Методы и результаты оценки эффективности энергосберегающих решений

Ю. А. Табунщиков, доктор техн. наук, профессор

Н. В. Шилкин, канд. техн. наук

Ю. В. Миллер, инженер НП «АВОК», otvet@abok.ru

Существующее многообразие энергосберегающих решений в системах климатизации и теплоснабжения зданий обусловлено огромным потенциалом повышения эффективности этих систем. Применение некоторых энергосберегающих решений эффективно за счет увеличения точности регулирования расходуемой тепловой энергии (например, применение комнатных контроллеров, регулирование температуры и расхода приточного воздуха по потребности, устройство автоматизированного узла управления), других – за счет использования тепловой энергии низкопотенциальных источников (например, устройство утилизаторов теплоты вытяжного вентиляционного воздуха, устройство тепловых насосов, грунтовых теплообменников), третьих – за счет улучшения теплотехнических характеристик ограждающих конструкций (например, повышение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, уменьшение влияния «мостиков холода», применение ночных штор) и т. д.

Методы оценки эффективности применения энергосберегающих решений

Для оценки эффективности применения какого-либо энергосберегающего решения в системах климатизации и теплоснабжения зданий, как правило, используют следующие методы:

Проведение натурных экспериментов и испытаний.

Такой метод позволяет оценить эффективность конкретных энергосберегающих решений для конкретных условий, однако подразумевает значительные денежные вложения и временные затраты. Очень часто данные обстоятельства являются причиной отказа от использования этого метода.

Математическое моделирование здания как единой энергетической системы и определение теплопотребления за характерные периоды времени.

В данном методе предполагается, что должны быть известны математические модели энергосберегающего оборудования или устройств, таких как утилизаторы теплоты вытяжного вентиляционного воздуха для нагрева/охлаждения приточного, устройство автоматизированного узла управления расхода потребления тепловой энергии, применение комнатных контроллеров и т.?д. Однако изучение исследовательской мировой литературы показывает, что создание таких математических моделей представляет собой самостоятельную сложную задачу, и, как правило, эти математические модели в силу их сложности и приблизительности не используются при составлении теплового баланса здания как единой энергетической системы.

Анализ результатов применения аналогичных энергосберегающих решений в системах климатизации и теплоснабжения эксплуатируемых зданий.

Данный метод позволяет укрупненно оценить эффективность энергосберегающих решений, поскольку результат будет справедлив лишь для здания с точно таким же технологическим назначением, инженерными системами, особенностями применения отопительного и вентиляционного оборудования, режимом эксплуатации, объемно-планировочными решениями и т. д.

Использование данных об эффективности энергосберегающих решений, установленных фирмами – производителями энергоэффективного оборудования.

Оценка эффективности энергосберегающего оборудования проводится фирмами-производителями для некоторых стандартных условий, которые далеко не всегда соответствуют реальным условиям эксплуатации оборудования. Использование данного метода не позволяет с достаточной степенью точности оценить и сделать вывод о целесообразности применения конкретного энергосберегающего оборудования в конкретном здании.

С учетом вышесказанного можно сделать вывод о сложности решения задачи оценки вклада конкретного энергосберегающего решения в снижение теплопотребления определенного здания, поскольку количественные энергосберегающие показатели одного и того же оборудования существенно зависят от технологического назначения здания, особенностей применения отопительного и вентиляционного оборудования, режима эксплуатации здания, объемно-планировочных решений и т. д. и могут меняться в достаточно широких пределах.

Метод экспресс-оценки эффективности энергосберегающих решений

В данной статье предлагается упрощенный универсальный метод оценки вклада широкого спектра энергосберегающих решений в снижение теплопотребления конкретного здания на основе использования метода экспертных оценок эффективности энергосберегающего оборудования, технологий и мероприятий.

Сущность предлагаемого метода состоит в следующем.

Вклад энергосберегающих решений в снижение теплопотребления здания может быть оценен для большинства случаев введением в уравнение теплового баланса внутреннего воздуха здания так называемых коэффициентов эффективности энергосберегающих решений.

Определим коэффициент эффективности энергосберегающих решений следующим образом:

α = 1 – Q_от/ох2 / Q_от/ох1, (1)

где

Q_от/ох1 – расход тепловой энергии для отопления или охлаждения здания в годовом цикле до применения энергосберегающих решений, кВт•ч;

Q_от/ох2 – расход тепловой энергии для отопления или охлаждения здания в годовом цикле после применения энергосберегающих решений, кВт•ч.

Коэффициент эффективности энергосберегающих решений характеризует относительную величину снижения теплопотребления конкретного здания за счет применения конкретного энергосберегающего решения.

Уравнение теплового баланса внутреннего воздуха помещения имеет вид (2):

Q_от/ох = Q_огр + Q_ок + Q_вент ± Q_вн ± Q_с.р, (2)

где

Q_огр – трансмиссионные теплопотери/теплопоступления через наружные светонепроницаемые ограждающие конструкции здания, кВт•ч;

Q_ок – трансмиссионные теплопотери/теплопоступления через наружные светопроницаемые ограждающие конструкции здания, кВт•ч;
Q_вент – теплопотери/теплопоступления за счет вентиляционного воздухообмена с учетом инфильтрации, кВт•ч;
Q_вн – теплопоступления от внутренних источников тепловыделений, кВт•ч;
Q_с.р – теплопоступления за счет воздействия солнечной радиации, кВт•ч.

Для оценки вклада энергосберегающих решений в тепловой баланс внутреннего воздуха помещений зданий необходимо интегрировать в уравнение (2) коэффициенты их эффективности.

С учетом вышесказанного уравнение теплового баланса внутреннего воздуха примет вид:

Qот/ох = [(1 – α_огр) • Q_огр + (1 – α_ок) • Q_ок + (1 – α_вент) х Q_вент ± Q_вн ± Q_с.р] • (1 – α_от/ох) • (1 – α_тепл), (3)

где α_вент, α_от/ох, α_тепл, α_огр, α_ок – коэффициенты эффективности энергосберегающих решений, соответственно при снижении расхода тепловой энергии в системе вентиляции (устройство утилизаторов теплоты вытяжного воздуха для подогрева/охлаждения приточного, применение приточных регулируемых устройств и т. д.); при снижении расхода тепловой энергии в системе отопления/охлаждения (устройство термостатов, комнатных контроллеров и т. д.); при снижении расхода тепловой энергии в системе теплоснабжения (устройство ИТП, автоматизированного узла управления и т. д.); при снижении трансмиссионных теплопотерь/теплопоступлений через светонепроницаемые ограждающие конструкции (устранение влияния «мостиков холода», повышение теплотехнической однородности ограждающих конструкций и т. д.); при снижении трансмиссионных теплопотерь/теплопоступлений через светопроницаемые ограждающие конструкции (устройство затеняющих устройств, применение ночных штор и т. д.).

Будем называть такой подход методом экспресс-оценки эффективности энергосберегающих решений.

В соответствии с изложенным выше рассмотрим основные пути снижения теплопотребления зданий и выберем соответствующие энергосберегающие решения:

• регулирование расхода потребления тепловой энергии на вводе в здание или квартиру (устройство ИТП, автоматизированного узла управления, квартирного теплового пункта и т. д.);
• регулирование теплоотдачи отопительных приборов (пофасадное регулирование, прерывистый режим отопления, устройство термостатов, комнатных контроллеров);
• снижение трансмиссионных теплопотерь/теплопоступлений через наружные светонепроницаемые ограждающие конструкции (уменьшение влияния «мостиков холода», повышение теплотехнической однородности ограждающей конструкции);
• снижение трансмиссионных и инфильтрационных теплопотерь/теплопоступлений через наружные светопроницаемые ограждающие конструкции (применение ночных штор);
• регулирование вентиляционного воздухообмена в зависимости от потребности (устройство приточных регулируемых устройств, центральных и местных вентиляционных установок, персональной вентиляции);
• использование утилизаторов теплоты вытяжного вентиляционного воздуха для нагрева/охлаждения приточного (применение пластинчатых теплообменников, теплообменников с вращающейся теплообменной насадкой (роторных рекуператоров), теплообменников с промежуточным теплоносителем (теплообменники «жидкость – воздух»)).

Регулирование отопления с помощью комнатных контроллеров – пример энергосберегающего решения

Для оценки снижения теплопотребления зданий при применении выбранного ряда энергосберегающих решений в качестве экспертов были приглашены ведущие специалисты в строительной отрасли: профессора, кандидаты технических наук, проектировщики и другие специалисты с большим опытом разработки, проектирования, применения и эксплуатации различного энергосберегающего оборудования, технологий и мероприятий в системах климатизации и теплоснабжения зданий. При оценке снижения теплопотребления зданий было принято следующее допущение: обязательным условием обеспечения энергоэффективности является выполнение архитектурно-строительных и санитарно-гигиенических норм, правильная наладка и эксплуатация энергосберегающего оборудования, технологий и мероприятий. Экспертная оценка и обработка результатов осуществлялась методом «Дельфи» – многоэтапным количественным методом групповых оценок, предусматривающим независимость мнений экспертов друг от друга и обладающим высокой надежностью при прогнозировании. По результатам экспертной оценки были определены коэффициенты эффективности вышеперечисленного энергосберегающего оборудования, технологий и мероприятий для жилых и общественных зданий, три из которых приведены для примера в таблице.

Данные, приведенные в таблице, являются результатом одного из возможных путей экспертных оценок. Значения коэффициентов эффективности энергосберегающих решений, полученные с использованием других методов экспертных оценок другими специалистами, могут отличаться.

Разработка системы уравнений теплового баланса внутреннего воздуха здания с учетом коэффициентов эффективности энергосберегающих решений осуществляется на основе математической модели расчета расхода тепловой энергии для отопления и охлаждения зданий [1].

Пример расчета

На основании разработанного метода экспресс-оценки эффективности энергосберегающих решений нами были проведены расчеты расхода тепловой энергии для отопления административного здания в годовом цикле при применении различных энергосберегающих решений.

Исходные данные:

• здание расположено в Москве;
• полезная площадь здания составляет 2 537 м²;
• характеристики ограждающих конструкций помещения соответствуют требованиям [2];
• климатические параметры соответствуют параметрам «типового метеорологического года» для Москвы [3];
• температура внутреннего воздуха в помещении в холодный период с 8.00 до 18.00 составляет +19 °С, с 18.00 до 8.00 – +12 °С [4];
• внутренние тепловыделения в помещениях с 9.00 до 10.00 составляют 29 Вт/м², с 10.00 до 17.00 – 57 Вт/м², с 18.00 до 19.00 – 29 Вт/м², с 19.00 до 9.00 – 0 Вт/м²;
• кратность воздухообмена в рабочее время составляет 2 ч^–1, в нерабочую часть суток 0,5 ч^–1;
• система вентиляции центральная механическая;
• система отопления водяная двухтрубная с вертикальными стояками;
• управление расходом тепловой энергии осуществляется в автоматизированном узле управления;
• применены следующее энергосберегающее оборудование, технологии и мероприятия: утилизация теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного посредством пластинчатого теплообменника; устройство комнатных контроллеров; устройство персональной вентиляции. Коэффициенты эффективности указанных энергосберегающих решений представлены в таблице.

Результаты расчетов эффективности различных энергосберегающих решений приведены на диаграмме.

Вывод

Разработанный метод экспресс-оценки эффективности энергосберегающих решений позволяет оперативно оценить вклад в снижение теплопотребления конкретного здания энергосберегающих решений и может быть использован для определения класса энергоэффективности зданий, для рейтинговой оценки зданий в системе зеленого строительства и исследования теплового баланса зданий.

Литература

1. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М. : АВОК-ПРЕСС, 2012.
2. СП 50.13330.2012: СНиП 23-02–2003 Тепловая защита зданий: введ. в действие 01.07.2013/ Минрегион России. М. : Минрегион России, 2013.
3. Marion W., Urban K. User’s Manual for TMY2s – Typical Meteorological Years: Derived from the 1961–1990 National Solar Radiation Data Base. National Renewable Energy Laboratory, 1995.
4. СП 60.13330.2012: СНиП 41-01–2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: введ. в действие 01.01.2013/ Минрегион России. М. : Минрегион России, 2013.