Энергоэффективность систем обеспечения параметров микроклимата

В предыдущем номере журнала приведён анализ и обоснование диапазона изменения всех основных составляющих зависимости по определению расчётных потерь теплоты через наружные ограждения энергоэффективных зданий, кроме величины сопротивления теплопередаче. Выбор данной величины для расчёта дефицита теплоты в помещениях в холодный период года зависит от многих факторов, включая климатические условия района строительства, стоимость энергии, конструктивные особенности теплового контура зданий. Напомним, что сопротивление теплопередаче R_о [м²·°С/Вт], показывает разность температуры в градусах, при которой через 1 м² ограждения теряется 1 Вт теплоты.

Теплотехнический расчёт элементов теплового контура здания включает в себя определение сопротивлений теплопередаче основных видов ограждающих конструкций: стен; покрытий; полов над неотапливаемыми подвалами, на грунте и на лагах; окон и фонарей; наружных дверей и ворот; перегородок между смежными помещениями с различной расчётной температурой.

Сопротивление теплопередаче многослойной наружной ограждающей конструкции R₀ находится по зависимости:

R_о = R_в + ΣR_i + R_в.п + R_н, (1)

где R_в = 1/α_в и R_н = 1/α_н — сопротивления теплоотдаче на внутренней и наружной поверхностях ограждения, соответственно; α_в и α_н — коэффициенты теплоотдачи на поверхностях; R_i = δ_i/λ_i — термическое сопротивление i-го слоя; δ_i и λ_i — его толщина и коэффициент теплопроводности; R_в.п — сопротивление теплопередаче воздушной прослойки в ограждении (при её наличии).

Величина R_o основной части (глади) непрозрачных конструкций должна быть не менее минимально допустимого по санитарно-гигиеническим нормам требуемого R_o.тр сопротивления теплопередаче (R_o ≥ R_o.тр). Данное условие необходимое, но недостаточное, так как не учитывает экономические показатели теплозащитных характеристик конструкции. Если окажется, что экономически целесообразное сопротивление теплопередаче R_о.опт наружного ограждения больше требуемого R_о.опт ≥ R_o.тр), то за расчётное сопротивление принимается R_о.oпт (R_o ≈ R_o.опт). В этом случае выполняются и санитарно-гигиенические и экономические требования. Требуемое сопротивление теплопередаче R_o.тр равно:

Основной регламентирующей величиной в (2) является разность температуры между воздухом помещения t_в и внутренней поверхности τ_в наружного ограждения Δt^н = (t_в - τ_в). Понижение температуры t_в ограничивается по второму условию комфортности допустимой температурой τ_в^доп для человека [1]. Расчётные значения Δt^н для внутренних поверхностей помещений различного назначения с учётом санитарных требований и недопустимости конденсация влаги (τ_в^доп выше температуры точки росы t_т.р воздуха в помещении) приведены в работе [2].

Требуемое сопротивление теплопередаче окон и балконных дверей, витрин и витражей, фонарей с вертикальным остеклением в зависимости от разности расчётных температур внутреннего и наружного воздуха и назначения помещений приводятся в нормах. Требуемое сопротивление теплопередаче наружных дверей и ворот следует принимать с коэффициентом 0,6 от R_о.тр стен здания.

Экономически целесообразный предел снижения потерь теплоты за счёт дополнительного утепления наружных ограждений сводится к нахождению значений минимальных приведённых затрат З [руб/м²], то есть к определению оптимального сопротивления теплопередаче R_о.опт. Выявление и обоснование рациональных величин R_о.опт является сложной технико-экономической задачей. С некоторыми упрощениями она заключается в следующем.

Приведённые затраты определяются по соотношению:

З = К + ЭТ, (3)

где К — капитальные затраты на ограждение и сопряжённые с ним системы отопления, руб/м²; Э — эксплуатационные расходы, складывающиеся из стоимости теряемой через ограждения теплоты и затрат на восстановление, капитальный ремонт ограждений и систем, руб/ (м²·год); Т — нормативный срок окупаемости капитальных вложений, 1/год.

При нахождении величины R_о.опт для наружных ограждений капитальные затраты К равны: К = К_н + δ_изС_из, где К_н — стоимость конструкции без теплоизоляционного слоя, руб/м²; δ_из — толщина тепловой изоляции, м; С_из — стоимость тепловой изоляции, руб/м³.

Эксплуатационные затраты Э характеризуются стоимостью теплоты Q_т теряемой за год через 1 м² ограждения:

где t_о.п и n_о.п — средняя температура [°C] и продолжительность [ч/год] отопительного периода; С_т — стоимость теплоты, руб/Вт·ч (в практике при расчётах иногда используют, руб/Гкал); R_к — термическое сопротивление слоёв наружного ограждения без слоя теплоизоляции, м²·°С/Вт; λ_из — коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, Вт/(м- °С).

Приведённые затраты составляют:

После преобразований можно получить значение R_о.опт [3]:

Профессором Л. Д. Богуславским решены задачи нахождения оптимального сопротивления теплопередаче наружных ограждений энергоэффективных зданий любой сложности [3, 4]. Они чётко прослеживают динамику затрат во времени на системы отопления, отчисления на амортизацию и текущий ремонт, изменения стоимости тепловой энергии и др. Разработана чёткая, физически и экономически обоснованная, апробированная практикой, понятная для инвесторов методология оптимизации теплотехнических характеристик наружных ограждений зданий, включающая преемственность и опыт предыдущих поколений научных работников. Поэтому странно и абсолютно необоснованно звучит положение, высказанное в статье журнала «АВОК» об отсутствии каких-либо отечественных научных и практических разработок по созданию энергоэффективного теплового контура зданий [5]: «...было решение „сверху“ о необходимости повышения теплозащиты зданий и экономии топливно-энергетических ресурсов и обосновать требуемое директивное повышение экономическими расчётами не представляется возможным... необходимые показатели для экономических расчётов отсутствуют... И пора создать научно обоснованную методологию определения уровня теплозащиты здания на основе экономической целесообразности».

По своей физической сущности величина ГСОП является одной из характеристик интегральных значений необходимой тепловой производительности систем отопления зданий

Градусо-сутки отопительного периода. В СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [2] представлена трактовка оптимизации коэффициента теплопередаче (сопротивления теплопередаче) теплового контура зданий «...в целях экономии энергии при обеспечении санитарно-гигиенических и оптимальных параметров микроклимата помещений и долговечности строительных конструкций зданий и сооружений». Там же говорится о мерах «... по сокращению расхода тепловой и электрической энергии путём автоматического управления и регулирования оборудования и инженерных систем в целом».

Прежде чем перейти к анализу предлагаемого нового варианта оптимизации сопротивления теплопередаче ограждений, укажем на ошибочность или небрежность в употреблении понятий в последнем утверждении. Расход тепловой энергии Q_от [Вт] — это основная, первичная величина, которая задана в соответствии с расчётом и не может быть сокращена без нарушения температурного режима помещения. Любое управление или регулирование оборудования и инженерных систем является только методом борьбы с перерасходом тепловой энергии в процессе неэффективной эксплуатацией систем теплообеспечения зданий.

Рекомендовано нахождение требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждений R_о.тр для всех видов зданий и сооружений принимать по табличным данным в зависимости от граду- со-суток отопительного периода района строительства (ГСОП):

ГСОП = (t_в - t_о.п)n_о.п (6)

Исключение сделано лишь для производственных зданий с избытками явной теплоты более 23 Вт/м³ и зданий с расчётной температурой внутреннего воздуха t_в ≤ 12 °С. Для них величина R_о.тр определяется по традиционной зависимости (2).

По своей физической сущности величина ГСОП является одной из характеристик интегральных значений необходимой тепловой производительности систем отопления (теплообеспечения) зданий за отопительный период для конкретного климатического района. На рис. 1 видно соотношение фигур, когда количественно величина ГСОП (площадь прямоугольника g-h-i-k) равна площади фигуры a-b-c-d-e-f-a. Величина ГСОП удобна и обоснована для ориентировочных перспективных расчётов необходимого количества теплоты для группы зданий, районов города, населённых пунктов, а также сопутствующих технических расчётов и эксплуатационных показателей.

Показывая значимость разработанного СНиП [2], его авторы во введении приводят странную по научному, техническому и инженерному содержания фразу, ни в коей мере не соответствующую нормативному документу: «Нормы по тепловой защите зданий гармонизированы с аналогичными зарубежными нормами развитых стран». Как понимать основное слово предложения «гармонизировать» в научной или инженерной деятельности? А какие страны считать развитыми: тёплую Италию, относительно холодные Скандинавию, США или Китай, Индию, в которых подача теплоты для отопления менее актуальна, как в России?

Как понимать основное слово предложения «гармонизировать» в научной или инженерной деятельности? А какие страны считать развитыми: тёплую Италию, относительно холодные Скандинавию, США или Китай, Индию?

Проанализируем как обоснованность, так и точность определения требуемого сопротивления теплопередаче R_о.тр по методике ГСОП для гражданских и промышленных зданий. Расчётная потребность помещения в теплоте для поддержания допустимого температурного режима характеризуется условием R_о ≥ R_о.тр.

Температура холодной пятидневки t_н5, а не средняя температура отопительного периода t_о.п, определяет суровость или мягкость холодного периода года. Продолжительность стояния одинаковой среднесуточной температуры n_t [ч] в отопительный период (в Москве равна n_о.п = 214 суток, то есть около семи месяцев) приведена на рис. 2 [6].

Конфигурации линии n_t для регионов с более мягким или резкоконтинентальным климатом имеют другие очертания, но определяющим количественно физический процесс переноса теплоты при расчётах требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждений и потерь теплоты помещением остаётся температура холодной пятидневки (для Москвы t_n5 = -28 °C).

Поэтому температура отопительного периода (для Москвы t_о.п = -3,1 °C) и полученные на её основе значения ГСОП не могут оказывать влияние ни на нормирование, ни на конструктивное исполнение теплового контура зданий.

Анализ количественных значений требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждений R_о.тр, приведённых в работе [2] по ГСОП, показал общую тенденцию прямолинейного увеличения значений R_о.тр практически всех конструкций теплового контура любых зданий пропорционально повышению величины ГСОП.

Однако в тепловой баланс для определения мощности системы отопления Q_ot входят, кроме потерь теплоты через наружные ограждения Q_огр, затраты теплоты на нагрев вентиляционного воздуха Q_ин. В помещениях жилых зданий величина Q_ин достигает 40 % от общей мощности системы отопления, в производственных — от 15 до 60 °%, а в производственных сельскохозяйственных она составляет до 75 °%. Поэтому пропорциональное повышение теплозащитных качеств наружных ограждений при увеличении ГСОП не является физически и математически обоснованным процессом.

Изменение потерь теплоты через наружные ограждения связано с их сопротивлением теплопередаче гиперболической зависимостью (рис. 3) и повышение его целесообразно лишь до определённого предела. Например, увеличение R_o наружных стен в животноводческих зданиях (т.п. №801-99) в два раза (с 1,03 до 2,06 м²·°С/Вт) приводит к сокращению общих потерь теплоты здания на 2,6 %.

Дальнейшее увеличение значений R_o с 2,06 до 3,09 даёт сокращение теплопотерь лишь на 0,9 %. Повышение теплотехнических качеств покрытия (с 1,36 до 2,72 м²·°С/Вт) для того же типового проекта снижает общие потери теплоты здания на 6,7 %, а при дальнейшем увеличении с 2,72 до 4,08 — на 2,4 % [7]. Аналогичное снижение расхода теплоты при увеличении коэффициента сопротивления теплопередаче наружных стен отмечено в работе [8].

Указанные отклонения от закономерностей теплофизических процессов при определении требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждений, включённые в нормативные документы, идут вразрез с оптимизацией энергопотребления и не способствуют снижению экономических затрат конкретных возводимых и эксплуатируемых зданий. Этот факт подтверждает также проведённый нами технико-экономический анализ.

Используя статистические данные [9], получен для 17-этажного четырёхподъездного многоквартирного жилого дома сводный график стоимости 1 Гкал тепловой энергии по максимальному тарифу С_т [тыс. руб/Гкал] и требуемых значений R_отр в порядке возрастания ГСОП для административных центров 72 регионов РФ от Махачкалы до Якутска (рис. 4). Полученные результаты показывают неприемлемость методики определения значений требуемого сопротивления теплопередаче по ГСОП, так как близкие по значениям ГСОП в различных климатических и географических регионах города имеют принципиальное отличие в стоимости тепловой энергии.

Например, в Сыктывкаре С_т примерно в три раза ниже, чем в Красноярске (разница ГСОП = 10 °С·сут/год), в Петропавловске-Камчатском в два раза выше, чем в Нижнем Новгороде (разница ГСОП = 28 °С·сут/год). Издержки за нерациональный выбор теплозащитных характеристик наружных ограждений в первую очередь ложатся на бюджеты собственников жилых помещений, доля платежей которых на коммунальные выплаты от средней зарплаты возросла по сравнению с 1985 годом с величины 2,7 до 10,9 % [10, 11].

Особенности расчёта требуемого сопротивления теплопередаче производственных сельскохозяйственных зданий, как особого класса сооружений без подачи искусственно генерируемой теплоты, опубликованы в журнале нами ранее [12]. Для них нормирование теплотехнических характеристик теплового контура не может осуществляться ни по общепринятой зависимости (2), ни по ГСОП — формула (6).

Экономически целесообразный предел снижения потерь теплоты через наружные ограждения энергоэффективных зданий ограничивается величиной оптимального сопротивления теплопередаче, методика определения которого учитывает динамику капитальных и эксплуатационных затрат. Также величина ГСОП не может являться основополагающей при нормировании теплотехнических показателей теплового контура производственных, гражданских и сельскохозяйственных зданий

Заключение

1. Экономически целесообразный предел снижения потерь теплоты через наружные ограждения энергоэффективных зданий ограничивается величиной оптимального сопротивления теплопередаче, методика определения которого учитывает динамику капитальных и эксплуатационных затрат.

2. Величина градусо-суток отопительного периода (ГСОП) не может являться основополагающей при нормировании теплотехнических показателей теплового контура производственных, гражданских и сельскохозяйственных зданий. Отсутствует физическая и логическая взаимосвязь процессов переноса теплоты через ограждения с климатическими условиями местности при формировании расчётного дефицита теплоты в помещениях в холодный период года.

Следующая публикация цикла статей будет включать анализ расчёта теплоты на нагрев инфильтрующегося в помещение воздуха.