Журнал "Новости теплоснабжения", www.ntsn.ru
К. т.н. О.Д.Самарин, доцент, Московский государственный строительный университет, г. Москва
Необходимость снижения энергопотребления зданий в условиях исчерпания запасов органического топлива и его постоянного удорожания не вызывает сомнений. Однако существенное значение имеет выбор конкретных направлений и способов энергосбережения, а также глубина реализации каждого энергосберегающего мероприятия. Дело в том, что с экономической точки зрения энергосбережение не является самоцелью, а лишь средством для снижения суммарных затрат на возведение и последующую эксплуатацию здания. Поэтому всегда представляет интерес вопрос о выборе оптимального сочетания инженерных решений, обеспечивающих экономически обоснованное снижение энергопотребления. Но для этого необходимо представлять себе структуру энергетического баланса здания и связанные с ней возможности изменения энергозатрат по различным составляющим баланса.
Наиболее полная методика оценки энергопотребления зданий, позволяющая учитывать все основные виды энергозатрат и их снижение за счет применения практически любых известных энергосберегающих мероприятий, содержится в общественном Стандарте РНТО строителей и РОИС «Строительная теплофизика. Нормы проектирования ограждающих конструкций зданий, строений и сооружений».
Стандарт введен в действие с 1 января 2006 г. постановлением расширенного заседания Бюро Совета РНТО строителей от 30 сентября 2005 г. [1] и является документом добровольного применения в соответствии с Законом РФ «О техническом регулировании» № 184-ФЗ (ЗТР), подписанным Президентом РФ 27 декабря 2002 года. Основы данной методики применительно к общественным зданиям впервые были опубликованы в работе [2].
Наглядную картину распределения затрат энергии на функционирование различных инженерных систем можно получить, анализируя результаты расчетов, выполненных по указанной методике для группы общественных зданий в условиях Москвы. Основные энергетические показатели этих зданий были опубликованы в работах [2-4]. В относительных величинах эти данные приведены в таблице и для наглядности в виде столбчатой диаграммы на рисунке.
Несложно заметить, что, несмотря на весьма разнообразную форму и размеры (отапливаемая площадь изменялась в пределах от 3 до 14 тыс. м2), а также различное назначение исследованных объектов — культурные, зрелищные, медицинские, торговые, административные и некоторые другие здания — энергетический баланс для большинства из них имеет сходный вид. В определенной степени выделяется лишь здание 4 за счет повышенного расхода теплоты на подогрев воды в системе ГВС, поскольку оно представляет собой оздоровительный центр санаторного типа и поэтому в определенном смысле приближается по характеру энергозатрат к жилым зданиям. Однако распределение остальных составляющих баланса и здесь примерно такое же, как и в остальных случаях.
Анализируя таблицу, легко видеть, что трансмиссионные теплопотери через ограждающие конструкции в среднем составляют всего около ¼ от суммарных энергозатрат на функционирование здания. Поэтому вряд ли оправдано основное внимание повышению теплозащиты ограждений, особенно несветопрозрачных, поскольку при такой структуре энергетического баланса увеличение сопротивления теплопередаче даже в два (!) раза приведет к сокращению общего энергопотребления всего на (1/4)*(1/2)=1/8 или на 12,5%. Это несоразмерно малая величина по сравнению с колоссальными дополнительными капитальными затратами на теплоизоляцию. Одновременно доля трансмиссионных теплопотерь в общих энергозатратах еще больше снизится, а баланс приобретет еще более искаженный вид. Об этом неоднократно упоминалось в литературе, в том числе в последнее время [5].
Заметим, что приведенные цифры получены при исходном уровне теплозащиты, который является оптимальным с технико-экономической точки зрения в соответствии с работой [6] и основанными на ее предложениях требованиями упомянутого Стандарта РНТО и РОИС. В условиях Москвы это соответствует значениям сопротивления теплопередаче, например, для наружных стен вдиапазоне2,1-2,7 (м2 *К)/Вт. В принципе ЗТР позволяет ограничиваться соблюдением только такого уровня теплозащиты, которое необходимо, исходя из требований безопасной эксплуатации. Эти требования в данном случае сводятся к поддержанию допустимой из санитарно-гигиенических соображений температуры и к недопущению конденсации влаги на внутренней поверхности конструкции, а также к предотвращению накопления влаги в ее толще. Поэтому повышение теплозащиты свыше указанного оптимального уровня представляется нецелесообразным.
В то же время гораздо большее место (около половины) в энергетическом балансе занимают расходы на подогрев воздуха, главным образом в системах механической вентиляции. Соответственно в первую очередь следует рассматривать мероприятия, направленные на сокращение именно этой составляющей энергозатрат, поскольку это сразу приводит к существенному снижению общего энергопотребления. Наименее затратным здесь является применение утилизации теплоты вытяжного воздуха для первичного подогрева притока, особенно в аппаратах с промежуточным теплоносителем. В отличие от других способов теплоутилизации, такие аппараты занимают мало места и собираются из типовых теплообменных устройств, а также не требуют объединения приточной и вытяжной установки в единый агрегат. При коэффициенте температурной эффективности доэто дает снижение суммарных энергозатрат в среднем на (1/2)*(1/2)=1/4, или на 25% от первоначального уровня.
В принципе подобного результата можно достичь и за счет уменьшения объема притока, но использованная в расчетах средняя кратность воздухообмена около 1,5 ч–1 уже близка к минимально допустимой из санитарно-гигиенических соображений, которые относятся к требованиям безопасности и обязательны для соблюдения в соответствии с ЗТР. В частности, для административных зданий эта величина составляет 4 м3/ч на 1 м2, т.е. 1,33 ч–1 при высоте помещения 3 м [7]. Другое дело — снижение неорганизованного, или, по сути, инфильтрационного воздухообмена в нерабочее время за счет использования энергоэффективных герметичных окон современной конструкции [8]. В первую очередь это замена двойного остекления на тройное. Кроме того, целесообразен переход на двухкамерные стеклопакеты с селективным теплоотражающим покрытием или пленкой в межстекольном пространстве и повышенным сопротивлением воздухопроницанию. Такие окна, помимо прочего, имеют также увеличенное сопротивление теплопередаче вплоть до 0,7 (м2*К)/Вт и выше, что позволяет уменьшить долю теплопотерь через окна в трансмиссионных теплопотерях и тем самым отказаться от ограничений на коэффициент остекления.
Что касается затрат на подогрев воды для ГВС, приведенные результаты показывают, что в объектах общественного назначения их доля, как правило, невелика. Однако в жилых зданиях она может составлять до 35% [6]. Здесь же можно указать и на данные таблицы для здания 4. Поэтому в подобных случаях энергосберегающие мероприятия в системе ГВС могут дать существенное снижение общего энергопотребления. Возможные направления энергосбережения здесь сводятся, во-первых, к снижению потребления горячей воды за счет установки индивидуальных теплосчетчиков, кранов с регулируемым напором и смесителей с левым расположением крана горячей воды, а во-вторых, к использованию источников низкопотенциальной теплоты, например, грунта, вентиляционных выбросов или канализационных стоков для подогрева воды. При этом могут применяться теплонасосные установки. Как показывают данные работы [9], за счет совместного использования перечисленных инженерных решений удается снизить теплозатраты на систему ГВС примерно на ¾ от первоначального уровня, или в размере 3/4 *35=26% от общего энергопотребления здания.
Наконец, существенный резерв имеется благодаря значительной доле затрат электроэнергии, составляющей в соответствии с таблицей около 12% в энергетическом балансе здания. Заметим, что речь идет о технологических расходах на освещение, привод инженерных систем, бытовые электроприборы, оргтехнику и другое подобное оборудование. Уменьшить их мы практически не можем, поскольку эти затраты связаны с функциональным назначением здания и безопасностью его эксплуатации и опять-таки являются обязательными с точки зрения ЗТР. Но мы можем и должны утилизировать теплоту, в которую полностью переходит эта энергия, и использовать ее, например, для отопления здания, с соответствующим снижением потребления на эти нужды тепловой энергии от внешнего источника. Для этого приборы системы отопления должны быть оборудованы автоматическими терморегуляторами.
Таким образом, структура энергетического баланса здания во многом определяет возможности энергосбережения по различным направлениям и оптимальное сочетание энергосберегающих мероприятий. Знание этой структуры позволяет принимать экономически обоснованные инженерные решения по снижению энергопотребления и добиваться максимального энергосбережения при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.
Литература
1. Л.А. Старостина. Стандарт организации готов к применению. // Строительный эксперт. 2005, № 19, с. 2.
2. О.Д. Самарин, П.С. Васин, Н.Н. Зайцев, Р.Ф. Гарифуллин, Н.В. Загорцева Оценка энергоэффективности зданий и сравнительная эффективность энергосберегающих мероприятий. // Сб. докл. 9-й конф. РНТОС 25 мая 2004 г., с. 56-60.
3. О.Д. Самарин, В. П. Васин, И. Р. Садикова Эффективность энергосберегающих мероприятий в условиях рыночной экономики. // Полимергаз. 2005, № 1, с. 56-58.
4. О.Д. Самарин, С.Ю. Барвинский, А.И. Анисимов, И.Р. Садикова. К вопросу оценки эффективности энергосберегающих мероприятий в рыночной экономике. // Сб. докл. конф. МГСУ-РНТОС 23-25 ноября 2005 г., с. 25-28.
5. О.И. Лобов, А.И. Ананьев, Ю.Я. Кувшинов. Приведение нормирования теплозащитных качеств наружных стен зданий в соответствие с федеральным законом «О техническом регулировании». // Сб. докл. конф. МГСУ-РНТОС 23-25 ноября 2005 г., с. 45-48.
6. Г.С. Иванов. Методика оптимизации уровня теплозащиты зданий. // Стены и фасады. 2001, № 1-2, с. 7-10.
7. СНиП 31-05-2003 «Общественные здания административного назначения». — М.: ГУП ЦПП, 2003.
8. Г.С.Иванов, А.Н. Дмитриев, А.В. Спиридонов, Ю.Д. Хромец. Радикальное решение проблемы энергосбережения в градостроительстве на основе применения новых конструкций окон. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 1999, № 10, с. 10-12.
9. Г.П. Васильев. Результаты натурных исследований теплового режима экспериментального энергоэффективного дома. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002, № 6, с. 3-5.