В настоящее время показатели теплозащиты современных зданий достигли достаточно высоких значений, поэтому всё чаще при поиске возможных путей экономии тепловой энергии на первое место ставится повышение энергоэффективности инженерных систем. Кроме того, в связи с изменением отечественной нормативной базы в области теплозащиты и расчёта энергопотребления зданий расширились возможности для учёта применения энергосберегающих мероприятий при принятии основных решений по устройству как ограждающих конструкций, так и инженерных систем, в том числе и в общественных зданиях. Это очень существенно, поскольку такие объекты занимают значительное место в объёме нового строительства, и при этом имеется ряд разработанных энергосберегающих мероприятий, достаточно широко применяемых в инженерных системах. К ним относится в первую очередь применение утилизации теплоты вытяжного воздуха в системах механической вентиляции и кондиционирования воздуха, занимающих значительную долю общего энергопотребления общественных зданий. В связи с этим целесообразно выявить реально достижимые пределы повышения класса энергосбережения в зависимости от конструктивных характеристик таких зданий и параметров применяемого теплообменного оборудования и оценить получаемый при этом экономический эффект.

Особую актуальность данный вопрос приобретает в связи с действием Федерального закона «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 года №261-ФЗ.

В условиях рыночной экономики энергоэффективное производство является важнейшим фактором конкурентоспособности товаров и услуг. В Российской Федерации энергосбережение причислено к стратегическим государственным задачам и предназначено как для обеспечения энергетической безопасности, так и для обеспечения стабильного дохода от экспорта углеводородов.

Известно, что в течение длительного времени для решения ряда возникающих проблем использовались значительные объёмы природных ресурсов нашей страны. Однако, в связи с накоплением научных знаний и развитием технологий, внимание государства обращается в сторону энергоэффективности. В самом деле, требуемые для внутреннего развития энергоресурсы можно получить не только за счёт увеличения добычи сырья в труднодоступных районах и строительства новых энергообъектов, но и — с меньшими затратами — за счёт энергосбережения непосредственно в центрах потребления, которыми в первую очередь являются населённые пункты.

За последнее время было опубликовано большое количество работ, посвящённых энергосбережению. Однако чаще всего встречаются исследования, ориентированные на какой-либо конкретный случай и поэтому малоприменимые или неприменимые вовсе в масштабах государства в целом — их реализация не будет экономически оправданной, по крайней мере, в течение ближайших лет.

К ним в первую очередь относятся технологии, нацеленные как на конкретное отдельное производство, так и на ограниченный район строительства, например, «утилизация теплоты при непрерывной разливке стали» [1] или «использование энергии геотермальных источников» [2], а также рассмотрение использования малораспространённых пока приёмов энергосбережения, таких как установка тепловых насосов [3]. Иногда встречаются и весьма масштабные работы по описанию безуглеродных городов с нулевым энергопотреблением [4] или созданию «пассивных домов» [5, 6].

Возможно, через некоторое время такие проекты будут воплощены в жизнь и внедрены повсеместно, однако при нынешнем уровне развития технологий это маловероятно, прежде всего с экономической точки зрения.

Из публикаций подобного типа можно отметить также работу [7], где основной акцент делается на экономию электроэнергии за счёт модернизации системы освещения в местах общего пользования многоквартирных домов, а также [8], которая описывает государственную программу города Москвы «Развитие коммунально-инженерной инфраструктуры и энергосбережение на 2012–2018 годы».

Однако перед тем, как переходить к новым и нетрадиционным технологиям и проектам, целесообразно добиться повсеместного применения экономически оправданных базовых способов и приёмов энергосбережения. Одним из простейших среди них является утилизация теплоты вытяжного воздуха в системах механической вентиляции. Тем не менее, этот метод обладает значительным энергосберегающим потенциалом и позволяет добиться существенного снижения потребления энергии как в общественных, так и в жилых зданиях.

Применение теплоутилизационных установок позволяет полезно использовать более 40 % теплоты вытяжного воздуха, а значит — снизить энергопотребление в среднем на 20–25 % при сравнительно небольших дополнительных капитальных затратах [9].

Задачей настоящей работы было определение влияния теплоутилизационного оборудования на снижение энергетических затрат общественных зданий. Для осуществления необходимых расчётов была использована методика оценки энергопотребления и класса энергосбережения объектов, приведённая в СП 50.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий» (далее — СП 50).

В соответствии с Приложением Г данного документа фактическую удельную характеристику расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания qот р [Вт/(м³·°C)] следует определять по следующей формуле:

здесь параметры kоб, kвент, kбыт и kрад — это удельные теплозащитная и вентиляционная характеристики здания, а также удельные характеристики бытовых тепловыделений здания и теплопоступлений в здание от солнечной радиации, соответственно, Вт/(м³·К); параметр ν — это коэффициент снижения теплопоступлений за счёт тепловой инерции ограждающих конструкций:
ν = 0,7 + 0,000025(ГСОП – 1000),
где ГСОП — градусо-сутки отопительного периода в районе строительства; ζ — коэффициент эффективности авторегулирования подачи теплоты в системах отопления; множитель βh — коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системой отопления (связанное с дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, с их дополнительными теплопотерями через «заприборные» участки ограждений, теплопотерями трубопроводов, проходящих через неотапливаемые помещения); коэффициент ξ учитывает снижение теплопотребления жилых зданий при наличии поквартирного учёта тепловой энергии на отопление (рекомендуется принимать ξ = 0,1). Удельная теплозащитная характеристика здания определяется по Приложению Ж СП 50 и в первом приближении может быть вычислена как:

где Ai и Ri — площадь [м²] и сопротивление теплопередаче [м²·К/Вт] i-го наружного ограждения, соответственно; ni — коэффициент положения i-го ограждения по отношению к наружному воздуху; Vот — отапливаемый объём здания, м³.

Удельную вентиляционную характеристику здания следует определять по следующей формуле:

здесь с — удельная теплоёмкость воздуха, равная 1 кДж/(кг·К); nв — средняя кратность воздухообмена здания за отопительный период, ч–1; βv — коэффициент снижения объёма воздуха в здании, учитывающий наличие внутренних ограждающих конструкций (при отсутствии данных следует принимать βv = 0,85); ρв вент — средняя плотность приточного воздуха за отопительный период [кг/м³], равная 353/(273 + tот), где tот — средняя температура наружного воздуха за отопительный период; k — коэффициент эффективности рекуператора.

Удельная характеристика бытовых тепловыделений здания рассчитывается как:

где qбыт — величина бытовых тепловыделений на 1 м² расчётной площади общественного здания Ар или жилой площади Аж, Вт/м²; tв — средняя по зданию температура внутреннего воздуха за отопительный период, °C.

Удельная характеристика теплопоступлений в здание от солнечной радиации вычисляется по выражению:

где Qрадгод — суммарные теплопоступления через окна и фонари от солнечной радиации в течение отопительного периода для всех четырёх фасадов зданий, МДж/год.

В работе были проведены расчёты для 14 общественных зданий различного размера и этажности по существующим типовым проектам. Конструктивные параметры объектов, необходимые для вычисления kоб и других характеристик, принимались непосредственно по чертежам, параметры наружного климата — по СП 131.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-01–99* «Строительная климатология» для условий Москвы, средняя по зданию величина tв — по ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». Для наглядного отображения влияния теплоутилизации на класс энергосбережения объекта и с учётом реализации наиболее экономичного подхода к энергосбережению значения сопротивлений теплопередаче ограждений Ri выбирались на минимально допустимом уровне, из условия равенства величины kоб и её нормируемого в СП 50 предела kобтр, то есть, как правило, при наибольшем возможном снижении от базовых значений, связанных со значением ГСОП. Сравнивая полученную величину qотр с требуемым по СП 50 уровнем qоттр, определяем в каждом случае класс энергосбережения здания для двух вариантов — при отсутствии утилизации теплоты в системах механической вентиляции и при её наличии. Коэффициент эффективности рекуператора k при этом принимался 0,4. Это реально достижимое среднее значение в наиболее простой и дешёвой схеме теплоутилизации с промежуточным теплоносителем [10]. Результаты вычислений приведены в табл. 1.

Таким образом, результаты убедительно показывают, что применение теплоутилизации, даже при снижении теплозащитных характеристик объекта до минимума и такого же минимального учёта теплопоступлений, позволяет получить класс энергосбережения не ниже нормального (С), а в большинстве случаев и более высокий. Более того, для некоторых объектов использование утилизации теплоты является практически единственным способом обеспечения требуемой величины qоттр без доведения значений Ri до базового уровня и тем более его превышения.

В дальнейшем предполагается подтверждение полученных данных за счёт анализа более широкой базы проектов общественных зданий, в том числе и в иных климатических условиях.