Изучению методов повышения энергетической эффективности «активных» (отопление и вентиляция) и «пассивных» (тепловой контур) систем обеспечения параметров микроклимата гражданских зданий посвящено значительное число современных научных исследований [1–7]. Одним из важных направлений в данной области является решение задачи оптимального выбора таких сочетаний типовых энергосберегающих мероприятий, которые позволяют достигнуть необходимого класса энергосбережения здания.
Для оценки потенциала энергосбережения типовых мероприятий в области систем обеспечения микроклимата авторами предлагается пользоваться понятием «эталонного здания», чьи наружные ограждающие конструкции соответствуют минимальным требованиям санитарной гигиены, температура на внутренней поверхности которых ниже внутреннего воздуха на 4°C для стен, на 3°C — для потолков и на 2°C — для полов.
Предполагается, что в «эталонном здании» работают системы вентиляции, которые не оборудованы утилизаторами теплоты удаляемого воздуха, то есть их коэффициент эффективности рекуперации kэф = 0. Средства автоматического регулирования системы отопления отсутствуют, величина коэффициента эффективности регулирования подачи теплоты составляет Kрег = 0,6 [8].
Показатели энергетической эффективности проектируемого объекта рассчитываются сначала при соответствии его теплового контура и отопительно-вентиляционных систем параметрам «эталонного здания», а затем пересчитываются с учётом применяемых энергосберегающих мероприятий, таких как повышение приведённого сопротивления теплопередаче наружных ограждений Rпр [ м²·°C/Вт], автоматизация систем отопления (то есть Kрег > 0,6), утилизация теплоты удаляемого воздуха (увеличение kэф).
Показателем, отражающим потенциал энергосбережения каждого из мероприятий, служит процент снижения удельной характеристики потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания за отопительный период N [%], определяемый по формуле:
где qот.эт и qот.р — удельные характеристики потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию рассматриваемого здания [Вт/( м³·°C)] за отопительный период, соответственно, для его «эталонных» систем обеспечения микроклимата и при внедрении энергосберегающего мероприятия, равные
где kоб, kвент, kбыт и kрад — удельные характеристики (соответственно, теплозащитная, вентиляционная, бытовых тепловыделений и поступлений солнечной радиации [Вт/( м³·°C)]), вычисляемые согласно [8, 9]; n — средняя кратность воздухообмена, ч-1.
В ходе исследования был проведён расчёт значений N для типовых энергосберегающих мероприятий, внедряемых при проектировании четырёхсекционного пятиэтажного жилого дома в городе Нижний Новгород (рис. 1). Рассматриваемое здание имеет такие характеристики: отапливаемый объём составляет Vот = 19 тыс. м³; высота этажа — h = 3 м; коэффициент остеклённости — f = 0,21; средняя кратность воздухообмена — n = 0,8 ч-1. На каждом этаже отдельной секции расположено по две двухкомнатные и две трёхкомнатные квартиры с раздельными санузлами и кухнями с электроплитами.
Рис. 1. Процент снижения теплопотребления системами отопления и вентиляции при внедрении типовых энергосберегающих мероприятий в области «активных» и «пассивных» систем
обеспечения параметров микроклимата жилого дома
Рассматриваемое здание имеет следующие «эталонные» значения приведённых сопротивлений теплопередаче Rпр: стен — 1,35 м·°C/Вт; покрытий кровли — 1,80 м·°C/Вт; пола — 2,70 м·°C/Вт; светопрозрачных заполнений оконных проёмов — 0,55 м·°C/Вт.
В результате проведённого расчёта было получено следующее:
- наименьшие потенциалы энергосбережения имеют мероприятия, связанные с повышением приведённых сопротивлений теплопередаче N покрытий кровли (0,6–5,6%) и пола (0,4–3,1%), а также с использованием средств автоматизации системы отопления (1,8–6,3%);
- относительно небольшой потенциал энергосбережения соответствует мероприятиям по установке заполнений оконных проёмов с высокими значениями приведённого сопротивления теплопередаче (N = 1,9–7,1%), что связано в первую очередь с низким коэффициентом остеклённости;
- повышение приведённого сопротивления теплопередаче стен позволяет достигнуть значений N от 7,9 до 19,8%, что, в свою очередь, требует применения теплоизолирующего слоя толщиной δ = 200–350 мм и более;
- наибольший потенциал энергосбережения имеют мероприятия по утилизации теплоты удаляемого воздуха, которые, в зависимости от коэффициента эффективности утилизатора kэф, дают величину N от 24 до 54,8%.
На рис. 1 также приведено теплопотребление «эталонного здания», выраженное через максимальный потенциал энергосбережения N = 100%, а также значения N при достижении указанным зданием действующих стандартов энергетической эффективности тепловой защиты (N = 25,4%) и возведения «энергетически пассивных зданий» (N = 91,3%).
Таким образом, энергетически эффективный дом будет потреблять на 25,4% меньше тепловой энергии на отопление и вентиляцию, чем «эталонный», а «энергетически пассивный» — на 91,3%.
Дополнительно были получены значения N при достижении рассматриваемым зданием различных классов энергосбережения (рис. 2).
Рис. 2. Процент снижения теплопотребления системами отопления и вентиляции при внедрении нескольких типовых энергосберегающих мероприятий для достижения требуемых классов
энергосбережения жилого дома
Для рассматриваемого жилого дома класс D недопустим, поскольку в зданиях такого класса нельзя обеспечить соблюдение санитарно-гигиенических требований к внутренним поверхностям наружных ограждающих конструкций. Показатель N примет отрицательное значение, поскольку имеет место qот.эт < qот.р.
Достижение различных классов энергосбережения может быть реализовано несколькими равнозначными способами, и чем класс энергосбережения выше, тем меньше имеется вариантов сочетания типовых энергосберегающих мероприятий, не включающих использование утилизации теплоты удаляемого воздуха, которые могут обеспечить необходимые qот.р.
Для классов энергосбережения В+ и выше устройство утилизаторов теплоты, а значит и применение механической приточно-вытяжной вентиляции должно рассматриваться как обязательное мероприятие. Приведение рассматриваемого многоквартирного дома к классу А++ или к «энергетически пассивному» невозможно без комплексного повышения приведённого сопротивления теплопередаче элементов его теплозащитной оболочки и полезного использования теплоты удаляемого из помещений воздуха.
Из табл. 1 напрямую следует, что отклонение величины qот.р от её нормируемого согласно СП 50.13330.2012 [9] значения [qот = 0,359 Вт/( м³·°C)] практически не зависит от уровня автоматизации системы отопления при низких классах энергосбережения, и наоборот — при высоких, что связано с постепенным уменьшением соотношения теплопотерь и теплоизбытков в данном здании.
Введём параметр kот [Вт/( м³·°C)], показывающий, какая часть заданного значения (kоб + kвент = const) должна компенсироваться отопительными приборами системы отопления с учётом утилизации теплоты, равный:
- для здания с системами ЕВ kот = kоб + kвент; (3)
- для здания с системами МВ kот = kоб + kвентkэф. (4)
Полученные значения kот позволяют определить средние теплопотери Qср [Вт/шт.], компенсируемые одним отопительным прибором:
Qср = kотVср(tв — tнхп) — qбытAср, (5)
где Vср — осреднённый объём здания, приходящийся на один отопительный прибор, м³/шт.; tв и tнхп — температуры воздуха (внутреннего и наружного, соответственно) [°C] наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,92; qбыт — удельные бытовые тепловыделения, qбыт = 10 Вт/м²; Aср — средняя площадь жилых комнат и кухонь, приходящаяся на один отопительный прибор, м²/шт.
В этом случае расчётная мощность системы отопления Qсо [ кВт] рассматриваемого в данной статье здания определяется по следующей формуле:
где nпр — количество обслуживающих здание отопительных приборов [шт.], для рассматриваемого здания оно примерно равно количеству отапливаемых жилых комнат и кухонь и составляет величину nпр = 320 шт.
Результаты расчёта Qср и Qсо для различных сочетаний (kоб + kвент) и kэф по формулам (5) и (6) приведены в табл. 3 и 4. Чем больше в рассматриваемом здании коэффициент эффективности утилизации теплоты kэф, тем больше будет расчётная мощность системы отопления при одном и том же требуемом суммарном значении (kоб + kвент). Полученные в табл. 3 и 4 результаты являются частью исходных данных, необходимых при проведении расчётного обоснования конструкции системы отопления: одноили двухтрубная; стояковая, горизонтальная или лучевая; с секционными либо панельными радиаторами, конвекторами, тёплыми полами или «тёплыми плинтусами»; водяная или электрическая и др.
Например, при Qср < 400 Вт/шт. может быть нерационально применение некоторых типов радиаторов и конвекторов, ввиду ограниченности их типоразмерного ряда [10], низких скоростей движения теплоносителя в трубопроводах и его требуемого температурного перепада.
