Экспресс-энергоаудит – действенный способ повышения энергоэффективности зданий

Е. О. Шилькрот, канд. техн. наук, зав. лабораторией ОАО «ЦНИИПромзданий»

А. С. Печников, зав. отделом ООО «НПО ТЕРМЭК»

Цель энергоаудита – показать, как энергия используется в здании и какие меры способствуют сокращению ее расходов или улучшению ее использования.

Имеется достаточно большое число работ, посвященных энергоаудиту, в которых сформулированы цели и задачи его проведения, перечень первоочередных мероприятий по повышению энергоэффективности зданий [1–4].

Одна из форм энергоаудита – экспресс-энергоаудит – позволяет оперативно определить в здании основных потребителей по видам энергии, установить фактические значения потоков энергии в результате прямых измерений, ее распределение по основным потребителям, установить класс энергоэффективности здания и необходимые технические мероприятия по его повышению.

В настоящее время большинство зданий, в частности в Москве, оснащено теплосчетчиками. Однако по их показаниям не всегда возможно установить места неэффективного использования тепла как в элементах самого здания, так и отдельных инженерных системах. Кроме того, показания теплосчетчика никак не отражают качество микроклимата в здании.

Для получения полной картины распределения тепловых потоков в здании и связи расходов тепла и микроклимата помещений необходимо провести их прямые физические измерения. Экспресс-энергоаудит следует проводить, в первую очередь, в «проблемных» зданиях, расход тепла в которых существенно превышает значения аналогичных и которые требуют быстрой санации.

Экспресс-энергоаудит включает три основных этапа:

• расчетное определение контрольных показателей энергопотребления по нормативным требованиям, проектным характеристикам или показателям аналогичных зданий;
• проведение комплекса экспресс-измерений и их обработка с приведением к «стандартным» климатическим условиям;
• сопоставление контрольных показателей с расчетными на основе измерений и составление рекомендаций по повышению энергоэффективности здания.

Для проведения необходимых измерений теплопотребления жилых и общественных зданий авторами в рамках научно-технологической платформы «Энергосбережение», реализуемой Минобрнауки России, разработан измерительно-диагностическтй комплекс, позволяющий провести необходимые измерения энергопотребления инженерными системами жилых и общественных зданий при выполнении экспресс-энергоаудита.

Измерительно-диагностический комплекс обеспечивает:

• определение тепловых потоков через ограждения здания и места избыточных потерь;
• определение мгновенных и накопительных значений расходов тепла основными потребителями;
• определение расхода воздуха и тепла (холода) в системах вентиляции и кондиционирования воздуха и параметры микроклимата в обслуживаемых помещениях.

Анализ современной практики проведения энергоаудита [4, 5] показал, что не существуют (неизвестны) универсальные схемы и приборы, позволяющие выполнить все необходимые измерения, поэтому комплекс состоит из трех автономных блоков:

• блок определения теплотехнических качеств ограждающих конструкций;
• блок измерений расходов тепла и теплоносителя (жидкости);
• блок измерений расходов воздуха в системах вентиляции и параметров микроклимата в помещениях.

Основные характеристики блоков и их оснащения представлены в табл. 1.

Таблица 1 (подробнее) Физико-механические показатели выпускаемых автоклавных газобетонов

Обычно термографическое обследование проводится в холодный или переходный периоды года, температура внутреннего воздуха в жилых и общественных зданиях не ниже +16 °С, условие соблюдения необходимой разности температур всегда выполняется.

Типичная термограмма участка стены представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Пример термограммы участка стены

Выполненные измерения подвергались обработке по специальной компьютерной программе для получения качественных и количественных результатов. Результат обработки – термограммы со значениями температуры на наружной поверхности ограждений.

Возможности экспресс-энергоаудита и созданного измерительно-диагностического комплекса продемонстрируем примерами обследования двух зданий, проведенного в 2010 году.

Корпус ГУП «МосквичСтройинвест», бывший главный корпус «АЗЛК» (Москва, ЮВАО, МР «Печатники», Волгоградский проспект, владение 42) (рис. 2).

Рисунок 2. Корпус ГУП «МосквичСтройинвест»

Экспресс-энергоаудит корпуса ГУП «МосквичСтройинвест» проводился в январе-марте 2010 года.

Обследуемый корпус представляет собой одно- и двухэтажное сблокированное здание размерами в плане 576 х 219,3 м, площадь F_Σ = 126 316,0 м², объем корпуса V = 2 489 945 м³. Корпус реконструирован в 2009 году.

Интегральные геометрические и энергетические показатели корпуса представлены в табл. 2.

Расчетный расход тепла за отопительный период составит Q_от.пер = 24(Q_расч · D) / Δt_расч = 6 178 МВт·ч/год, а удельный расход тепла, соответственно, q_уд = 48,9 кВт·ч/м²·год.

Теплоснабжение корпуса осуществляется от городских сетей через ЦТП. Температурный график теплосети стандартный, 130–70. ЦТП оборудован узлом учета тепловой энергии с теплосчетчиком «Вист-М».

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций составляло соответственно: стен, ворот, окон, покрытия – 3,45; 1,0; 0,4; 4,7. Расчетный тепловой поток корпуса – 2 166 кВт. Показания теплосчетчика фиксируются посуточно и ежемесячно.

В ЦТП после теплосчетчика установлен коллектор, распределяющий теплоноситель на 6 зданий, в том числе на обследуемый корпус № 5, который своего теплосчетчика не имеет.

В корпусе № 5 тепло потребляется системой дежурного воздушного отопления, обеспечивающей температуру воздуха в корпусе в пределах 9–11 °С. В качестве отопительных приборов использованы воздушно-отопительные агрегаты, установленные на колоннах, выпуск воздуха – наклонная подача под углом в сторону рабочей зоны.

В результате проведения тепловизионного контроля определялась температура поверхности ограждений.

Расчетное значение температуры наружной поверхности ограждений (τ_н) вычисляется из следующих зависимостей:

(t_в – t_н) / R_общ = (τ_н – t_н) / R_н = (t_в – τ_н) / (R_общ – R_н);
τ_н = t_н + (R_н / R_общ)(t_в – t_н).

В период проведения испытаний температура наружного воздуха составляла t_н = - 7 °С.

Таким образом, расчетное значение температуры наружной поверхности ограждений составило: для стен τ_{н ст} = -16,6 °С; для окон τ_{н окн} = -14,1 °С; для покрытия τ_{н пок} = -16,7 °С.

Термографирование ограждающих конструкций проводилось 27–28 января 2010 года. Температура наружного воздуха в период термографирования составляла -17…-18 °С.

На термограммах температура наружной поверхности ограждений может быть оценена по окрасу ограждения в интересующей точке. В ряде точек проставлены значения температуры поверхности, определенные по программе обработки термограмм. При анализе следует учитывать, что каждой термограмме соответствует своя цветовая шкала.

На рис. 1 представлена термограмма стены и окон корпуса. Температура их поверхностей стены в большей части соответствует расчетным значениям, расхождения не превышают точности измерений (2 °С). Повышение температуры поверхности в верхней части стены вызвано облучением ее солнцем в период проведения съемки.

Анализ термограмм показал, что температура наружной поверхности ограждений достаточно равномерна; неравномерные теплопотери конструкции стены, ограждения в осях 1-98/Я вызваны дефектами раскладки теплоизоляции, что и было подтверждено вскрытием панели в зафиксированном месте стены.

Измерение расхода тепла в корпусе проводилось 27.01.2010 г., расход тепла составил Q₅ = 1224,6 кВт, соответственно, расход тепла в расчетных условиях:

Q_5расч = Q₅ (Δt_расч / Δt_факт) = 1938,9 кВт.

Здесь Δt_расч и Δt_факт – соответственно разность температуры внутреннего и наружного воздуха в расчетных условиях и за период с 01.01.2010 г. по 24.01.2010 г.

Необходимо отметить, что в период проведения исследований на кровле корпуса имелся снежный покров высотой около 0,4 м, являющийся «дополнительной» теплоизоляцией.

С учетом снежного покрова (δ = 0,4 м; λ = (0,3 + 0,09) / 2 = 0,195 м²·°С/Вт; δ / λ = 0,4 / 0,195 =1,54; R_покр = 4,7 + (0,4 / 0,195) = 6,75 м²·°С/Вт) теплопотери покрытия в расчетных условиях составят Q_покр = 711 кВт. Соответственно, теплопотери корпуса № 5 – Q_5расч =1856,3 кВт, а в условиях проведения испытаний Q_5расч = 1172,4 кВт.

Определенные опытным путем теплопотери корпуса № 5 – Q_5опыт = 1224,6 кВт.

Расчетные контрольные показатели энергопотребления и полученные в результате экспресс-энергоаудита хорошо согласуются друг с другом. Незначительное расхождение расчетных и опытных значений теплопотерь (расхождение около 5 %) можно объяснить неточностью исходных данных, измерений, незначительными дефектами теплоизоляции.

Рисунок 3. Жилой дом с эффективным использованием энергии

18-этажный жилой дом с эффективным использованием энергии (Москва, ул. Красностуденческая, д. 6) (введен в IV квартале 2002). Описание дома и его инженерных систем читайте в журнале «АВОК», 2003, № 8.

Экспресс-энергоаудит жилого дома проводился в феврале-марте 2010 года с целью выявления фактических энергетических затрат систем теплоснабжения и анализа соответствия расчетных и фактических потерь тепла корпуса.

В табл. 3 приведены показатели энергоэффективности экспериментального дома.

Тепловизионный контроль качества теплозащиты здания (стен и окон) и качественная оценка распределения потерь тепла через его ограждения представлялась в виде термограмм, где температура наружной поверхности ограждений может быть оценена по окрасу ограждения в интересующей точке.

Температура наружного воздуха в период термографирования составляла -5…-9,2 °С.

На рис. 4 представлена термограмма стены и окон здания. Распределение температуры на наружной поверхности вертикальных ограждений достаточно равномерно и соответствует значениям температуры наружного воздуха. Равномерное распределение температуры на поверхности свидетельствует об их однородности и хорошем качестве ограждений.

Рисунок 4. Термограмма фасада дома

Анализ термограмм показал, что температура наружной поверхности ограждений достаточно равномерно. Температура поверхности стен несколько выше, чем окон, что соответствует их термическому сопротивлению; в местах сопряжения конструкций ограждений фиксируются «мостики холода».

Измерение расходов тепла и теплоносителя

Измерение расхода тепла в здании осуществляется на тепловом вводе в ИТП, где установлен индукционный теплосчетчик SA-94/2M; потребителями тепла на отопление являются жилые квартиры, лифтовые холлы и лестницы, пожарные переходы, подвал, гараж и фитнес-центр.

Измерения проводились на вводе теплоносителя в ИТП, на обратном трубопроводе перед теплообменниками систем отопления и вентиляции и на ответвлениях распределительной гребенки системы отопления.

Расход тепла в здании на день испытаний, 18.02.2010 г., по показаниям теплосчетчика составил Q_Σ = 32690,8 кВт·ч/сут.

Расходы тепла на отопление и вентиляцию по показаниям блока измерений расхода составили: Q_от = 1208,2 кВт; Q_вент = 50,5 кВт. Суточный расход тепла – Q_{от+вент} = 30208,8 кВт·ч/сут. Соответствующий расход тепла по показаниям стационарного теплосчетчика составляет 29614,6 кВт·ч/сут. Расхождение составляет около 2 %.

Расход тепла на отопление и вентиляцию за отопительный период:

• в расчетных условиях Q_{от+вент расч} = 1850,9 кВт;
• за отопительный период Q_{от+вент от. пер} = 4574,9 МВт·ч.

Удельный расход тепла (отопление и вентиляция) – 73,6 кВт·ч/м². Расхождение с расчетным значением (67 кВт·ч/м²) составляет 9 %, что связано с поддержанием в квартирах комнатной температуры воздуха на 2 °С выше расчетной (+23…+24 °С).

Разработка измерительно-диагностического комплекса и проведение экспресс-энергоаудита показали:

1. Комплекс работоспособен и полностью отвечает своему назначению.
2. Экспресс-энергоаудит может быть проведен в зависимости от сложности объекта за 3–5 дней.
3. Результаты экспресс-энергоаудита позволяют выявить резервы энергосбережения и разрабатывать мероприятия по повышению энергоэффективности здания и его инженерных систем.

Литература

1. Model Energy Code. The Council of American Building Officials.
2. Energy Conservation in Existing Facilities Industrial. ANSI/ASHRAE/IES 100.4.
3. Standard Methods of Measuring and Expressing Building Energy Performance. ANSI/ASHRAE 105.
4. Комплексная методика по обследованию и энергоаудиту реконструируемых зданий. Пособие по проектированию. МДС 13-20.2004. ОАО «ЦНИИПромзданий». М., 2004.
5. Energy Process Assessment Protocol. IEA ECBCS. Annex 46. US Army Corps of Engineers. 2009.
6. ГОСТ 30494 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».