Еще один довод в пользу повышения теплозащиты зданий
Опубликовано: 03.09.2018
Summary:
Описание:Покажем, что можно обеспечить повышение энергоэффективности зданий на первом этапе именно за счет повышения теплозащиты и оптимизации авторегулирования систем отопления, и это уже достигнуто в Москве
В. И. Ливчак , вице-президент НП «АВОК»
В Министерстве регионального развития РФ готовится актуализированная версия СНиП 23–02 «Тепловая защита зданий», на основании требований которой теплозащита будет не возрастать, как во всем мире, для повышения энергетической эффективности зданий, а понижаться по отношению к действующему СНиП 23–02–2003 и вопреки требованиям Постановления Правительства РФ № 181 (далее ПП РФ № 18) о повышении энергоэффективности зданий на 15 % с 2011 года и до 40 % к 2020 году. Покажем, что можно обеспечить повышение энергоэффективности зданий на первом этапе именно за счет повышения теплозащиты и оптимизации авторегулирования систем отопления, и это уже достигнуто в Москве [1].
Проследим, как влияло повышение теплозащиты зданий на их энергетическую эффективность в общем виде с учетом относительного изменения составляющих теплового баланса на примере многоквартирного 9-этажного 4-секционного дома, сооружаемого в условиях Центральной России, с расчетной температурой наружного воздуха tн.о = –25 °C и величиной градусо-суток Dd = 5 000 °C сут.
Оценка энергоэффективности решений по повышению теплозащиты зданий
Как было показано в [2], для такого дома, построенного до 1995 года (рис. 1):
теплопотери через стены составляют 39 %, а через покрытие и цокольное перекрытие – 8 % от расчетных тепло-потерь через наружные ограждения и с инфильтрующимся воздухом при температуре наружного воздуха, равной расчетной tн.о, а вместе 47 %; через окна – 21 %; 32 % идет на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха в объеме, на 30 % превышающем вентиляционный воздухообмен; бытовые тепловыделения достигают 9 % от расчетных теплопотерь. |
|
Рисунок 1. Диаграммы теплопотерь и теплопоступлений в многоквартирных домах типовых серий, построенных до 1995 года (до изменений 1995 года в СНиП II-3–79*) (RW и RF соответственно приведенное сопротивление теплопередачи стен и окон). |
Таким образом, расчетный расход теплоты на отопление по отношению к расчетным теплопотерям составит:
0,39 + 0,08 + 0,21 + 0,32 – 0,09 = 0,91 и это соответствовало удельному годовому расходу тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирного 9-этажного дома серии II-49, по которому оценивается энергоэффективность здания, 160–200 кВт·ч/м2 в зависимости от учитываемого воздухообмена (нормативного или в 1,3 раза большего).Если инфильтрацию принять в объеме нормативного воздухообмена, то она составит 0,32/1,3 = 0,25, а бытовые тепловыделения –
0,09/(0,39 + + 0,08 + 0,21 + 0,25) = 0,097. Тогда расход теплоты на отопление в относительных единицах снизится до 0,39 + 0,08 + 0,21 + 0,25 – 0,097 = 0,833, а бытовые тепловыделения по отношению к расчетному расходу теплоты на отопление возрастут: 0,097/0,833 = 0,12.Расчет на конкретном доме II-49–4/9 показал, что относительный расчетный расход теплоты на отопление в доме без дополнительной изоляции и на нормативный воздухообмен в сравнении с аналогичным домом, запроектированным по нормам 2000 года, будет выше в 1,67 раза. Или, если мы хотим узнать, насколько энерго-экономичней по расчетной нагрузке на отопление дом, построенный по нормам 2000 года, по сравнению с аналогичным домом, построенным до утверждения этих норм, то получится на (1,67 – 1)·100/1,67 = 40 % – и это только за счет повышения теплозащиты здания, т. к. воздухообмен принят одинаковый.
Согласно нормам 2000 года:
приведенное сопротивление теплопередаче основных наружных ограждений2 стен Rw равно 3,15 м2·°C/Вт, окон RF – 0,54 м2·°C/Вт; расчетный воздухообмен при заселенности 20 м2 общей площади квартир на человека – 30 м3/(ч·чел.); удельная величина бытовых тепловыделений – 17 Вт/м2 площади жилых комнат.В соответствии со СНиП 23-02–2003 удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирного 9–12-этажного дома при нормативном воздухообмене для условий Москвы будет 105–95 кВт·ч/м2.
|
Только за счет повышения теплозащиты (при одинаковом воздухообмене) многоквартирное здание, построенное по нормам 2000 года, будет на 40 % энергоэкономичнее своего аналога, построенного ранее |
В принятых условиях тепловой баланс дома таков (рис. 2):
теплопотери стен составляют 20–23 %; теплопотери через покрытия, перекрытия – 4–6 %, а вместе со стенами 26,5 %; теплопотери через окна – 25–28 %; теплопотери с инфильтрующимся воздухом – 44–50 %; относительная доля бытовых тепловыделений от расчетных теплопотерь – 18–20 %. |
|
Рисунок 2. Диаграммы теплопотерь и теплопоступлений в многоквартирных домах типовых серий, построенных с 2000 по 2010 годы (в соответствии со СНиП 23-02–2003) |
Соответственно, расчетный расход теплоты на отопление дома по отношению к расчетным теплопотерям в 2000 году, согласно уравнению теплового баланса, будет равен qо.max 2000 г. = 0,215 + 0,05 + 0,265 + 0,47 – 0,19 = 0,81. А доля бытовых тепловыделений от расчетного расхода теплоты на отопление qбыт/qо.max = 0,19·100/0,81 = 23,5 %, что представляет значительную величину и предостережение для тех, кто готов с легкостью отказаться от их учета при определении расчетных теплопотерь и нагрузки на отопление жилых домов.
Теплозащита здания с 2011 года по требованиям ПП РФ № 18
Для определения изменения расчетного расхода теплоты на отопление в зависимости от увеличения сопротивления теплопередаче наружных ограждений в соответствии с требованиями ПП РФ № 18 используем рис. 3 из [3]. На рисунке показано изменение относительных теплопотерь через стены, покрытия и окна, в зависимости от абсолютных величин приведенного сопротивления теплопередаче этих ограждений, причем за единицу принимаются относительные теплопотери каждого из перечисленных ограждений при сопротивлении теплопередаче, принятом до их официального повышения в 1995 году для: стен RW = 0,95 м2·°C/Вт; покрытий RC = 1,5 м2·°C/Вт; окон RF = 0,34 м2·°C/Вт.
Из рис. 3 видно, что согласно ПП РФ № 18 при увеличении приведенного сопротивления теплопередаче стен на 15 % (с 3,15 до 3,6 м2·°C/Вт) относительные теплопотери через стены сократятся с 0,302 до 0,265 ед., или составят 0,265/0,302 = 0,877 от предыдущего значения. Повышение приведенного сопротивления теплопередаче покрытий на тот же процент с 4,7 до 5,4 м2·°C/Вт снизит относительные теплопотери через них на 0,277/0,319 = 0,868.
 |
Рисунок 3 ( подробнее )
Изменение относительных теплопотерь через ограждения здания при повышении их теплозащиты |
Переход на окна с сопротивлением теплопередаче 0,8 вместо 0,54 м2·°C/Вт дает снижение теплопотерь через окна на 0,425/0,63 = 0,675 от предыдущего значения этих теплопотерь.
Принимаем снижение теплопотерь через покрытия и перекрытия аналогичным их снижению через стены (поскольку, как видно из рис. 3, соотношение теплопотерь такое же), а относительные теплопотери на нагрев инфильтрационного воздуха в прежнем объеме. Из уравнения теплового баланса дома строительства с 2011 года получим следующую величину относительных расчетных теплопотерь дома: qht.max 2011 = (0,215 + 0,05)·0,877 + 0,265·0,675 + 0,47 = 0,232 + 0,179 + 0,47 = 0,88. Соотношение составляющих по отношению qht.max 2011 = 1 будет: 0,265 + 0,205 + 0,53 = 1 (рис. 4).
 |
|
Рисунок 4. Диаграммы теплопотерь и теплопоступлений в многоквартирных домах типовых серий, строящихся с 2011 по 2015 годы (в соответствии с ПП РФ № 18) |
Тогда относительный расчетный расход теплоты на отопление составит: qо.max 2011 = 0,88 – 0,19 = 0,69 (qбыт/qо.max = 0,19·100/0,69 = 27,5 %), а сокращение нормируемой на 2011 год величины расчетного расхода теплоты на отопление по сравнению с 2000 годом: 0,69/0,81 = 0,853. То есть снижение теплопотребления на 14,7 % за счет повышения сопротивления теплопередаче стен, покрытий и перекрытий на 15 %, а окон с 0,54 до 0,8 м2·°C/Вт.
| Таблица Расчетные показатели теплопотребления зданий на отопление для различных периодов строительства | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Как будет показано далее (см. табл.), удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирного 9–12-этажного дома снизится на 1,8/2,22 = 0,811 и составит 85–77 кВт·ч/м2 при нормируемой величине 89–81 кВт·ч/м2 (согласно ПП РФ № 18), т. е. перекрывает нормируемые требования.
|
С 2011 года, благодаря повышению сопротивления теплопередаче стен, покрытий и перекрытий на 15 %, а окон с 0,54 до 0,8 м2•°С/Вт по сравнению с 2000 годом, удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирного 9–12-этажного дома составит 85–77 кВт•ч/м2, т. е перекрывает нормируемую согласно ПП РФ № 18 величину 89–81 кВт•ч/м2 |
Теплозащита здания с 2016 года по требованиям ПП РФ № 18
То же с 2016 года, согласно ПП РФ № 18, увеличение приведенного сопротивления теплопередаче стен по отношению к 2011 году еще на 15 %3 (с 3,6 до 4,05 м2·°C/Вт) приведет к снижению теплопотерь через стены, покрытия, перекрытия на 0,235/0,265 = 0,887 (рис. 3).
|
С 2016 года, благодаря повышению сопротивления теплопередаче стен, покрытий и перекрытий на 15 %, а окон с 0,8 до 1,0 м2•°С/Вт по сравнению с 2011 годом, удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирного 9–12-этажного дома составит 75,5–68,5 кВт•ч/м2, что почти соответствует нормируемой согласно ПП РФ № 18 величине 73,5–66,5 кВт•ч/м2 |
Переход на окна с сопротивлением теплопередаче 1,0 вместо 0,8 м2·°C/Вт снизит теплопотери на 0,34/0,425 = 0,8, и относительные суммарные теплопотери 9 этажного дома в 2016 году будут равны
qht.max 2016 г. = 0,232·0,887 + 0,179·0,8 + 0,47 = 0,206 + 0,143 + 0,47 = 0,82. Соотношение составляющих расчетных теплопотерь жилого 9-этажного дома в 2016 году по отношению к qht.max 2016 г. = 1 будет 0,25 + 0,17 + 0,58 = 1 (рис. 5), а бытовые тепловыделения составят 0,19/0,82 = 0,23. |
|
Рисунок 5. Диаграммы теплопотерь и теплопоступлений в многоквартирных домах типовых серий, которые будут построены в соответствии с рекомендациями ПП РФ № 18 с 2016 года |
Относительный расчетный расход теплоты на отопление
qо.max 2016 = 0,82 – 0,19 = 0,63 (qбыт/qо.max = 0,19·100/0,63 = 30 %), а сокращение нормируемой на 2016 год удельной величины по сравнению с 2000 годом: 0,63/0,81 = 0,778. То есть за счет повышения сопротивления теплопередаче стен, покрытий, перекрытий всего на 30 % и окон до 1,0 м2·°C/Вт произошло снижение расчетной нагрузки на отопление на 22,2 %, в том числе с 2016 года на 22,2 – 14,7 = 7,5 %.Удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирного 9–12-этажного дома снизится (табл.) на 1,6/1,8 = 0,89 и составит 75,5–68,5 кВт·ч/м2 (при нормируемом 73,5–66,5 кВт·ч/м2 по ПП РФ № 18), т. е. почти соответствует нормируемым требованиям – отличие до 3 %.
Целесообразность дальнейшего повышения сопротивления теплопередаче
При проведении мероприятий по дальнейшему увеличению приведенного сопротивления теплопередаче стен еще на 15 % к 2020 году, т. е. до 4,5 м2·°C/Вт, сокращение теплопотерь составит те же 0,21/0,235 = 0,89, как и при предыдущем увеличении. Но по абсолютной величине, если за единицу принять теплопотери через стены до начала повышения теплозащиты зданий в 1995 году (RW = 0,95 м2·°C/Вт), снижение теплопотерь будет всего 0,235 – 0,21 = 0,025, т. е менее 3 %. Это ставит под сомнение целесообразность данного решения без соответствующего экономического обоснования.
Также и по перекрытиям. Увеличение приведенного сопротивления теплопередаче еще на 15 % к 2016 году – до 6,1 м2·°C/Вт, по сравнению с достигнутым в 2011 году Rс = 5,4 м2·°C/Вт, уже приводит к критическому снижению теплопотерь только на 0,277 – 0,246 = 0,031, или на 3,1 %. Это также показывает нецелесообразность увеличения Rс выше 6,1 м2·°C/Вт в последующие годы.
|
При дальнейшем увеличении приведенного сопротивления теплопередаче стен к 2020 году еще на 15 % по сравнению с 2016 годом (до 4,5 м2•°С/Вт) снижение теплопотерь по абсолютной величине (если за единицу принять теплопотери через стены до 1995 года при Rw = 0,95 м2•°С/Вт) не превысит 3 %. Это ставит под сомнение целесообразность данного решения без соответствующего экономического обоснования. Этот вывод относится и к перекрытиям |
На рис. 3 для сравнения приведены результаты аналогичного повышения приведенного сопротивления теплопередаче стен RW жилого дома, строящегося в регионе с величиной Dd = 8 000 °C сут. и tн.о = –45 °C, начиная с 4,2 до 4,85 и 5,5 м2·°C/Вт в 2016 году. Это повышение RW уже в период с 2011 года к 2016 году приводит к снижению теплопотерь только на (0,197–0,173)·(18 + 45)/(18 + 25) = 0,035, или на 3,5 % по отношению к исходному4 сопротивлению теплопередаче. Это подтверждает аналогичный вывод об эффективности повышения теплозащиты до требований 2016 года для регионов с более низкой величиной градусо-суток и означает, что целесообразность еще большего увеличения приведенного сопротивления теплопередаче стен для региона с 8 000 °C-сут. сверх 5,5 м2·°C/Вт очень сомнительна без соответствующего экономического обоснования.
Теплопотребление на отопление за расчетный отопительный периодОпределим, как будет меняться теплопотребление на отопление за расчетный отопительный период, характеризующийся градусо-сутками
Dd = (20 + 3,8)·220 = 5 000 °C-сут., в относительных величинах по известной формуле:где Qбыт/Qо.max – относительная доля бытовых тепловыделений по отношению к расчетному расходу теплоты на отопление;
tн.ср – средняя за отопительный период температура наружного воздуха, в нашем случае –3,8 °C; tв – расчетное значение температуры воздуха в жилых или рабочих помещениях здания, по СНиП 41-01–2003 принимается равной 20 °C; tн.о – расчетное значение температуры наружного воздуха для проектирования отопления, принимается из СНиП 23-01–97* и в нашем случае равно –25 °C; n – длительность отопительного периода, в нашем случае 220 сут.При подстановке указанных выше значений формула приобретет вид:
Qhy/Qо.max = 5,28·[0,53·(1+ Qбыт/Qо.max) – Qбыт/Qо.max]·(qо.max i-го г. /qо.max 2000 г.).Решения этого уравнения (без учета теплопотерь трубопроводами) через рассчитанные выше отношения Qбыт/Qо.max для разных периодов строительства, принимая за реперную точку 2000 год (qо.max i-го г. /qо.max 2000 г.), сведем в таблицу. Анализируя данные таблицы, можем сделать вывод, что только намечаемое повышение теплозащиты многоквартирных домов с 2011 и 2016 годов снижает годовой расход теплоты на отопление соответственно на (2,22 – 1,8)·100/2,22 = 19 % и на (2,22 – 1,6)·100/2,22 = 28 % с 2016 года по сравнению с базовым значением, достигнутым по СНиП 23-02–2003, и практически позволяет выполнить требования ПП РФ № 18 о повышении энергетической эффективности только за счет повышения теплозащиты.
Оптимизация режима подачи теплоты на отопление
Оптимизация режима подачи теплоты на отопление с учетом увеличивающейся с повышением температуры наружного воздуха доли бытовых тепловыделений в тепловом балансе дома, рекомендованная СНиП 23-02–2003 и достигаемая средствами автоматического регулирования подачи теплоты на отопление на вводе в здание, позволяет сократить теплопотребление на отопление многоквартирных домов по сравнению с режимом, не учитывающим это обстоятельство и реализуемым формулой:
Снижение теплопотребления на отопление составляет для многоквартирных домов:
построенных до 2000 года – 14 %; возведенных после 2000 года – 21 %; намечаемых к строительству с 2012 года – 27 %; которые будут построены после 2016 года– 30 % (табл., нижняя строка).Причем снижение на 14 % теплопотребления домов существующего жилищного фонда, построенных до 2000 года, по количеству сбереженной тепловой энергии такое же, что и с большим процентом экономии, за счет превышения их нагрузки на отопление в сравнении с домами, возведенными в 2000 году (см. сравнение показателей в строках 4 и 5 табл.).
Это опровергает тезис о нецелесообразности автоматизации неутепленных домов.
Литература
Табунщиков Ю. А., Ливчак В. И. Первые итоги реализации программы повышения энергетической эффективности зданий // Энергосбережение. – 2011. – № 7. Ливчак В. И. Обоснование расчета удельных показателей расхода тепла на отопление разноэтажных жилых зданий // АВОК. – 2005. – № 2. Ливчак В. И. Повышать ли уровень теплозащиты зданий? Ответ – «да»! // АВОК. – 2009. – № 7.Продолжение в следующем номере.
1 Постановление Правительства РФ от 25 января 2011 года № 18 «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов».
2 См. табл. 4 в СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий».
3 Соответственно, к 2000 году на 30 %.
4 До начала повышения теплозащиты зданий в 1995 году.