В последние 25 лет во многих научных работах, в проектах, в нормах и даже в законах и в подзаконных актах появилось множество разнородных показателей в части обеспечения тепловой энергией, потребления этой энергии, её сбережения и, как итог, «энергоэффективности зданий».
Однако из-за отсутствия научной обоснованности и несоблюдения единства граничных условий сопряжения в рамках одного объекта, в том числе вследствие личных предпочтений или заблуждений авторов, многие из этих показателей не представляется возможным признать корректными.
Поэтому возникла настоятельная потребность проанализировать понятийнотеоретическую базу о выборе границ рассмотрения, обеспечивающих однозначную сопоставимость результатов и аддитивность итоговых показателей расчётов.
При решении «теплотехнических» задач в расчётах применительно к зданиям отыскивают две группы результатов. Одна группа относится к тепломассообмену самого здания с окружающей средой через его наружные ограждающие конструкции. В итоге определяют необходимый и достаточный уровень тепловой защиты каждой из этих конструкций здания, а также требуемые тепловые мощности систем инженерного обеспечения тепловоздушного микроклимата внутри помещений и контролируемые итоговые величины теплопотребности по зданию в целом, входящие в абсолютном или относительном виде в его энергопаспорт.
Другая группа результатов относится к тепловым инженерным системам и является откликом на тепловые потребности здания, как климатические, так и технологические. Полученные величины в удельном исчислении (в настоящие время отнесённые к некоему условленному и формально определённому 1 м2 части площади, или некоторому субъективно оговариваемому 1 м3 части объёма здания) контролируются так же, как и величины из первой группы результатов, и вместе входят в один и тот же энергопаспорт здания.
Несмотря на свою подчинённость (главное — здание и осуществляемые в нем технологии), эта группа результатов, вследствие многообразия систем, сложности тепломеханических процессов, происходящих в них, высокой стоимости оборудования, материалов, монтажа и эксплуатации, приобретает самостоятельный характер.
При решении «теплотехнических» задач в расчётах применительно к зданиям отыскивают две группы результатов. Одна группа относится к тепломассообмену самого здания с окружающей средой через его наружные ограждающие конструкции. Другая группа результатов относится к тепловым инженерным системам и является откликом на тепловые потребности здания, как климатические, так и технологические
Тем не менее, именно из-за функциональной подчинённости инженерных систем технологическим задачам здания эти результаты (только результаты!) следует рассматривать в рамках единого целостного воззрения на здание, то есть в одних и тех же термодинамических границах, а в математическом смысле — в одних и тех же координатах, с одним общим знаменателем. Такая методика обеспечивает соблюдение единообразия и аддитивности стыковых сведений из различных Сводов Правил.
Более того, произвольное исключение из анализа хотя бы одной требующейся в здании тепломеханической системы искажает точность общих данных по зданию в целом (иногда на десятки процентов!), и потому конечный итог по энергозатратам и энергоэффективности не может быть представлен как достоверный.
Таким образом, обосновывая выбор единых границ рассмотрения, необходимо иметь два компонента — некую поверхность, отделяющую здание от «окружающей среды», и необходимый и достаточный набор инженерных систем.
Рассмотрим эти компоненты поочерёдно подробнее. Естественной, физически ощущаемой человеком границей между зданием и окружающей средой является пространственная поверхность, копирующая внешние контуры здания. Эту же видимую поверхность, кстати, подразумевает и само слово «здание», то есть наиболее глубинное, языковое понятие воздвигнутого.
Далее, согласно законам классической термодинамики и теплопередачи, та же пространственная поверхность служит последним рубежом покидающего здание тепла или, шире, внешней (наружной) границей обмена теплотой, некоторой массой водяных паров и воздуха между зданием как цельным, самостоятельным объектом и окружающей средой. Применение методов термодинамического анализа к зданию, например, теплобалансового или эксергетического, требует как пространственного, так и температурного разграничения энергопотребляющего объекта и окружающей среды.
И здесь наиболее логичной видится упомянутая внешняя поверхность здания. Этим же правилом руководствуются при разработке инженерных методов составления территориальных топливно-энергетических балансов [1], равно как и экологических балансов в части рассеянных загрязняющих выбросов, а также при определении концентраций содержащихся в наружном воздухе загрязняющих веществ, неизбежно попадающих в приточные вентиляционные системы. И в этих санитарно-экологических постановках та же самая стыковочная граница между «внешним» и «внутренним» признается единственно разумной без обсуждения.
Современная теория обеспечения воздушно-теплового микроклимата в зданиях и помещениях [2] подразделяет расчёты и исследования на «внешнюю», «внутреннюю» задачи и условно разграничивающую их «краевую» задачу [3].
Во «внешней» задаче изучается тепломассовое взаимодействие здания и окружающей среды. Соответственно, границей рассмотрения служат те же внешние контуры наружных ограждающих конструкций тепло- и электропотребляющего здания.
Именно внешние размеры наружных ограждающих конструкций и разность температур внутреннего и наружного воздуха используются для расчёта теплопотерь в каждом из помещений и суммарно в здании. Именно температура поверхности снаружи здания, как наиболее быстро изменяющаяся, является критичной для процессов посезонного выпадения и удаления влаги из толщи стен. Наружная поверхность подвергается дистанционному температурному мониторингу здания. Она же воспринимает поток солнечной энергии и излучает тепловую энергию.
Не менее очевиден пример исследования аэродинамики здания в потоке ветра [3-5], когда важны только наружная конфигурация зданий и вектор воздушного потока. Помимо нужд строительной механики, аэродинамические коэффициенты зданий необходимы в «теплотехнических» разделах проектов для расчётов инфильтрации и эксфильтрации воздуха в здании, что по классификации [3] значится как «краевая» задача.
В настоящее время подобные расчёты нормативными документами и справочными материалами весьма загрублены и не единообразны. И всё равно, условная или вычисленная разность давлений воздуха берётся между значениями снаружи и внутри здания, за пределами поименованных поверхностей.
Исторически существующее с конца
XIX века понятие «удельная тепловая характеристика здания» (В. М. Чаплин) для зимнего режима (главным образом для оценки требуемого расхода топлива на отопление) подразумевает определение объёма здания именно только по наружному обмеру. Развивая понятие удельной тепловой характеристики отапливаемого здания, Н. С. Ермолаев в первой половине
XX века предложил приближённые формулы для её определения, учитывающие геометрическую форму здания, коэффициент остекления и термические сопротивления стен, окон, покрытия и пола.
Форма здания отображалась его периметром в плане, площадью наружных ограждений и высотой. Все измерения в формулах Н. С. Ермолаева предусмотрены по внешним контурам здания. Это понятие служит и сегодня, и даже имеет расширительное применение к другим теплопотребляющим системам в здании вследствие заметного возрастания их долевой энергоёмкости и в целях поиска общего аналитического знаменателя [6].
Изложенные положения не могут изменить ни наличие чердаков и подвалов, ни навесные фасады и остеклённые лоджии, ни локальные изменения теплопередачи и инфильтрации воздуха в элементах строительных конструкций. Ибо указанные части (фрагменты) зданий с неизбежностью, и в принципиально равной степени, участвуют в общем тепломассообмене здания с окружающей средой. И сами эти части тоже нужно прогревать в холодный период года до совершенно определённого уровня. Иначе нельзя обеспечить ни долговечность здания, ни требуемые параметры микроклимата в помещениях. Необходимо, разумеется, методологическое обеспечение расчётов. Наконец, необходимо учесть происходящие перемены: развиваются инженерные системы; расширяется понимание термина «комфорт»; ужесточаются нормы энергосбережения; ухудшается экологическая обстановка в городах; снижается комфортабельность обитания в построенных высотных домах из-за их чрезмерной высоты.
В целях сопоставимости все процессы, связанные с упомянутыми переменами, должны рассматриваться в одних и тех же понятийно стабильных границах и координатах, под которыми в смежных исследованиях подразумевается здание по его внешним контурам. В конце концов, только так можно оценить синергетический результат топливосбережения (причём так же, как и топливорасточения).
Следовательно, как по физической модели, так и в подобающем математическом описании объём здания по наружному обмеру и должен служить общем знаменателем, к которому требуется относить все частные результаты по расходованию или экономии энергии в конкретном здании, и определять как удельные характеристики каждой из участвующих в теплообеспечении здания систем отдельно, так и совокупную удельную тепловую характеристику рассматриваемого здания.
Однако, несмотря на то, что приведённые выше аргументы в той или иной мере специалистам известны, в определении знаменателя, к которому относятся затраты энергии и её экономия, устоявшегося единого мнения нет.
Необходимо, разумеется, методологическое обеспечение расчётов. Нужно учесть и происходящие перемены: развиваются инженерные системы; расширяется понимание термина «комфорт»; ужесточаются нормы энергосбережения; ухудшается экологическая обстановка в городах; снижается комфортабельность обитания в высотных домах из-за их чрезмерной высоты
Наоборот, отдельные частные решения по экономии энергии осуществляются и относятся к энергозатратам именно в этих частных элементах здания, а переносятся в суждениях, публикациях, а иногда и в нормативных документах на всё здание, что некорректно математически и по своей логической сущности представляет подмену понятий. Поэтому можно встретить такие цифры, как достигнутая (планируемая, требуемая) экономия энергии, например, в два раза за счёт совершенствования какой-то из конструкций или систем, что сразу настораживает, так как в большинстве случаев не соответствует действительности.
В качестве величины отнесения для получения контролируемых удельных показателей, например, используют не внешний, а внутренний объём здания или ещё более узко — «отапливаемый» объём помещений здания по внутреннему обмеру [7], да ещё подправленный в силу личных воззрений тех или иных специалистов или «экспертов» [8].
От этого возникают важные, сущностные искажения. Обозначим их:
1. Само здание, реально расположенное в окружающей среде и занимающее её реальный объём, тем не менее, приобретает при рассмотрении и аудитах не фактически существующие, а уменьшенные, вымышленные (виртуальные) границы. Математическая модель удельных показателей становится ложной, так как не соответствует физической модели тепломассообмена здания.
2. Как следствие, удельные показатели расхода тепловой энергии всегда искусственно завышаются, что в условиях жёсткого формального контроля может привести (и приводит) к неоправданным экономическим потерям и несправедливым санкциям. По расчётам, разница в удельном теплопотреблении здания может достигать десятков процентов.
3. Методика отнесения энергозатрат к внутреннему объёму здания или некоторой его части оказывается выгодна или, по крайней мере, индифферентна в странах с относительно более тёплым климатом, так как она при прочих равных условиях «не чувствует» приращения величины поверхности теплоотдачи и заметного увеличения внешнего объёма зданий за счёт утепляющих и просушивающих слоёв и конструкций в холодном климате. В наиболее невыгодном положении при подобном подсчёте оказывается именно Россия с её самым холодным континентальным климатом, большими пространствами и пока ещё сырьевой экономикой.
4. Установленная зависимость «нормируемого» (СНиП 23-02-2003) или «базового» (Свод Правил СП 50.13330.2012) [7] термического сопротивления наружных ограждающих конструкций только от ГСОП недостаточно обоснована и чрезмерно загрубляет решения, причём всегда в сторону излишнего утепления зданий, что приводит к парадоксальному результату — перерасходу топлива, требующегося на эквивалентное покрытие излишних капитальных затрат на «переутепление» зданий в инвалюте.
Всё это требует скорейших новых разработок с целью уточнения нормирующих зависимостей.
Означенный выше второй компонент при выборе «границ рассмотрения» в задачах теплообеспечения зданий касается перечня инженерных систем, работающих с затратами тепловой энергии, отражение которого в нормативных документах следует признать в настоящее время необходимым и достаточным.
Из множества инженерных систем и оборудования, насыщающих современное здание, теплоиспользующих систем (в широком смысле — топливопотребляющих), находящихся ближе всего к рассматриваемой проблеме, на сегодняшнем этапе развития норм четыре: отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха и горячее водоснабжение.
В дальнейшем этот список может быть расширен, о чём дополнительно будет сказано ниже. Отображение упомянутых систем в энергопаспорте при определении удельных величин теплопотребления важно ещё и потому, что позволяет структурировать потребителей тепла и найти наиболее продуктивный путь энергосбережения в здании.
Работа трёх инженерных систем, за исключением последней, может быть сведена к рассмотрению в качестве технических средств для решения «внутренней» задачи. Это развивает и перегруппировывает классификационные признаки данного понятия, приведённые в работе [3] для так называемой «краевой» задачи, описанной лишь касательно «воздушного режима» зданий.
Более того, автор этой статьи даже относит «ограждающие конструкции зданий» (главным образом — их внутренние поверхности) к числу равноправных функционально-конструктивных элементов названных трёх тепловых систем. Поскольку они ответственны за формирование и поддержание температурновлажных и скоростных полей внутренней воздушной среды и обстановки температурной радиации в помещении» [6].
Во «внутренней» задаче исследуются и вычисляются величины, относящиеся к параметрам воздушно-теплового микроклимата помещений: кратность воздухообмена, средняя радиационная температура, средневзвешенная температура [2], поведение воздушных струй, их температурно-влажностные поля, общая динамика потоков вентиляционного воздуха, выражающаяся его «подвижностью» в рабочей («обитаемой») зоне, предписываемой нормативами.
В такой постановке с очевидной необходимостью принимаются внутренние размеры помещений, в которые не входит, например, толщина стен и некоторые другие объёмы зданий.
Подобное отнесение в ряде случаев продуктивно также и для решения отдельных задач сопоставительного анализа работы конкурирующих тепловых инженерных систем в помещениях, например, взаимного замещения отопительных функций, сравнения социально-экономических результатов и других частных исследований систем обеспечения микроклимата.
И результаты, разумеется, будут частными, то есть относящимися лишь к сравниваемым системам.
Но для обобщающего описания вопросов энергофункционирования здания в целом показатели теплопотребления указанных систем следует относить только к внешним границам, поскольку итоговая передача теплоты от этих систем в окружающую среду осуществляется через них, оценочный расход топлива для здания тоже определяется согласно суммарной удельной тепловой характеристике здания, полученной по внешним измерениям.
Что касается систем горячего водоснабжения, то их годовые теплозатраты сопоставимы с таковыми на отопление и вентиляцию даже для климата центральной России. Так, для жилых зданий в средней полосе России они примерно равны. В южных регионах горячее водоснабжение составляет уже более 50 % годовых теплозатрат по сравнению с расходами на отопление.
Инженерные системы теплогенерации, будь то централизованные или автономные, должны нести эту нагрузку.
Само наличие горячего водоснабжения в здании нельзя не отнести к тепловому комфорту находящегося в этом здании человека. И тем самым возможно расширить существующие представления, описанные в работах [2, 3] и относящихся только лишь к тепловоздушному и терморадиационному комфорту в помещении.
Следовательно, присутствие слагаемого годовых теплозатрат на горячее водоснабжение, наряду с затратами на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха в нормативах, связанных с энергопотреблением зданий, необходимо. Причём именно в обобщающем тепловом балансе здания, относимом к внешним его границам, что скажется на удельном показателе теплозатрат по зданию в целом.
Добавим, что полный энергобаланс для систем горячего водоснабжения потребует учесть ещё тепловой выброс нагретых сточных вод на выпусках систем водоотведения, то есть тоже на внешней границе подземной части здания.
Обобщение сведений по теплоэнергетике зданий активизировалось после принятия законов РФ, касающихся технического регулирования, энергосбережения и регламентов безопасности зданий и сооружений.
Так, в наиболее популярном за последние десятилетия СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника» [9] тепловые потребности здания касаются только систем отопления, на которые возлагается также компенсация теплозатрат на подогрев инфильтруемого воздуха.
В тот период это было оправдано. Но данное же качество обнаруживается и в следующем СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», что уже некорректно. Там усилия авторов сосредоточились на директивном и скачкообразном увеличении термического сопротивления наружных ограждений.
Однако, как дань развитию строительства насыщенных инженерными системами зданий и требований по энергосбережению, в приложении появился также громоздкий и недостаточно проработанный энергопаспорт здания. Однако в содержательной части упомянутого нормативного документа вклад трёх теплопотребляющих систем не отражён, что находится в противоречии с его же энергоприложением в отношении границ рассмотрения.
Логика развития социальных и энергетических требований в зданиях диктует необходимость учёта итоговых сведений по теплопотреблению минимум четырёх инженерных систем: отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения
В стандарте НТО строителей СТО 17532043-001-2005 «Нормы теплотехнического проектирования ограждающих конструкций и оценки энергоэффективности зданий» [10] сделаны попытки исправить основные недостатки предыдущего документа. Было ослаблено требование неоправданного увеличения термических сопротивлений. Найдены более логичные средства для требуемого энергосбережения в здании. Рассматриваются три необходимые теплопотребляющие системы (кроме кондиционирования воздуха). Сделан шаг по учёту электропотребления инженерных систем, хотя и не вполне точно. Но полностью преодолеть несоблюдение границ рассмотрения всё же не удалось.
В новейшем (дата введения в действие 01.07.2013) нормативном документе [7], так называемой «актуализированной редакции СНиП 23-02-2003», наряду с неоспоримым культурологическим достоинством — отказом от англоязычных индексов при латинских буквах в формулах, а также пониманием недостаточности ГСОП, что выразилось дополнением этого показателя шкалой внутреннего «отапливаемого объёма зданий» (табл. 7), имеется непреодолённый изъян. Снова не соблюдены границы рассмотрения, как по отказу от использования в качестве граничной наружной поверхности здания, так и по необходимому перечню теплопотребляющих систем. В документе выпали из рассмотрения системы кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения. Хотя, по сравнению со СНиП 23-02-2003, наряду с традиционными теплозатратами систем отопления включена теплопотребность систем механической вентиляции. Это, конечно, необходимо, но недостаточно. Участие электропотребляющего оборудования в теплоиспользующих системах зданий также требует соблюдения определённых правил по границам рассмотрения [6]. Данное обстоятельство связано с разными категориями ценностей тепловой и электроэнергии [11].
Выводы
1. Применение в качестве границы рассмотрения внутреннего объёма всего здания или его части [12], вместо первородного и методически обоснованного объёма по наружным размерам для вычисления показателей удельного энергопотребления здания в целом, противоречит множеству объективных факторов и не может считаться корректным по физико-математической интерпретации. Соответственно, требуется скорейшая корректировка основанных на внутреннем объёме существующих нормативных документов.
2. Указанная необоснованность в условиях наиболее холодного климата Российской Федерации приводит к заведомо проигрышным удельным теплоэнергетическим показателям зданий по сравнению с таковыми в других странах, расположенных в более теплом климате, к перерасходу топливных ресурсов, связанному с «переутеплением» зданий, к методологической путанице при проектировании, к юридическим казусам при энергоаудите и к снижению уровня «теплотехнической безопасности» людей, находящихся в зданиях.
Это обстоятельство требует осторожности и критического подхода при работе над «повышением уровня гармонизации нормативных требований с европейскими и международными нормативными документами».
3. В холодном и резко континентальном климате России одного показателя ГСОП, задающего лишь термическое сопротивление наружных ограждающих конструкций, недостаточно для характеристики «теплотехнической безопасности» здания. Нужен ещё оптимизирующий фактор возрастания теплоотдающей поверхности и объёма теплопотребляющего здания при его утеплении.
4. Логика развития социальных и энергетических требований в зданиях диктует необходимость учёта итоговых сведений по теплопотреблению минимум четырёх инженерных систем: отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения. Эта структура позволяет отыскать наиболее эффективный путь энергосбережения в зданиях и выдвигается автором как обязательная для включения в пересматриваемые нормативные документы с возможностью дальнейшего расширения.
