Основными видами потребляемой малоэтажными домами энергии являются электрическая энергия на освещение и питание бытовых электроприборов, тепловая энергия на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, а также тепловая энергия в виде холода на охлаждение здания в тёплый период. В связи с этим возникает задача выбора типа и мощности источника энергии в случае автономного энергоснабжения здания. Критериями выбора источника в этом случае является вид потребляемой энергии, установленная мощность, режим потребления мощности, количество потребной энергии за период (отопительный, охладительный, за год и т. д.).
Решение поставленной задачи осложняется разнообразием проектов зданий, применяемых при строительстве материалов, различными климатическими условиями и другими факторами. Поэтому для упрощения расчётов и для большей наглядности полученных результатов рассчитаем потребное количество энергоресурсов для зданий различной площади, расположенных в трёх различных климатических регионах при условии, что термические сопротивления наружных ограждений зданий соответствуют нормативным значениям при проектировании тепловой защиты зданий [1].
Соотношения площадей наружных ограждений (стен, окон, полов и потолков) приняты из усреднённых значений для жилых зданий. При расчёте потребного количества тепловой энергии, как для отопления, так и для охлаждения, учитывалось количество теплоты, поступившее в здание за счёт солнечной радиации. Расчёт потребного количества энергоресурсов проводился в соответствии с требованиями нормативных документов [2].
Термическое сопротивление ограждающих конструкций зданий регламентируются СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [1], при этом значения термического сопротивления зависят не только от назначения здания, но и от климата.
В качестве объекта исследования в данной работе принято одноквартирное жилое здание (коттедж).
Затраты тепловой энергии на отопление
Для примера были заданы различные значения площади здания, например, 150, 300 и 500 м². При высоте этажа 3 м отапливаемые объёмы составят, соответственно, 450, 900 и 1500 м³. В связи с многообразием конкретных проектов и планировок зданий некоторые параметры (коэффициент остеклённости, показатель компактности) приняты усреднённо, исходя из следующих соображений.
Коэффициент остеклённости принимаем в пределах, регламентированных п. 5.11 СНиП 23-02-2003 [1] (для жилых зданий не более 18% — f = 0,18). Значения площадей окон и балконных дверей составят 49,6 м² для здания площадью 150 м², 99,1 и 165,2 м² для зданий площадью 300 и 500 м².
Для рассматриваемых зданий принято одинаковое количество этажей — два этажа. Тогда, в соответствии с СНиП 23-02-2003 [1] принимаем коэффициент компоновки здания Kкомп = 0,9.
Мощность внутренних источников теплоты для жилых зданий составляет в среднем 10 Вт/м².
Помимо различной площади для большей наглядности в различиях энергетических характеристик зданий введём разделение по климату: рассмотрим три региона РФ с континентальным климатом, с умеренным континентальным и с субтропическим климатом, то есть города Красноярск, Москву и Краснодар.
Выбранные регионы существенно различаются по параметрам климата: так, расчётная температура наружного воздуха для отопления для Красноярска составляет −37°C, для Москвы −26°C, для Краснодара −15°C [3]. Продолжительность отопительного периода для Красноярска наибольшая — 234 суток при средней температуре отопительного периода −6,6°C, для Краснодара минимальная — 146 суток при средней температуре +2,2°C. Температура воздуха внутри помещений для расчёта градусо-суток отопительного периода (ГСОП) принята равной +20°C.
Значения термических сопротивлений ограждений для каждого города согласно СНиП 23-02-2003 [1] определены из условия отсутствия конденсации влаги на внутренней поверхности ограждения и представлены в табл. 1. Из полученных значений видно, что нормируемое термическое сопротивление наружных ограждений определяется только суровостью зимы (параметром ГСОП) и различно для каждого города.
Средний коэффициент теплопередачи ограждений зданий определим по формуле (Ж. 1) из СП 50.13330.2012 [1]):
Максимальное из найденных значений коэффициентов теплопередачи ограждений получено для Краснодара — 0,691 Вт/( м²·К), минимальное для Красноярска — 0,414 Вт/( м²·К), для Москвы получили 0,505 Вт/( м²·К). Таким образом, для Красноярска теплозащита ограждений должна быть более чем на 50% эффективнее, чем для Краснодара.
Расчётная тепловая мощность на отопление и вентиляцию зданий составила в среднем от 8 кВт (для здания 150 м²) до 27,8 кВт (для здания 500 м²), как это показано на рис. 1 [2].
Рис. 1. Зависимость расчётной мощности системы отопления от площади отапливаемого здания
Полученные результаты свидетельствуют о том, что мощность системы отопления зданий, расположенных в различных климатических регионах, определённая при условии соответствия термического сопротивления наружных ограждений требованиям нормативных документов [1–5], не зависит от расчётной температуры наружного воздуха и примерно одинакова для зданий одной площади.
При расчёте потребного количества тепловой энергии, как для отопления, так и для охлаждения, учитывалось количество теплоты, поступившего в здание за счёт солнечной радиации [6, 7].
Несмотря на одинаковую расчётную мощность системы отопления, количество теплоты на отопление данных зданий за отопительный период зависит от климата — здание, расположенное в регионе с большей продолжительностью отопительного периода и, соответственно, с более низкой за период средней температурой наружного воздуха за отопительный период, потребует большего количества теплоты на отопление. Из рассмотренных в работе городов это будет Красноярск — от 2,1 МВт·ч для здания 150 м² до 70,6 МВт·ч для здания 500 м². Затем следует Москва (18,8 и 62,5 МВт·ч), минимальное количество теплоты потребуется для отопления здания в Краснодаре (14,5 и 48,3 МВт∙ч).
Количество теплоты, потребное на отопление данных зданий за отопительный период и рассчитанное с учётом теплоты от солнечной радиации, также будет больше для зданий с большей продолжительностью отопительного периода и с более холодной зимой, но разница между количеством теплоты для разных регионов будет меньше (рис. 2).
Рис. 2. Расход тепловой энергии за отопительный период с учётом теплопоступлений от солнечной радиации
При этом удельные характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию для всех зданий будут примерно одинаковы — 17,6–18,6 Вт/м².
Удельные расходы теплоты на отопление с учётом солнечной радиации (и без неё) также будут различаться меньше. Это является следствием поступления дополнительного количества теплоты в отапливаемое здание за счёт солнечной радиации. Особенно заметно влияние теплоты от солнца в начале и конце отопительного периода — октябрь и апрель, например, для Красноярска поступления теплоты за счёт солнечной радиации в конце отопительного периода может достигать более 80% от потерь теплоты через наружные ограждения (рис. 3) [8].
Затраты холода на охлаждение помещений
В охладительный период параметры микроклимата при кондиционировании помещений в охладительный период следует предусматривать для обеспечения параметров внутреннего воздуха в пределах верхних значений оптимальных норм по ГОСТ 30494 [4] (формулировка по СП 60.13330.2020), в качестве расчётной температуры внутреннего воздуха была принята температура +20°C. При определении количества холода на охлаждение учтены следующие обстоятельства:
1. Удельные внутренние теплопоступления в зданиях снизятся за счёт меньших теплопоступлений от освещения из-за увеличения светового дня по сравнению отопительным периодом до величины.
2. Теплопоступления с солнечной радиацией в тёплый (охладительный) период возрастают из-за увеличения длительности светового дня и интенсивности солнечного излучения, при этом основное количество теплоты поступает в помещения через световые проёмы, воздействием солнечной радиации на непрозрачные ограждения (стены, крышу, потолки и т. д.) пренебрегаем ввиду их малой величины.
Таким образом, для жилого здания теплопоступления в охладительный период разделяются на три вида: внешние Qрад (с солнечной радиацией), внутренние Qвн, а также теплопоступления за счёт тёплого наружного воздуха с температурой выше расчётной температуры воздуха в помещениях Qвент.
Температуру наружного воздуха начала/окончания охладительного периода, учитывая, что величина внутренних тепловыделений для жилого здания мала, приняли равной расчётной температуре внутреннего воздуха, то есть также +20°C.
Длительность охладительного периода была определена следующим образом: из таблицы продолжительности стояния температур наружного воздуха [5] выбрана продолжительность периода, когда температура наружного воздуха была выше расчётной температуры внутреннего воздуха в охладительный период. Для Москвы длительность охладительного периода будет равна 761 ч.
Далее по графику среднемесячных температур наружного воздуха (рис. 3) был определён период, вблизи которого наружная температура наружного воздуха будет наивысшей [9]. В этом случае для выбранных городов это будет июль. Соответственно, интенсивность солнечной радиации рассчитаем для июля. В случае, если продолжительность охладительного периода будет значительно больше одного месяца, необходимо учесть изменение радиации в другие месяцы [10].
Рис. 3. Отношение количества теплоты, поступающего от солнечной радиации, и тепловых потерь через ограждающие конструкции
Средняя температура наружного воздуха определена усреднением температур из таблицы [5] пропорционально продолжительности стояния:
Энтальпия и плотность воздуха при этой температуре составят 1,193 кг/м³ и 1,005 кДж/(кг∙°C), соответственно.
Далее приведён расчёт количества теплоты для охлаждения для здания площадью 150 м², расположенного в Москве:
Результаты расчётов количества потребного холода приведены в табл. 2.
Таким образом, из результатов расчёта потребляемой энергии на охлаждение зданий следует, что количество холода однозначно определяется интенсивностью солнечной радиации и параметрами наружного воздуха летом, а вкладом теплопоступлений через теплоёмкие наружные ограждения (стены, перекрытия) можно пренебречь.
Далее можно сформулировать выводы:
1. Расчётная мощность системы отопления зданий, расположенных в различных климатических регионах, определённая при условии соответствия термического сопротивления наружных ограждений требованиям нормативных документов, не зависит от параметров климата (расчётной температуры наружного воздуха и градусо-суток отопительного периода) и примерно одинакова.
2. Количество тепловой энергии, потребной на отопление за отопительный период, существенно зависит от суровости климата — при более низкой температуре наружного воздуха и более продолжительном отопительном периоде требуется заметно большее количество тепловой энергии.
3. Удельные расходы теплоты на отопление с учётом солнечной радиации (и без неё), так же, как и расчётная мощность системы отопления, будут различаться меньше для разных городов. Связано это с тем, что для регионов с более мягкой зимой требуемое термическое сопротивление наружных ограждений меньше, чем для городов с более холодным и продолжительным отопительным периодом
4. Относительная величина теплопоступлений за счёт солнечной радиации для районов с большей продолжительностью отопительного периода будет больше, чем для тёплых районов. Это является следствием поступления дополнительного количества теплоты в отапливаемое здание за счёт солнечной радиации. Особенно заметно влияние теплоты от солнца в начале и конце отопительного периода — октябрь и апрель, например, для Красноярска поступления теплоты за счёт солнечной радиации в конце отопительного периода могут достигать более 80% от потерь теплоты через наружные ограждения.
5. При этом мощность системы кондиционирования здания в основном зависит от интенсивности солнечной радиации и максимальной температуры воздуха летом. Количество холода для охлаждения зданий находится в обратной зависимости от температуры наружного воздуха. В более тёплом климате для зданий требуется большее количество холода за охладительный период независимо от теплозащитных свойств наружных ограждений.
