Этап измерения теплотехнических показателей на стадии эксплуатации зданий является логическим завершением процессов проектирования и строительства. Выполнение этой работы позволяет сравнить расчётные и фактические показатели, определить класс зданий по удельному потреблению тепловой энергии, выявить дефекты наружных ограждающих конструкций. Наиболее распространённым видом теплотехнических измерений в настоящее время является тепловизионный контроль наружных ограждающих конструкций зданий [1]. Тепловизионный контроль позволяет выявить явные теплотехнические дефекты наружных ограждающих конструкций.
При обследовании зданий часто проводят определение сопротивления теплопередаче наружных стен [2]. Однако данный тип измерений требует обеспечения стационарных температурных условий и в условиях объекта трудоёмок и неудобен. С увеличением тепловой защиты зданий увеличивается погрешность измерений. К тому же измерения носят локальный характер, и их нельзя обобщить на все ограждающие конструкции здания.
Наиболее объективным показателем для характеристики энергоэффективности здания является удельное потребление тепловой энергии на отопление и вентиляцию. Этот показатель принят в качестве основного во многих европейских странах [3], а также в Республике Беларусь [4] и странах СНГ [5]. Измерение этого показателя выполняют для объективной оценки энергоэффективности.
Чем меньше величина этого показателя, тем выше требования к точности выполнения измерений. В [6] значение удельного потребления тепловой энергии на отопление определяли для проверки соответствия стандарту «пассивного дома».
Для сравнения с проектными и нормативными требованиями показатель удельного потребления тепловой энергии на отопление необходимо привести к расчётным условиям эксплуатации здания. Эта задача была поставлена и решена в [7–9]. В работе [10] приведён оптимальный алгоритм и определена точность возможного измерения рассматриваемого показателя для эксплуатируемых жилых зданий.
В то же время остаётся открытым вопрос о возможности определения показателя удельного потребления тепловой энергии для отопления и вентиляции для расчётных условий по показаниям теплосчётчиков на начальной стадии эксплуатации жилых зданий.
В практике строительства РБ допускается сдача зданий в эксплуатацию без окончательной отделки квартир [11]. Заселение квартир происходит постепенно, после выполнения отделочных работ. Постепенность заселения многоквартирных жилых зданий приводит к некоторым особенностям в формировании теплового баланса, которые принимаются как должное и не вызывают вопросов у специалистов. В первую очередь мощность бытовых тепловыделений в здании, связанных с проживанием людей, оказывается ниже уровня, характерного для полностью заселённых зданий. Можно ожидать, что и температура воздуха в квартирах может оказаться ниже допустимых или оптимальных [12] значений.
При наличии значительного количества незаселённых квартир теплообменные процессы между квартирами [13] могут обострить вопрос об адекватности индивидуального учёта тепловой энергии на отопление.
Возникает также проблема, связанная с определением теплоэнергетических показателей зданий с целью сравнения с проектными и нормативными значениями. После завершения строительства в здании продолжаются процессы влагопереноса, связанные с высыханием строительных конструкций, ставящие вопрос о сроках их завершения. В научной периодике отсутствуют систематизированные данные по поставленным проблемам. В данной статье будет сделана попытка ответить на некоторые из них.
Температура воздуха и бытовые тепловыделения в квартирах МКД
Основой для дальнейшего анализа послужили результаты измерения теплотехнических показателей жилых зданий на начальной стадии эксплуатации. Измерения теплоэнергетических показателей выполнялись в энергоэффективных зданиях, соответствующих классу А+ [14], построенных в городах Гродно и Минске в рамках проекта ПРООН по повышению энергоэффективности жилых зданий РБ и при финансовой поддержке Глобального экологического фонда (ГЭФ), а также аналогичных зданиях, соответствующих классу B по национальной классификации [4]. Выполнялись измерения температурных режимов в квартирах, потребление тепловой энергии по показаниям квартирных теплосчётчиков, а также общего счётчика энергии на отопление здания с учётом изменения температуры наружного воздуха. В качестве дополнительного показателя анализировалось потребление горячей воды в здании.
Поскольку при централизованном теплоснабжении системы отопления в квартирах подключены к тепловому пункту с первого дня эксплуатации, отопление квартир в здании выполняется в нормальном режиме. В соответствии с требованиями норматива [15] в каждой квартире предусмотрена возможность автоматического регулирования температуры в жилых помещениях. Возникает вопрос, насколько активно жители используют имеющуюся у них возможность управления температурой воздуха в квартирах.
На рис. 1 представлена гистограмма среднемесячных (февраль 2018 года) значений температуры воздуха в квартирах здания в Гродно. Измеренные значения температуры находятся в широком диапазоне значений от 18 до 27°C, так что можно прогнозировать теплообмена между квартирами вследствие разности температур воздуха в квартирах.
На момент выполнения измерений заселённость квартир составляла 30%, то есть было заселено около 40 квартир. Тем не менее, по гистограмме незаметно, чтобы жители снижали температуру для экономии энергии на отопление в квартирах ниже комфортного значения. Среднее значение температуры по приведённым данным составляет 23,6°C, что на 30% превышает допустимое значение температуры воздуха (18°C), для которой выполняются расчёты удельного потребления энергии на отопление. Учитывая, что среднее значение температуры наружного воздуха для Гродно в отопительном периоде составляет 0,1°C, тепловые потери здания будут увеличены также на 30% по сравнению с проектным значением, которое для рассматриваемого здания составляет около 15 кВт·ч/( м²·год).
Важной составляющей теплового баланса здания, существенно влияющей на потребление тепловой энергии на отопление, являются бытовые тепловыделения. В работе [13] показано, что в среднем этот показатель связан с количеством жителей. Оценка количества жителей M проводилась по косвенному показателю — объёму потребления горячей воды. Исследование удельного потребления горячей воды на одного человека, результаты которого приведены в [13], дали значение 70 л на человека в сутки для жителей квартир многоэтажных зданий. Эта величина была принята за основу при определении значения M.
В табл. 1 приведены значения потребления горячей воды, рассчитанные количества жителей в здании по мере заселения и соответствующие значения энергии бытовых тепловыделений. Расчёт количества жителей выполнялся из предположения расхода горячей воды 70 л на человека в сутки [13]. Мощность и энергия бытовых тепловыделений приняты равными, с учётом результатов исследований, приведённых в [13], 147 Вт/чел. при среднеквадратичном отклонении 7 Вт/чел.
Первое, что обращает на себя внимание в табл. 1, — пониженный по сравнению с расчётным значением, приведённым в [13], уровень бытовых тепловыделений. По мере заселённости здания мощность бытовых тепловыделений повышается. Если учесть, что для жилых зданий энергия бытовых тепловыделений за отопительный сезон составляет обычно около 30 кВт·ч/м² за отопительный сезон, потребление тепловой энергии из внешнего источника в здании увеличено на величину около 18 кВт·ч/( м²·год).
Таким образом, повышенная по сравнению с расчётной температура воздуха в здании и пониженный на стадии заселения уровень бытовых тепловыделений приведут к повышению потребления тепловой энергии на отоплении в здании на 33 кВт·ч/( м²·год), что при расчётном значении 15 кВт·ч/( м²·год) [14] даст величину 48 кВт·ч/( м²·год).
Удельное потребление тепловой энергии на отопление и вентиляцию
На стадии заселения измерение теплоэнергетических показателей здания становится проблематичным по нескольким причинам:
- наружные ограждающие конструкции отдают лишнюю влагу, и их теплотехнические показатели изменяются в процессе эксплуатации;
- количество проживающих изменяется, увеличиваясь по мере окончания ремонтных работ в квартирах, что приводит к изменению мощности бытовых и технологических тепловыделений.
Стоит вопрос о длительности переходного периода эксплуатации, после которого эксплуатационные показатели здания находятся в установившемся режиме. Приведённые выше обстоятельства требуют особого подхода к измерению теплотехнических показателей зданий.
В табл. 2 приведены значения потребления тепловой энергии, в том числе удельного, на отопление в отопительном сезоне 2017–2018 годах по теплосчётчику, установленному в здании, и среднемесячные значения температуры наружного воздуха в городе Гродно. Из данных табл. 2 удельное потребление энергии в отопительном сезоне 2017–2018 годах составило 50,18 кВт·ч/м², что близко к величине расчётного значения — 48 кВт·ч/м², полученного исходя из величины температуры воздуха в здании и расчётных значений заселённости.
С учётом имеющейся информации о потреблении горячей воды и температуре воздуха можно выполнить расчёт удельных показателей зданий для расчётных условий. В незаселённых и слабозаселённых зданиях при одинаковых значениях приведённого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций удельные показатели зданий могут отличаться незначительно или вовсе не отличаться.
Это предположение подтверждается наблюдением за эксплуатацией четырёх зданий серии 111–90 МАПИД*: 19-этажные здания с отапливаемой площадью 9200 м² с одним подъездом. Здания отличаются друг от друга только типом системы вентиляции. В здании №1 используется принудительная приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепловой энергией вентвыбросов. В остальных зданиях — система вентиляции с естественным побуждением. На рис. 2 приведены составляющие теплового баланса зданий для расчётных условий эксплуатации Минска, рассчитанные по [4].
Удельное потребление тепловой энергии на отопление для расчётных условий составляет 25 кВт·ч/м² для здания с принудительной механической вентиляцией и рекуперацией тепловой энергии удаляемого из помещений воздуха и 45 кВт·ч/м² за отопительный сезон для зданий с вентиляцией с естественным побуждением. Утилизация энергии вентиляционных выбросов по расчёту снижает удельное потребление на 20 кВт·ч/м².
В табл. 3 приведены значения удельного потребления тепловой энергии на отопление в четырёх зданиях серии 111–90 МАПИД в процессе эксплуатации в отопительных сезонах 2017–2018 и 2018–2019. Средняя температура воздуха в здании №1 составила 22°C, что на 20% больше расчётного значения (18°C). Считая температуру воздуха в остальных зданиях такой же исходя из одинаковых представлениях о температурном комфорте, потери тепловой энергии из зданий будут увеличены также на 20% и за отопительный сезон равны 56 и 80 кВт·ч/м², соответственно, при расчётных параметрах воздухообмена. Здания на момент выполнения измерений были заселены на 30%, что даёт значение «энергия бытовых тепловыделений + солнечная энергия» 12 кВт·ч/м² за отопительный сезон. При расчётном уровне воздухообмена удельное потребление тепловой энергии в зданиях по расчёту равно 48 и 68 кВт·ч/м² за отопительный сезон.
Из табл. 3 можно сделать вывод, что удельное потребление тепловой энергии на отопление зданий практически одинаково, отличаясь не более чем на ± 5%. Поскольку наружные стеновые панели изготовлены на одном предприятии в стандартных условиях, значения сопротивлений теплопередачи наружных стен в зданиях можно считать равными. То есть потери с воздухообменом в зданиях также находятся на одном уровне (около 20 кВт·ч/м²) за отопительный сезон. Если для здания №1 эта величина соответствует расчётному значению, то для остальных четырёх зданий она менее 50% расчётного. Следовательно, если объём воздухообмена в здании №1 соответствует расчётному значению, уровень воздухообмена в остальных зданиях составляет менее 50% расчётной величины.
Заключение
Многоквартирные здания не могут рассматриваться как простое объединение одноквартирных. Если на энергетической баланс отдельно стоящих зданий не оказывают влияния остальные, то в МКД на энергопоказатели квартир в значительной степени влияет температурный режим соседних. До заселения в одноквартирных зданиях можно не включать отопление или поддерживать температуру в зданиях на дежурном режиме. После заселения в течение первых лет эксплуатации индивидуального здания можно определить его энергетические показатели для расчётных условий эксплуатации. Энергохарактеристики МКД на начальной стадии своей эксплуатации имеют ряд особенностей:
1. Температура воздуха в квартирах, несмотря на низкую завершённость и отсутствие жителей в большинстве квартир, поддерживается на оптимальном и выше оптимального уровне, что не обеспечивает экономии энергии.
2. Бытовые тепловыделения во многих квартирах отсутствуют, что увеличивает потребность здания в тепловой энергии на отопление.
3. Воздухообмен в здании на начальной стадии эксплуатации составляет около 50% от расчётной величины, что уравнивает потребление энергии на отопление зданий с системой вентиляции с естественным побуждением с аналогичными зданиями с использованием системы вентиляции с механическим приводом и рекуперацией тепловой энергии вытяжного воздуха.
4. В силу этого прогноз удельного потребления тепловой энергии на отопление, полученный по потреблению тепловой энергии на отопление в первые годы эксплуатации, будет содержать достаточно большую погрешность.
