Насыщенность современного здания инженерными системами, каждая из которых потребляет либо тепловую, либо электрическую энергию (обычно ту и другую одновременно), либо непосредственно топливо, сжигаемое ради их получения в том или ином соотношении, требует развития существующих методик энергопотребления инженерным оборудованием зданий. Последовательность этих методик такова:
- Методика составления энергетического баланса инженерных систем здания.
- Методика определения удельных тепловых характеристик зданий в расчетном режиме на 1 м3 объема здания по каждой из теплопотребляющих инженерных систем.
- Методика расчета эксплуатационных удельных расходов тепловой энергии по отдельным системам на единицу площади здания.
- Методика нахождения суммарного значения годового удельного расхода тепловой энергии в здании на отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха и горячее водоснабжение.
- Методика расчета удельных величин потребления инженерными системами зданий электрической энергии.
- Методика структурного анализа и суммации относительных величин энергозатрат на инженерные системы зданий тепловой и электрической энергии с получением общей энергоемкости этих систем.
- Методика оценки окупаемости энергосберегающих технических решений по расходу и экономии топлива.
Эту цепочку методик нужно пройти при проектировании. В современной ситуации уже недостаточно говорить только о повышении энергоэффективности систем отопления, поскольку они потеряли первенство в энергопотребности (но не значимость!) среди инженерных систем зданий, даже если взять только теплопотребляющие системы зданий: отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, горячее водоснабжение.
На рынке, между тем, появилось много новых систем и оборудования для зданий, в том числе потребляющих из соответствующей сети один вид энергии (электричество, газ), но в результате своего основного действия выделяющих побочно другой вид энергии (чаще всего в виде рассеянной низкопотенциальной теплоты), который учитывается в уравнениях теплового баланса, уменьшая расчетную мощность систем отопления. Но и этого оказывается в общем случае недостаточно.
Например, работа систем пылеуборки (включающей местные и центральные пылесосы, которые в расчетах учитываются совсем по-разному), оборудования пищеприготовления, стиральных машин, холодоснабжения (местные холодильники и центральные холодильные станции), систем освещения разного назначения требует индивидуального инженерного анализа. Притом не только в сезонном, но и в круглогодичном технологическом цикле (подчас сезонное считают эквивалентом годовому, что не всегда правильно).
В настоящей статье укажем лишь на основные особенности, которые важно не упустить в расчетах и исследованиях. Они развивают излагаемую тему, которой автор занимался в своих работах [1 и др.] на протяжении ряда лет. Отдельные результаты вошли в стандарт организации [2], другие излагаются ниже. В проектировании важнее всего определить максимальные (так называемые «расчетные») тепловые и электрические мощности инженерных систем, по которым рассчитывают и подбирают необходимое оборудование и сооружают их в здании.
Эти же мощности используют, чтобы найти следующим шагом значения годовых расходов тепловой и электрической энергии, а также удельные величины энергозатрат, приходящиеся на единицу объема (1 м3) или площади (1 м2) здания. Главная величина здесь — удельная тепловая характеристика здания для систем отопления q0, предложенная профессором В.М. Чаплиным еще в ХIХ веке и получившая полное признание в недавно минувшем ХХ веке:
В современном воззрении в числитель этой известной формулы удельной тепловой характеристики здания подставляются не просто усредненные по зданию теплопотери при средней по помещениям температуре внутреннего воздуха и следовательно средней разности температур Δtc, а скорректированная их величина, вычисленная по балансовому уравнению Qб.тп. С небольшими вариациями балансовое уравнение представлено во многих публикациях [1, 2 и др.].
Слагаемые теплопотерь и теплопоступлений, естественно, знакопеременны в зависимости от своей физико-технологической сущности. Суммарная балансовая величина Qб.тп обычно еще увеличивается, но не более, чем на 7 % на дополнительные потери тепла в магистралях и через перегретые площадки наружных стен за радиаторами. С целью не допустить случайного занижения отопительной мощности, что повлекло бы отрицательный социальный эффект, объем V в формуле (1) определяют по внешнему контуру отапливаемого здания.
В связи с насыщением здания теплопотребляющими инженерными системами кроме систем отопления, возникает методическая целесообразность найти аналоги удельной тепловой характеристики здания для каждой из таких систем в режимах их расчетных условий qв, qкд и qгв. При этом обнаруживаются особенности вычислений. Так, объем V здания следует применять тот же, что и для отопления. (В учетно-аналитических целях может также понадобиться дополнительно вычислить qкд или qв только для обслуживаемых объемов.)
Кроме того, системы механической вентиляции, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения работают круглый год, а не только сезон. Соответственно и расход тепловой и электроэнергии приходится определять двумя слагаемыми: для зимнего и летнего периодов. Эксплуатационные годовые расходы тепловой энергии по каждой системе i относят к единице площади здания. Обозначим их qi.урт [кВт/(м2⋅год)].
Индекс обозначает: удельный расход тепла. В целом по теплопотребляющим системам здания имеет место:
qΣурт = qо.урт + qв.урт + qкд.урт + qг.урт. (2)
По этим же системам вычисляют значения годового удельного потребления электроэнергии N _ i.упэ, включая расход на холодоснабжение кондиционеров и суммарную величину N _ э [кВт/(м2⋅год)].
ΣN _ э = N _ о.упэ + N _ в.упэ + N _ кд.упэ + N _ гв.упэ. (3)
Для полноты анализа в здании в целом в этот ряд можно прибавить потребление электрической энергии бытовыми приборами ΣN _ быт.упэ. Чтобы иметь основание говорить об энергозатратах и экономии энергии в целом одним понятием и одним словом, необходимо оба вида расходуемой энергии в уравнениях (2) и (3) для одних и тех же систем соединить в одно уравнение.
Непосредственно этого сделать нельзя, так как термодинамические и потребительские качества тепловой и электроэнергии сугубо различны, хотя подчас некоторые авторы соблазняются делать эту ошибку по чисто формальному признаку — одинаковой размерности, забывая при этом, что энергия, эксергия и анергия измеряются в одних единицах. Аппарат эксергетического анализа для описываемых систем детально еще не разработан.
Поэтому, в первом приближении введем постоянные понижающие коэффициенты э _ на тепловую энергию возможно также введение повышающих коэффициентов на электрическую энергию 1/э _ ):
В качестве понижающего коэффициента принято соотношение рыночных качеств — стоимостей 1 кВт⋅ч тепловой Цт и электрической Цэ энергии (еще точнее — соотношение себестоимостей). Можно также пользоваться научно прогнозируемыми ценами. Таким образом, данный расчетный эквивалент в виде электрической энергии ΣN _ э.экв для указанной потребленной тепловой энергии выразится в виде следующей формулы:
ΣN _ э.экв = qΣуртэ _ . (5)
После соответствующего анализа численная величина э _ автором принята 0,3. Ее рекомендуется уточнять, так как она зависит от региона и рынка энергоносителей в конкретный период. Теперь приведенное условно-суммарное значение энергопотребления выразится одним числом:
ΣN э.сум = ΣN э.экв + ΣN э. (6)
Только по этому значению и можно судить об энергоэффективности той или иной системы в целом так же, как и о долевой энергопотребности каждой из систем в здании. Структурирование же энергозатрат по системам легко произвести с помощью уравнений (2) и (3) по изложенной методике и отобразив в долях единицы и в процентах. Становится возможным продолжить ряд (6) и числами для характерных бытовых электропотребителей. Срок окупаемости нового технического решения или оборудования по энергосбережению Tок считаем наиболее объективным и предлагаем определять с применением топливного эквивалента по формуле:
где Gт — количество топлива, которое можно закупить на ту сумму денег Kэн.сб, что предполагается потратить на энергосберегающее оборудование и материалы, кг (твердое или жидкое топливо) или нм3 (газ); Qр.н — низшая теплотворная способность топлива; ηп.д.т — коэффициент эффективности производства и доставки тепла потребителю (в первом приближении принимаем для современных условий ηп.д.т = 0,75, а для крупных проектов требуется свое технико-экономическое обоснование); Qг.эк — годовая экономия тепла, достигаемая на всех режимах работы нового оборудования или технического решения.
Приемлемыми (выгодными) по мнению автора следует считать сроки до восьми лет. При этом следует сопоставить минимум два варианта. С учетом ставки рефинансирования банка (если система сооружается в долг) расчеты усложнятся, но срок окупаемости может только увеличиться. «Мода» на применение подобных методик распространилась даже на обучаемых студентов и доходит до языковосмысловых нелепостей типа сочетания «дисконтированных затрат» при их увеличении [3].
Само слово «дисконт» означает снижение (см., например, толковый словарь Вебстера, США, изд. 7). Наиболее обстоятельно вопрос расчета сложных процентов по оплате ссуд в банках в приложении к проблеме утепления зданий развивается в последние 10 лет в работах д.т.н., профессора В.Г. Гагарина. Последняя статья в трех частях [4] суммирует результаты и приводит к совершенно логичным и интересным следующим выводам.
Одни и те же мероприятия по энергосбережению могут быть выгодны в одной стране и не выгодны в другой. В частности, климатические и экономические условия для теплозащиты зданий в России менее благоприятны, чем, к примеру, в Швеции. И для подобного исследования учет разных ставок рефинансирования в разных странах необходим. Применение в нашей стране зарубежных методик требует большой осторожности («нельзя слепо копировать «зарубежный опыт») [4].
С точки зрения автора введение атрибутики финансового капитала в рядовые вариантные проработки, в том числе студенческие в техническом вузе, нецелесообразно. Вопрос этот требует специального рассмотрения в отдельной статье. Здесь сформулируем лишь краткие положения, связанные с пояснениями неприменения «дисконта» в формуле (7).
- Различие между кривыми технических вариантов на примере вентиляционных теплоутилизаторов столь малы в сравнении с так называемыми «совокупными дисконтированными затратами» (СДЗ), что становится бессмысленным как применение теплоутилизаторов, так и вариантное проектирование на эту тему, по крайней мере, в большинстве дипломных проектов.
- Сравнение проверенного и простого метода «приведенных затрат» и «метода СДЗ» не выявляет преимуществ последнего в выборе вариантов технических решений в проектах. Результат выбора технической системы один и тот же.
- При ставке рефинансирования 5 % и ниже, характерной для развитых стран, пользоваться методом «СДЗ» вообще не целесообразно [4]. Поэтому, в частности, и рекомендуется перейти к расчетам по натуральным физическим показателям, а именно затратам и экономии топлива (7).
