиации на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности, кВт·ч/м 2 , определяется по своду правил.

8. Расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий за отопительный период q_h. y. des , кВт·ч/м 2 , следует определять для жилых домов и общественных зданий с высотой этажа от пола до потолка менее 3,6 м:

q_h. y. des = /А_кв+пол (14)

для общественных и производственных зданий с высотой этажа более 3,6 м

q_h. y. des = / V_пол (15)

где —

расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания в течение отопительного периода, кВт·ч;

сумма общей площади пола квартир без летних помещений, включая полезную площадь встроенных нежилых помещений, или полезной площади помещений общественного здания, за исключением технических этажей и гаражей, м 2 ;

Отапливаемый объем полезной площади помещений здания, в который входят площади, занимаемые эскалаторными линиями и атриумами , м 3 .

9. Расчетный удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий следует сравнивать с нормируемым, q_h. y.req , кВт·ч/м 2 , в зависимости от года строительства значением, соответствующим требованиям постановления №18, и нормируемых градусо-суток отопительного периода региона строительства, приведенных в таблицах [6]. Там, где значения приводятся, отнесенные к градусо-суткам отопительного периода, θ _эн/эф y.req , Вт · ч/(м 2 · °C · сут), следует q_h. y.req находить из следующего уравнения

q_h. y.req = θ _эн/эф y.req ∙ ГСОП ∙10 -3 (16)

где ГСОП – нормируемые градусо-суток отопительного периода региона строительства, °C · сут.

В сравнении с базовым значением удельного расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий, также приведенного в[6], устанавливается класс энергетической эффективности проекта здания по величине отклонения расчетного значения удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию от базового уровня требований энергоэффективности, в соответствии с таблицей классов приказа Минрегионразвития от8 апреля 2011г. № 161.

10. Для общественных зданий после проверки уровня энергетической эффективности теплозащиты по удельным показателям нормируемого воздухообмена, с целью регламентации количества потребляемой энергии на вентиляцию, определяют расход тепловой энергии за отопительный период на отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха Q_{h + v} y , кВт·ч, и тепловые завесы Q_{h . c} y , кВт·ч, с учетом проектного значения расчетных расходов, и сравнивают с требуемым нормативным значением по следующей методике.

10.1 Находится условный объем приточного воздуха L _вент.у , м 3 /ч, исходя из проектных значений расчетных расходов тепловой энергии систем приточной вентиляции и кондиционирования воздуха с учетом эффективности устройств энергосбережения при нагреве приточного воздуха η_ут, по формуле (17):

(17)

где Q _{v 1} – расчетный расход тепловой энергии (установленная мощность) систем приточной вентиляции и кондиционирования воздуха из проекта ОВ, кВт, приведенный в энергетическом паспорте проекта здания в разделе «Общая информация»; при наличии воздушного отопления расчетную нагрузку делят на две части пропорционально разности температур приточного воздуха и 20°С, — она прибавляется к расчетной нагрузке отопления; разность в 20°С и расчетной наружной температуры прибавляется к вентиляционной нагрузке;

Q_{v 2} – то же, что и Q_{v 1} , но с утилизацией теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного;

η_ут – коэффициент эффективности устройств энергосбережения при нагреве приточного воздуха, назначает разработчик или по таблице 3.

с, ρ _вн – то же, что в формуле (9);

Таблица 3. Эффективность систем утилизации теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного