Энергоэффективные здания – в московское массовое строительство

В. И. Ливчак, начальник отдела энергоэффективности Мосгосэкспертизы, член президиума АВОК

Концепция рассмотрения здания как единой энергетической системы, еще раз высказанная на страницах журнала АВОК докторами технических наук Ю.А.Табунщиковым /1/ и В.Н.Богословским /2/, наконец-то реализуется в московском строительстве через Московские строительные нормы МГСН 2.01- 98.

Эти нормы под названием “Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению”, разработанные авторским коллективом, возглавляемым Ю.А.Матросовым, впервые в России предусматривают ведение расчетов теплозащиты наружных ограждающих конструкций здания с учетом энергоэффективности применяемой системы отопления и вентиляции здания. Они обеспечивают выполнение основного потребительского требования – рационального использования энергетических ресурсов.

При этом подходе проектируемое здание сравнивается по показателю удельного количества тепла, потребленного системой отопления здания за отопительный период и отнесенное к 1 м² общей площади квартир (удельная энергоемкость системы отопления), который определяется путем выбора теплозащитных свойств оболочки здания и типа, эффективности и метода авторегулирования принятых систем отопления и вентиляции, с рекомендуемым значением. Такой подход известен за рубежом, в частности, он принят в Германии по Постановлению о тепловой защите 1995 г. /3/, где приводятся рекомендуемые значения удельной энергоемкости системы отопления в зависимости от компактности здания. Но цифровые значения этого показателя не могут быть перенесены в наши условия не только потому, что суровость наших зим отличается от немецких, но и из-за разного подхода в расчете теплопотерь.

Ниже будут рассмотрены основные правила характерные для российской практики проектирования, учет которых необходим при вычислении требуемого значения удельной энергоемкости системы отопления qhy , кВт•ч/(м²•год), и определяемого из следующего выражения:

где: b_hl - коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления, связанное с дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, с дополнительными теплопотерями через радиаторные участки ограждений, теплопотерями трубопроводов, проходящих через неотапливаемые помещения, следует принимать: для многосекционных и других протяженных зданий b_hl=1,13, для зданий башенного типа b_hl = 1,11;

Q_ht^y - общие теплопотери здания через наружные ограждающие конструкции за отопительный период, кВт•ч;

Q_int^y - бытовые теплопоступления в течение отопительного периода, кВт•ч;

Q_s^y - теплопоступления через окна с солнечной радиацией в течение отопительного периода, кВт•ч;

n - коэффициент, учитывающий способность ограждающих конструкций помещений здания и мебели аккумулировать или отдавать тепло, можно принимать n=0,8;

A_h - общая площадь квартир здания, м²;

K_m^tr – приведенный трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания, Вт/(м²•°C);

K_m^inf - приведенный инфильтрационный (условный) коэффициент теплопередачи здания, Вт/(м²•°C);

D_d - градусосутки отопительного периода, для Москвы принимать 5027;

A_ext^sum – общая площадь наружных ограждающих конструкций, включая покрытие (перекрытие) верхнего этажа и цокольное перекрытие, м²;

q_int – величина бытовых тепловыделений на 1 м² площади пола жилых комнат квартиры, Вт/м²;

A_r – площадь пола жилых комнат квартиры, м²;

Z_ht – продолжительность отопительного сезона,  для Москвы 213 сут.;

1. При определении трансмиссионных теплопотерь требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций принимается в соответствии со СНиП П-3-79* (издание 1998 г.) для второго этапа, с условием допущения применения конструкции с приведенным сопротивлением теплопередаче ниже указанных в п. 2.1.* СНиП (но не менее, чем требуемых значений по первому этапу) при обязательном увеличении сопротивления теплопередаче других наружных ограждений с тем, чтобы приведенный трансмиссионный коэффициент теплопередачи совокупности наружных ограждений, K_m^tr был не ниже значения, определяемого путем подстановки требуемых согласно п.2.1* СНиП величин сопротивления теплопередаче с учетом фактической площади каждой ограждающей конструкции.

Это означает, что, например, до марта 1998 г. для московских условий с применением окон с тройным остеклением и сопротивлением теплопередаче 0,55 м²•°C/Вт вместо требуемого по СНиП П-3-79* не ниже 0,43 м²•°C/Вт, можно было выполнять наружные стены с сопротивлением теплопередаче 2,3-2,4 м²•°C/Вт вместо требуемого по второму этапу – 3,15 м²•°C/Вт. Однако в марте 1998 г. утверждено изменение к СНиП П-3-79*, по которому сопротивление теплопередаче окон повышено до 0,57 м²•°C/Вт. Но, если будут найдены окна с большей энергоэффективностью, то сопротивление теплопередаче стен может быть снижено.

2. При определении потерь тепла с инфильтрующимся воздухом через неплотности наружных ограждений в условиях естественной вытяжной вентиляции и применения окон с соблюдением требуемой воздухопроницаемости, определяющим является не расход воздуха проникающий под действием разности давлений на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций, а тот расход, который необходим по санитарно-гигиеническим нормам для вентиляции помещений. Для жилых зданий – это 3 м³/ч на 1 м² жилых комнат квартиры.

Тогда приведенный инфильтрационный коэффициент теплопередачи здания следует определять по формуле:

где: r - плотность воздуха в помещении, равная 1,2 кг/м³;

с – удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг•°C);

K_i – коэффициент учета влияния встречного теплового потока в конструкциях, равный 0,7 для стыков панелей и окон с тройными переплетами, 0,8 - для окон и балконных дверей с раздельными переплетами и 1,0- для одинарных окон, окон и балконных дверей со спаренными переплетами.

Для малокомнатных квартир возможны случаи, когда расчетный объем вытяжного воздуха из квартиры превышает расход приточного воздуха, обеспеченного нагревом. Однако такое можно не принимать во внимание, так как, во-первых, относительная доля бытовых теплопоступлений на кухне в таких квартирах выше, чем в многокомнатных, и это компенсирует дополнительные потери тепла, и, во-вторых, расчетный объем вытяжки должен соблюдаться только в период пищеприготовления, а в остальное время он может быть ниже.

3. Удельная величина бытовых теплопоступлений за время ее включения в нормативные документы претерпела значительные, причем необъяснимые, изменения. Впервые они были включены в СНиП П-33-75 в объеме 26 ккал/ч (30вт) на 1 м² площади жилых комнат и подтверждены результатами натурных испытаний ряда типовых серий жилых зданий, проведенных МНИИТЭП (см. рис.) и опубликованных позже в [4]. На основе этих испытаний была установлена зависимость бытовых теплопоступлений в квартиру от ее жилой площади при условии нормы заселения аr=9 м² на одного человека:

Q_int = (150+ 22 A_r)•1,16 [Вт], вошедшая в СНиП в виде Q_int = 26 A_r•1,16.

При заселенности, отличной от нормативной, та же формула преобразуется в

Q_int= (150+ 198 A_r/а_r)•1,16.

Затем, в издании 1982 г. СНиП П-33-75 бытовые тепловыделения нормировались в размере 18 ккал/ч (21 Вт) на 1 м² площади пола отапливаемых помещений. В изданиях 1988 г. и 1992 г. – 21 Вт на 1м² площади пола жилых комнат и кухни. И, наконец, в СНиП 2.04.05 – 91* издания 1998 г. записано – не менее 10 Вт на 1 м² площади пола комнат и кухни жилых домов, что побуждает проектировщиков при отсутствии соответствующих расчетов удельную величину бытовых теплопоступлений принимать 10 Вт/м². Это в 2,5 раза ниже, чем по результатам испытаний и, как нам известно, не подтверждается другими испытаниями.

Поэтому предлагается в расчетах для зданий, сооружаемых по типовому проекту принимать в качестве удельного норматива бытовых теплопоступлений среднее между приведенными выше двумя крайними значениями – 17 Вт/м² площади пола жилых комнат квартиры.

4. Теплопоступления с солнечной радиацией через оконные проемы принимаются по данным НИИ Строительной физики с учетом интенсивности суммарной радиации, поступающей за отопительный сезон на разноориентированные фасады здания, затенение окон непрозрачными элементами и коэффициента относительного проникания солнечной радиации для светопрозрачных заполнений окон.

При определении удельной энергоемкости системы отопления на величину бытовых теплопоступлений и с солнечной радиацией вводится понижающий коэффициент, учитывающий аккумулирующую способность ограждений. Этот коэффициент также учитывает возможные потери теплопоступлений в переходный период отопительного сезона, когда теплопоступления с солнечной радиацией могут превышать теплопотери здания.

При вышеприведенном методе расчета потребность в теплоте на отопление здания устанавливается с учетом полного использования внутренних теплопоступлений и с солнечной радиацией, что может быть достигнуто за счет применения эффективной системы авторегулирования подачи тепла на отопление.

5. Для оценки энергоэффективности принятой системы отопления с авторегулированием производится сопоставление потребности в теплоте на отопление здания, определенной по вышеприведенной методике, с базовым расходом тепла, вычисляемым через расчетную мощность системы отопления без учета теплопоступлений с солнечной радиацией и неполном использовании бытовых тепловыделений с повышением температуры наружного воздуха выше расчетной.

Расчетная мощность системы отопления Q_h, квт определяется по формуле

где: t_int^h – расчетная температура воздуха, °C, в помещении при расчете потерь теплоты через наружные ограждения, в условиях Москвы для жилых зданий t_int^h = 18 °C;

t_ext – расчетная температура наружного воздуха холодного периода года, °C, соответствующая параметрам Б, для Москвы t_ext= -26 °C.

Соответственно удельное базовое количество тепла на отопление за отопительный период q_h•bas^y квт•ч/(м²год) находится из выражения

q_h•bas^y = [0,024•Q_h•Z_ht•(t_int - t_ht) / (t_int^h - t_ext)] / A_h ,

где: t_int– температура воздуха, поддерживаемая в помещениях, °C, в холодный и переходный периоды года при температуре наружного воздуха выше параметров А, для жилых зданий Москвы t_int = 20 °C;

t_ht– средняя температура наружного воздуха, °C, за отопительный период, для Москвы t_ht= -3,6 °C.

По отношению удельных энергоемкости системы отопления и базовой потребности в тепле оценивается процент экономии тепла за счет авторегулирования отопления, DЭ

DЭ = (q_h•bas^y - q_h^y)•100/q_h•bas^y.

Рисунок. Сопоставление фактических и расчетных величин, бытовых тепловыделений в квартирах жилых домов различных серий 1- 9-ти эт. дом серии 1-515, Фестивальная, 61 2 - 5-ти эт. дом серии 1 - 515, Бул. Карбышева, 16/2 3 - 9-ти эт. дом серии II-49т, ул. Тухачевского, 21 4 - 5-ти эт. дом с воздушным отоплением, ул. Бирюзова, 7 5 - 25-ти эт. дом на пр. Мира, 184 6 - 9-ти эт. дом серии II-49р, ул. Зелеподольская, 16 7 - 12-ти эт. дом серии II18-01/12, ул. Зелеподольская, 14 8 - 16-ти эт. дом серии П3/16, Ленинский пр. 150 а - расчетная зависимость по данным МНИИТЭП Примечание: * - норма жилоплощади на 1 чел. завышена

Ниже в таблице приводятся результаты расчета энергетических параметров ряда жилых зданий основных серий типовых проектов действующих в Москве с этажностью от 5 до 22 этажей (в таблице под дробью в наименовании серии типового проекта). Исходные данные по размерам площадей и расчету приведенного трансмиссионного коэффициента теплопередачи взяты из энергетических паспортов проектов. Остальные результаты получены расчетом по вышеприведенной методике.

Как видно из таблицы, удельная энергоемкость системы отопления для зданий в 14 и выше этажей составляет 83-94 квт•ч/(м²•год), за исключением зданий с избыточной площадью витражей в ЛЛУ (отмеченных звездочкой) и серии КОПЭ. В 7-9 этажей 103 – 109 и для 5-ти этажного дома – около 120квт•ч/(м²•год) при величинах приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен 2,2–2,4 м²•°C/Вт, окон • 0,55 м²•°C/Вт, удельных бытовых теплопоступлений 17 Вт/м² площади жилых комнат квартиры и инфильтрации в объеме санитарной нормы притока.

Удельный расчетный расход тепла на отопление для зданий повышенной этажности достигает q_h=40–44 вт/м², что почти в 2 раза ниже тех же показаний для проектов действующих до 1997 г.[5].

Возможная экономия тепла от авторегулирования подачи тепла на отопление (в сравнении с базовым) составляет 20– 25% за отопительный сезон.

Повышение энергоэффективности систем отопления жилых зданий достигается за счет отказа от ЦТП и перехода на индивидуальные тепловые пункты (ИТП) в каждом здании (либо на 3–4 секции в многосекционных зданиях), с обязательной автоматизацией системы отопления в них по принципу центрального или пофасадного регулирования или устройстве автоматизированных узлов управления системой отопления (АУУ). В системах отопления зданий предусматривается автоматическое регулирование отопительных приборов путем установки термостатов, а для стимулирования жильцов к экономии тепла – на каждом отопительном приборе устанавливаются датчики – теплораспределители, оценивающие фактическое теплопотребление прибора в долях от общего количества тепла, поступившего в систему отопления и замеренное теплосчетчиком.

Дальнейшее совершенствование энергоэффективного здания заключается в оптимизации архитектурно–планировочных решений здания и теплоэнергетического воздействия наружного климата на эти решения и на конструктивные решения по теплоизоляции наружных ограждений, детально рассмотренные в [1].

В части инженерных систем, предназначенных для создания оптимального микроклимата в жилых домах, – это снижение расчетных параметров теплоносителя, циркулирующего в системе отопления, применение поквартирных систем отопления с автоматическим регулированием и учетом подачи тепла, позволяющим жильцам экономней использовать тепло, переход на механическую систему приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией тепла удаляемого воздуха, использование теплонасосных установок и др. Однако, в качестве обязательного эти решения в данной редакции норм не рассматриваются.

И, наконец, одной из важнейших позиций реализации энергоэффективного здания, отраженной в МГСН 2.-01-98, является контроль качества и сертификация. Провозглашена необходимость проведения теплотехнических испытаний отдельных конструктивных элементов и тепловых натурных испытаний здания в целом, как обратная связь между проектированием и строительством. Результаты тепловых испытаний заносятся в Энергетический паспорт и по ним производится присвоение категории уровня эффективности теплозащиты здания.

При проектном энергопотреблении здания ниже стандартного уровня подрядные и другие организации, участвовавшие в его проектировании и строительстве, а также предприятия-изготовители энергоэффективной продукции, способствовавшей достижению этого уровня, следует экономически стимулировать в порядке, устанавливаемом законодательством и решениями Правительства Москвы в соответствии с достигнутой категорией эффективности.

Литература:

1. Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач “Научные основы проектирования энергоэффективных зданий.” М., АВОК, № 1, 1998 г.

2. В.Н. Богословский “Три аспекта создания здания с эффективным использованием энергии.” М., АВОК, № 3, 1998 г.

3. Х. Шпербер “Постановление о тепловой защите зданий. Новый подход к вопросу о техническом оборудовании зданий.” Бонн, 1996 г., Издательство Союза немецких инженеров.

4. М.М. Грудзинский, В.И. Ливчак, Поз М.Я. “Отопительно-вентиляционные системы зданий повышенной этажности.” М., Стройиздат, 1982 г.

5. В.И. Ливчак, А.Н. Дмитриев “О нормировании тепловой защиты жилых зданий.” М., АВОК, № 3, 1997 г.