Еще один довод в пользу повышения теплозащиты зданий

В. И. Ливчак, вице-президент НП «АВОК»

Проследим, как влияло повышение теплозащиты зданий на их энергетическую эффективность в общем виде с учетом относительного изменения составляющих теплового баланса на примере многоквартирного 9-этажного 4-секционного дома, сооружаемого в условиях Центральной России, с расчетной температурой наружного воздуха t_н.о = –25 °C и величиной градусо-суток Dd = 5 000 °C сут.

Оценка энергоэффективности решений по повышению теплозащиты зданий

Как было показано в [2], для такого дома, построенного до 1995 года (рис. 1):

• теплопотери через стены составляют 39 %, а через покрытие и цокольное перекрытие – 8 % от расчетных тепло-потерь через наружные ограждения и с инфильтрующимся воздухом при температуре наружного воздуха, равной расчетной t_н.о, а вместе 47 %;
• через окна – 21 %;
• 32 % идет на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха в объеме, на 30 % превышающем вентиляционный воздухообмен;
• бытовые тепловыделения достигают 9 % от расчетных теплопотерь.

Рисунок 1. Диаграммы теплопотерь и теплопоступлений в многоквартирных домах типовых серий, построенных до 1995 года (до изменений 1995 года в СНиП II-3–79*) (RW и RF соответственно приведенное сопротивление теплопередачи стен и окон).

Таким образом, расчетный расход теплоты на отопление по отношению к расчетным теплопотерям составит:
0,39 + 0,08 + 0,21 + 0,32 – 0,09 = 0,91 и это соответствовало удельному годовому расходу тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирного 9-этажного дома серии II-49, по которому оценивается энергоэффективность здания, 160–200 кВт·ч/м² в зависимости от учитываемого воздухообмена (нормативного или в 1,3 раза большего).

Если инфильтрацию принять в объеме нормативного воздухообмена, то она составит 0,32/1,3 = 0,25, а бытовые тепловыделения –
0,09/(0,39 + + 0,08 + 0,21 + 0,25) = 0,097. Тогда расход теплоты на отопление в относительных единицах снизится до
0,39 + 0,08 + 0,21 + 0,25 – 0,097 = 0,833, а бытовые тепловыделения по отношению к расчетному расходу теплоты на отопление возрастут: 0,097/0,833 = 0,12.

Расчет на конкретном доме II-49–4/9 показал, что относительный расчетный расход теплоты на отопление в доме без дополнительной изоляции и на нормативный воздухообмен в сравнении с аналогичным домом, запроектированным по нормам 2000 года, будет выше в 1,67 раза. Или, если мы хотим узнать, насколько энерго-экономичней по расчетной нагрузке на отопление дом, построенный по нормам 2000 года, по сравнению с аналогичным домом, построенным до утверждения этих норм, то получится на (1,67 – 1)·100/1,67 = 40 % – и это только за счет повышения теплозащиты здания, т. к. воздухообмен принят одинаковый.

Согласно нормам 2000 года:

• приведенное сопротивление теплопередаче основных наружных ограждений² стен R_w равно 3,15 м²·°C/Вт, окон R_F – 0,54 м²·°C/Вт;
• расчетный воздухообмен при заселенности 20 м² общей площади квартир на человека – 30 м³/(ч·чел.);
• удельная величина бытовых тепловыделений – 17 Вт/м² площади жилых комнат.

В соответствии со СНиП 23-02–2003 удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирного 9–12-этажного дома при нормативном воздухообмене для условий Москвы будет 105–95 кВт·ч/м².

В принятых условиях тепловой баланс дома таков (рис. 2):

• теплопотери стен составляют 20–23 %;
• теплопотери через покрытия, перекрытия – 4–6 %, а вместе со стенами 26,5 %;
• теплопотери через окна – 25–28 %;
• теплопотери с инфильтрующимся воздухом – 44–50 %;
• относительная доля бытовых тепловыделений от расчетных теплопотерь – 18–20 %.

Рисунок 2. Диаграммы теплопотерь и теплопоступлений в многоквартирных домах типовых серий, построенных с 2000 по 2010 годы (в соответствии со СНиП 23-02–2003)

Соответственно, расчетный расход теплоты на отопление дома по отношению к расчетным теплопотерям в 2000 году, согласно уравнению теплового баланса, будет равен q_{о.max 2000 г.} = 0,215 + 0,05 + 0,265 + 0,47 – 0,19 = 0,81. А доля бытовых тепловыделений от расчетного расхода теплоты на отопление q_быт/q_о.max = 0,19·100/0,81 = 23,5 %, что представляет значительную величину и предостережение для тех, кто готов с легкостью отказаться от их учета при определении расчетных теплопотерь и нагрузки на отопление жилых домов.

Теплозащита здания с 2011 года по требованиям ПП РФ № 18

Для определения изменения расчетного расхода теплоты на отопление в зависимости от увеличения сопротивления теплопередаче наружных ограждений в соответствии с требованиями ПП РФ № 18 используем рис. 3 из [3]. На рисунке показано изменение относительных теплопотерь через стены, покрытия и окна, в зависимости от абсолютных величин приведенного сопротивления теплопередаче этих ограждений, причем за единицу принимаются относительные теплопотери каждого из перечисленных ограждений при сопротивлении теплопередаче, принятом до их официального повышения в 1995 году для: стен R_W = 0,95 м²·°C/Вт; покрытий R_C = 1,5 м²·°C/Вт; окон R_F = 0,34 м²·°C/Вт.

Из рис. 3 видно, что согласно ПП РФ № 18 при увеличении приведенного сопротивления теплопередаче стен на 15 % (с 3,15 до 3,6 м²·°C/Вт) относительные теплопотери через стены сократятся с 0,302 до 0,265 ед., или составят 0,265/0,302 = 0,877 от предыдущего значения. Повышение приведенного сопротивления теплопередаче покрытий на тот же процент с 4,7 до 5,4 м²·°C/Вт снизит относительные теплопотери через них на 0,277/0,319 = 0,868.

Рисунок 3 (подробнее)   Изменение относительных теплопотерь через ограждения здания при повышении их теплозащиты

Переход на окна с сопротивлением теплопередаче 0,8 вместо 0,54 м²·°C/Вт дает снижение теплопотерь через окна на 0,425/0,63 = 0,675 от предыдущего значения этих теплопотерь.

Принимаем снижение теплопотерь через покрытия и перекрытия аналогичным их снижению через стены (поскольку, как видно из рис. 3, соотношение теплопотерь такое же), а относительные теплопотери на нагрев инфильтрационного воздуха в прежнем объеме. Из уравнения теплового баланса дома строительства с 2011 года получим следующую величину относительных расчетных теплопотерь дома: q_{ht.max 2011} = (0,215 + 0,05)·0,877 + 0,265·0,675 + 0,47 = 0,232 + 0,179 + 0,47 = 0,88. Соотношение составляющих по отношению q_{ht.max 2011} = 1 будет: 0,265 + 0,205 + 0,53 = 1 (рис. 4).

Рисунок 4. Диаграммы теплопотерь и теплопоступлений в многоквартирных домах типовых серий, строящихся с 2011 по 2015 годы (в соответствии с ПП РФ № 18)

Тогда относительный расчетный расход теплоты на отопление составит: q_{о.max 2011} = 0,88 – 0,19 = 0,69 (q_быт/q_о.max = 0,19·100/0,69 = 27,5 %), а сокращение нормируемой на 2011 год величины расчетного расхода теплоты на отопление по сравнению с 2000 годом: 0,69/0,81 = 0,853. То есть снижение теплопотребления на 14,7 % за счет повышения сопротивления теплопередаче стен, покрытий и перекрытий на 15 %, а окон с 0,54 до 0,8 м²·°C/Вт.

Как будет показано далее (см. табл.), удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирного 9–12-этажного дома снизится на 1,8/2,22 = 0,811 и составит 85–77 кВт·ч/м² при нормируемой величине 89–81 кВт·ч/м² (согласно ПП РФ № 18), т. е. перекрывает нормируемые требования.

Теплозащита здания с 2016 года по требованиям ПП РФ № 18

То же с 2016 года, согласно ПП РФ № 18, увеличение приведенного сопротивления теплопередаче стен по отношению к 2011 году еще на 15 %³ (с 3,6 до 4,05 м²·°C/Вт) приведет к снижению теплопотерь через стены, покрытия, перекрытия на 0,235/0,265 = 0,887 (рис. 3).

Переход на окна с сопротивлением теплопередаче 1,0 вместо 0,8 м²·°C/Вт снизит теплопотери на 0,34/0,425 = 0,8, и относительные суммарные теплопотери 9 этажного дома в 2016 году будут равны
q_{ht.max 2016 г.} = 0,232·0,887 + 0,179·0,8 + 0,47 = 0,206 + 0,143 + 0,47 = 0,82. Соотношение составляющих расчетных теплопотерь жилого 9-этажного дома в 2016 году по отношению к  q_{ht.max 2016 г.} = 1 будет  0,25 + 0,17 + 0,58 = 1 (рис. 5), а бытовые тепловыделения составят 0,19/0,82 = 0,23.

Рисунок 5. Диаграммы теплопотерь и теплопоступлений в многоквартирных домах типовых серий, которые будут построены в соответствии с рекомендациями ПП РФ № 18 с 2016 года

Относительный расчетный расход теплоты на отопление
q_{о.max 2016} = 0,82 – 0,19 = 0,63 (q_быт/q_о.max = 0,19·100/0,63 = 30 %), а сокращение нормируемой на 2016 год удельной величины по сравнению с 2000 годом: 0,63/0,81 = 0,778. То есть за счет повышения сопротивления теплопередаче стен, покрытий, перекрытий всего на 30 % и окон до 1,0 м²·°C/Вт произошло снижение расчетной нагрузки на отопление на 22,2 %, в том числе с 2016 года на 22,2 – 14,7 = 7,5 %.

Удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирного 9–12-этажного дома снизится (табл.) на 1,6/1,8 = 0,89 и составит 75,5–68,5 кВт·ч/м² (при нормируемом 73,5–66,5 кВт·ч/м² по ПП РФ № 18), т. е. почти соответствует нормируемым требованиям – отличие до 3 %.

Целесообразность дальнейшего повышения сопротивления теплопередаче

При проведении мероприятий по дальнейшему увеличению приведенного сопротивления теплопередаче стен еще на 15 % к 2020 году, т. е. до 4,5 м²·°C/Вт, сокращение теплопотерь составит те же 0,21/0,235 = 0,89, как и при предыдущем увеличении. Но по абсолютной величине, если за единицу принять теплопотери через стены до начала повышения теплозащиты зданий в 1995 году (R_W = 0,95 м²·°C/Вт), снижение теплопотерь будет всего 0,235 – 0,21 = 0,025, т. е менее 3 %. Это ставит под сомнение целесообразность данного решения без соответствующего экономического обоснования.

Также и по перекрытиям. Увеличение приведенного сопротивления теплопередаче еще на 15 % к 2016 году – до 6,1 м²·°C/Вт, по сравнению с достигнутым в 2011 году R_с = 5,4 м²·°C/Вт, уже приводит к критическому снижению теплопотерь только на 0,277 – 0,246 = 0,031, или на 3,1 %. Это также показывает нецелесообразность увеличения R_с выше 6,1 м²·°C/Вт в последующие годы.

На рис. 3 для сравнения приведены результаты аналогичного повышения приведенного сопротивления теплопередаче стен R_W жилого дома, строящегося в регионе с величиной Dd = 8 000 °C сут. и t_н.о = –45 °C, начиная с 4,2 до 4,85 и 5,5 м²·°C/Вт в 2016 году. Это повышение R_W уже в период с 2011 года к 2016 году приводит к снижению теплопотерь только на (0,197–0,173)·(18 + 45)/(18 + 25) = 0,035, или на 3,5 % по отношению к исходному⁴ сопротивлению теплопередаче. Это подтверждает аналогичный вывод об эффективности повышения теплозащиты до требований 2016 года для регионов с более низкой величиной градусо-суток и означает, что целесообразность еще большего увеличения приведенного сопротивления теплопередаче стен для региона с 8 000 °C-сут. сверх 5,5 м²·°C/Вт очень сомнительна без соответствующего экономического обоснования.

Теплопотребление на отопление за расчетный отопительный период

Определим, как будет меняться теплопотребление на отопление за расчетный отопительный период, характеризующийся градусо-сутками
Dd = (20 + 3,8)·220 = 5 000 °C-сут., в относительных величинах по известной формуле:

Q_hy/Q_о.max = [(1+ Q_быт/Q_о.max)·(t_в – t_н.ср)/(t_в – t_н.о) – Q_быт/Q_о.max]·n·24·10^–3, (1)

где Q_быт/Q_о.max – относительная доля бытовых тепловыделений по отношению к расчетному расходу теплоты на отопление;
t_н.ср – средняя за отопительный период температура наружного воздуха, в нашем случае –3,8 °C;
t_в – расчетное значение температуры воздуха в жилых или рабочих помещениях здания, по СНиП 41-01–2003 принимается равной 20 °C;
t_н.о – расчетное значение температуры наружного воздуха для проектирования отопления, принимается из СНиП 23-01–97* и в нашем случае равно –25 °C;
n – длительность отопительного периода, в нашем случае 220 сут.

При подстановке указанных выше значений формула приобретет вид:
Q_hy/Q_о.max = 5,28·[0,53·(1+ Q_быт/Q_о.max) – Q_быт/Q_о.max]·(q_{о.max i-го г.} /q_{о.max 2000 г.}).

Решения этого уравнения (без учета теплопотерь трубопроводами) через рассчитанные выше отношения Q_быт/Q_о.max для разных периодов строительства, принимая за реперную точку 2000 год (q_{о.max i-го г.} /q_{о.max 2000 г.}), сведем в таблицу. Анализируя данные таблицы, можем сделать вывод, что только намечаемое повышение теплозащиты многоквартирных домов с 2011 и 2016 годов снижает годовой расход теплоты на отопление соответственно на (2,22 – 1,8)·100/2,22 = 19 % и на (2,22 – 1,6)·100/2,22 = 28 % с 2016 года по сравнению с базовым значением, достигнутым по СНиП 23-02–2003, и практически позволяет выполнить требования ПП РФ № 18 о повышении энергетической эффективности только за счет повышения теплозащиты.

Оптимизация режима подачи теплоты на отопление

Оптимизация режима подачи теплоты на отопление с учетом увеличивающейся с повышением температуры наружного воздуха доли бытовых тепловыделений в тепловом балансе дома, рекомендованная СНиП 23-02–2003 и достигаемая средствами автоматического регулирования подачи теплоты на отопление на вводе в здание, позволяет сократить теплопотребление на отопление многоквартирных домов по сравнению с режимом, не учитывающим это обстоятельство и реализуемым формулой:

Q_hy/Q_о.max = [1·Dd/(t_в – t_н.о)]·24·10^–3·(q_{о.max i-го г.} /q_{о.max 2000 г.}). (2)

Снижение теплопотребления на отопление составляет для многоквартирных домов:

• построенных до 2000 года – 14 %;
• возведенных после 2000 года – 21 %;
• намечаемых к строительству с 2012 года – 27 %;
• которые будут построены после 2016 года– 30 % (табл., нижняя строка).

Причем снижение на 14 % теплопотребления домов существующего жилищного фонда, построенных до 2000 года, по количеству сбереженной тепловой энергии такое же, что и с большим процентом экономии, за счет превышения их нагрузки на отопление в сравнении с домами, возведенными в 2000 году (см. сравнение показателей в строках 4 и 5 табл.).

Это опровергает тезис о нецелесообразности автоматизации неутепленных домов.

Литература

1. Табунщиков Ю. А., Ливчак В. И. Первые итоги реализации программы повышения энергетической эффективности зданий // Энергосбережение. – 2011. – № 7.
2. Ливчак В. И. Обоснование расчета удельных показателей расхода тепла на отопление разноэтажных жилых зданий // АВОК. – 2005. – № 2.
3. Ливчак В. И. Повышать ли уровень теплозащиты зданий? Ответ – «да»! // АВОК. – 2009. – № 7.

Продолжение в следующем номере.

¹ Постановление Правительства РФ от 25 января 2011 года № 18 «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов».

² См. табл. 4 в СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий».

³ Соответственно, к 2000 году на 30 %.

⁴ До начала повышения теплозащиты зданий в 1995 году.