Введение

Основное энергопотребление жилыми и общественными зданиями на большей части территории России происходит в зимний отопительный период. Здания и сооружений оборудуются техническими системами, обеспечивающими необходимое (комфортное) состояние воздушной среды в помещениях. К системам обеспечения микроклимата относятся системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВиК). Класс энергетической эффективности здания определяет финансирование, очерёдность и объём модернизации инженерных систем зданий и ограждающих конструкций. Поэтому оценки энергоэффективности имеют существенное экономическое значение для собственников зданий, эксплуатирующих организаций и органов государственного надзора и управления. Имеющиеся результаты в рассматриваемой области показывают существенное различие в оценке энергетической эффективности зданий. Целью работы является определение расчётных и нормируемых характеристик энергопотребления и их сопоставление с фактическими значениями.

Основной раздел

Определение энергетической эффективности на этапах проектирования или модернизации здания выполняется в соответствии с нормативными документами.

В стандарте ГОСТ Р 55656–2013 [1] приводятся указания и рекомендации по расчёту годовых затрат энергии на поддержание микроклимата в помещениях здания при его отоплении и охлаждении.

На величину энергии, потребляемой системами обеспечения микроклимата, влияют следующие факторы [2, 3]:

  • нормируемые параметры микроклимата (прежде всего расчётная температура воздуха в помещениях здания);
  • объёмно-планировочные решения и теплотехнические характеристики ограждающих конструкций здания;
  • внутренние источники поступлений теплоты в помещения здания;
  • расход наружного приточного воздуха;
  • климатические параметры региона, в котором находится здание.

Для анализа оценок энергоэффективности, полученных расчётным путём и по результатам фактического энергопотребления, были обследованы здания учебного корпуса и студенческого общежития Университета ИТМО. Здания расположены в городе Санкт-Петербурге, построены около 50 лет назад, близки по объёму и эксплуатируются одной организацией. Архитектурные и теплотехнические характеристики зданий приведены в табл. 1.

Оценка энергетической эффективности отопления зданий. 12/2019. Фото 1

Приведённый трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания kзд [Вт/ ( м²·°C)] определялся с учётом действовавших норм проектирования [4] как осреднённое по площади значение термических сопротивлений внешних ограждающих элементов [5]:

Оценка энергетической эффективности отопления зданий. 12/2019. Фото 2

В работе [6] показано, что в процессе эксплуатации здания возможно увеличение коэффициента теплопроводности наружных ограждающих конструкций, поэтому в дальнейших расчётах использовался трансмиссионный коэффициент теплопередачи, увеличенный на 20%.

Параметры функционирования зданий обобщены в табл. 2.

Оценка энергетической эффективности отопления зданий. 12/2019. Фото 3

Рассмотрим отдельные составляющие теплового баланса систем обеспечения микроклимата [7, 8, 9]. Трансмиссионные потери теплоты Qогр через наружные ограждающие конструкции:

Qогр = (kздΣFогр)(tв.от − tот.ср)zоп, (2)

где ΣFогр — общая (суммарная) площадь внутренних поверхностей наружных ограждений здания, м²; tв.от — средневзвешенное значение температуры воздуха в помещениях за отопительный период, °C; tот.ср — среднее значение температуры наружного воздуха за отопительный период, °C; zоп — продолжительность отопительного периода, ч.

По данным СП 131.13330.2012 [10], для Санкт-Петербурга средняя продолжительность отопительного периода zоп = 232 сут. (5112 ч) при среднем значении температуры наружного воздуха tот.ср = −1,3°C. Рекомендуемое значение температуры воздуха в помещениях в течении отопительного периода принимается как минимальное значение из оптимальной нормы для холодного периода года tв.от = 20°C [11].

Затраты энергии Qвен на нагрев наружного приточного воздуха с учётом рабочего времени функционирования систем вентиляции (и кондиционирования):

Qвен = cвρвLв(tв.от — tот.ср)zопkрв, (3)

где cв — удельная теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°C); ρв — среднее за отопительный период значение плотности наружного воздуха, кг/м³; Lв — расход наружного приточного воздуха, м³/с; kрв — коэффициент рабочего времени системы вентиляции.

В зданиях с оконными блоками, при отсутствии приточных устройств, приток наружного воздуха происходит в основном за счёт проветривания и воздухопроницаемости ограждающих конструкций [12]. Согласно СП 50.13330.2012 [5] для оконных блоков массовая воздухопроницаемость с наветренной стороны фасадов здания Lв = 5 кг/( м²·ч).

Эта величина принята для расчёта объёмного расхода наружного приточного воздуха Lв [5]:

Оценка энергетической эффективности отопления зданий. 12/2019. Фото 4

Учебное здание работает шесть дней в неделю с 9:00 до 15:00 (36 ч в неделю в сумме). Коэффициент рабочего времени kрв = 36/168 = 0,214. С учётом длительности присутствия людей в здании общежития (табл. 2) kрв = 0,75. Поступления теплоты от внутренних источников Qвн за рассматриваемый отопительный период [5]:

Qвн = (qвнFрасч)zоп, (5)

где qвн — удельные поступления теплоты, Вт/м².

Удельные внутренние теплопоступления определялись согласно рекомендациям ГОСТ Р 55656–2013 [1] по формуле (4) и составили для зданий учебного корпуса и общежития 4,0 и 16,0 Вт/м² (табл. 2), соответственно:

Оценка энергетической эффективности отопления зданий. 12/2019. Фото 5

Поступление теплоты от солнечной радиации не учитывалось, поскольку в зимний период оно малó по сравнению с другими теплопритоками и нестабильно во времени.

Потребление энергии, необходимой на отопление и вентиляцию здания, с учётом теплопоступлений от внутренних источников, определяется как [1]:

Qов = (Qогр + Qвен) — QвнY, (7)

где Y — коэффициент, учитывающий снижение теплопоступлений за счёт тепловой инерции ограждающих конструкций (по рекомендациям СП 50.13330.2012 может быть принят равным Y = 0,8).

Для определения энергетических характеристик уже эксплуатируемых зданий предлагается следующая последовательность действий [13, 14]:

  • обследование здания с целью определения фактических значений его объёмно-планировочных и теплотехнических характеристик;
  • выявление (по приборам учёта) фактических величин потребляемых ресурсов и вычисление (по методикам нормативных документов) расчётных величин соответствующих ресурсов;
  • сопоставление фактических и расчётных величин потребляемых ресурсов и определение энергетической эффективности здания.

Результаты расчётов по приведённым выше зависимостям и фактическое потребление энергии, измеренное приборами учёта тепловой энергии, обобщены в табл. 3.

Оценка энергетической эффективности отопления зданий. 12/2019. Фото 6

Как видно, основная доля тепловой энергии приходится на компенсацию потерь теплоты через наружные ограждающие конструкции здания. Потребление энергии на вентиляцию в обоих зданиях — около 5% от трансмиссионных потерь. Поэтому можно полагать, что погрешности расчётов, связанные с неопределённостью режимов работы вытяжной вентиляции без механического побуждения, не оказывают существенного влияния на конечную оценку эффективности. Поступление теплоты от внутренних источников в здании общежития в пять раз больше, чем в учебном корпусе, что уже соизмеримо с трансмиссионными потерями. Это объясняется тем, что коэффициент рабочего времени для общежития значительно больше, чем для учебного корпуса.

Значительное превышение потребляемой энергии (по приборам учёта) по отношению к расчётным величинам (20% и 36%) связано с особенностями эксплуатации и теплоснабжения конкретных зданий или с несовершенством расчётных методов, а вероятнее всего — с комбинацией обоих факторов. Необходимо учесть, что приведённый трансмиссионный коэффициент теплопередачи был увеличен на 20%, что существенно снизило расхождение между фактическим и расчётным потреблением энергии.

Отметим, что используемые в расчётах исходные данные и рекомендации, приведённые в нормативных документах, как правило, представляют собой среднее значение диапазона возможных значений либо носят вероятностный характер. Поэтому полученные расчётные и фактические характеристики энергопотребления системами отопления, вентиляции и кондиционирования также в значительной мере являются вероятностными [1].

Методика вычисления оценки энергетической эффективности зданий базируется на удельных величинах [Вт/ ( м³·°C)], характеризующих [5]: теплозащитные свойства здания (удельная теплозащитная характеристика здания); теплоту для нагрева наружного воздуха (удельная вентиляционная характеристика здания); поступления теплоты в помещения [удельная характеристика внутренних (бытовых) теплопоступлений].

Расчётные зависимости и нормативные величины для определения этих оценок приводятся в приложениях к СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 (с Изм. №1)» [5, табл. 14]. Результаты расчётов приведены в табл. 4.

Оценка энергетической эффективности отопления зданий. 12/2019. Фото 7

Расчётное значение удельной теплозащитной характеристики здания почти в 2–2,5 раза превышает нормируемое значение. Однако по комплексному показателю — удельной характеристике расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания (с учётом теплопоступлений от внутренних источников) — расхождение с нормируемым (базовым) значением составляет порядка 5% для здания учебного корпуса и 18% для здания общежития. Этим величинам превышения соответствуют классы энергетической эффективности С (нормальный) и Д (пониженный), соответственно.

Заключение

Проведённое энергетическое обследование зданий учебного корпуса и общежития ИТМО выявило существенное расхождение между расчётными, нормируемыми и фактическими характеристиками энергопотребления в отопительный период. Перспективным направлением совершенствования методики оценки энергетической эффективности зданий представляется использование статистических методов, что позволит не только получать саму оценку, но и определять уровень её достоверности.