Реальный путь повышения энергоэффективности за счет утепления зданий

В. И. Ливчак, начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы

Как было приведено в статье, опубликованной в предыдущем номере журнала «АВОК» [1], теплопотери жилых зданий нового строительства начиная с 2000 года и после комплексного капитального ремонта должны были бы снизиться более чем в 2 раза за счет их утепления, замены окон на энергоэффективные и установки термостатов на отопительных приборах. Однако снижение теплопотребления на отопление составило только 1/3 от потенциальной экономии, остальные 2/3 выбрасываются на улицу в прямом и переносном смысле из-за завышенной теплопроизводительности системы отопления по причинам, указанным в цитируемой статье, и из-за неправильной настройки термостатов.

Устранить перерасход тепла системой отопления, запроектированной с запасом, возможно путем регулирования подачи тепла на отопление по скорректированному температурному графику в сторону его уменьшения с учетом выявленного запаса системы отопления. Реализация такого графика возможна в контроллере автоматизированного узла управления системой отопления (АУУ), установка которого входит в состав работ комплексного капитального ремонта жилых домов, или ИТП в домах нового строительства. Это единственное малозатратное мероприятие, позволяющее получить экономию тепловой энергии уже в этом году.

Утверждение в [2], что «…для однотрубных систем отопления количество сэкономленного тепла в годовом разрезе настолько мало, что срок окупаемости установки АУУ будет более 20 лет», основывается на неправильном представлении о требуемом режиме подачи тепла в жилые здания и недооценке роли бытовых тепловыделений в тепловом балансе квартир. Те графики регулирования, которые приводятся в этой статье, правомерны при подаче тепла в здания, в которых отсутствуют внутренние теплопоступления (в жилых домах бытовые тепловыделения). Да, теплопотери через наружные ограждения и теплопотери, связанные с нагревом наружного инфильтрующегося через оконные проемы воздуха, характеризуются такой же зависимостью, как и графики температур воды в подающем и обратном трубопроводах системы отопления, – нулевые теплопотери будут при такой же температуре наружного воздуха, как и внутри помещения.

Однако в соответствии со СНиП 41-01-2003 расчетный расход тепла на отопление жилого дома находится путем вычитания из суммы теплопотерь бытовых тепловыделений. А бытовые тепловыделения не зависят от наружной температуры, при их наличии зависимость относительного расхода тепла на отопление в виде (1) для жилых зданий не правильна, и в этом типичная ошибка большинства исследователей:

(1)

где t_н – текущая наружная температура;

t_н^р – расчетная.

На самом деле с повышением наружной температуры доля бытовых тепловыделений в тепловом балансе жилого дома возрастает, за счет чего можно сократить расход тепла на отопление, и нулевой расход тепла на отопление будет уже не при t_н = +20 °С, а, как показывают расчеты, в домах без утепления при t_н = +15 °С, а в утепленных домах при t_н = +12 °С. Зависимость относительного расхода тепла на отопление от текущей наружной температуры при этом будет [3, 4]:

(2)

где Q_о^р – расчетный расход тепла на отопление при t_н^р;

Q_вн – бытовые тепловыделения, учитываемые при определении Q_о^р.

Сказанное иллюстрирует рис. 1. Зависимость 1 показана линией 1, но в отличие от графика в [2] нулевой расход тепла соответствует не t_н = +20 °С, а t_н = +18 °С – температуре, на которую были рассчитаны все графики отпуска тепла, приведенные в литературе [5] и согласованные администрацией города для реализации в Москве (рис. 2). Линия 3 характеризует искомую зависимость (2), полученную путем вычитания из теплопотерь через наружные ограждения и с инфильтрующимся воздухом (линия 2, рис. 1) постоянной величины бытовых тепловыделений.

Рисунок 1. График изменения относительного расхода тепла на отопление в зависимости от температуры наружного воздуха

При построении графика отпуска теплоты по этой формуле принимается, что при температуре наружного воздуха выше расчетной по параметрам А температура внутреннего воздуха поддерживается на комфортном уровне t_в = +20…+21 °С, а при t_н^р (расчетной по параметрам Б), равной расчетному значению для жилых помещений, t_в^р = +18 °С. Исходя из этого, часть бытовых тепловыделений пойдет на нагрев воздуха в квартирах до комфортного уровня, и необходимый расход теплоты на отопление несколько повысится (линия 4, рис. 1). Заштрихованная область рис. 1 показывает экономию теплоты, получаемую при учете постоянства бытовых тепловыделений в построении графика отпуска теплоты и при условии поддержания комфортной температуры воздуха в квартирах в течение большей части отопительного периода.

В этом ошибочность утверждения в [2] о малой экономичности АУУ при рассмотрении его только для устранения «нижней» срезки центрального температурного графика отпуска тепла и при пренебрежении ролью бытовых тепловыделений в тепловом балансе жилого дома. Однако АУУ позволяют также устранить негативные последствия перегрева зданий из-за завышения теплопроизводительности систем отопления, запроектированных по СНиП 2.04.05-91* с изменениями 1997 г., перешедшими в СНиП 41-01-2003, путем корректировки графика регулирования подачи тепла на отопление, что может быть достигнуто и без термостатов.

С учетом этого завышения должны быть пересчитаны расчетные значения температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы отопления. Выразив отношение проектного расчетного расхода тепла на отопление к требуемому из энергетического паспорта в виде коэффициента запаса поверхности нагрева отопительных приборов K_зап = Q_пр^р / Q_тр^р, определяются требуемые значения температуры воды в подающем и обратном трубопроводах системы отопления [6]:

(3)

(4)

Здесь индекс 1 означает температуру в подающем трубопроводе; 2 – в обратном; tв – воздуха в помещении; – относительный расход тепловой энергии на отопление, представляющий отношение требуемых расходов тепловой энергии на отопление, определенных при текущей температуре наружного воздуха t_н и расчетной для проектирования отопления t_н^р; m – показатель степени в формуле определения коэффициента теплопередачи отопительных приборов, как правило, принимают m = 0,25. Чтобы установить значение требуемых температур, при расчетной наружной температуре (t_н^р) необходимо подставить = 1. Выполненные расчеты показывают, что, например, при завышении поверхности нагрева отопительных приборов на 19 % параметры теплоносителя, циркулирующего в системе отопления, должны составлять в расчетных условиях +85…+64 °C вместо +95…+70 °C.

Подтверждением сказанного служат полученные обработкой замеров домовых теплосчетчиков и приведенные на рис. 2 и 3 результаты испытаний режима работы системы отопления на одном из типовых зданий серии II-18-01/12, где был реализован предлагаемый график при настройке контроллера АУУ в сравнении с другими аналогичными домами при изменении среднесуточной наружной температуры от +12,8 до –23,1 °С.

Рисунок 2 (подробнее)   Графики изменения расходов тепла на отопление жилых зданий серии II-18-01/12 для различных режимов работы

29.10.2009 г. были включены автоматизированные узлы управления системами отопления намеченных к испытаниям жилых домов – до этого системы отопления были подключены к тепловым сетям от ЦТП через элеваторы. Выставленные по заводским рекомендациям температурные графики для поддержания контроллером АУУ, как показало сопоставление фактических температур теплоносителя с заданным графиком, не соответствовали требуемым показателям. Прошло время, чтобы это выявить, связаться с фирмой, выпускающей контроллеры, и только 18.11.2009 г. контроллеры, установленные в АУУ домов 57, 59 и 53, были перенастроены на проектные температурные графики. В доме 57 уставки графика стали: наклон 1,6, смещение –8 °С, что реализовывалось зависимостью: Т_1.о = 1,6(20 – Т_н) + 24,6 – 8 + 4(19 – 20). В домах 59 и 53 уставки следующие: наклон 1,6, смещение –3 °С, реализуемая зависимость: Т_1.о = 1,6(20 – Т_н) + 24,6 – 3. Первоначально были установлены: наклон 1,6, смещение 0, что не соответствовало требуемому проектному графику и завышало отпускаемое количество теплоты.

Это видно из рис. 3, на котором представлены требуемые графики подачи тепла на отопление в АУУ жилых домов серии II-18-01/12: линией 1 на расчетный по проекту расход тепла на отопление 0,18 Гкал/ч, полученный сложением расчетных теплопотерь комнат квартир, – 0,15695 Гкал/ч, рассчитанный в соответствии со СНиП 41-01-2003 «Отопление и вентиляция», и помещений лестнично-лифтового узла (ЛЛУ) – 0,01115 Гкал/ч, и умножением суммы на коэффициент 1,07, означающий дополнительные теплопотери трубопроводов системы отопления: розливов, проложенных в неотапливаемых помещениях техподполья и чердака, и главного стояка, проложенного по лестничной клетке: Q_от.пр = (0,15695 + 0,01115) • 1,07 = 0,18 Гкал/ч. Эта точка расчетного расхода тепла на отопление при Т_н = –26 °С соединяется с точкой нулевого расхода при Т_н = +18 °С – так, как строятся проектные графики температур теплоносителя в системах отопления теплоснабжающими организациями.

Изображенные треугольником точки среднечасового за сутки фактического теплопотребления дома 57 за период, предшествовавший перенастройке контроллера, легли на этот график чуть превышая его, что свидетельствует о том, что если бы мы не вмешивались в режим настройки контроллера, подача тепла на отопление продолжалась бы по этому проектному графику и его можно было бы принять за базу для сравнения с рекомендованным нами режимом подачи тепла на отопление. Подтверждением того, что система отопления может потребить и большее количество тепла по сравнению с графиком, изображенным линией 1, служат точки с треугольниками с желтым полем внутри, отражающие среднечасовое теплопотребление домов 57 и 59 за октябрь, дома 51 за ноябрь и дома 49 за декабрь 2009 года.

Линиями 2 и 3 показаны требуемые графики теплопотребления системой отопления на расчетный расход тепла 0,158 Гкал/ч, полученный из энергетического паспорта раздела «Энергоэффективность проекта» и рассчитанный в соответствии с положениями СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» и МГСН 2.01-99 «Энергосбережение в зданиях» на нормативный воздухообмен 30 м³/ч наружного воздуха на жителя и удельную величину бытовых тепловыделений 17 Вт/м² площади пола жилых комнат. Различие заключается в том, что по линии 2 подача тепла в систему отопления выполняется по проектному графику на нулевой расход при Т_н = +18 °С, и такой график заложен для поддержания в контроллере домов 59 и 53. А по линии 3 подача тепла в систему отопления выполняется по графику на нулевой расход при Т_н = +12 °С, предложенному нами и учитывающему возрастание доли бытовых тепловыделений в тепловом балансе здания с повышением температуры наружного воздуха. Такой график заложен для поддержания в контроллере дома 57 с 18.11.2009 г.

Рисунок 3 (подробнее)   Графики изменения температур теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети (линия 1) и в обратном трубопроводе систем отопления дома 59 (линия 2) и 57 (линия 3) в сопоставлении со среднесуточными показателями в зависимости от tн

Как видно из рис. 3, точки фактического теплопотребления системой отопления жилого дома 59 практически легли на график (линия 2), заданный для поддержания контроллером, за исключением превышения графика в морозный период с 14.12.2009, связанного с увеличением расхода теплоносителя из тепловой сети с примерно 2 т/ч до 2,7–3,0 т/ч, а потом и до 4,5 т/ч (измерение расхода тепла не приведено из-за неисправности теплосчетчика).

Точки фактического теплопотребления жилого дома 57 легли близко к графику (линия 3), на который был настроен контроллер, но с некоторым превышением его, связанным с тем, что фактически установленная в результате капремонта системы отопления площадь поверхности радиаторов в 70 % квартир завышена на 20–150 % по сравнению с проектом, а терморегуляторы на отопительных приборах вопреки нашему возражению установлены с термостатической головкой на поддержание температуры воздуха в помещении +26 °С при полном открытии крана терморегулятора (о недостатках такого решения указано в [1]).

Снижение расхода тепла на отопление в доме 57 при регулировании по графику с расчетными параметрами теплоносителя +85…+64 °С в сравнении с домом 59, где подача тепла на отопление выполнялась по графику +95…+70 °С, сопровождалось и снижением температуры воды в обратном трубопроводе системы отопления, что видно из рис. 4. Температура в обратном трубопроводе дома 57 была ниже, чем в доме 59 на +6…+8 °С и в теплый, и в холодный периоды отопительного периода.

Жалоб со стороны жителей на недостаточную температуру воздуха в квартирах в управляющую компанию не поступало. Это позволяет сделать вывод, что режим подачи тепла на отопление в доме 57 отвечает требуемому исходя из обеспечения комфортных условий пребывания в доме и соблюдения энергосбережения. Причем реализация такого режима возможна при любых подключениях систем отопления, поскольку предлагаемый режим предусматривает снижение подачи тепла по сравнению с проектным.

В отношении достигнутой экономии тепловой энергии от реализации предложений по оптимизации авторегулирования системой отопления, по испытаниям в доме 57 за период с 19.11 по 22.12.2009 г., захватившим диапазон наружных температур от +8 до –23 °С, удельный расход тепловой энергии на м² площади квартир, отнесенный к нормируемому отопительному периоду, составил 114 кВт·ч/м². В то же время по данным прямых измерений удельное теплопотребление на отопление этого дома до капитального ремонта в 2007 году составило 217 кВт·ч/м², а в 2008 году – 197 кВт·ч/м² (среднее значение по семи обследованным домам, соответственно, 217 и 209 кВт·ч/м²). Следовательно, экономия от комплексного капитального ремонта и проведения мероприятий по настройке системы авторегулирования отопления составила [(217 + 197) / 2 – 114] • 100 / 207 = 45 %.

Возвращаясь к роли термостатов в системе отопления, следует отметить, что тепловой и воздушный режимы в квартире являются отличной саморегулируемой системой при обеспечении постоянного поступления количества теплоты в эту квартиру, компенсирующего теплопотери через ограждения и на нагрев вентиляционной нормы наружного воздуха за вычетом бытовых тепловыделений.

При современных герметичных окнах и естественной вытяжной вентиляции в жилых домах окна в закрытом положении не обеспечивают поступления свежего наружного воздуха в объеме нормативного воздухообмена. Поэтому если в систему отопления поступает количество теплоты из расчета нагрева нормативного воздухообмена, а окна закрыты, то повышается температура воздуха в отапливаемых помещениях, она выходит за пределы, воспринимаемые человеком как комфортная, и он вынужден приоткрывать окна, чтобы увеличенным воздухообменом вернуть температуру воздуха в помещении в комфортные пределы.

Но особенности воздействия микроклимата на человека таковы, что он быстро реагирует на изменение окружающей температуры, а незначительные изменения качества воздуха не так ощутимы для него. Поэтому если в предыдущем примере будет добавлено регулирующее воздействие в виде термостатов на отопительных приборах, которые по определению должны закрываться при повышении температуры воздуха в отапливаемом помещении, то у жителя не возникает потребности в открывании окон. Воздухообмен в квартире будет ниже нормативного – отсюда синдром «больных зданий», которых в европейских странах значительно больше, чем у нас.

В связи с этим внедрение термостатов должно быть обусловлено наличием постоянно действующей вентиляции в квартирах в объеме нормативного воздухообмена. А это значит, что квартиры должны быть обеспечены саморегулируемыми приточными клапанами в наружных стенах или оконных переплетах и механической или гибридной вытяжной вентиляцией (интенсифицирующей вытяжку из квартир верхних этажей до нормируемой [7]). Только при этих условиях термостаты могут принести пользу, удовлетворяя индивидуальные потребности жителей в обеспечении желаемой температуры и сберегая тепловую энергию на отопление при теплопоступлениях с солнечной радиацией. Однако пока это не реализовано, в существующих и проектируемых с естественной вентиляцией зданиях на отопительных приборах надо устанавливать клапаны с ручным управлением без термостатических головок, и обязательно в каждом доме следует предусматривать автоматизированный узел управления системой отопления, позволяющий оптимизировать подачу тепла на отопление для достижения максимальной экономии тепловой энергии при обеспечении комфортных условий в жилище.

Литература

1. Ливчак В. И. Энергосбережение и энергоэффективность – это борьба с расточительностью, а не снижение комфортных условий // АВОК. – 2010. – № 2.

2. Карпов В. Н. Еще раз о повышении энергоэффективности жилых зданий // АВОК. –2009. – № 8.

3. Ливчак В. И. О температурном графике отпуска тепла для систем отопления жилых зданий // Водоснабжение и санитарная техника. – 1973. – № 12.

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

5. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети. – М. : Энергия, 1975.

6. Ливчак В. И. Тепловизионное обследование не может заменить тепловые испытания здани // Энергосбережение. – 2006. – № 5.

7. Малахов М. А., Савенков А. Е. Опыт проектирования естественно-механической вентиляции в жилых зданиях с теплыми чердакам // АВОК. – 2008. – № 6.