Введение

В 2014–2016 годах Государственным предприятием «Институт жилища — НИПТИС им. Атаева С. С.». в рамках выполнения проекта 00077154 ПРООН-ГЭФ «Повышение энергетической эффективности жилых зданий в Республике Беларусь» совместно с ОАО «МАПИД» и КУП «Гродногражданпроект» были разработаны инженерно-технические и проектные решения трёх экспериментальных энергоэффективных жилых домов нового поколения, соответствующих по показателю удельного расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию классу А+ для строительства в городах Минске, Гродно и Могилёве [1].

Уже строительство первых домов с рекуперацией и теплозащитой по ныне действующим нормативам [2] показало, что наращивание теплозащиты ограждающих конструкций сверх существующих нормативов [СТР_ТПЛТЕХН] не имеет смысла, поскольку более половины тепловых потерь здания приходится на систему вентиляции.

В первом поколении энергоэффективных зданий основной акцент был сделан на снижение потребления тепловой энергии на отопление. Уровень потребления тепловой энергии на отопление составил 30–35 кВт·ч/м² [3]. В стороне остались вопросы, связанные с потреблением энергии в системе горячего водоснабжения и генерацией тепловой энергии.

Целью проектирования и строительства энергоэффективных зданий второго поколения было отработка перспективных инженерных решений, снижающих потребление топлива при эксплуатации зданий. В проектах новых зданий решены вопросы [1]:

  • выработка энергии с использованием нетрадиционных источников;
  • снижение тепловой нагрузки в системах ГВС.

Проекты данных зданий включают комплекс энергосберегающих мероприятий, позволяющих существенно снизить удельный уровень потребления тепловой энергии, необходимой для отопления и горячего водоснабжения зданий.

В число этих мероприятий вошли следующие, уже ставшие традиционными и широко применяемые в строительной практике [3]:

  • управляемая система приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепловой энергии вентиляционных выбросов;
  • система отопления с горизонтальной разводкой;
  • системы регулирования режимов отопления и воздухообмена с возможностью климат-контроля в каждой квартире здания;
  • системы индивидуального (поквартирного) учёта потребляемой на отопление тепловой энергии;
  • индивидуальные системы учёта потребления холодной и горячей воды;
  • система диспетчеризации данных по учёту и регулированию потребления энергоресурсов в квартирах.

В дополнение к вышеуказанным энергосберегающим решениям, в проектах энергоэффективных жилых домов нового поколения предусмотрено применение в системах отопления, вентиляции (ОВ) и горячего водоснабжения (ГВС) зданий вторичных и возобновляемых источников энергии. В табл. 1 представлены основные проектные показатели зданий.

Расчётные теплотехнические характеристики энергоэффективных зданий

 

Определение эксплуатационных показателей энергоэффективных зданий

Основным интегральным показателем, характеризующим здание как теплоэнергетический объект, является удельное потребление тепловой энергии на отопление. Решения этой задачи, основанные на двухэтапной процедуре определения указанной величины, приведены в [4]. На первом этапе определяется коэффициент удельных теплопотерь здания, на основании которого рассчитывается значение удельного потребления тепловой энергии на отопление для расчётных условий. Данный метод требует высокого качества исходной информации о потреблённой для отопления тепловой энергии и даёт хорошие результаты для здания, эксплуатирующегося в проектном режиме.

Определение удельного потребления тепловой энергии на отопление, как и остальные показатели здания, выполнялись на начальной стадии эксплуатация экспериментальных зданий. Поэтому многие составляющие теплового баланса изменяются в период наблюдения, особенно:

  • мощность бытовых тепловыделений, которая связана прежде всего с заселённостью здания;
  • температура воздуха в здании;
  • уровень воздухообмена в здании, поскольку приточно-вытяжные установки вентиляции включают только в заселённых квартирах.

Следует отметить, что здания сдавались в эксплуатацию с «черновой» отделкой, поэтому на показатели энергопотребления существенное влияние оказывали также отделочные работы, выполнявшиеся в квартирах зданий. Поэтому измерение показателя удельного потребления тепловой энергии на отопление выполнялось по упрощённой методике [4, 5].

Для упрощённой методики контроля, наряду с показаниями счётчика тепловой энергии, нужны данные по следующим показателям: средняя температура воздуха в помещениях; средняя температура наружного воздуха; потребление горячей воды на рассматриваемых интервалах.

 

Методика определения теплоэнергетических показателей зданий для расчётных условий

Упрощённая методика основывается на расчёте потребления тепловой энергии на отопление, приведённой в [4]. В соответствии с ТКП 45-2.04-196 [4] расход тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода Qh [кВт·ч] следует определять по формуле (9.1).

Для оценки эксплуатационных характеристик здания необходимы значения следующих величин:

Qmes — расход тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода [кВт·ч], определяемый по общедомовому счётчику тепловой энергии;

Qlos — общие тепловые потери здания [кВт·ч], которые необходимо определить по косвенным данным;

Qint — бытовые теплопоступления в течение отопительного периода [кВт·ч], которые также необходимо определить по косвенным данным.

Задача решается в два этапа. Вначале определяют коэффициент тепловых потерь здания по показаниям счётчика тепловой энергии по формуле:

Предварительные результаты мониторинга энергоэффективных зданий в Беларуси. 9/2018. Фото 1

здесь f1 — коэффициент теплопотерь здания, Вт/(м²·К); i = 1, …, I — номер интервала измерений; qimes = Qimes/Sh, где f1 — коэффициент теплопотерь здания, Вт/(м²·К); fi2 — удельная мощность бытовых тепловыделений, Вт/м²; qisol — удельная мощность поступления солнечной энергии, Вт/м²; Sh — отапливаемая площадь здания, м²; tiin и tiout — средняя температура воздуха в здании и температура наружного воздуха на соответствующих интервалах измерения, °C; Ni — длительность i-го интервала измерений, сутки.

Возможность определения значений fi2 следует из результатов исследований, приведённых в [7]. В работе [7] установлено, что бытовые тепловыделения в жилых зданиях связаны прежде всего с деятельностью человека, и их мощность можно рассчитать исходя из значения q0int = 147 Вт на человека.

Тогда среднюю мощность бытовых тепловыделений в конкретном отопительном периоде можно рассчитать по следующей формуле:

fi2 = q0int /Si1 ,

здесь q0int — средняя мощность бытовых тепловыделений, приходящаяся на одного человека, Вт/чел.; Si1 = Sh/ni, где ni — среднее количество людей в здании в i-м интервале.

Количество людей, проживающих в здании, с учётом исследований, результаты которых приведены в [7], можно определить по потреблению горячей воды по формуле:

n = Vci /0,07,

где Vci — средний объём горячей воды, потребляемой в здании за сутки отопительного периода, л/сут.; 0,07 м³ — среднесуточное потребление на человека [7].

Расчёт удельного потребления тепловой энергии для расчётных условий выполняется по формуле:

qud = 0,024 [f1Gr Nr (f2 + qsol)],

где Nr — расчётное значение количества дней отопительного сезона (берётся по климатическому справочнику); Gr = Nr (tintout) — расчётное количество градусо-суток в отопительном сезоне; f2 — нормативная удельная мощность бытовых тепловыделений, Вт/м²; qsol — расчётная удельная мощность поступления солнечной энергии, Вт/м².

Для поступления солнечной энергии необходимо знать тип окон в здании, ориентацию здания, площадь остеклённой поверхности по сторонам света, данные о солнечной активности в рассматриваемых отопительных сезонах.

Практика теплотехнических расчётов при проектировании показывает, что удельное поступление солнечной энергии в многоэтажных зданиях в различных регионах составляет 7–8 кВт·ч/м² за отопительный сезон. Получим qsol = 1,46 Вт/м². Недостатком указанного способа является необходимость наличия дополнительной к показаниям счётчика тепловой энергии информации: температура воздуха в здании и потребление горячей воды (число жителей).

Следует отметить, что результаты расчётов по упрощённой методике носят оценочный характер, поскольку будут получены при следующих предположениях:

  • температура воздуха в зданиях остаётся постоянной весь рассматриваемый период;
  • потребление горячей воды в зданиях в расчёте на одного человека имеет одно и то же значение для всех зданий.

 

Предварительные результаты мониторинга зданий

Предварительные результаты мониторинга в Минске В дополнение к стандартным техническим и проектным решениям зданий серии 111-90 в энергоэффективной модификации здания в Минске предполагаются дополнения, приведённые в табл. 1 и обеспечивающие снижение расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию, а также в системе ГВС. В табл. 2 приведены результаты мониторинга эксплуатации энергоэффективного здания в Минске в отопительном сезоне 2017–2018 годов. Отопление было включено с 7 октября 2017 года. Данные по потреблению энергии в здании получены по конец апреля 2018 года.

Потребление энергии в энергоэффективном здании — Минске

При полной заселённости в здании должно проживать около 450 человек. Рассчитывая количество жителей по потреблению горячей воды, получили заселённость здания на начало апреля 115 человек. При этом из таблицы можно сделать вывод, что заселённость здания увеличивается в среднем на 10–15 человек в месяц, то есть режим потребления энергии на отопление здания ещё не установился, поэтому для расчёта этого показателя для энергоэффективных зданий в Минске, Гродно и Могилёве использовалась упрощённая методика измерений, описанная ранее. В силу слабой заселённости здания (около 25 %) потребление тепловой энергии на горячее водоснабжение составляло около 15 % затрат тепловой энергии на отопление.

В табл. 3 представлены результаты обработки информации, полученной по упрощённой методике [5, 6]. Средняя температура воздуха в здании, с учётом расположения датчиков температуры в квартирах, составляет около 21 °C. Фактические удельные показатели потребления тепловой энергии на отопление составляют за этот период 45,2 кВт·ч/м² за весь отопительный сезон.

Энергетические характеристики здания для расчётных условий — Минск

Расчёт удельного потребления энергии для расчётных условий эксплуатации выполнялся для измеренного в процессе мониторинга среднего значения температуры воздуха в здании, равного 21,5 °C. Поскольку в октябре и апреле эксплуатация здания выполнялась часть месяца, среднее значение определяли по остальным пяти месяцам. Пересчёт показаний счётчика по приведённой выше методике на расчётные условия эксплуатации (18 °C в здании, 3740 градусо-суток отопительного сезона, полная заселённость) дают значение расчётного удельное потребление 20,5 кВт·ч/ м² в год при температуре воздуха в здании 19,5 °C (среднее для ближайших значение) в процессе эксплуатации, что практически совпадает с проектным значением, равным 23 кВт·ч/м² в год.

Если учесть, что при малой заселённости — 118 вместо 450 человек — мощность бытовых тепловыделений в здании составит 7,7 вместо нормы, составляющей 30 кВт·ч/(м²·чел.) в год и из цифры 45 вычесть недостающую величину 22,3 кВт·ч/ (м²·чел.) в год, получим хорошее совпадение данных, полученных при эксплуатации здания и для расчётных значений. Таким образом, предварительные данные мониторинга энергоэффективного здания, расположенного в Минске, подтверждают рассчитанные при выполнении проекта данные удельного потребления тепловой энергии на отопление здания.

Следует отметить, что коэффициент корреляции данных изменения наружной температуры и изменения потреблённой для отопления энергии, рассчитанный по формуле:

Предварительные результаты мониторинга энергоэффективных зданий в Беларуси. 9/2018. Фото 2

равен значению 0,84, что является достаточно низкой величиной. Это может быть вызвано последовательным заселением здания, что постоянно изменяет режим эксплуатации. Данный факт также вызывает обеспокоенность качеством регулирования подачи теплоносителя в здание.

При таком значении коэффициента корреляции использование двухступенчатой процедуры [8] для определения удельного потребления тепловой энергии для расчётных условий нецелесообразно, поскольку приведёт к значительной погрешности в результате.

При функционировании здания в стационарном режиме значение коэффициента корреляции этих величин составляет более 0,95.

 

Предварительные результаты мониторинга энергоэффективного здания в Гродно

В дополнение к стандартным техническим и проектным решениям аналогичных зданий в энергоэффективной модификации здания выполнены дополнения, приведённые в табл. 1 и обеспечивающие снижение расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию, а также в системе горячего водоснабжения.

В табл. 4 приведены результаты мониторинга эксплуатации энергоэффективного здания в Гродно в отопительном сезоне 2017–2018.

Результаты мониторинга потребления и выработки энергии в энергоэффективном здании — Гродно

Отопление в период с 7 октября по конец декабря на 80 % покрывалось работой тепловых насосов. Средняя температура воздуха в здании, с учётом расположения датчиков температуры в квартира, составляет 22 °C.

В силу слабой заселённости здания (около 30 %) потребление тепловой энергии на горячее водоснабжение составляло менее 25 % затрат тепловой энергии на отопление.

Для работы теплового насоса было израсходовано 65 410 кВт·ч электрической энергии, из них 10 581 кВт·ч, то есть около 20 %, было «покрыто» работой фотоэлектрической системы.

Тепловой насос выработал при этом 180,8 Гкал (240 451 кВт·ч) тепловой энергии. Соотношение тепловой энергии к затраченной электрической равно 3,3 при соотношении себестоимостей выработки электрической энергии к тепловой, равной 2,5.

Это показывает выгодность использования теплового насоса по сравнению с тепловым источником традиционного типа, хотя и ниже ожидаемого значения.

В марте тепловой насос был отключён, и в дальнейшем энергоснабжение здания выполнялось от централизованной тепловой сети.

Отключение теплового насоса было вызвано существующими в Республике Беларусь тарифами на энергию: стоимость тепловой энергии для населения в 8,5 раза меньше, чем стоимость электрической энергии, что делает невыгодным его использование.

В табл. 5 представлены результаты обработки информации, представленной в табл. 7.10, по методике, изложенной в [5, 6]. Обработка данных по потреблению воды в здании, в расчёте 70 л на человека в сутки, показала наличие постоянно проживающих в здании 170 человек по сравнению с расчётным количеством около 480 человек.

Коэффициент удельных теплопотерь и удельное потребление тепловой энергии

Средняя температура воздуха в здании по результатам мониторинга — 22 °C, что на 3 °C превышает расчётное значение температуры. В первом столбце показано удельное потребление тепловой энергии на отопление по показаниям счётчика в месяц.

Поэтому удельные показатели суммарного потребления тепловой энергии на человека в здании составляют за отопительный сезон 50,18 кВт·ч/м² в год, что существенно выше проектного значения, приведённого в табл. 1.

В то же время пересчёт показаний счётчика на расчётные условия эксплуатации (18 °C в здании, 3473 градусосуток отопительного сезона, полная заселённость) дают для расчётного удельного потребления при температуре воздуха в здании в период эксплуатации 22 °C значение 21,4 кВт·ч/м² в год, что несколько выше проектного значения, равного 15,5 кВт·ч/м² в год. Тем не менее, здание можно отнести к классу А+ по показателю удельного потребления тепловой энергии на отопление.

Таким образом, предварительные данные мониторинга энергоэффективного здания, расположенного в Гродно, подтверждают рассчитанные при выполнении проекта данные удельного потребления тепловой энергии на отопление здания и целесообразность использования теплового насоса для его теплоснабжения.

Следует отметить, что и в данном случае коэффициент корреляции данных изменения наружной температуры и изменения потреблённой для отопления энергии равен значению K = 0,6, что является низкой величиной. Это может быть вызвано последовательным заселением здания, что постоянно изменяет режим его эксплуатации. Это обстоятельство вызывает обеспокоенность качеством регулирования подачи теплоносителя в здание. При функционировании здания в стационарном режиме значение коэффициента корреляции этих величин составляет, как правило, более 0,95.

 

Предварительные результаты мониторинга здания в Могилёве

В дополнение к стандартным техническим и проектным решениям зданий данной серии в энергоэффективной модификации здания выполнены дополнения, приведённые в табл. 1, обеспечивающие снижение расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию, а также на приготовление горячей воды. В настоящее время здание (как и остальные) полностью не заселено. В настоящее время заселено 57 квартир. 

В табл. 6 представлены результаты измерения потребления тепловой энергии зданием в отопительных сезонах 2016– 2017 и 2017–2018. Отопление в здании было включено в ноябре 2016 года. Температура воздуха в здании составляла в среднем 22 °C.

Результаты измерения потребления энергии на отопление и ГВС — Могилёв

В табл. 7 представлены расчёты теплоэнергетических характеристик здания.

Расчёты теплоэнергетических характеристик здания — Могилёв

В отопительном сезоне 2016–2017 расчётные результаты значений коэффициента удельных тепловых потерь и удельного потребления тепловой энергии на отопление неустойчивы, что объясняется ремонтными работами, проводимыми в здании.

В отопительном сезоне 2017–2018 значения коэффициента удельных тепловых потерь и удельного потребления тепловой энергии на отопление более стабильны. Потребление тепловой энергии для расчётных условий составляет в среднем около 40 кВт·ч/м² в год. Выход на расчётное потребление тепловой энергии ожидается при заселённости здания не менее чем на 70 % от проектной, то есть не менее 110 квартир.

Среднее значение удельного потребления для расчётных условий по двум отопительным сезонам составляет около 33 кВт·ч/м² в год при проектном значении 23,8 кВт·ч/м² в год.

Коэффициент корреляции данных изменения наружной температуры и изменения потреблённой для отопления энергии равен 0,58, что является низкой величиной и вызывает обеспокоенность качеством регулирования подачи теплоносителя в здание. При функционировании здания в стационарном режиме целесообразно выполнить повторную наладку работы регулятора.

 

Выводы

В проектах энергоэффективных жилых домов нового поколения предусмотрено применение в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий вторичных и возобновляемых источников энергии.

По итогам первого отопительного был выполнен анализ потребления и выработки энергии энергоэффективным инженерным оборудованием экспериментальных зданий, а также выполнены расчёты энергетических характеристик зданий для расчётных условий эксплуатации.

Тепловые насосы в здании, расположенном в Гродно, продемонстрировали высокий коэффициент преобразования электрической энергии, равный 3,2. Проблемным вопросом при его эксплуатации оказалась высокая стоимость электрической энергии, вследствие чего жители отключили тепловой насос в марте 2018 года и перешли к энергоснабжению из тепловой сети.

Фотоэлектрическая батарея в здании, расположенном в Гродно, обеспечивает подачу электроэнергии, в основном начиная с марта по октябрь, подтверждая расчётные показатели.

Солнечный коллектор в здании, расположенном в Могилёве, практически не участвовал в горячем водоснабжении здания вследствие проблем, связанных с отладкой режимов эксплуатации, и начинает активный режим работы в конце сентября текущего года.

Заселение зданий выполняется медленно. На настоящий момент заселено 35– 40 % квартир. Это не даёт возможность запустить в работу системы утилизации сточных вод. Это же обстоятельство приводит к низкому значению коэффициента корреляции между изменением температуры наружного воздуха и изменением подачи тепловой энергии в здании. После заселения здания целесообразно выполнить повторную наладку группового регулятора теплоты в здании.

Удельное потребление тепловой энергии на отопление по отопительному сезону 2017–2018 превышает во всех трёх зданиях проектные значения. Однако пересчёт удельного потребления для расчётных условий, выполненный в статье, показал следующее:

1. В энергоэффективном здании, расположенном в Минске, пересчёт удельного потребления для расчётных условий дал значение 19,5 кВт·ч/м² в год, что ниже проектного значения, равного 23,8 кВт·ч/м² в год.

2. В энергоэффективном здании, расположенном в Гродно, пересчёт удельного потребления для расчётных условий дал значение 21,4 кВт·ч/м² в год, что ниже проектного значения, равного 15,5 кВт·ч/м² в год.

3. В энергоэффективном здании, расположенном в Могилёве, при пересчёте удельного потребления для расчётных условий получили 33,1 кВт·ч/м² в год, что больше проектного значения, равного 23,3 кВт·ч/м² в год.

Предполагается выход на проектные значения удельного потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию в последующих сезонах при полном заселении зданий и выходе на стационарный режим эксплуатации.

Система утилизации тепловой энергии сточных вод будет подключена для подогрева холодной воды в системе горячего водоснабжения зданий при заселённости здания на 60–70 %.