Аспекты создания здания с эффективным использованием энергии 

В. Н. Богословский, академик РААиСН

В качестве примера оценки влияния отдельных характеристик здания* на его трансмиссионные расчетные теплопотери воспользуемся известным [2] графиком (рис. 1). Наибольшее влияние на долю трансмиссионных теплопотерь в удельной установочной мощности здания оказывают: изменения степени остекленности фасада, d; теплозащита окон, R_ок; компактность, (А/V)_зд; ширина здания, b. Увеличение относительной теплозащиты стен, R_o/R_{o мин.доп}, так же, как объема здания, V_зд, незначительно уменьшает w_зд, между тем как их уменьшение приводит к заметному ее возрастанию.

Рисунок 1. Влияние отдельных характеристик здания на долю трансмиссионных теплопотерь в w'зд

Показатель эффективности и вероятностно-статистическая модель оптимизации СКМ здания

Даже в условиях состояния сегодняшней экономики, по нашему мнению, необходимо разрабатывать хотя бы приближенный метод оценки общей оптимальности или экономической рациональности принятого решения СКМ здания с эффективным использованием энергии (ЗЭИЭ). Представляется, что это должен быть метод, подобный предложенному в [3], но не в детерминированной, а в вероятностно-статистической постановке и для оболочки здания, и для инженерных систем обеспечения, т. е. в целом для СКМ ЗЭИЭ. Судя по всему, можно получить метод, который позволит отказаться от детерминированной модели минимизации целевой функции, определить ущерб, который может иметь потребитель в пределах зоны экономической неопределенности, характерной для переходной экономики.

Метод позволит определить "чистый дисконтированный доход при инвестировании средств" в создание ЗЭИЭ или термическую модернизацию зданий существующей застройки. В этом случае все "дисконтированные затраты" (З), связанные со строительством здания и монтажом его инженерных систем, определяются в виде функции от капитальных вложений (К), эксплуатационных затрат за время службы здания и инженерных систем (Э), срока окупаемости (Т), продолжительности строительства и монтажа (Т_см), "нормы дисконта, принимаемой равной кредитной ставке банка (Е)" в виде

З = f (К, З, Т, Т_см, Е).

Как уже было сказано, исключительно важной является оценка эффективности вариантов СКМ здания.

Варианты СКМ с разными показателями эффективности недопустимо сравнивать не только при расчетах экономической оптимальности, но и вообще в любом другом сопоставлении. Системы с разными показателями эффективности несопоставимы. Единственная возможность сопоставления таких вариантов - это умение определять показатель эффективности и с его помощью оценивать ущерб (социальный, производственный, экологический) от недостаточной эффективности СКМ. Подробно основы теории эффективности СКМ даны, например, в [1], поэтому здесь ограничимся кратким изложением.

Рисунок 2. Расчетный год климатологического обеспечения ЗЭИЭ (1),(2),(3),(4) - отопительный (Zоп), резкого похолодания (Zрп), охладительный (Zохл. п.) и перегревный (Zперег. п.) периоды 1, 2, 3 - годовой, зимний и летний ход среднемесячной температуры воздуха обеспеченностью соответственно 50, 98 и 2% t1, t5, tж.с., tI, tVII, t, tоп - температура воздуха наиболее холодных суток, наиболее холодной пятидневки, наиболее жарких суток, средняя месячная января и июля, отопительного периода обеспеченностью 50, 92, 98 и 2% tабс. макс., tабс. мин. - абсолютная максимальная и минимальная температура воздуха

Показатель эффективности СКМ определяет ее свойство безотказности работы, т. е. способность выполнять свою основную функцию по поддержанию заданных комфортных и технологических параметров среды в помещениях в процессе эксплуатации здания. Для СКМ, наряду с возможными полными отказами, наиболее типичными являются частичные отказы, когда внутренние параметры в помещении отклоняются от допустимых или оптимальных РВУ.

Все возможные причины отказов могут быть объединены в три группы. К первой группе относится выбор расчетных условий (наружный климат, теплопроводность теплоизоляции, толщины слоев), которые должны учитываться и закладываться в проект с определенным коэффициентом обеспеченности. Ко второй группе относятся отказы, связанные с надежностью, долговечностью, ремонтопригодностью элементов, узлов, частей системы. В третьей группе - отказы, связанные с эксплуатацией, регулированием, управлением СКМ.

Свойство эффективности и ее составляющие должны быть определены вероятностными показателями К, которые учитывают число случаев (n) или продолжительность во времени (Dz) отклонений условий в помещении от расчетных, в едином масштабе измерения. По аналогии с характеристикой "вероятности безотказной работы", принятой и широко используемой в теории надежности, показатели К для оценки эффективности СКМ здания определяются в виде

К_n = (N - n)/N; KDz = (Z - Dz)/Z,

где N и Z - общее число случаев или общая продолжительность рассматриваемого периода работы системы (отопительный сезон, год, многолетний период работы). Показатель свойства эффективности СКМ** К_эф определяется как совокупность вероятностных показателей свойств обеспеченности, К_об, надежности, К_над, и управляемости, К_упр, например [1], в виде

К_эф >1 - (1 - К_об) - (1 - К_над) - (1 - К_упр).

Показатель эффективности отражает совокупное свойство качества системы, которое определяет возможный социальный, производственный и экологический ущерб за счет невыдерживания требуемых внутренних условий в помещениях. Чем меньше К_эф, тем хуже качество системы и тем больше ущерб (У). Тогда, например, приведенные затраты (П), если их минимум определяет оптимальный вариант решения, запишутся в виде

П = К + ЭТ + У, под П/dМ = О - П_мин.

Это позволяет проводить сопоставление возможных вариантов решения СКМ здания, неравнозначных по своим качественным показателям, что значительно расширяет область поиска оптимального решения.

Наиболее важное общее направление решения с учетом эффективности состоит в получении вероятностно-статистической модели постановки задачи качества СКМ здания, применительно к конкретной ситуации.

Развитием этой направленности является использование для решения задач, в том числе по созданию ЗЭИЭ, новой математической теории, так называемой "Теории нечетких множеств" [1].

Рисунок 3. Статистические ряды расчетного года t1, t5, tж.с. - температура воздуха наиболее холодных суток tI, tVII, t, tоп - (пределы -38...-12°С), наиболее холодной пятидневки (-31...-9°С), наиболее жарких суток (-21...-30°С), средняя месячная января (-16,5...-3,9°С) и июля (14,5...23°С), срочная (-38...37°С), средняя отопительного периода (-6,8...0,5°С) ГСОП - градусосутки отопительного периода (5150...3722°С)

Комфортность и обеспеченность расчетных внутренних условий

Первым шагом алгоритма создания ЗЭИЭ является выполнение требования обязательного обеспечения РВУ зимой, летом, в течение всего года. РВУ определяются с учетом многочисленных факторов, в том числе назначения помещения, соответствия зоне комфортности тепловой обстановки, которая определяется температурными, аэродинамическими и влажностными условиями. Их выбор необходимо проводить с учетом метода двух условий комфортности, положений теорий Фангера, российских и зарубежных стандартов качества среды обитания человека.

Предлагается следующая исходная модель выбора РВУ в различных помещениях гражданских зданий*. Следуя российскому стандарту, примем четыре категории помещений, которым соответствуют четыре градации степени физической тяжести выполняемой человеком работы и степени утепленности одежды. Принято, что повышение категорийности связано со снижением коэффициента обеспеченности внутренних расчетных условий (РВУ) (табл. 1).

Определяющими тепловую обстановку в помещении являются температурные условия, основным нормируемым параметром последних является температура помещения, t_п, °С. Исходная модель РВУ представлена в табл. 2. Она соответствует I условию комфортности общей тепловой обстановки в рабочей зоне помещения с учетом всех параметров микроклимата, степени тяжести работы и утепленности одежды.

Таблица 2 (подробнее) Расчетные внутренние условия в помещениях гражданских зданий (жилых, общественных и подсобных)

Радиационная температура помещения, t_R, определяется как средневзвешенная температура нагретых, охлажденных и нейтральных поверхностей. Температуру последних (поверхностей внутренних ограждений) можно принять равной t_В.

Одинаковая степень комфортности теплового состояния человека может быть достигнута различным сочетанием семи определяющих факторов. Изменение параметров каждого из них может быть компенсировано соответствующим эквивалентным изменением других. Такие "комфортные эквиваленты" получены с помощью уравнения первого условия комфортности и приведены в табл. 3.

"Комфортный эквивалент" показывает, как надо изменить какой-либо из семи факторов, чтобы компенсировать изменение температуры помещения, t_п, на 1°C.

К I условию комфортности следует также отнести допустимые изменения температуры в плане и по высоте обслуживаемой зоны.

Во II условии комфортности локальной тепловой обстановки на границе обслуживаемой зоны, кроме допустимых температур на нагретых и охлажденных поверхностях, следует учитывать струйные подвижности особенно холодного воздуха и тепловое состояние поверхности пола, который является одной из границ обслуживаемой зоны помещения.

Оценку комфортности тепловых условий в помещении наиболее точно дает предложенный Фангером и введенный в международный стандарт ISO 7730 метод, основанный на расчете двух показателей-критериев. Первый PMV оценивает ожидаемое значение теплоощущения, определяемого по лингвистической шкале психофизиологического субъективного теплоощущения, второй РРО определяет вероятность неприятного теплоощущения (табл. 4).

Таким образом, предлагается следующая последовательность выбора РВУ. Определяется категория помещения и коэффициент обеспеченности (табл. 1), принимаются значения параметров среды помещения, соответствующие I условию комфортности (табл. 2). При отклонении отдельных параметров с помощью "Комфортных эквивалентов" (табл. 3) определяют необходимые изменения других параметров. При необходимости найденные таким образом РВУ проверяются по критериям Фангера (табл. 4).

Как пример отметим, что в современных условиях при значительном повышении сопротивления теплопередаче наружных ограждений в помещениях происходит заметное повышение радиационной температуры, которое должно компенсироваться эквивалентным понижением температуры внутреннего воздуха, что, в свою очередь, приведет к снижению установочной мощности оборудования и других показателей теплообеспечения в здании.

Климатологическое обеспечение ЗЭИЭ на основе вероятностно-статистической модели наружного климата расчетного года***

Воздействие расчетных наружных условий (РНУ) носит вероятностный характер, поэтому обработка и форма представления климатических данных должна отражать вероятность появления тех или иных метеорологических элементов и их комплексного сочетания. Такой подход к оценке климатических воздействий диктуется и тем, что для создания ЗЭИЭ с комфортными для человека и оптимальными для технологического процесса расчетными внутренними условиями необходимо учитывать не только оптимальные и допустимые пределы состояния внутренней среды, но и необходимую степень обеспеченности этих характеристик в соответствии с функциональным назначением здания.

Вероятностный анализ РНУ позволяет оценить число раз превышения параметров климата над расчетными, общую продолжительность превышения параметров, величину и продолжительность наибольшего отклонения параметра. Задавая приемлемый уровень дискомфорта (критерий риска внутренних условий по величине и числу раз отклонения климатического параметра над расчетными), разумную длительность периода с постоянными внутренними условиями (критерий риска общей продолжительности превышения климатического параметра над расчетными) и располагая вероятностными показателями РНУ, проектировщик может подобрать комбинацию инженерных систем, которая будет наиболее рационально отвечать заданным условиям.

Рисунок 4. Вероятностное распределение среднемесячной суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при средних условиях облачности для г. Москвы 1 - январь: пределы 0 - 125 МДж/м2 2 - апрель: пределы 30 - 750 МДж/м2 3 - июль: пределы 90 - 910 МДж/м2 4 - октябрь: пределы 30 - 360 МДж/м2

Вероятностные характеристики климата отражают основные закономерности поведения климатического параметра, поэтому с большой надежностью позволяют судить обо всех возможных отклонениях, выбранных на основе коэффициента обеспеченности расчетных значений, о поведении расчетных показателей в будущем.

Определение обеспеченности РНУ производится с использованием ранжированного ряда климатических параметров, составленного по данным многолетних метеорологических наблюдений.

Под обеспеченностью понимается интегральная повторяемость того, что рассматриваемая величина равна или выше (ниже) заданного значения. Расчетная обеспеченность РНУ выбирается с учетом Коб РВУ. Эти показатели по нормам строительного проектирования сейчас составляют:

• для холодного (отопительного) периода допускается отклонение РВУ от расчетных 4 раза и 1 раз за 50 лет:
  К_об=50-4/50=0,92=92%; К_об=50-1/50=49/50=0,98=98%;
• для теплового (охладительного) периода необеспеченность РВУ выражается в продолжительности отклонений в ч/год.

В соответствии с нормируемыми показателями обеспеченность РВУ, используя характеристики вероятностного распределения и справочные данные, определены расчетные наружные условия заданной обеспеченности. Схематическое изображение РНУ для Москвы представлено на рис. 2, 3, 4. В отчете [9] даны: вероятностная оценка суммарной солнечной радиации при реальной облачности на ограждения различной ориентации в течение года (рис. 4, а также подробные таблицы к рис. 2, 3, 4).

Сочетание (комплекс) двух климатических параметров рассматривается как двумерная случайная величина. Расчет обеспеченности комплекса климатических параметров производится с учетом связи между составляющими комплекса.

Литература

1. Труды научно-технической конференции РААиСН "Строительная теплофизика и энергосбережение здания", 1966-2000.
2. Комплект учебников и учебных пособий по специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция (ТГВ)". (Строительная теплофизика. Отопление. Вентиляция. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. Основы автоматики систем ТГВ. Теплоснабжение. Теплогенерирующие установки). МИСИ, 1980-1993.
3. Труды Съездов АВОК, 1990-2000.
4. Труды конгресса "Клима - 2000", 1982-1998.
5. Труды семинара-выставки "Москва - энергоэффективный город", 1992-2000.
6. Трубы конгресса "Внутренний воздух, качество и комфорт", 1990-1999.
7. Труды конгресса "Здоровое здание", 1990-1999.
8. Журналы "АВОК", 1993-2000.
9. Научно-технический отчет по теме критической технологии снижения энергозатрат вновь возводимых и реконструируемых зданий. НИИСФ РААиСН, 1997.