Статья ВАК: Сравнительный анализ методов определения теплоэнергетических характеристик эксплуатируемых зданий

Введение

Требования к теплотехническим характеристикам зданий изменяются вместе с изменением стоимости энергоносителей. Если в [1] требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций выбирались только из соображения теплового комфорта, то в [2, 3] были установлены нормируемые значения для сопротивления теплопередаче для ограждающих конструкций, а в [3, 4] — нормативные значения для удельного годового потребления тепловой энергии на отопление зданий. Удельное годовое потребление тепловой энергии на отопление устанавливается также в нормативных документах стран Евросоюза [5] и РФ [6]. Из нормативных требований, предъявляемых к названному показателю, следует необходимость разработки измерительных методик, обеспечивающих проверку соответствия эксплуатационных значений показателя расчётным. Такая необходимость может возникнуть как при приёмке зданий, так и на разных стадиях эксплуатации, например, при выполнении работ по энергетической сертификации.

Показатель «удельное годовое потребление тепловой энергии на отопление» относится не к зданию как конструктивной системе, а характеризует его с учётом климатических условий, заселённости здания и условий его эксплуатации. Поэтому значение показателя удельного расхода тепловой энергии на отопление, измеренное в конкретных климатических условиях и в условиях эксплуатации, может существенно отличаться от расчётного. Для оценки соответствия показателя проектным или нормативным требованиям его необходимо привести к расчётным условиям. Анализ расчёта показателя «удельного расхода тепловой энергии на отопление» в соответствии с [3] показывает, что для приведения значений расхода тепловой энергии на отопление, полученных по показаниям счётчика тепловой энергии, к расчётным условиям требует дополнительной информации о параметрах:
- температура воздуха в здании;
- температура наружного воздуха;
- мощность бытовых тепловыделений;
- энергия солнечной радиации, поступающей в здание.

При выполнении энергетического обследования зданий, как правило, получение перечисленной информации затруднительно. Выполнение такой работы, результаты которой приведены в [7, 8] для определения мощности бытовых тепловыделений, потребовало обработки огромного объёма статистической информации коммунальных служб и поставщика электрической энергии. Сравнительно просто получить информацию о температуре наружного воздуха, потреблении тепловой энергии на отопление и о потреблении горячей воды жителями. Измерение температуры воздуха в помещениях выполняется на коротких интервалах времени, в то время как для точного определения показателя необходимо обработать информацию по одному или нескольким отопительным сезонам. Эти обстоятельства ставят задачу разработки более простого и надёжного способа измерений.

Наиболее доступной при выполнении измерений является следующая информация:
- температура наружного воздуха для условий эксплуатации здания, которую можно получить из данных гидрометеоцентра для станции наблюдений, ближайшей к зданию;
- архив показаний общедомового счётчика тепловой энергии на отопление здания, хранящийся в эксплуатирующей организации.

В качестве исходного целесообразно выбрать показатель, характеризующий здание вне климатических условий и условий его эксплуатации. В [9] предложено понятие удельной тепловой характеристики здания, значение которой равно отношению удельной мощности тепловых потерь при разности температур в 1 K к объёму здания. Эта величина не зависит от условий эксплуатации и характеризует здание как теплоэнергетический объект. Для жилых зданий удобнее нормировать эту величину не к объёму, а к отапливаемой площади здания, значение которой можно получить в эксплуатирующей организации.

По мнению авторов, для этой величины больше подходит название «коэффициент удельных теплопотерь» здания. Эта величина соответствует мощности тепловых потерь при разности температур воздуха снаружи и внутри здания в 1 °C в расчёте на 1 м² отапливаемой площади. Зная этот показатель, можно рассчитать значение удельного потребления тепловой энергии на отопление здания для любых расчётных условий [10, 11].

Однако, в случае ручного съёма показаний счётчиков потребления тепловой энергии, возникает проблема дополнительных ошибок, возникающих из-за возможной несвоевременности получения данных и «человеческого фактора», приводящего к ошибкам отсчёта показаний.

Двухэтапный алгоритм контроля удельного потребления тепловой энергии на отопление зданий для расчётных условий

Наиболее простой метод определения удельного потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий для расчётных условий разработан в [11–18]. Задача решается в два этапа:

1. Определяется коэффициент удельных теплопотерь здания f₁ по методике, предложенной в [12, 18]:

где f₁ — коэффициент удельных теплопотерь здания, Вт/(м²·К);

здесь q_ji — значение средней удельной мощности источника в отоплении здания на i-м интервале измерений в j-м отопительном сезоне, Вт/м²; q_j — значение средней удельной мощности источника в отоплении здания на выбранном интервале измерений в j-м отопительном сезоне, Вт/м²;

где t_jiout  и t_jout — средние значения температур наружного воздуха на соответствующих интервалах измерений, °C.

2. По известному значению f₁ определяется значение удельного потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий для расчётных условий по следующей формуле:

где Δt_sr = (t_in – t_out), К; q_h — удельная среднегодовая мощность источника энергии на отопление и вентиляцию для расчётных условий, Вт/(м²·год); f₁ — удельный коэффициент тепловых потерь здания, Вт/(м²·К); f₂ — удельная мощность внутренних тепловыделений в здании, принимаемая для расчётов по Вт/м²; t_in — расчётная температура воздуха в здании, равная +18 °C; t_out — средняя температура наружного воздуха в отопительном сезоне в соответствии с климатическими условиями местности по [19]; q_sr — средний поток солнечной радиации, поступающей в здание, рассчитываемый в соответствии с требованиями [3, 19]; N — количество суток в среднем отопительном сезоне; ζ и ξ — коэффициенты, учитывающие тип системы регулирования и коэффициент усвоения солнечной энергии в здании, соответственно.

Следует отметить, что коэффициенты ζ и ξ вводятся в предположении, что в здании постоянно поддерживается температура +18 °C. Предложенная в [18] методика определения коэффициента удельных теплопотерь и удельного потребления тепловой энергии на отопление здания наиболее рациональна. Для её использования:
- достаточно получить показания счётчика тепловой энергии в здании за несколько месяцев отопительного сезона;
- дополнительно необходимо получить данные по средней температуре наружного воздуха на рассматриваемых измерительных интервалах.

Основной предпосылкой для использования методики является наличие общедомового счётчика тепловой энергии на отопление здания и работающей системы регулирования подачи теплоносителя в здание, учитывающей изменение наружных климатических условий.

Следует отметить, что неудовлетворительная работа системы регулирования может исключить возможность определения удельных теплотехнических характеристик по предложенной методике.

Для иллюстрации проблемы в табл. 1 приведены данные по удельному потреблению тепловой энергии в жилом здании, полученные по общедомовому счётчику тепловой энергии на отопление.

В данных, приведённых в табл. 1, изменение мощности источника отопления по показаниям счётчика тепловой энергии в здании совершенно не коррелирует с изменением температуры наружного воздуха. Например, средняя мощность системы отопления в феврале при температуре наружного воздуха –1,3 °C, то есть мощность, отдаваемая системой, выше, чем в январе при температуре наружного воздуха –7,7 °C. Аналогично соотношение мощностей для других месяцев.

Для этого здания применение рассмотренной выше методики даст заведомо ошибочный результат.

Упрощённая методика измерений

Для случая недостаточной уверенности в корректности имеющейся информации по ежемесячному потреблению тепловой энергии на отопление — целесообразно использовать упрощённую методику измерения удельного потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий для расчётных условий, предложенную в [20]. В этом случае измерения можно выполнять, используя как ежемесячные, так и годовые архивы данных. Экспресс-метод определения составляющих теплового баланса жилого здания по косвенным измерениям предложен в [9].

В течение определённого промежутка времени выполняются измерение и регистрация наружной температуры и температуры воздуха в помещениях здания. Средняя температура воздуха внутри помещений здания определяется по температуре вентиляционных выбросов на выходе общих вентиляционных шахт здания. Измерения, выполненные ранее в [21], показали, что в этом случае температура вентиляционных выбросов на 1 °C выше средней температуры в квартирах. В каждой из вентиляционных шахт определяется скорость движения воздуха и объём вентиляционных выбросов. Расчётным путём по проектным данным и измеренным значениям температуры воздуха внутри и снаружи здания и уровню воздухообмена определяются тепловые потери через ограждающие конструкции и инфильтрационные теплопотери здания. Недостатком данного метода является необходимость в дополнительной информации о проектных теплотехнических характеристиках ограждающих конструкций здания. Точность измерений определяется многими статистически неопределёнными величинами: сопротивлением теплопередаче ограждающих конструкций здания и объёмом вентиляционных выбросов.

Для получения точных значений мощности внутренних тепловыделений в квартирах здания был выполнен анализ потребления электрической энергии и газа при приготовлении пищи, тепловых выделений жителей с учётом статистики по заселённости многоэтажных зданий из [8]. Были использованы данные жилищно-коммунальных служб о расходе энергетических ресурсов в жилых зданиях, областных центров Республики Беларусь и города Минска. В [8, 11] было показано, что мощность бытовых тепловыделений можно нормировать не к жилой площади здания, как это делается обычно, например в [22], а к количеству жителей в здании в размере. Анализ полученных результатов, представленный в [8, 11] показывает, что уровень тепловыделений несущественно зависит от типа зданий, устойчив в расчёте на одного человека и составляет 147 Вт/чел. при среднеквадратичном отклонении 7 Вт/чел.

Анализ потребления горячей воды в жилых зданиях, приведённый в [11], показал, что среднее потребление составляет 70 л на человека в сутки.

Эти данные послужили основой для создания упрощённого алгоритма определения показателя удельного потребления тепловой энергии на отопление зданий для расчётных условий [20].

Для значения удельного потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий для конкретных условий j-го отопительного сезона выражение (4) перепишется в виде:

где D_jsr = N_jΔt_jsr — количество градусосуток j-го отопительного сезона; N_j — количество дней j-го отопительного сезона; Δt_jsr средняя температура воздуха в j-м отопительном сезоне; f_2j — мощность бытовых тепловыделений в j-м отопительном сезоне, равная:

где q₁ — мощность бытовых тепловыделений, приходящаяся на одного человека, принятая равной 147 Вт/чел.; n — количество людей в здании; q_sj — средняя мощность поступления солнечной энергии в j-м отопительном сезоне.

Количество людей, проживающих в здании, можно определить по потреблению горячей воды, в расчёте 70 л на человека в сутки [11], по формуле:

где V_с — объём горячей воды, потребляемой в здании за сутки отопительного периода, м³/сут.

Приведённые в [20] данные по общей отапливаемой площади и количеству жителей в здании, определённому по выражению (7), позволяют получить среднюю заселённость зданий, равную в данном случае 22,5 м² общей площади на человека. Для сравнения, в статистическом сборнике [23] средняя заселённость для города Минска составляет 22,5 м² на человека, что прекрасно совпадает с приведённым результатом и подтверждает возможность использования предложенной методики для оценки числа жителей в здании.

По всем полученным в отопительном сезоне или в нескольких отопительных сезонах данным можно определить удельное потребление тепловой энергии для расчётных условий.

Пересчёт удельного потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий для расчётных условий выполняется по формуле:

здесь j ∈ [1; I],

где D₀ = NΔt_sr — количество градусо-суток отопительного сезона для расчётных условий; q_s — расчётное удельное поступление солнечной энергии в здание за отопительный сезон, [кВт/м²] отапливаемой площади; I — количество обработанных измерительных интервалов.

По рассчитанным величинам определяют среднее значение по формуле: 

 и среднеквадратичное отклонение по следующей формуле:

Поскольку количество измерений (отопительных сезонов) ограничено, определяют коэффициенты Стьюдента k, связанные с количеством измерений, например, в [24], и доверительные интервалы измерений:

В соответствии с результатом определяют класс здания по параметру потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию в соответствии с таблицей в [3].

Для более точного расчёта необходимо использовать данные о поступлении солнечной энергии в здание и о типе регулирования подачи энергии в помещение.

Для определения данных о поступлении солнечной энергии необходимо знать: тип окон в здании; ориентацию здания; площадь остеклённой поверхности по сторонам света; данные о солнечной активности в рассматриваемых отопительных сезонах.

Эта информация, как правило, отсутствует. Опыт расчёта теплоэнергетических характеристик многоэтажных зданий показывает, что значение солнечной энергии, поступающей в многоэтажные здания, составляет около 7 кВт·ч за отопительный сезон.

Было принято при расчётах значение ζ = 0,85, β = 0,9. Из [8, 11] было принято: q₀^s = 6,15 Вт/м². 

Сравнительные результаты определения удельного потребления тепловой энергии для расчётных условий для эксплуатируемых зданий

В табл. 2 представлены результаты определения удельного потребления тепловой энергии на отопление для эксплуатируемых зданий с помощью двух описанных выше методов:
- с использованием предварительного определения значения коэффициента удельных теплопотерь;
- по упрощённой методике.

При использовании обеих методик использовались данные о ежемесячных значениях потребления энергии в течение четырёх отопительных периодов и средней температуры окружающего воздуха по данным гидрометеоцентра.

Средняя температура в зданиях для упрощённой методики принималась постоянной в течение всего периода измерений и равной 20 или 22 °C. Определялось значение удельного потребления тепловой энергии на отопление для расчётных условий по данным каждого отопительного периода и определялось среднее значение для каждого здания.

По представленным в табл. 2 результатам можно сделать вывод, что упрощённая методика даёт возможность определения показателей зданий по удельному потреблению тепловой энергии для расчётных условий, однако результаты измерений показали сильную зависимость результата от принятого при расчётах значения температуры воздуха в здании.

Доверительный интервал результата измерений для 75 % вероятности находится для всех объектов в диапазоне от 4 до 15 % измеряемой величины.

В двухступенчатой методике доверительный интервал результата измерений для тех же условий для всех объектов не превышает 6 % измеряемой величины. При её применении отсутствует необходимость информации о температуре воздуха в здании и дополнительного объёма информации, который необходим при применении упрощённой методики. Однако при её применении в здании должна функционировать система управления теплоснабжением — в зависимости от климатических условий.

Результаты, приведенные в табл. 2, позволяют сделать вывод о том, что использование одновременно двух методик может обеспечить определение средних температурных условий в здании без выполнения прямых измерений.

Таким образом, при наличии в здании функционирующей системы управления теплоснабжением в зависимости от климатических условий предпочтение следует отдать двухступенчатой процедуре определения удельному потреблению тепловой энергии на отопление для расчётных условий. При сомнительном качестве работы системы регулирования следует использовать упрощённую методику определения этого показателя.

Выводы

В статье представлены результаты сравнительного анализа точности определения удельного потребления тепловой энергии на отопление зданий для расчётных условий двумя методами:
- по двухступенчатой процедуре, когда на первом этапе по архиву показаний счётчика тепловой энергии определяется значение коэффициента удельных теплопотерь здания, а на втором — удельного потребления тепловой энергии на отопление зданий для расчётных условий;
- по упрощённой методике, которая основана на обработке показаний счётчика тепловой энергии на отопление зданий, потреблению горячей воды в здании, значениям температуры воздуха в здании и наружной температуры.

Представлены результаты определения удельного потребления тепловой энергии на отопление для расчётных условий по двум методикам и приведены доверительные интервалы оценки результата по двум методикам.

По полученным результатам можно сделать вывод, что упрощённая методика даёт возможность определения показателей зданий по удельному потреблению тепловой энергии для расчётных условий, однако результаты измерений показали сильную зависимость результата от температуры воздуха в здании. Доверительный интервал результата измерений для 75 % вероятности находится для всех объектов в диапазоне от 4 до 15 % измеряемой величины.

В двухступенчатой методике доверительный интервал результата измерений для тех же условий для всех объектов не превышает 6 % измеряемой величины. При её применении отсутствует необходимость информации о температуре воздуха в здании и дополнительного объёма информации, который необходим при применении упрощённой методики. Однако при её применении в здании должна функционировать система управления теплоснабжением в зависимости от климатических условий.

Таким образом, при наличии в здании функционирующей системы управления теплоснабжением в зависимости от климатических условий предпочтение следует отдать двухступенчатой процедуре определения удельному потреблению тепловой энергии на отопление для расчётных условий. При сомнительном качестве работы системы регулирования следует использовать упрощённую методику определения этого показателя.