Минимизация потребления тепловой энергии в жилых зданиях

Снижение экологических последствий деятельности современной энергетики может быть достигнуто развитием обратной стороны энергетики — снижением потребления энергии во всех сферах деятельности человека. Для современных технологий доминантным направлением развития в последние десятилетия стало повышение энергоэффективности, то есть снижение расхода энергии на произведенную единицу ВВП.

Для стран западного мира экономия энергии стала актуальной, начиная с первого энергетического кризиса в 1968 году. Для стран бывшего СССР этот процесс начался с его развалом. Республика Беларусь (РБ) — лидер среди бывших республик СССР в процессе снижения энергоемкости ВВП. На рис. 1.1 из [1] приведены графики снижения энергоемкости ВВП в нашей стране. На рис. 1.2 из работы [2] приведены графики, иллюстрирующие изменение этой величины для РБ в сравнении с другими странами мира.

Из графика виден очевидный прогресс, достигнутый в этом направлении по сравнению с Россией и Украиной. Например, по сравнению с Германией и Австрией у страны имеются значительные резервы снижения энергоемкости ВВП. На эксплуатацию зданий расходуется около 40 % потребляемой тепловой энергии [3]. Поэтому экономия энергии при эксплуатации зданий является важной составляющей указанного резерва.

Идея экономии энергии при эксплуатации зданий очень популярна во всем мире. Уже построены здания с нулевым потреблением энергии (Null-Energie) [4–6] и даже с положительным балансом энергии (Plus-Energie), энергетические системы которых без использования ископаемых видов топлива производят больше энергии, чем потребляют [7–11]. Однако экономическое обоснование строительства таких зданий, как правило, отсутствует.

Целью проектов NullEnergie или Plus-Energie здания является, скорее демонстрация современных технических возможностей строительства. В то же время, деревенская изба с дровяным отоплением также попадает под определение Null-Energie дома, так как в ее энергоснабжении не используются ископаемые виды топлива. А если учесть наличие скотного двора, вырабатывающего бесплатное органическое удобрение, то это даже Plus-Energie дом.

Однако следует отметить, что уровень комфорта таких зданий далек от современных требований. В современном энергоэффективном здании наличие принудительной вентиляции с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха, повышенная температура внутренних поверхностей наружных стен, возможность управления микроклиматом помещений обеспечивает повышенный, по сравнению с обычным, комфорт проживания. Таким образом, технический прогресс двигает нас от «нуль-энергии» дома с нулевым комфортом, в котором жили наши деды, да и еще живут в деревне некоторые современники, к «нуль-энергии» дому с высоким комфортом проживания.

Энергоэффективные здания

Необходимо определиться с понятием «Энергоэффективное здание». В 1970– 1980 годы прошлого столетия с первым энергетическим кризисом в западном мире были сделаны первые шаги в направлении экономии тепловой энергии для эксплуатации зданий. Были построены первые здания, называвшиеся энергоэффективными [12]. Выбор технических решений при строительстве этих зданий носил случайный характер, а в понятие энергоэффективности не вкладывалось глубокого смысла.

Как правило, акцент делался на бессистемное использование альтернативных источников энергии: солнечной, энергии ветра, геотермальной. Понимание необходимости системного подхода к проектированию зданий с предельно низким уровнем тепловых потерь было продемонстрировано в проекте «Пассивный дом», выполненном в Германии в 1988– 1993 годах [13–15]. Основной идеей проекта было строительство зданий, в которых система отопления могла бы играть вспомогательную роль.

Это первый в истории опыт, давший толчок массовому строительству зданий указанного типа в Западной Европе. Недостатком идеологии пассивных зданий является некоторый догматизм, относящийся к величине уровня теплоснабжения здания 15 кВт⋅ч/ (м²⋅год), не учитывающий особенности объемно-планировочных решений здания, экономические условия, климатические и социальные особенности регионов строительства.

В работе [16] декларируется системный подход к проектированию и строительству энергоэффективных зданий, однако, здание не рассматривается как развивающийся организм, увязанный с общим развитием энергоэффективных технологий. В интенсивно развивающемся технологическом мире энергоэффективное здание нельзя рассматривать как статичную систему вне общих тенденций развития энергетики и энергоэффективных технологий. Затраты энергии на эксплуатацию здания в течение срока его жизни можно записать в следующем виде [17]:

где N — срок жизни здания, лет; M — количество энергоэффективных технологий в здании; n — номер года; m — номер технологии; k_m — номер первого года введения технологии; E — затраты энергии на эксплуатацию здания в течение срока его жизни, кВт⋅ч; S_от — отапливаемая площадь здания, м²; τ_i — длительность отопительного периода в i-м сезоне, час; f₁ — общий удельный коэффициент теплопередаче здания, Вт/ (м²⋅°С⋅Вт); f_2i — мощность внутренних источников тепла в здании, кВт/м²; f_mn — удельная мощность энергоэффективных технологий m-й технологии в n-м году, кВт/м²; ΔT_n — средняя разность температур воздуха внутри и снаружи здания в i-м году, °C.

Наиболее точно энергоэффективное здание характеризует следующее определение [17]: энергоэффективное здание — это открытая энергетическая система с оптимальным для существующих технико-экономических условий подключением энергоэффективных модулей. Это развивающееся с точки зрения уровня используемого инженерного оборудования и снижения тепловых потерь здание, энергетические характеристики которого изменяются по мере развития энергоэффективных технологий, оставаясь оптимальными по соотношению затрат с получаемой экономией энергии все время жизни здания.

Тепловой баланс в зданиях различных поколений проектирования

Говоря о тепловых потерях зданий, обычно не разделяют возвращаемые и безвозвратные потери тепловой энергии. Осознание факта, что некоторые потери в здание можно возвратить, а другие — безвозвратно уходят в окружающее пространство, позволяет по-новому подойти к оптимизации значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий. Возвращаемыми являются потери тепловой энергии с вытяжным воздухом и канализационными стоками из зданий.

Использование высокоэффективных теплообменников и высокая герметичность помещений может обеспечить 100 % возврата тепловой энергии вытяжного воздуха. Использование теплообменников позволяет также частично возвратить «полезную» тепловую энергию, теряемую со стоками. Принципиально невозвратимыми являются трансмиссионные потери тепловой энергии через ограждающие конструкции зданий. Следовательно, трансмиссионные тепловые потери устанавливают минимальный уровень потребления тепловой энергии в здании. Величину средней за отопительный сезон энергии трансмиссионных тепловых потерь можно записать в виде:

где Q — средняя за отопительный сезон энергии трансмиссионных теплопотерь, кВт⋅ч/год; G — количество градусо-суток отопительного сезона; S_i и R_i — площадь [м²] и сопротивление теплопередаче [м²⋅К/Вт] i-й ограждающей конструкции, соответственно. Поскольку потери тепловой энергии с воздухообменом можно утилизировать, используя высокоэффективные теплообменники, значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций здания можно назначать, исходя из равенства среднего за отопительный сезон значения трансмиссионных тепловых потерь в здании суммарному значению энергии внутренних источников теплоты в здании и солнечной энергии.

В табл. 1 приведены результаты расчета тепловых потерь зданий, построенных по требованиям нормативных документов различных поколений по составляющим. Для конкретизации полученных цифр для расчетов выбрано четырехподъездное девятиэтажное панельное здание серии 111-90 МАПИД, имеющее отапливаемую площадь 10 тыс. м². Рассмотрены различные варианты значений сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций зданий различных поколений проектирования, соответствующих нормативным требованиям [18–20].

Рассмотрено два случая: температура воздуха в помещениях равна допустимой (+18 °C) и средней оптимальной (+21 °C). Результаты исследований теплового режима эксплуатируемых жилых многоэтажных зданий, приведенные в [21], показывают, что более достоверным значением температуры следует считать +21 °C. Для рассматриваемого здания средние по отопительному сезону трансмиссионные потери тепловой энергии при расчетном значении температуры воздуха в помещениях, равной +18 °C, приведенные в табл. 1, равны суммарному поступлению энергии внутренних источников теплоты в здании и солнечной энергии.

При температуре воздуха в помещениях, принятой в расчетах +21 °C, некомпенсированной внутренними источниками теплоты остается около 6 кВт⋅ч/м² за отопительный сезон. Следовательно, с учетом более вероятного значения температуры воздуха, равной +21 °C, для возможности компенсации тепловых потерь целесообразно значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций увеличить в среднем на 20 %. В табл. 2 и 3 представлены нормативные значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций разных стран.

Сравнительный анализ в табл. 4 показывает, что практически для всех типов ограждающих конструкций, за исключением перекрытия над подвальным помещением, сопротивление теплопередаче в РБ больше или равно аналогичному значению. Значение сопротивления теплопередаче оконных конструкций превышает аналогичное значение для всех стран, исключая Финляндию.

Было бы ошибкой выбирать сопротивление теплопередаче методом аналогии с соседними странами. Сопротивление теплопередаче должно быть близким оптимальному значению для конкретных климатических и экономических условий. Для оптимального значения сопротивления теплопередаче разность между дополнительными капитальными затратами и экономией энергии в течение жизни системы утепления должна быть минимальна [27]. Из этих соображений оптимальный слой утепления зданий равен величине:

где d₀ — исходный слой утепления, м; d — дополнительное утепление, соответствующее оптимуму, м; λ = 0,04 — коэффициент теплопроводности для вспененного пенополистирола, наиболее дешевого утеплительного материала, Вт/(м²⋅К); ΔT = 18,9 °C — средняя за отопительный сезон разность температур в помещениях здания и наружного воздуха, °C; n — количество дней отопительного сезона; m — срок жизни системы утепления, лет; z₁ — стоимость энергии, $/кВт⋅ч; z — стоимость утеплителя, $/м³. В табл. 5 приведены расчетные значения оптимального сопротивления теплопередаче непрозрачных ограждающих конструкций в РБ на настоящий момент. Более точное значение даст учет совокупного дохода с учетом прогноза ставки рефинансирования, уровня инфляции и роста стоимости энергоносителей [27].

Оптимальное значение сопротивления теплопередаче при использовании пенополистирола, при упрощенном расчете, составляет 7,5 м²⋅К/Вт. Приведенные в табл. 1 значения в настоящее время существенно ниже оптимальных значений. Они были близки к оптимальным на момент подготовки изменения к нормативному документу [19] в 2009 году. Из сравнительного анализа значений сопротивления теплопередаче, приведенного в табл. 4, следует, в первую очередь, увеличить сопротивление теплопередаче перекрытия над неотапливаемым подпольем до значения 6–7,5 м²⋅К/Вт.

Для жилых зданий целесообразно сопротивление теплопередаче увеличивать в зависимости от этажности, установив для зданий этажностью в один-три этажа сопротивление теплопередаче, равное оптимальному. Удельные трансмиссионные тепловые потери для зданий города Минска, считая заселенность и соотношение жилой и отапливаемой площади для всех зданий одинаковой, можно найти из формулы:

Q_тр = Q + Q_вн + Q_солн – Q_во, (3)

где Q — удельные значения потребления тепловой энергии на отопление зданий [22], приведенные в табл. 6, кВт⋅ч/м²; Q_вн — удельная энергия внутренних источников тепловой энергии, кВт⋅ч/м² [28]; Q_солн — солнечная энергия, используемая для снижения отопительной нагрузки, кВт⋅ч/м² [29]; Q_тр — удельная энергия трансмиссионных тепловых потерь, кВт⋅ч/м². Удельные значения представлены за отопительный сезон.

Рассчитанные в соответствии с формулой (3) значения удельных трансмиссионных тепловых потерь для зданий различной этажности для существующих нормативных требований к сопротивлению теплопередаче [20] и климатических условий города Минска [29] представлены в табл. 7. В той же таблице приведено необходимое утепление ограждающих конструкций зданий, обеспечивающее равенство трансмиссионных тепловых потерь сумме энергии внутренних тепловыделений и солнечной энергии.

Для одноэтажного здания, учитывая меньшую заселенность, эта сумма принята равной 22 кВт⋅ч/м² в год. Из результатов, приведенных в таблице, можно сделать вывод, что для зданий средней и повышенной этажности сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, обеспечивающее равенство среднегодовой энергии трансмиссионных тепловых потерь суммарному значению бытовых тепловыделений и поступлению в здание солнечной энергии, ниже оптимального значения и вполне может быть принято в качестве нормативного значения.

Анализ приведенных цифр показывает, что значение Rпер можно увеличить, используя принцип равенства тепловых потерь здания через кровлю и перекрытие первого этажа, принимая температуру воздуха в подполье 5 °C. В этом случае, значения сопротивления теплопередаче этих ограждений будут равны значениям, представленным в табл. 8. Для одноэтажных зданий значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций выходит за пределы оптимальных значений, а сопротивление теплопередаче оконных конструкций превышает технически реализуемые в настоящее время значения. Дальнейшую борьбу за экономию тепловой энергии для отопления и вентиляции зданий средней и повышенной этажности следует перенести в область совершенствования инженерного оборудования.

Экономию тепловой энергии необходимо решать за счет полной утилизации теплоты вентиляционных выбросов из здания. Конечно, сразу надо отметить, что 100 %-я утилизация теплоты вытяжного воздуха — это вопрос далекого будущего. В то же время, управляемая система воздухообмена дает возможность экономии энергии за счет управления режимами вентиляции в различное время дня. Для работающих более 70 часов в неделю, когда жители находятся вне здания, на работе, в магазине, на прогулке, можно ограничить воздухообмен 50 % от нормативного. Опыт эксплуатации энергоэффективного здания (по адресу пр. Притыцкого, дом 107) показывает, что в ночные часы жители также ограничивают воздухообмен до 2/3 нормативного. Следовательно, 56 часов в неделю воздухообмен составляет 2/3 нормативного, 70 часов — 0,5 нормативного и только 42 часа — нормативный. При таком управлении потери с воздухообменом в здании, оборудованном управляемой приточно-вытяжной вентиляцией с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха при эффективности системы 80 % составит 8,29 кВт⋅ч/м² за отопительный сезон.

Малоэтажные здания с низким потреблением тепловой энергии

Из сказанного выше уже встает вопрос: «Каким образом можно уменьшить общие эксплуатационные затраты тепловой энергии малоэтажных зданий до уровня более компактных многоэтажных зданий классов А и А+ по потреблению тепловой энергии на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение?». Как пример рассмотрим здание размерами 10 × 10 × 3 м с сопротивлением теплопередаче ограждающих конструкций, равным оптимальному значению, 7,5 м²⋅К/Вт, а сопротивлением теплопередаче оконных конструкций, равным 1,2 м²⋅К/Вт, что освоено в настоящее время нашей промышленностью. Площадь оконных конструкций, равную 20 % от площади наружных стен.

Удельные трансмиссионные тепловые потери такого здания будут равны для сформулированных ранее условий 59 кВт⋅ч/м² в год. Некомпенсированными поступлениями тепловой энергии внешних и внутренних источников останутся 37 кВт⋅ч/м² в год, что даст для здания 3700 кВт⋅ч в год. Эта цифра является нижним пределом для одноэтажного здания с указанными выше и близкими к ним параметрами и оптимальным для условий РБ сопротивлением теплопередаче ограждающих конструкций.

Дальнейшее снижение уровня потребления тепловой энергии на отопление малоэтажных зданий следует искать в области использования альтернативных источников энергии.

Заключение

В статье сделана попытка выполнить анализ достоинств и недостатков различных подходов к решению проблемы снижения потребления тепловой энергии на отопление жилых зданий и сформулировать понятие энергоэффективного здания как открытой энергетической системы с оптимальным для существующих технико-экономических условий уровнем потребления тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение, а также интерфейсом для подключения энергоэффективных модулей.

Такая формулировка обеспечивает возможность проектирования энергоэффективного здания с оптимальными энергетическими параметрами на момент строительства и с возможностью сохранять их оптимальность с течением времени (по мере развития энергоэффективных технологий). На основании анализа теплового баланса сделан вывод о том, что принципиально невозвратимыми в здании являются трансмиссионные потери тепловой энергии через ограждающие конструкции зданий.

Осознание факта, что некоторые потери в здание можно возвратить, а другие — безвозвратно уходят в окружающее пространство, позволяет по-новому подойти к оптимизации значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий. Было бы ошибкой выбирать сопротивление теплопередаче методом проведения аналогии с тем, как это делают в соседних странах.

Сопротивление теплопередаче должно быть близким оптимальному значению для конкретных климатических и экономических условий; при этом верхнее значение сопротивления теплопередаче не должно превышать тот уровень, при котором трансмиссионные тепловые потери равны, в среднем по отопительному сезону, суммарному значению тепловых поступлений в здание. При достижении этого значения дальнейшую борьбу за экономию тепловой энергии для отопления и вентиляции зданий средней и повышенной этажности следует перенести в область совершенствования инженерного оборудования.

Для одноэтажных зданий значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, выбранное по предложенной методике, выходит за пределы оптимальных значений, а сопротивление теплопередаче оконных конструкций превышает технически реализуемые в настоящее время значения. Дальнейшее снижение уровня потребления тепловой энергии на отопление малоэтажных зданий следует искать в области использования альтернативных источников энергии.