Исходные данные для расчета годового теплопотребления зданий в России

В нашей стране законодательно закреплены показатели удельных внутренних теплопоступлений только для многоквартирных домов: в СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий». Для общественных зданий эти показатели отсутствуют, из-за чего расчет систем отопления этих зданий ведется в России по-прежнему, без учета этих теплопоступлений, что приводит к значительному перерасходу тепловой энергии, как было показано в [2].

Вероятно, метод установления удельных внутренних теплопоступлений теоретическим расчетом по отдельным составляющим, как это принято в [3] и поддержано в [4] и [5], не может быть объективным, поскольку основная часть теплопритоков связана с субъективным фактором, зависящим от человека.

Объективным решением следует считать не теоретические абстрактные расчеты, а обобщенный опыт анализа фактического теплопотребления большого количества эксплуатируемых офисов и извлечение из него усредненной величины внутренних теплопритоков, отнесенных к 1 м² полезной площади помещений (в многоквартирных домах – к площади жилых комнат). Такой путь принят в европейских странах, таким образом были определены нормативы бытовых тепловыделений в МКД России в 70-х годах прошлого столетия, скорректированные в начале этого века в [6].

В европейских странах, например в Германии, каждый год собираются данные об энергопотреблении всех эксплуатируемых общественных зданий, на базе этого рассчитываются общие показатели и вносятся в нормативные документы для использования в расчетах.

Примером может служить таблица G.12 ISO 13790:2008 [7], в которой приведены отдельно удельные показатели метаболических теплопоступлений от людей в Вт/м² и годового потребления электроэнергии, включая освещение и пользование электрическими приборами и оборудованием в кВт·ч/м². Мы дополнили эту таблицу объединением вышеприведенных данных в итоговую величину удельных внутренних теплопоступлений за отопительный период, с учетом того, что потребляемая электрическая энергия в процессе использования превращается в такое же количество тепловой энергии и что из-за короткого светового дня в этот период на освещение тратится энергии больше, чем в среднем за год.

Применительно к условиям России рассматриваемая таблица расширена, в связи с тем, что заселенность квартир в 40 м² на жителя, принятая в таблице G.12, у нас больше исключение, чем правило, так же как 20 м² на одного работающего в офисах. Таким жилым и офисным зданиям присваивается категория I и дополнительно вводится категория II с заселенностью в 20 м² общей площади квартир на жителя и 8 м² полезной площади помещений или примерно 6 м² расчетной площади на одного работающего в офисах, что соответствует норме заполняемости существующих зданий в России. Параметры показателей при промежуточных значениях заселенности находятся линейной интерполяцией.

Далее, учреждения здравоохранения разделены нами на больницы с меньшей площадью помещения, приходящейся на одного присутствующего: 20 и 10 вместо 30 м² на человека, поскольку минимальная норма площади в палатах общей терапии согласно СНиП 2.08.02–89 – 3,5 м²/чел., и поликлиники (с 10 м² полезной площади на человека), отличающиеся режимом эксплуатации. Измененная таблица G.12 (в тексте статьи – табл.), рекомендуемая для использования при расчете энергоэффективности в России, приведена ниже (красным шрифтом показаны изменения исходной таблицы G.12 из ISO 13790).

Следует отметить, что в статье [8] нами были проанализированы показатели для многоквартирных домов и было установлено совпадение удельных величин внутренних теплопоступлений в жилых домах, принимаемых в европейских и российских нормах, после приведения их к одному знаменателю по площади для получения удельных величин.

Для того чтобы установить, какова должна быть величина удельных внутренних теплопоступлений при вводимой нами новой колонке таблицы с нормой 8 м² полезной площади помещений офиса на человека, обратимся к таблице С.2 «Годовое потребление электрической энергии для офисной аппаратуры» из европейских норм EN 15603:2008.

В таблице С.2 приводится указанное энергопотребление в расчете на рабочее место в зависимости от энергоэффективности этой аппаратуры и полезной площади помещений, приходящейся на одного работника. При 20 м²/чел. эта величина составляет от 6 (с энергоэффективной аппаратурой) до 12 кВт·ч/м². Примем наполовину энергоэффективную аппаратуру с удельным годовым энергопотреблением 9 кВт·ч/м² и сравним с показателем удельного годового потребления электрической энергии на освещение и пользование электрическими приборами и оборудованием из таблицы G.12 при тех же 20 м²/чел.: q_E = 20 кВт·ч/м² (все обозначения в табл.). Отсюда следует, что на освещение приходится 20 – 9 = 11 кВт·ч/м² годового энергопотребления.

При уменьшении полезной площади помещений на работника из таблицы С.2 следует, что удельное энергопотребление офисной аппаратурой возрастает во столько же раз, во сколько происходит уменьшение площади. А удельные теплопоступления от источников света останутся практически неизменными, поскольку они определяются нормой освещенности, приходящейся на 1 м² площади пола помещения, и не зависят от количества работников в этом помещении.

Тогда при заявленной ранее минимальной норме заполнения помещений офиса из расчета 8 м² полезной площади на человека удельное годовое потребление электрической энергии на освещение и пользование электрическими приборами и оборудованием составит: q_E = 9 · 20 / 8 + 11 = 33,5 кВт·ч/м². Такое значение и включено в дополнительную колонку к гармонизируемой нами таблице G.12 для офисов категории II.

Для установления удельной величины внутренних теплопоступлений надо объединить теплопоступления от людей, от освещения и от пользования электроприборами и офисным оборудованием, причем удельное годовое потребление энергии необходимо преобразовать в часовое за рабочее время в отопительном периоде, поскольку внутренние теплопоступления неодинаковы в зимнее и летнее время из-за разной длительности светового дня.

Принимая увеличение теплопоступлений от освещения в отопительный период на 25 % по отношению к годовому, получаем повышающий коэффициент К_qE на величину q_E для офисов категорий I и II соответственно:

К_qE.1 = (9 + 11 · 1,25) / 20 = 1,14

и К_qE.2 = (9 · 20 / 8 + 11 · 1,25) / 33,5 = 1,08.

Сначала определим величину внутренних теплопоступлений за отопительный период Q_вн.от.п, кВт·ч/м², по формуле, выведенной в [8] (обозначения и вставляемые цифровые показатели из таблицы G.12 ISO 13790):

Q_вн.от.п = (Q_P / A_пол) · t_мет · z_от · 10^–3 + К_qE. · (q_E · f_E) × z_от / 365,
где Q_P – средняя величина метаболических теплопоступлений от человека, Вт/чел., принимаемая по табл.;
A_пол – полезная площадь помещений на человека, м²/чел.;
t_мет – время использования метаболических притоков в день, ч;
z_от – длительность отопительного периода в регионе, сут.;
q_E – удельное годовое потребление электрической энергии на освещение, использование электрическими приборами и оборудованием, кВт·ч/м²;
f_E – доля потребления электрической энергии в кондиционируемой части здания (в помещениях, относящихся к полезной площади здания).

Поделив оба слагаемых на длительность отопительного периода zот и время использования помещения в день (среднемесячное) при односменной работе в течение 5 дней в неделю t = 6 ч, а также пересчитав кВт в Вт, получим удельные внутренние теплопоступления в течение отопительного периода q_вн.от, Вт/м², которые при заданной в таблице полезной площади помещений офиса 20 м²/чел. и включенной нами 8 м²/чел. будут:

q_{вн.от. 20} = (Q_P / A_пол) · t_мет / t + К_qE.1 · (q_E · f_E) · 103 / (t · 365) =
= (80 / 20) · 6 / 6 + 1,14 · (20 · 0,9) · 103 / (6 · 365) = 13,4 Вт/м²;

q_{вн.от. 8} = (80 / 8) · 6 / 6 + 1,08 · (33,5 · 0,9) · 103 / (6 · 365) = 23,8 Вт/м².

В табл. 2 из [3] приводятся величины от 40 до 60 Вт/м² – в 2,5–3,0 раза больше, чем по европейским нормам! Соответственно, в летний период с учетом понижения теплопоступлений от освещения на 35 % по отношению к годовому из-за увеличения длительности светового дня понижающие коэффициенты на величину q_E будут:

К_qE.1.л = (9 + 11 · 0,65) / 20 = 0,81 и К_qE.2.л = (9 · 20 / 8 + 11 · 0,65) / 33,5 = 0,89, а удельные внутренние теплопоступления q_вн.ох, Вт/м², составят:

q_вн.ох.20 = (80 / 20) · 6 / 6 + 0,81 · (20 · 0,9) · 103 / (6 · 365) = 10,7 Вт/м²;

q_вн.ох.8 = (80 / 8) · 6 / 6 + 0,89 · (33,5 · 0,9) · 103 / (6 · 365) = 22,3 Вт/м².

Показатели удельных внутренних теплопоступлений за отопительный период включены нами дополнительной строкой в гармонизируемую таблицу G.12 ISO 13790. Там же приводятся такие же показатели для образовательных учреждений, больниц, поликлиник, предприятий общественного питания, складов, торговых, досуговых и спортивных сооружений. В отношении учреждений, работающих без выходных, часы их работы, в течение которых включено освещение и используются электрические приборы, значительно больше, чем 3–4 ч, указанные в таблице. Не работает же ресторан только 3 ч в день, а магазин 4 ч! Эти здания имеют нестабильную заполняемость; указанное количество часов соответствует длительности максимального заполнения зданий людьми в часах за целые сутки и относится к длительности теплопритоков от метаболических тепловыделений находящихся в помещениях людей.

В связи с изложенным в табл. добавлена строка «Время использования метаболических теплопритоков при 100 %-ной заполняемости в средний день месяца, tмет, ч.», значения которых перекочевали из строки «Время использования в день», а последняя строка совпадает по значениям с добавленной для зданий, которые имеют практически постоянную заполняемость в течение рабочего дня, с увеличением до фактического времени открытия с нестабильной заполняемостью. Применительно к нашим российским условиям увеличено число часов использования общеобразовательных школ с 4 до 5 ч в средний день за месяц.

Эти уточнения позволяют грамотно подойти к определению теплопотребления на отопление и охлаждение зданий и выполнять сравнение наших зданий с европейскими по показателю энергоэффективности, пока без учета климатических различий. В таком виде эта таблица вошла в стандарт СТО НОП 2.1–2014 «Требования к содержанию и расчету показателей энергетического паспорта проекта жилого и общественного здания», разработанный НП «АВОК» по заданию НОП, информация о котором приведена в [9].

Рассмотрим рекомендуемый воздухообмен для вентиляции помещений, приведенные в таблице G.12 ISO 13790. По многоквартирным домам величины минимального расхода наружного воздуха на человека практически совпадают с российскими нормами: в таблице G.12 q_вент = 28 м³/(ч·чел.), по СП 60.13330 – 30 м³/(ч·чел.). В офисах по таблице G.12 q_вент = 14 м³/(ч·чел.), что ниже не только наших норм: 40–60 м³/(ч·чел.) в зависимости от наличия естественного проветривания, – но и рекомендаций таблицы В.2 ЕН 15251:2007, где при средней величине загрязнения от самого здания и для категории требований II (новые здания) воздухообмен должен составлять 50 м³/(ч·чел.); правда, для категории требований III (существующие здания) минимальный воздухообмен определен в 28 м³/(ч·чел.).

В то же время, как уже было указано в [10], европейские показатели выше американского стандарта ASHRAE 62-1–2004 «Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality», по которому в офисах расход наружного воздуха принимается 20 м³/(ч·чел.), включающий 9 м³/ч (2,5 л/с) непосредственно на человека плюс 1,08 м³/ч (0,3 л/с) на 1 м² площади пола помещений, или при той же норме 10 м²/чел.

9 + 1,08 · 10 = 20 м³/(ч·чел.). Обоснование такого разительного расхождения в [11] представляется недостаточно убедительным.

На наш взгляд, противоречия заключаются в том, что определяющим вредным веществом в помещении является выдыхаемый людьми углекислый газ, СО₂, и он же принимается эквивалентом вредных веществ, генерируемых помещением (ограждения, мебель, ковры и т. п.). Но, в отличие от тепловыделений, которые мы суммируем, нельзя так же суммировать показатели выдыхаемого людьми углекислого газа с его эквивалентом, равным по вредности для здоровья человека, но представляющим собой различные газы, пары, микроорганизмы, табачный дым или некоторые аэрозоли, возникающие от продуктов жизнедеятельности людей, технологических процессов, мебели, ковров, строительных и декоративных материалов, поскольку нарушением является превышение заданной концентрации каждого вредоносного вещества. И количество наружного приточного воздуха, направляемого в помещение для разбавления до нужной концентрации углекислого газа, выдыхаемого людьми, может оказаться достаточным для разбавления других вредных веществ, например выделяемых от ограждений и мебели.

В подтверждение сказанного и в [11] указывается, что «весомость углекислого газа в суммарном показателе токсичности не превышает 20–40 %. Помимо традиционного изучения содержания углекислоты целесообразно исследование: а) продуктов метаболизма организма человека; б) токсичных выделений из строительных материалов; в) запыленности; г) бактериальной обсемененности; д) ионного режима помещений».

По изложенному выше принципу построена методика определения нормы воздухообмена для жилых зданий, приведенная в [12] и перешедшая в СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» – при заселенности здания в 20 м² и более общей площади квартир на жителя принимается норма воздухообмена в 30 м³/ч на человека, но не менее 0,35 об./ч от объема квартиры. До заселенности чуть больше 30 м²/чел. превалирующими являются выделения вредностей от людей, а при меньшей плотности заселения – от строительных материалов, мебели, ковров.

В табл. сохраняются нормы воздухообмена для вентиляции из таблицы G.12, дополненные увеличенными значениями на 1 м² общей площади при более плотном размещении сотрудников в офисах и пациентов в больницах, что позволяет методом интерполяции находить искомые значения с большей точностью.

Литература

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. Ливчак В. И. Почему перегреваются офисные здания и что делать? // АВОК. 2014. № 7.
3. Наумов А. Л. Оценка и роль теплозащиты общественных зданий // АВОК. 2009. № 7.
4. Малявина Е. Г. и др. Теплозащита офисного здания // АВОК. 2010. № 8.
5. Табунщиков Ю. А., Миллер Ю. В. Оценка годового расхода энергии на отопление и охлаждение // АВОК. 2013. № 3.
6. Ливчак В. И. Учет внутренних теплопоступлений в жилых домах // АВОК. 2013. № 6.
7. ISO 13790:2008 «Energy performance of buildings – Calculation of energy use for space heating and cooling» («Энергетическая эффективность зданий. Расчет потребления энергии для отопления и охлаждения»).
8. Ливчак В. И. Гармонизация исходных данных российских норм, определяющих величину внутренних теплопоступлений, с европейскими нормами // АВОК. 2014. № 1.
9. Ливчак В. И. Стандарт СТО НОП 2.1–2014 как практическая реализация повышения энергоэффективности зданий // Энергосбережение. 2015. № 2.
10. Ливчак В. И. О нормах воздухообмена общественных зданий и последствиях их завышения // АВОК. 2007. № 6.
11. Шилькрот Е. О., Губернский Ю. Д. Сколько воздуха нужно человеку для комфорта? // АВОК. 2008. № 4.
12. Стандарт АВОК-1–2004 «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена».