Задача снижения энергопотребления зданий за счёт рационального выбора сопротивлений теплопередаче и научно обоснованных методов теплотехнического расчё- та наружных ограждений при сохранении технико-экономических показателей объекта стоит на повестке дня уже достаточно давно. Различные подходы к исследованиям подобного рода рассматриваются в многочисленных работах ряда авторов, как отечественных, так и зарубежных, например, [1–7].

В последнее время, в связи с изменением отечественной нормативной базы в области теплозащиты и расчёта энергопотребления зданий, расширились возможности для снижения сопротивления теплопередаче несветопрозрачных ограждающих конструкций по сравнению с базовыми значениями, в том числе за счёт повышения теплозащиты заполнений светопроёмов. Это очень существенно, поскольку при действующем уровне цен и тарифов дополнительная теплоизоляция является одним из наиболее затратных и медленно окупающихся энергосберегающих мероприятий, а жилые здания занимают одно из основных мест в объёме нового строительства. Поэтому целесообразно выявить реально достижимые пределы снижения теплозащиты несветопрозрачных конструкций при соответствующем повышении сопротивления теплопередаче оконных блоков, в зависимости от конструктивных характеристик жилых зданий и параметров наружного климата, и оценить получаемый при этом экономический эффект. Особую актуальность данный вопрос приобретает в настоящее время, в связи с принятием Федерального закона №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…».

Данный вопрос рассматривался ранее в работе [8] на примере одного объекта общественного назначения. Чтобы получить более статистически достоверные результаты, были проведены расчёты для 13 жилых зданий высотой от пяти до 20 этажей по типовым и индивидуальным проектам. Для использования в качестве исходных данных были определены по чертежам их геометрические характеристики: площади наружных ограждений Аi [ м²] и отапливаемый объём зданий Vот, м³. Расчёт производился для различных климатических условий, которые представлены в табл. 1.

В данной таблице ГСОП — градусосутки отопительного периода; tв — средняя температура внутреннего воздуха в здании; tот — средняя температура наружного воздуха за отопительный период; zoт — продолжительность отопительного периода. Значения tот и zот принимались по данным СП 131.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-01-99 «Строительная климатология«» (далее — СП 131), а величина tв во всех случаях считалась равной +20°C по требованиям ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».

Нормируемое значение приведённого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций Ro норм [( м²·K)/Вт] определяется по формуле:

Roнорм = Rотрmр,

в соответствии с СП 50.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий«» (далее — СП 50), где Rотр — базовое значение требуемого сопротивления теплопередачи ограждающей конструкции [( м²·К)/Вт], определённое по табл. 3 СП 50 через величину ГСОП для каждого района строительства; mр — региональный коэффициент, минимальный уровень которого составляет 0,63 для наружных стен, 0,95 — для светопрозрачных конструкций и 0,8 для всех остальных.

Первоначально в расчётах принимается mр = 1. Чтобы допустить его снижение, необходимо, чтобы удельная теплозащитная характеристика здания kоб [Вт/ ( м³·K)] не превышала нормируемого значения kобтр (пункт 5.2 СП 50). Параметр kоб по физическому смыслу является произведением общего коэффициента теплопередачи оболочки здания Кобщ [Вт/( м²·K)] и коэффициента компактности здания Ккомп, м-1. Требуемая теплозащитная характеристика рассчитывается в зависимости от ГСОП и Vот по формуле, приведённой в СП 50 для Vот > 960 м³:

Постоянство условия kоб ≤ kобтр  позволяет устанавливать связь между нормируемыми сопротивлениями теплопередаче отдельных ограждений (несветопрозрачных конструкций и окон), показывая, насколько можно уменьшить одно из них при увеличении другого. Так как в формуле (1) Rотр изначально рассчитывается по базовым значениям, то для снижения Ro норм несветопрозрачных ограждений необходимо снизить для них коэффициенты mр — конечно, в пределах их минимальных значений, при этом увеличивая mр заполнения светопроёмов. Поскольку рассматриваемые жилые здания имеют разные геометрические характеристики и этажность, то и предел увеличения коэффициента mр для окон в каждом случае индивидуален. Для климатических условий Краснодара его максимальный уровень составил mр = 1,7 (70%), для Москвы mр = 1,45 (45%) и для Новосибирска mр = 1,4 (40%).

Для упрощения дальнейших вычислений было принято, что требуемые по условию постоянства kоб значения mр для наружных стен и покрытия (НС и ПК) одинаковы, поэтому их поведение в зависимости от принимаемого mр для окон можно рассчитать. В табл. 2 приведены данные для одного из использованных жилых зданий в качестве примера.

В качестве теплоизоляционного материала используем минераловатные плиты «Технофас» теплопроводностью λти = 0,042 Вт/(м·K) для условий эксплуатации Б. Принимаем коэффициенты теплотехнической однородности для стены rнс = 0,7; для покрытия и перекрытия над подвалом rпт = rпл = 0,95. Капитальные затраты на теплоизоляцию Кти [руб.] рассчитываются исходя из объёма теплоизоляционного материала в конструкциях Vти [ м³] и величины его удельной стоимости Сти, руб/м³.

Анализ цен на строительном рынке показывает, что величина Сти в зависимости от качества материала и конкретного производителя на конец 2018 года может меняться в диапазоне от 3000 до 9000 руб/м³, а также позволяет описать связь удельной стоимости светопрозрачных конструкций от их теплозащитных свойств в следующем виде [9]:

Исходя из этого капитальные затраты на установку окон Кок [руб.] во всём здании будут рассчитываться как произведение Кок.уд и площади окон Аок. Тогда общие капитальные затраты будут являться суммой Кти и Кок.

Так как объём теплоизоляционного материала и площади оконных блоков являются постоянными величинами, то итоговые капитальные затраты будут зависеть от стоимости теплоизоляции. В данной работе были рассмотрены пять вариантов стоимости теплоизоляционного материала в указанном выше диапазоне. Для повышения наглядности графиков полученные в рублях цены были переведены в условные единицы относительно общих капитальных затрат на материалы при mр = 1 для окон и mр = 1 для наружных стен и покрытия.

На рис. 1, 2 и 3 показаны результаты расчётов изменения суммарных условных капитальных затрат на теплоизоляционные материалы и заполнения светопроёмов для всех жилых зданий и вариантов стоимости материалов, в относительных единицах, от принимаемого уровня mр для окон. Маркерами отмечены значения, полученные для конкретных объектов, а сплошными линиями — аппроксимирующие зависимости.

Из рис. 1 видно, что при любой стоимости теплоизоляционного материала кривые не имеют минимума. Это означает, что допрасходы на установку остекления с более высокими теплозащитными свойствами в этом случае оказываются выше, чем достигаемая экономия за счёт сокращения объёма теплоизоляции. По-видимому, это можно объяснить невысоким значением ГСОП для Краснодара, поэтому для районов с более благоприятными климатическими условиями целесообразнее принимать первоначальный вариант с mр = 1 для всех ограждений.

По графикам на рис. 2 и 3 можно заметить, что для умеренной и более высоких Сти уже существуют некоторые оптимальные значения mр > 1 у окон и, соответственно, mр < 1 у стен и покрытия, при которых суммарные затраты на устройство наружных ограждений оказываются наименьшими. Наиболее заметно это из графика для условий Новосибирска, который имеет самое высокое значение ГСОП из рассматриваемых территорий. Таким образом, при проектирования жилых зданий в городах с суровыми климатическими условиями и при более дорогостоящем применяемом теплоизоляционном материале выгоднее становится установка энергоэффективного остекления.

.

В то же время в ряду технологий, которые дают наиболее значимый энергосберегающий эффект, эксперты называют и модернизацию теплозащиты зданий. Затраты тепловой энергии снижаются при проведении капитальных ремонтов жилых и общественных зданий с осуществлением работ по утеплению наружных стен, окон с применением современных теплоизоляционных материалов.

Однако при этом срок окупаемости дополнительного утепления ограждающих конструкций в ряде случаев составляет 25–35 лет и более. Кроме того, утеплять стены выше сопротивлений теплопередачи, характерных для строительства в 1970-е и 1980-е годы (сверх уровня Rо = 1,1–1,5 м²·К/Вт) практически не имеет смысла, так как это уже почти не даёт необходимой экономии. В то же время при проведении капремонтов значительные государственные средства были потрачены на повышение теплозащиты. Но не всегда задачу энергосбережения можно решить данным способом, для этого нужен комплексный подход [9]. Зачастую неплохой энергетический эффект получается от модернизации инженерных систем зданий. В частности, можно говорить об автоматизации и модернизации центральных тепловых пунктов.

В качестве примера можно привести данные Московской объединённой энергетической компании (МОЭК) [10]. Во время выполнения программы энергосбережения МОЭК по повышению энергоэффективности систем теплоснабжения в соответствии с постановлением правительства Москвы от 28 октября 2008 года №1012 «О городской целевой программе «Энергосбережение в городе Москве на 2009–2011 годы и на перспективу до 2020 года«» были выполнены следующие работы:

1. Перекладка 2370 км магистральных и 2340 км разводящих сетей с использованием современных технологии бесканальной прокладки теплопроводов в изоляции из пенополиуретана (ППУ); изоляции с системой оперативно-дистанционного контроля (ОДК) увлажнения изоляции. Благодаря такой технологии удаётся существенно снизить эксплуатационные издержки на обслуживание тепловых сетей и повысить долговечность трубопроводов до 30–40 лет. Для сравнения можно отметить, что при традиционных подходах он ограничивается, как правило, всего 8–12 годами. При этом наиболее важной была признана реконструкция сетей с трубами малого диаметра, как наименее надёжных, поскольку до 96% аварийных случаев относится именно к ним. Однако в силу большой протяжённости сети доля трубопроводов в ППУ составляет на сегодняшний день всего около 30%.

2. Реконструировано и автоматизировано 10104 тепловых пунктов. На объектах были внедрены узлы учёта тепловой энергии, а также установлены частотные преобразователи на насосы систем отопления и ГВС. Это позволило усовершенствовать погодозависимое регулирование подачи теплоты на нужды отопления в тепловых пунктах. Теперь заданный температурный график в системах поддерживается в соответствии с фактическими текущими наружными температурами. При этом регуляторы автоматически корректируют выбранный график. Осуществлена также замена кожухотрубных теплообменников на пластинчатые, у которых значительно лучше показатели, связанные с компактностью и коэффициентом теплопередачи. Благодаря автоматизации и реконструкции тепловых пунктов система теплоснабжения становится очень гибкой и имеет возможность подстраиваться под климатические параметры, что даёт существенную экономии ресурсов.

3. Произведена оптимизация схем теплоснабжения. Ликвидирована бóльшая часть открытых систем теплоснабжения с элеваторным узлом из-за отсутствия или несовершенства приборов автоматического регулирования. Одновременно удалось, по крайней мере частично, заменить центральные тепловые пункты (ЦТП), служащие для организации централизованного горячего водоснабжения по четырёхтрубной схеме, на индивидуальные водоподогреватели в каждом здании. Произведена замена устаревшего оборудования (арматура, грязевики, насосы) и трубопроводов. В некоторых домах изменена система отопления, а именно — осуществлён переход с однотрубной на двухтрубную. В новостройках стали применять лучевую схему отопления, так как она является наиболее простой и удобной в регулировании теплового потока.

Таким образом, можно прийти к выводу, что относительно малозатратные и быстроокупаемые энергосберегающие мероприятия, к которым относится в том числе и модернизация тепловых пунктов [9], способны дать заметный экономический эффект даже в рамках одной энергетической компании в одном городе. Поэтому несомненно, что использование данного опыта в более широких масштабах территории Российской Федерации даст возможность добиться существенного снижения общего энергопотребления и тем самым хотя бы в некоторой степени приблизить удельные энергозатраты на обеспечение функционирования инженерных систем зданий к уровню, характерному для других стран.