К.т.н. О.Д. Самарин, доцент,
Московский государственный строительный университет, г. Москва
Комплекс малозатратных энергосберегающих мероприятий
В принятом в 2005 г. общественном Стандарте РНТО строителей РФ «Нормы теплотехнического проектирования ограждающих конструкций и оценки энергоэффективности зданий» [1], в разработке которого автор настоящей статьи принимал активное участие, было предложено, а в ряде других работ автора, и, в первую очередь, в [2], обосновано применение следующего комплекса малозатратных энергосберегающих мероприятий в жилых и общественных зданиях:
□ утепление несветопрозрачных наружных ограждений до оптимального уровня;
□ замена остекления на более энергоэффективное;
□ утилизация теплоты вытяжного воздуха (наименее затратным является применение схемы с промежуточным теплоносителем);
□ установка в системах горячего водоснабжения (ГВС) индивидуальных водосчетчиков, смесителей с левым расположением крана горячей воды и кранов с регулируемым напором, а также применение теплонасосных установок (ТНУ) для подогрева воды;
□ установка автоматических терморегуляторов у отопительных приборов, дающая возможность учесть бытовые тепловыделения, а также тепло-поступления от солнечной радиации через окна.
Технико-экономическое обоснование предлагаемых энергосберегающих мероприятий
Представляет все же интерес технико-экономическое сравнение предлагаемого в [1] комплекса энергосберегающих мероприятий с результатами реализации требований действующих нормативных документов [3, 4]. Будем считать, что данные требования сводятся к выбору теплозащиты несветопрозрачных ограждений и заполнений светопроемов по [4], применению автоматических терморегуляторов у отопительных приборов для использования внутренних тепловыделений и отсутствию утилизации теплоты вытяжного воздуха. Последняя по [3] не является обязательной, а в методике оценки энергопотребления по [4] ее учет непосредственно не предусмотрен. В этом случае, используя составленную автором программу для ПЭВМ, являющуюся модификацией использованной в работе [5], можно оценить разность капитальных затрат на реализацию энергосберегающих решений по сравниваемым вариантам.
Однако при осуществлении и оценке целесообразности мер по снижению энергопотребления в жилых зданиях приходится учитывать их значительную специфику по сравнению с объектами общественного назначения. Она связана с особенностями устройства инженерных систем в таких объектах. Если рассматривать только энергосберегающие мероприятия, доступные для реализации в массовом строительстве, из рассмотренной выше совокупности инженерных решений придется исключить утилизацию теплоты вытяжного воздуха, поскольку до настоящего времени в жилых зданиях предусматривается естественная вытяжная вентиляция с неорганизованным притоком, за исключением отдельных пилотных проектов. И даже в современных рекомендациях [6] по организации воздухообмена в многоэтажных жилых зданиях организованный механический приток и такая же вытяжка, позволяющие осуществить утилизацию, предполагаются только для квартир 1-й категории — «Элитных» и «Средних» по классификации [7], но не для 2-й категории — «Средних» и «Экономических», которые только и можно считать массовыми.
В этом случае уходящий воздух может быть использован только для первичного подогрева воды в системе ГВС, но и такие решения пока не получили распространения. Кроме того, опять же по причине отсутствия достаточного опыта реализации и ограниченности производства соответствующего оборудования нецелесообразно учитывать применение ТНУ для сокращения затрат теплоты на ГВС. Последнее решение является к тому же и весьма многозатратным. Зато из-за значительной доли нагрузки ГВС в энергетическом балансе жилых зданий [2] даже такие простые мероприятия, как установка индивидуальных водосчетчиков, смесителей с левым расположением крана горячей воды и кранов с регулируемым напором могут дать заметное снижение суммарного энергопотребления и в определенной степени компенсировать отсутствие теплоутилизации в вентсистемах.
Рассмотрим результаты реализации совокупности энергосберегающих мероприятий перечисленных выше (утепление несветопрозрач-ных ограждений, замена остекления, установка терморегуляторов и простейшие решения для систем ГВС) на примере жилого здания по серии П3-1/16. Его конструктивные параметры были использованы автором при оценке энергетического баланса подобных объектов в [2]. Для возможности проведения многовариантных расчетов использовалась модификация программы для ПЭВМ, описанной в [5]. В качестве исходного варианта, как и для общественных зданий в [6], была выбрана совокупность решений, предлагаемых действующими нормативными документами [4]. Стоимостные характеристики ограждающих конструкций и работ по утеплению, а также тарифы на тепловую энергию и норма дисконта для сопоставимости выводов были приняты поданным [5]. В частности, стоимость дополнительных единовременных затрат сверх стоимости материала утеплителя принималась равной Cр=120 руб./м2, стоимость утеплителя (плиты минераловатные П-125) в деле Сут=1150 руб./м3 (здесь и далее цены 2006 г.), а его теплопроводность λут=0,042 Вт/(м.К).
Норма дисконта считалась равной ставке рефинансирования ЦБ РФ, действующей с середины 2006 г., или 11,5% годовых, удельные затраты на утилизацию теплоты вычислялись, исходя из стоимости приточных вентиляционных установок при заданном расчетном воздухообмене, или примерно 460 долл. США за 1000 м3/ч воздухопроизводительности. Тариф на тепловую энергию был использован в размере CТЭ=620 руб./Гкал по данным ОАО «Мосэнерго». Удорожание окон для наглядности принято максимально возможным при имеющейся стоимости теплоизоляции, а именно 1200 руб./м2 при удвоении сопротивления теплопередаче. Для наглядности теплозащитные свойства ограждений и некоторые другие показатели здания приведены в табл. 1. Значения по варианту, соответствующему требованиям [4], помещены в колонках с маркировкой «В1», а получаемые по расчету в соответствии с [1] — в колонках с маркировкой «В2». Несложно отметить, что соотношения между сопротивлениями теплопередаче, вычисляемыми по двум сравниваемым способам, совпадают с найденными для общественных зданий, относящихся к 1-й категории по теплозащите.
Установка терморегуляторов является общей в обоих случаях и исключается при сравнении, а отличия будут состоять в степени повышения теплозащиты и в наличии мероприятий в системе ГВС у предлагаемого сочетания решений. Коэффициент снижения расхода горячей воды за счет применения решений по снижению водопотребления был принят равным 0,9. Результаты вычислений для различных регионов РФ показаны в табл. 2-4. При этом учитывалось возрастание фактического воздухообмена за счет снижения наружной температуры в течение отопительного сезона по сравнению с расчетным значением, принятым при проектировании естественной вентиляции, т.е. +5 ОC, и из-за появления ветрового давления введением необходимого повышающего коэффициента. Ясно, что в условиях более сурового климата этот коэффициент должен возрастать, как это наглядно видно из табл. 1.
Легко видеть, что в более северных районах доля трансмиссионных потерь и нагрузки на ГВС в суммарных энергозатратах монотонно уменьшается, зато возрастает инфильтрацион-ная составляющая. Это связано с тем обстоятельством, что принятый в расчетах по данным [3] воздухообмен, исходя из нормы 140 м3/ч на квартиру, что в данном случае больше, чем из расчета 3 м3/(ч.м2) [2], не зависит от наружных климатических параметров, а только от жилой площади, поэтому абсолютные теплозатраты на подогрев воздуха увеличиваются прямо пропорционально градусосуткам отопительного периода Dd, а при учете роста расхода воздуха в течение отопительного периода — даже быстрее. Снижение же воздухообмена с целью энергосбережения в жилых зданиях, по крайней мере, в массовом строительстве, нельзя признать целесообразным, поскольку это противоречит требованиям санитарно-гигиенической безопасности, что недопустимо с точки зрения Закона РФ «О техническом регулировании». В то же время трансмиссионные теплопотери пропорциональны как величине Dd, так и коэффициентам теплопередачи ограждений; а последние при любой методике их выбора так или иначе уменьшаются с понижением наружной температуры, т.е. рост этой составляющей будет медленнее, чем Dd. Что же касается потребности в теплоте на ГВС, из-за постоянства расхода воды и перепада температур при ее подогреве данная часть энергетического баланса в абсолютном выражении будет увеличиваться только из-за удлинения отопительного сезона, т.е. опять-таки менее быстро по сравнению с Dd (примерно как (Dd)0,5 [2]).
При этом в предлагаемом варианте энергосберегающих решений доля трансмиссионных потерь несколько выше, чем для стандартного набора мероприятий, в основном из-за более интенсивной теплопередачи через несветопрозрачные ограждения, имеющие меньшую степень повышения теплозащиты по сравнению с санитарно-гигиеническими требованиями [1], чем в [4]. В то же время доля теплозатрат на инфильтрацию оказывается ниже из-за применения более герметичного остекления.
В числителях табл. 3 стоят значения суммарного удельного энергопотребления на компенсацию трансмиссионных и инфильтрационных теплопотерь, а также на нужды ГВС в кВт.ч/м2 и в кДж/(м2.К.сутки) за отопительный сезон, в знаменателях — то же за вычетом бытовых тепловыделений, принимаемых в размере 17 Вт/м2 при норме общей площади менее 20 м2/чел. [4], и теплопоступлений от солнечной радиации по данным [8], учитываемых с коэффициентом 0,9 [4], т.е. объем энергопотребления от внешнего источника. Величина q/q0 представляет собой отношение суммарного энергопотребления за вычетом теплопоступлений к энергопотреблению здания с теплозащитой на уровне санитарно-гигиенической нормы и без мероприятий в системе ГВС, взятого за базовый вариант в [1].
Таким образом, в рассматриваемых условиях удельное суммарное энергопотребление здания в условиях применения предлагаемого комплекса энергосберегающих мероприятий для всех рассмотренных регионов оказалось даже ниже, чем при наборе решений, требуемых в [4]. В основном это связано с тем, что снижение теплопотерь за счет использования более энергоэффективного остекления в сочетании с экономией теплоты на ГВС во втором варианте является более значительным, чем рост трансмиссионных потерь из-за меньшей степени утепления несветопрозрачных конструкций. Одновременно удельное энергопотребление за вычетом теплопоступлений и без нагрузки ГВС, отнесенное к Dd, вполне удовлетворяет требованиям [4], равным для жилых зданий выше 12 этажей величине 70 кДж/(м2.К.сутки) для Краснодара и Москвы и 66,5 кДж/(м2.К.сутки) для Воркуты, даже при том, что снижение сопротивлений теплопередаче несветопрозрачных ограждений по сравнению с указанными в [4] (см. табл. 1) в ряде случаев сильнее, чем это допускается в [4], т.е. не более чем на 37% для стен и на 20% для полов и потолков.
Необходимо, однако, иметь в виду, что удельное энергопотребление в размерности кДж/(м2.К.сутки) с учетом нагрузки ГВС вообще мало зависит от наружных климатических параметров. Дело в том, что в более северных районах относительное уменьшение трансмиссионных потерь из-за роста сопротивлений теплопередаче ограждений и особенно падение теплозатрат на ГВС, практически компенсируется снижением теплопоступлений от солнечной радиации и бытовых, потому что, если абсолютное значение расходов на ГВС и теплопоступлений примерно пропорционально (Dd)0,5, то после деления на Dd для приведения к размерности кДж/(м2.К.сутки) результат будет уже пропорционален 1/(Dd)0,5. В стандартном варианте тепловые потери снижаются несколько быстрее, в предлагаемом — более медленно, поэтому в целом энергозатраты в первом случае все-таки немного падают, а во втором — слабо растут. Что же касается удельного энергопотребления в кДж/(м2.К.сутки) за вычетом нагрузки ГВС, его постоянство вне зависимости от Dd, декларируемое разработчиками [4] и представленное, в частности, в работе [8], нашими расчетами не подтверждается. Из табл. 3 очевидно, что в этом случае энергопотребление растет с увеличением Dd, причем во втором варианте даже более заметно, поскольку его исходный уровень оказывается ниже, а прирост на единицу Dd примерно такой же, как и при стандартном наборе мероприятий. Объяснение этого эффекта в принципе аналогично трактовке увеличения в северных районах доли инфильтрации и снижения доли трансмиссионных потерь в энергетическом балансе. Иначе говоря, после исключения ГВС оказывается, что относительные теплопоступления от солнечной радиации и бытовые падают с ростом Dd быстрее, чем снижаются трансмиссионные теплопотери при постоянной инфильтрационной составляющей.
Анализируя табл. 3, следует также заметить, что, как и для общественных зданий [2], практически во всех случаях мы можем получить снижение расхода теплоты от внешнего источника по отношению к базовому варианту не менее чем в 2 раза. Этому не препятствует даже фиксированная величина воздухообмена при отсутствии утилизации теплоты вытяжного воздуха и ограниченный энергосберегающий потенциал простейших мероприятий для ГВС. Поэтому и для жилых зданий при массовом строительстве нет никаких физических ограничений для применения рекомендации [1] по снижению энергопотребления не менее, чем на 50%, что позволяет заниматься технико-экономической оптимизацией комплекса энергосберегающих мероприятий, определяя экономию теплозатрат по факту на основе технических возможностей используемых решений. О реальности таких результатов свидетельствуют данные [9], где говорится о снижении расхода теплоты в жилом здании на 30% только за счет замены остекления, установки автоматических терморегуляторов, теплосчетчиков и водосберегающей арматуры в системе ГВС, автоматизации теплового пункта и некоторых других мероприятий. По сути, речь идет о реализации всего рассматриваемого комплекса мер, за исключением утепления несветопроз-рачных конструкций. Если теперь учесть, что энергосберегающий потенциал последнего мероприятия ранее был оценен автором в среднем в 20-25% [2], в сумме это как раз дает 50-55%, как и показывает табл. 3. Одновременно получаем, что стандартный набор средств энергосбережения в центральных и северных районах может не обеспечить требуемое нами двукратное уменьшение расхода теплоты, что еще раз подтверждает преимущество предлагаемого сочетания инженерных решений.
В условиях Москвы капитальные затраты по предлагаемому варианту несколько значительнее, чем для стандартного набора решений, но их дисконтированный срок окупаемости составляет всего 3,25 года, т.е. и здесь предлагаемый комплекс является малозатратным и быстро-окупаемым. Некоторое увеличение срока объясняется невозможностью применения утилизации теплоты — наиболее эффективного решения по соотношению снижения энергопотребления и капитальных вложений [2]. Более того, для условий Воркуты предлагаемый комплекс требует даже более низких капитальных затрат по сравнению со стандартным, и, следовательно, там имеет место абсолютная окупаемость рассматриваемых инженерных решений. Данное обстоятельство связано в основном с тем, что экономия на теплоизоляции несветопрозрачных ограждающих конструкций оказывается более существенной, чем рост расходов из-за применения более дорогих заполнений светопроемов. И только для Краснодара при учете дисконтирования окупаемость не имеет места, т.е. здесь реализация рассматриваемых мероприятий вместо требуемых по [4] становится экономически невыгодной.
Таким образом, можно считать, что минимальный уровень Dd, начиная с которого реализация предлагаемого комплекса решений по снижению энергопотребления экономически оправдана, лежит в диапазоне 4500-5000. Область, где Dd выше указанных значений, соответствует климатическим параметрам большей части территории РФ, за исключением районов, лежащих к юго-западу от линии «Санкт-Петербург — Смоленск — Воронеж — Саратов» [10]. В этом случае дисконтированный срок окупаемости капиталовложений в энергосбережение не превышает 5 лет и снижается с ростом Dd. При числе Dd порядка 9000 применение рассматриваемого комплекса инженерных решений, как правило, дает даже абсолютное снижение капитальных затрат по сравнению с реализацией существующих требований к теплозащите зданий. В соответствии с данными [10], такой уровень Dd имеет место для достаточно обширной территории РФ, включающей Ямало-Ненецкий и часть Ханты-Мансийского АО (северо-восточнее Оби), Таймырский и Эвенкийский АО, Республику Саха и Магаданскую область.
Литература
1. Нормы теплотехнического проектирования ограждающих конструкций и оценки энергоэффективности зданий. Стандарт общественной организации — РНТО строителей. М.: ГУП ЦПП, 2006.
2. Самарин О.Д. Теплофизические и технико-экономические основы теплотехнической безопасности и энергосбережения в здании. — М.: МГСУ- Тисо-принт, 2007, 160 с.
3. СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». — М.: ГУП ЦПП, 2004.
4. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». — М.: ГУП ЦПП, 2003.
5. Самарин О.Д. Влияние параметров наружного климата на выбор оптимального сочетания энергосберегающих мероприятий в общественных зданиях // Кровля и изоляция. 2007. № 2-3. С. 26-28.
6. ТР АВОК-4-2004. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома. — М.: Правительство Москвы, Комплекс архитектуры, строительства, развития и реконструкции города, 2004, 32 с.
7. МГСН 3.01-96. Жилые здания. — М.: Москомархитектура, 1997.
8. Матросов Ю.А., Гольдштейн Д. Нормы и стандарты энергоэффективности зданий: региональный подход // НИ-ИСФ/ЦЭНЭФ, НРДС, 04.01.2002. — www.cenef.ru.
9. Энергосберегающие мероприятия в жилом доме № 22 по ул. Ферсмана, г. Апатиты Мурманской области -www. rosteplo. ru.
10. СНиП 23-01-99* «Строительная климатология». — М.: ГУП ЦПП, 2004.