Пути реализации стратегии дальнейшего сокращения теплопотребления в жилом фонде Москвы

В. И. Ливчак, начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы

Во исполнение данного указа Правительством Москвы 10.02.2009 года было принято Постановление №75-ПП «О повышении энергетической и экологической эффективности отдельных отраслей городского хозяйства», на основании которого Комплексу градостроительной политики и строительства г. Москвы и Комплексу городского хозяйства поручено повысить показатель энергоэффективности производства продукции и оказания услуг на период до 2025 года не менее чем на 43 % относительно уровня, определенного на 1 января 2008 года.

Ниже приводится обоснование сокращения энергоемкости теплопотребления в новом строительстве и при проведении капитального ремонта жилого фонда города и план первоочередных мероприятий для достижения этого сокращения в указанные сроки.

Площадь жилого фонда Москвы на 1 января 2008 года составляет 209,7 млн м², из них объем построенных зданий с повышенной теплозащитой составляет 35 млн м². Уровень теплопотребления на отопление и горячее водоснабжение зданий до перехода на улучшенную теплозащиту по данным фактических замеров домовыми теплосчетчиками [1] составляет 360 кВт•ч/м² общей площади квартир с учетом потерь теплоты трубопроводами внутриквартальных сетей от ЦТП до зданий. Из них на отопление и вентиляцию (ОВ) приходится около 170 кВт•ч/м², на горячее водоснабжение (ГВС) – 190 кВт•ч/м² (табл. 1).

Таблица 1 (подробнее) Сопоставление проектных и требуемых значений удельных расходов тепловой энергии на отопление для жилых домов за отопительный период с фактическим теплопотреблением

Уровень фактического теплопотребления на ОВ и ГВС зданий с улучшенной теплозащитой (строительство после 1999 года) составляет 275 кВт•ч/м² (табл. 1), в том числе на ОВ – 143 кВт•ч/м² и ГВС – 132 кВт•ч/м², хотя по нормам должно быть 95 + 90 = 185 кВт•ч/м². Такой перерасход теплоты связан с искусственным завышением поверхности нагрева отопительных приборов для создания запаса [1], а в системе горячего водоснабжения невозможностью добиться правильного распределения циркуляции при теплоснабжении от ЦТП и обеспечения минимального необходимого давления для каждого дома, а также большими потерями теплоты внутриквартальными сетями горячего водоснабжения от ЦТП до зданий и с утечками.

Для устранения этого необходимо системы отопления каждого дома оборудовать автоматизированными узлами управления, что можно выполнить в кратчайшие сроки, а по горячему водоснабжению отказаться от ЦТП, перенеся узел приготовления горячей воды в здания, что следует делать по мере износа оборудования ЦТП и разводящих сетей горячего водоснабжения. Переход на ИТП, применение водосберегающей арматуры с плотным прикрытием и квартирных регуляторов давления, а также оборудование систем холодного и горячего водоснабжения квартирными водосчетчиками – реальный резерв сокращения тепловой энергии и водных ресурсов.

Итак, теплопотребление жилого фонда на 1 января 2008 года составляет: 72,5¹⁾ млн МВт•ч/год (цифрой над значением указана позиция в табл. 2, содержащей расчет приведенного показателя). Ежегодный прирост нового строительства – 5 млн м²/год.

Площадь жилого фонда к 2025 году (через 17 лет) с учетом нового строительства и сноса 13 млн м² ветхого фонда составит 282²⁾ млн м² общей площади квартир. Ожидаемое теплопот-ребление к 2025 году без выполнения дополнительных мероприятий по энергосбережению (на уровне 2007 года) и с учетом роста площади жилого фонда составит  91,3³⁾ млн МВт•ч/год.

Сокращение теплопотребления жилого фонда города будет происходить за счет:

• установки автоматизированных узлов управления системой отопления (АУУ) в домах с повышенной теплозащитой (данную работу следует закончить до 2012 года) в объеме построенных до 2008 года 35 млн м² и с 2008 до 2012 года 20⁴⁾ млн м² – с выведением их на оптимальный режим работы 2,64⁵⁾ млн МВт•ч/год.
• снижения норм теплопотребления на отопление (95 кВт•ч/м²) и ГВС (132 кВт•ч/м²) соответственно на 10 и 15 % с 2012 года, т. е. до 197⁶⁾ кВт•ч/(м²•год); еще на 15 % по каждому показателю с 2015 года, т. е. 162⁷⁾ кВт•ч/(м²•год) и с 2020 года всего на 40 %, т. е. до 134⁸⁾ кВт•ч/(м²•год);
• осуществления капитального ремонта зданий с выполнением их утепления и других энергосберегающих мероприятий на уровне нового строительства по двум сценариям: проведение капремонтов до нормативного значения удельного теплопотребления на отопление в 2007 году (поскольку наличие АУУ на вводе в здание позволяет добиться соответствия фактического и требуемого расходов теплоты) и фактического на ГВС на тот же период  227⁹⁾ кВт•ч/год в объеме 2 млн м² в год, т. е. 34 млн м² до 2025 года; и проведение капремонтов всего жилого фонда, построенного до 2000 года (с пониженной теплозащитой), к расчетному сроку (2025 год), т. е. 34 млн м² до 2012 года, 30 млн м² до 2015 года, 50 млн м² до 2020 года и 48 млн м² к 2025 году (всего за исключением сноса ветхого фонда – 162 млн м²).

Снижение теплопотребления к 1 января 2025 года по 1-му сценарию будет выполнено за счет:

• установки автоматизированных узлов управления системой отопления в домах с повышенной теплозащитой в объеме 55 млн м² – 2,64⁵⁾ млн МВт•ч/год;
• нового строительства – 7,52¹⁰⁾ млн МВт•ч/год;
• проведения капремонта – 4,52¹¹⁾ млн МВт•ч/год.

Итого получаем 14,68¹²⁾ млн МВт•ч/год, т. е. 16¹³⁾ %, что недостаточно для выполнения задачи снижения теплопотребления на 43 %.

2-й сценарий снижения теплопотребления, когда капремонт всех неутепленных зданий в объеме 162 млн м² по нормам нового строительства заканчивается к 2025 году, создает экономию 30,16¹⁴⁾ млн МВт•ч/год.

Итого, по 2-му сценарию выполнения капремонта с учетом установки АУУ в зданиях, построенных после 2000 года, и нового строительства снижение теплопотребления составит 40,3¹⁵⁾ млн МВт•ч/год, или теплопотребление достигнет 51¹⁶⁾ млн МВт•ч/год, а снижение теплопотребления к 2025 году по сравнению с уровнем 2007 года будет составлять 44¹⁷⁾ %, что отвечает поставленной задаче.

Какими же средствами можно добиться такого сокращения теплопотребления на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, и какие из мероприятий экономически обоснованы? Последнее особенно актуально в свете статьи проф. В. Г. Гагарина [2], в которой он доказывает, что с учетом низкой стоимости тепловой энергии в нашей стране и высокой ставки рефинансирования Центрального банка РФ повышение теплозащиты зданий в Москве «никогда не окупится из условий экономии энергии».

И тем не менее Правительством Москвы было принято волевое решение о дополнительном утеплении наружных стен и покрытий до нормируемого СНиП 23-02–2003 значения, замене окон на окна с более высоким сопротивлением теплопередаче и воздухопроницанию, установке термостатов на отопительных приборах и автоматизированного узла управления системой отопления на вводе в жилые здания при выполнении капитального ремонта в них. Поэтому при оценке экономической целесообразности того или иного мероприятия будем исходить из данности перечисленных выше решений, и что другие предложения не должны выходить из пределов условной окупаемости перечисленных.

С учетом изложенного, исходя из стоимости выполнения перечисленных мероприятий (за исключением установки термостатов, которая преследует в большей степени обеспечение комфортных условий [1]) и той экономии теплопотребления на отопление и вентиляцию, которая достигается от их реализации, находим условную стоимость тепловой энергии, получаемую при назначении нормативного срока окупаемости капвложений, например, общепринятые 8 лет. Соответственно все остальные первоочередные энергосберегающие мероприятия должны также окупаться не более чем за 8 лет при рассчитанной выше условной стоимости тепловой энергии.

На примере проекта капитального ремонта жилого 12-этажного дома-башни серии II-18-01/12 стоимость дополнительных работ по устройству вентилируемой фасадной системы с утеплением минеральной ватой толщиной слоя 120 мм составляет 10 834 тыс. руб., замена окон на 2-камерные стеклопакеты в ПВХ переплетах – 3 676 тыс. руб., устройство автоматизированного узла управления системой отопления – 700 тыс. руб., итого – 15 210 тыс. руб. Ожидаемая экономия тепловой энергии от реализации перечисленных энергосберегающих мероприятий по разности требуемых удельных расходов тепловой энергии на отопление за отопительный период до проведения капремонта q^des.тр._h.сущ = 185 и после q^des.тр._{h.кап.рем.} = 95,3 кВт•ч/м²  (табл. 1),  без учета теплопоступлений с солнечной радиацией составит 89,7¹⁸⁾ кВт•ч/м², а в целом на дом при площади квартир здания А_h = 3 618 м² будет равна 324 530¹⁹⁾ кВт•ч/год. Условная стоимость киловатт-часа тепловой энергии при заданном восьмилетнем сроке окупаемости капитальных затрат составит 5,86²⁰⁾ руб./кВт•ч.

Оценим, какова должна быть инвестиционная стоимость следующих первоочередных мероприятий по дальнейшему повышению теплозащиты жилых зданий, чтобы затраты по энергоэффективности и экономической составляющей не уступали уже выполняемым в проекте.

Первое предложение – это повышение сопротивления теплопередаче оконных проемов с нормируемых сейчас 0,54–0,56 до 0,8 м²•°С/Вт, что не только сократит теплопотери, но и снизит зону дискомфорта от отрицательной радиации возле окна. Расчеты показывают, что требуемый удельный расход тепловой энергии на отопление за отопительный период сократится на 15 %, с 95,3 до 81,6 кВт•ч/м², или в стоимостном выражении в целом на дом на 290 460²¹⁾ руб./год. Максимально допустимая цена новых окон должна быть не более чем в 1,63²²⁾ раза дороже предусмотренных первоначальным проектом, или при площади окон в здании 690 м² не более 8 700²³⁾ руб./м² окна в ценах на 1 января 2008 года.

Предложение второго этапа – повышение сопротивления теплопередаче оконных проемов до 1,0 м²•°С/Вт. Это дает дополнительное снижение удельного расхода тепловой энергии до 75,7 кВт•ч/м², или в стоимостном выражении на 415 550²⁴⁾ руб./год. Максимально допустимая цена новых окон должна быть не более чем в  1,9²⁵⁾ раза дороже предусмотренных первоначальным проектом, или не более 10 100²⁶⁾  руб./м² окна.

Другое предложение второго этапа – повышение сопротивления теплопередаче наружных стен до 3,8 м²•°С/Вт, для серии II-18-01/12 увеличение толщины утеплителя с 120 до 180 мм. Это даст дополнительное снижение удельного расхода тепловой энергии до 70 кВт•ч/м², или в стоимостном выражении  120 850²⁷⁾ руб./год. При площади наружных стен 2 320 м² дополнительный расход утеплителя составит 139²⁸⁾ м³, максимально допустимая цена его должна быть не более  6 955²⁹⁾ руб./м³.

Перечисленные первоочередные предложения позволяют снизить расход тепловой энергии на отопление на 20–25 % по сравнению с уровнем 2007 года. Дальнейшее сокращение возможно за счет применения квартирных систем отопления с автоматизированным учетом потребляемой тепловой энергии, регулируемой вентиляции по потребностям, утилизации теплоты вытяжного воздуха, использования тепловых насосов и других источников возобновляемой энергии. Последние мероприятия даже в странах Западной Европы считаются дорогостоящими и существуют в качестве единичных проектов, но со временем технически они будут совершенствоваться и по мере исчерпания запасов топлива станут безальтернативными.

Остановимся более подробно на перспективном  и реальном для нашей страны, наиболее энергетически и экономически эффективном решении – оборудовании современных зданий автоматизированными узлами управления системой отопления. Как показано в [1], фактическое теплопотребление на отопление зданий основных типовых серий строительства после 1999 года оказалось на 49–65 % выше требуемого, определенного исходя из обеспечения комфортных условий и нормативного воздухообмена в квартирах, с учетом проектных значений сопротивления теплопередаче наружных ограждений и бытовых тепловыделений по фактической заселенности дома. И это несмотря на то, что системы отопления этих зданий проектировались с термостатами на отопительных приборах. Поэтому только автоматическое регулирование системы отопления в узле подключения ее к тепловым сетям и на режимы, приведенные в [3], могут устранить этот огромный перерасход тепловой энергии.

Экономия тепловой энергии на примере 3-секционного жилого дома серии П44Т/17 с общей площадью квартир А_h = 11 434 м² согласно результатам сопоставления фактического (156 кВт•ч/м²) и требуемого (105 кВт•ч/м²) (табл. 1, последняя строка)  теплопотребления может быть оценена без учета теплопоступлений от солнечной радиации в  583 130³⁰⁾ кВт•ч/год. Даже при существовавшей на 2008 год стоимости тепловой энергии 0,986 руб./кВт•ч экономия тепловой энергии будет равна 575³¹⁾ тыс. руб./год, а затраты в АУУ мощностью на такой дом из проекта на капитальный ремонт составляют 800 тыс. руб. Причем следует отметить, что есть возможность уменьшения стоимости АУУ, принятому по типовому альбому МосжилНИИпроекта. Он перенасыщен излишней арматурой и непривычными функциями.

Так, разработанные в альбоме схемы подключения системы отопления предполагают сохранение центральных тепловых пунктов (ЦТП) со всем его оборудованием. Но тогда подключение узлов управления к внутриквартальным сетям отопления от ЦТП исключает необходимость в установке регулятора перепада давлений (поз. 8), предусмотренного в типовом альбоме, поскольку при независимом присоединении квартальных сетей отопления в ЦТП циркуляция в них осуществляется насосами с максимальным напором 20–30 м вод. ст., что обеспечивает напор перед узлом управления не более 10–12 м вод. ст., и не требуется его ограничения. При зависимой схеме, согласно СП 41-101–95, при располагаемом напоре перед ЦТП более 40 м вод. ст. устанавливается регулятор перепада давлений на вводе тепловых сетей в ЦТП, и перед узлом управления в доме напор в квартальных сетях не будет превышать 20 м вод. ст.

При наличии ЦТП нет необходимости устанавливать в узле управления системой отопления одного дома 2-клапанную систему защиты от превышения давления (поз. 23), предохранительный клапан (поз. 22), другие пробные устройства (поз. 25), когда все это можно при необходимости сконцентрировать в ЦТП.

Установка двух циркуляционных насосов противоречит п. 4.15 СП 41-101–95, согласно которому допускается установка насоса для циркуляции в системах отопления и горячего водоснабжения без резерва (второй насос хранится на складе). Фланцевый безопорный насос заменяется в случае необходимости также, как и задвижка, регулирующий клапан, которые никогда не запараллеливаются. При двух насосах стоимость их обвязки (задвижки, обратные клапана, трубы) увеличивается вдвое.

В случае аварии дренажный насос не позволит осуществить быструю откачку воды из теплового пункта. При наличии глухих стен и антивандальных дверей объем помещения быстро заполнится водой, выйдут из строя все электрические приборы, а при открывании двери обслуживающий персонал может получить ожоги. Во избежание этого необходимо ограждение теплового пункта выполнять из металлической сетки или решетки с дверью, тогда при аварии вода растечется по техническому подполью, и откачать ее из дренажного приямка можно будет переносным насосом. При этом не потребуется также специальной вентиляции этого помещения, а в соответствии с примечанием к п. 10.2 СП 41-101–95 не нужно никакой специальной звукоизоляции стен и перекрытия теплового пункта.

Упрощение узла управления существенно повысит его надежность, облегчит эксплуатацию и снизит стоимость. Как было сказано ранее и обосновано в [4], чтобы избежать излишних потерь теплоты на горячее водоснабжение, АУУ нужно совмещать с ИТП.

Автоматическое регулирование подачи тепловой энергии на отопление в АУУ при условии того, что отопительные приборы оборудованы термостатами, выполняют путем поддержания температуры воды в подающем трубопроводе по графику в зависимости от температуры наружного воздуха. В случае отсутствия термостатов на отопительных приборах автоматическое регулирование осуществляют по графику в зависимости от температуры наружного воздуха, но с корректировкой его по отклонению от задаваемой регулятору для поддержания температуры внутреннего воздуха. Расчетные параметры теплоносителя и графики регулирования определяются с учетом положений, изложенных в [3].

Рисунок 1 (подробнее)   Схема системы отопления с зависимым присоединением и пофасадным автоматическим регулированием

В многосекционных зданиях, системы отопления которых не оборудованы термостатами, следует выполнять пофасадное автоматическое регулирование подачи теплоты на отопление по рис. 1 для зависимого присоединения с подмешивающими насосами (приведено включение АУУ в составе ИТП) и по рис. 2 для независимого присоединения с водонагревателями отопления. Для этого секционные системы отопления разделяют на отдельные пофасадные ветки, которые объединяют перемычками в две пофасадные системы отопления. При этом в бесчердачных зданиях, в которых подающий и обратный розлив проложены в техническом подполье, перемычки устанавливают только в техническом подполье. При верхней разводке подающего или обратного розлива часть перемычек монтируют на чердаке. Схема переключения секционных систем отопления в пофасадную с использованием элеваторов с регулируемым соплом приведена на рис. 3.

Рисунок 2 (подробнее)   Фрагмент схемы системы отопления с независимым присоединением и пофасадным автоматическим регулированием

Рисунок 3 (подробнее)   Схема переключения секционных систем отопления в пофасадную: а – существующее решение – без автоматического регулирования на элеваторном вводе; б – предлагаемое решение – с пофасадным автоматическим регулированием

При пофасадном автоматическом регулировании достигается дополнительная экономия тепловой энергии за счет использования теплопоступлений от солнечной радиации и снижения излишнего воздухообмена в квартирах с негерметичными окнами при появлении ветра. Степень коррекции температурного графика регулирования при отклонении температуры внутреннего воздуха, являющейся интегратором воздействия погодных условий и солнечной радиации на микроклимат помещения, должна быть несимметричной, а именно:

• более быстрой при повышении температуры внутреннего воздуха, чтобы опередить жильцов в снятии избытков тепловой энергии путем открытия форточек (фрамуг);
• медленной при понижении температуры внутреннего воздуха, чтобы дать возможность жильцам закрыть форточки (фрамуги) при возникновении ветра в их сторону.

Для обеспечения комфортных условий регулятору задается поддержание температуры внутреннего воздуха, как правило, на уровне 21 °С. Допускается снижение температуры внутреннего воздуха до 20 °С при повышении скорости ветра вдвое против расчетного значения. При измерении температуры воздуха в сборных каналах вытяжной вентиляции из кухонь квартир следует повышать на 1 °С задаваемое регулятору для поддержания значение температуры воздуха.

Практика показывает, что с точки зрения экономии энергетических ресурсов пофасадное авторегулирование системы отопления превосходит индивидуальное у отопительных приборов из-за увеличения пределов регулирования – при необходимости прекращается теплоотдача всей системы, термостаты же отключают только отопительные приборы, а от стояков продолжаются теплопоступления, и в однотрубных системах с большей интенсивностью.

Во-вторых, при пофасадном авторегулировании гарантировано снижение теплоотдачи системы, поскольку это регулирование принудительное – с повышением внутренней температуры автоматически без влияния человека поступает команда на сокращение подачи тепла. А при регулировании термостатами ничего не мешает жителям установить задание в термостатической головке на более высокую температуру поддержания воздуха и открыть форточку, что может привести не только не к экономии, но и перерасходу тепловой энергии, что было подтверждено результатами фактического теплопотребления по сериям домов, сооруженных после 2000 года [1].

Подтверждением эффективности пофасадного авторегулирования может служить практика применения его в жилых зданиях [5], когда при температуре наружного воздуха -5–8 °С отопление освещенного солнцем фасада автоматически отключалось не только на период попадания солнечных лучей в окна, но и на такое же время после, за счет теплопоступлений от нагретых поверхностей стен и мебели.

Литература

1. Ливчак, В. И. Фактическое теплопотребление зданий как показатель качества и надежности проектирования [Текст] / В. И. Ливчак // АВОК. – 2009. – № 2.

2. Гагарин, В. Г. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий [Текст] / В. Г. Гагарин // АВОК. – 2009. – № 2.

3. Ливчак, В. И. Экспресс-энергоаудит теплопотребления жилых зданий: особенности проведения [Текст] / В. И. Ливчак, Ю. А. Табунщиков // Энергосбережение. – 2009. – № 2.

4. Ливчак, В. И. Установка ИТП в зданиях вместо замены изношенного оборудования в ЦТП и перекладки сетей горячего водоснабжения [Текст] / В. И. Ливчак // Энергосбережение. – 2008. – № 1.

5. Ливчак, В. И. Энергоэффективность пофасадного автоматического регулирования систем отопления [Текст] / В. И. Ливчак, А. А. Чугункин, В. А. Оленев и др. // Водоснабжение и сантехника. – 1986. – № 5.