Энергоэффективные здания –
комплексное решение для систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения

В. Л. Грановский, канд. техн. наук, технический директор ООО «Данфосс», otvet@abok.ru

Энергоэффективность систем отопления

Основным фактором, определяющим энергоэффективность систем отопления, является их способность обеспечить подачу строго необходимого количества тепла в нужное время и в нужное место в зависимости от внешних условий и потребности жильца. Эта способность может быть реализована за счет комплексного регулирования параметров теплоносителя, начиная от ввода в здание и кончая отопительными приборами.

Эффективность регулирования выражается через коэффициент эффективности авторегулирования ξ в уравнении (1), описывающем удельный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию.

(1)

Исходные данные для расчета удельного теплопотребления в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 Сводная таблица исходных данных для расчета удельного теплопотребления в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения

Величины Обозначения Единицы Числовые значения Kt Приведенный трансмиссионный коэффициент теплопередачи через наружные ограждения Вт/(м2 0С) 0,419 Kinf Условный инфильтрационный коэффициент теплопередачи Вт/(м2 0С) 0,519 Dd Градусо-сутки отопительного периода 0С•сут 4940 Asume Общая площадь наружных ограждающих конструкций отапливаемой части здания м2 16281 Qyint Бытовые теплопоступления в течение отопительного периода кВт•ч/год 754775 Qyins Теплопоступление от солнечной радиации в течение отопительного периода кВт•ч/год 287714 υ Коэффициент снижения теплопоступления за счет тепловой инерции конструкций здания - 0,8 [1] ε Коэффициент эффективности регулирования подачи теплоты в системах отопления - см. табл. 2 β Коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления - 1,07 f Коэффициент эффективности индивидуального учета - 0,1 Ahdes Общая площадь квартир здания м2 15261 tout Расчетная температура наружного воздуха 0С –28 tin Расчетная температура воздуха в помещениях 0С 20 touty Средняя за отопительный период температура наружного воздуха 0С –3,1 n Продолжительность отопительного сезона сут 214 Lнорм Нормируемый расход приточного воздуха м3/час 30 G Расход горячей воды на одного жителя л/с 100 tвод.нач Начальная температура холодной воды за отопительный, переходный и летний периоды 0С 5, 10 и 15 Θгвс Эффективность утилизатора – экономически оптимальная для принятого типа утилизатора - 0,4 tвод.утил Температура воды после теплоутилизатора при соответствующих значениях tвод.начи  Θоб.гвс 0С 11,14 и 17 tвод.норм Нормируемая температура горячей воды 0С 60 tвозд.удал Температура удаляемого воздуха 0С 20

В табл. 2 приведены две версии шкалы изменения коэффициента ξ в зависимости от конструкции систем отопления и уровня их оснащенности средствами авторегулирования. Одна из них – по данным работы [1], вторая – предложенная автором статьи на основе имеющегося опыта применения автоматики регулирования систем отопления [2] и позволяющая более точно учесть влияние указанных факторов на энергоэффективность систем отопления.

Таблица 2 Значения коэффициента ξ в зависимости от оснащенности системы отопления средствами авторегулирования
Тип системы отопления Уровень оснащенности СО автоматикой регулирования А B C D E F Вертикальная однотрубная 0,50/0,50 0,70/0,70 0,75/0,90 0,80/– 0,85 0,90 Вертикальная двухтрубная 0,50/0,50 0,70/0,70 0,80/0,95 0,90/– – 0,95 Горизонтальная периметральная 0,50/0,50 0,70/0,70 0,80/0,95 0,95/– – – Горизонтальная лучевая 0,50/0,50 0,70/0,70 0,85/1,00 1,00/– – –
Примечания: В числителе – шкала, предложенная автором статьи, в знаменателе – шкала по данным работы [1]. Обозначения в таблице: А – регулирование центральное в ЦТП или котельной; В – авторегулирование на вводе в здание; С – то же + термостаты на отопительных приборах; D – то же + балансировочные клапаны на стояках вертикальных систем и на вводе в квартиру в горизонтальных системах; E – то же + контроль температур на стояках в вертикальных однотрубных системах; F – то же + теплоизоляция стояков в вертикальных системах отопления.

Как видно, значения коэффициента ξ для разных конструкций систем отопления при одном и том же их оснащении средствами автоматики отличаются. Поясним причины отличия на примере данных в колонке C табл. 2, где начинается это различие. Из таблицы следует:

Для вертикальной однотрубной системы отопления коэффициент ξ имеет наименьшее значение, поскольку процесс регулирования теплоотдачи отопительных приборов в этих системах близок к позиционному, что менее эффективно, чем при регулировании по пропорциональному закону; кроме того, имеются открытые вертикальные стояки с нерегулируемой теплоотдачей. Оба эти фактора снижают эффективность вертикальной однотрубной системы отопления по сравнению с другими системами.

Вертикальная двухтрубная система отопления эффективнее однотрубной за счет более точного соблюдения пропорционального закона регулирования теплоотдачи отопительных приборов, однако менее эффективна, чем горизонтальная двухтрубная система, поскольку имеет открытые вертикальные стояки с нерегулируемой теплоотдачей.

Горизонтальная периметральная система отопления менее эффективна, чем горизонтальная лучевая, поскольку значительные потери давления в трубопроводах периметральной разводки снижают долю потерь давления, приходящуюся на терморегуляторы, что уменьшает эффективность регулирования системы.

Горизонтальная лучевая система отопления – наиболее эффективный из рассмотренных вариантов систем отопления.

Для корректного расчета величины потребления тепловой энергии на отопление необходимо также правильно определить значение коэффициента β, входящего в уравнение (1) и учитывающего дополнительное теплопотребление системы отопления, связанное с ее конструктивными особенностями. Согласно данным работы [1], для многосекционных и протяженных зданий коэффициент β обычно принимается равным 1,13, т. е. затраты тепла на отопление при расчете увеличивают на 13% – значительное и не всегда оправданное увеличение. Поясним это на примере конкретного принятого к рассмотрению здания.

Коэффициент β учитывает следующие факторы [1]:

• дискретность номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов (для системы отопления с термостатами этот фактор не должен учитываться, поскольку термостаты погасят избыток тепла или скомпенсируют его недостаток);
• дополнительные теплопотери через зарадиаторный участок наружной стены (для системы отопления с радиаторами этот фактор должен учитываться в полном объеме; для систем отопления с конвекторами его влияние минимально; для отопительных приборов с экраном на тыльной поверхности этот фактор учитываться не должен);
• теплопотери стояков, проходящих через неотапливаемые помещения (в принятом для расчета здании таких стояков нет, следовательно, этот фактор не учитывается);
• повышение температуры воздуха в угловых помещениях (данный фактор принимается к расчету).

В результате для расчета q^y_h принято пониженное, по сравнению с рекомендованным в [1], значение коэффициента β = 1,07, т. е. для конкретного здания с конвекторами в системе отопления затраты тепла на отопление только за счет корректной оценки особенностей здания снижены на 6% по сравнению с рекомендуемыми 13%.

Основываясь на результатах анализа коэффициентов ξ и β, рассчитаем по формуле (1) удельное потребление тепловой энергии на отопление для рассматриваемых четырех типов систем, приняв коэффициент β = 1,07 и коэффициент ξ, соответствующий двум уровням значений (см. табл. 2):

• максимальному значению для каждой из систем,
• значению, соответствующему оснащению каждой из систем только ИТП (АУУ) и термостатами (колонка С в табл. 2) – упрощенный, но достаточно распространенный вариант оснащения.

Результаты расчета представлены в табл. 3.

Таблица 3 Удельный расход тепла на отопление и вентиляцию
Тип системы отопления ξ qyh Эффект,% кВт·ч/м2 % Любая, без авторегулирования 0,50 88,1 100 0 Вертикальная однотрубная 0,90/0,75 65,1/75,0 74,0/85,1 26,0/14,9 Вертикальная двухтрубная 0,95/0,80 63,8/72,0 72,5/81,7 27,5/18,3 Горизонтальная периметральная 0,95/0,80 63,8/72,0 72,5/81,7 27,5/18,3 Горизонтальная лучевая 1,00/0,85 61,6/69,0 70,0/78,3 30,0/21,7
Примечание: в числителе – полное оснащение системы отопления средствами регулирования; в знаменателе – только ИТП (АУУ) и термостаты (колонка С, табл. 2).

 

Из данных табл. 3 следует:

• наличие в системе отопления только ИТП (АУУ) и термостатов снижает затраты тепла на 15–21% по сравнению с базовым вариантом;
• оснащение системы отопления средствами регулирования в соответствии с максимальным уровнем обеспечивает снижение затрат тепла на 26–30% по сравнению с базовым вариантом;
• влияние типа/конструкции системы отопления на ее энергоэффективность незначительно и находится в пределах 4–6% при одном и том же уровне оснащения систем средствами регулирования.

Выводы

1. Основным фактором, влияющим на энергоэффективность системы отопления, является уровень ее оснащения средствами авторегулирования.
2. Конструкция системы отопления при соответствующем оснащении средствами авторегулирования мало влияет на энергоэффективность.
3. При выборе конструкции системы следует в первую очередь руководствоваться конструктивными особенностями здания, затратами электроэнергии на прокачку теплоносителя, капитальными затратами, удобством эксплуатации и ремонта систем и пр.

Энергоэффективность систем вентиляции

Здания рассматриваемого типа обычно оснащаются наиболее простой и дешевой системой вентиляции: естественная вытяжка и неорганизованный приток через оконные щели, форточки или фрамуги. Однако сегодня, когда закрытое окно стало практически герметичным, а жильцы достаточно часто разрушают вытяжные короба, данная конструкция системы и данный принцип вентиляции себя изжили.

При неработающей вентиляции невозможно говорить не только об энергоэффективности системы вентиляции, но и об эффективности системы отопления, поскольку весь эффект от регулирования «вылетает в окно» при неорганизованном вынужденном проветривании.

Сомнения возникают и относительно эффективности теплого чердака, поскольку в нем невозможно получить нормируемую температуру воздуха. Как следствие – охлаждение потолка в квартирах последнего этажа, повышенные теплопотери и появление плесени.

Однако в проектах продолжает присутствовать формальный расчет системы вентиляции, а в системе отопления предусматривается необходимый запас мощности на нагрев приточного воздуха в нормируемом объеме.

Выходом из этой ситуации, на наш взгляд, является переход на механическую централизованную вытяжную вентиляцию и децентрализованный приток через специальные клапаны в рамах окон или наружных стенах. Это позволит сохранить эффект, получаемый при автоматизации работы систем отопления, полноценно заработает теплый чердак и появится возможность использовать потенциал энергосбережения, имеющийся в системе вентиляции, в частности:

• использование режима вентиляции «по требованию»,
• утилизация теплоты вытяжного воздуха.

Режим вентиляции «по требованию»

Сегодня система вентиляции рассматриваемых типов зданий рассчитывается на постоянную круглосуточную подачу в помещения нормируемого объема приточного воздуха. На его подогрев тратится соответствующее количество тепла, подаваемого в систему отопления. Однако реальная потребность в приточном воздухе значительно меньше, поскольку в разрезе суток количество людей в здании меньше расчетного.

Известно техническое решение, учитывающее этот фактор, – это так называемые системы вентиляции с притоком «по требованию» [3]. Индикатором такого «требования» могут быть квартирные датчики (СО₂, температуры, влажности или др.), дающие команду на открытие или закрытие вытяжных устройств, установленных в каждой квартире. Такую команду могут подавать и сами жильцы, с учетом их индивидуальной потребности. При отсутствии людей система вентиляции должна обеспечивать минимальный воздухообмен для ассимиляции вредностей, выделяющихся из мебели и других вещей, согласно нормативам [4].

Изменение расхода воздуха в любой из квартир в таких системах не влияет на воздухообмен соседних квартир, поскольку в сборном вытяжном воздуховоде поддерживается постоянное давление (разрежение). Это обеспечивается установкой в устье вытяжного сборного воздуховода вентилятора с двигателем, оснащенным частотным регулятором. Контроль давления в воздуховоде осуществляется датчиком давления.

На рис. 1 представлена принципиальная схема системы вентиляции «по требованию», а на рис. 2 – принцип поддержания постоянства давления в воздуховоде путем изменения частоты вращения двигателя вентилятора.

Рисунок 1. Принципиальная схема системы вентиляции «по требованию» и утилизации теплоты вытяжного воздуха: 1 – крышный вентилятор с частотным регулятором; 2 – рекуператор «вода – воздух» (теплая сторона); 3 – вытяжной диффузор с авторегулированием (tвн, CO, влажность); 4 – центральный вытяжной воздуховод (P = const); 5 – кран системы ГВС; 6 – циркуляционный насос системы рекуперации; 7 – датчик контроля давления; 8 – датчик контроля воздуха в помещении; 9 – приточный воздух (децентрализованный приток); 10 – трубопроводы системы рекуперации; 11 – теплообменник контура ГВС в ИТП; 12 – рекуператор «вода – вода» (холодная сторона)

Рисунок 2. Динамика работы системы вентиляции в режиме «по требованию» [5]: СВ1 – характеристика системы вентиляции, текущая; СВ2 – то же, требуемая; В1 – характеристика вентилятора, текущая; В2 – то же, требуемая; 1 – расход воздуха, текущий; 2 – то же, требуемый

Количество теплоты, необходимое для нагрева приточного воздуха, определяется условным коэффициентом теплопередачи K_inf в формуле (1), учитывающим теплопотери за счет инфильтрации и вентиляции и включающим в себя величину расхода приточного воздуха.

Определим удельное годовое потребление тепла на подогрев приточного воздуха для следующих условий:

• расход приточного воздуха:
  • - максимальный – L_норм,
  • - частичный – 0,75L_норм,
  • - минимальный – 0,50L_норм;
• коэффициент эффективности авторегулирования (табл. 2):
  • - средний из максимальных для четырех рассматриваемых типов систем отопления – ξ = 0,95,
  • - минимальный, для любой нерегулируемой системы отопления – ξ = 0,50.

Результаты расчета представлены в табл. 4 (колонки 3, 4 и 5)*.

Таблица 4 Удельное годовое потребление тепловой энергии для нагрева приточного воздуха
Показатели ξ Расход приточного  воздуха, м3/ч Lнорм (30,0) 0,75Lнорм (23,0) 0,5Lнорм (15,0) Lр (20,5) 1 2 3 4 5 6 Удельный расход тепловой энергии на системы ОВ, кВт·ч/м2 0,50 88,10 72,00 57,00 68,10 0,95 63,80 49,20 33,30 44,40 Экономия, сравнение с базовым решением, % 0,50 0 18,30 35,30 22,80 0,95 27,60 44,00 62,00 49,60
Примечание: при ξ = 0,50 – система отопления без регулирования, эффект только в системе вентиляции; при ξ = 0,95 – система отопления с регулированием, эффекты совместно в системе отопления и вентиляции; Lр – рекомендуемый расчетный расход приточного воздуха, м3/ч.

Как видно из табл. 3, снижение удельного расхода приточного воздуха позволяет получить значительную экономию тепловой энергии:

• 18–35% – только для системы вентиляции (при ξ = 0,50),
• 44–62% – совместно, в системах отопления (при ξ = 0,95) и вентиляции.

Естественно, возникает вопрос об определении рекомендуемого расчетного расхода приточного воздуха (L_р) в системе вентиляции в течение отопительного периода. По данным работы [5], для аналогичного здания распределение расхода приточного воздуха по времени составляет:

• максимальный (L_норм) – 10% времени года;
• частичный (0,75L_норм) – 40% времени года,
• минимальный (0,50L_норм) – 50% времени года.

Приняв данное распределение за основу, определим удельную тепловую нагрузку систем отопления и вентиляции и рекомендуемый расчетный расход приточного воздуха – средний за отопительный период.

Как видно из табл. 4 (колонка 6), расчетный расход составил L_р = 20,5 м ³/ч, т. е. на ~30% меньше нормируемого, а экономия тепловой энергии при этом расходе, общая для систем отопления и вентиляции, составляет 22,8–49,6%, в зависимости от степени автоматизации системы отопления.

Выводы

1. В рассматриваемых зданиях следует предусматривать централизованную механическую вытяжку и естественный децентрализованный приток, что обеспечит эффективность мероприятий по энергосбережению, как в системе вентиляции, так и в системе отопления.
2. Система вентиляции должна функционировать в режиме воздухообмена «по требованию», что обеспечит снижение расхода приточного воздуха, ориентировочно на 30% по сравнению с нормируемым.
3. Экономический эффект только в системе вентиляции «по требованию» составляет 22,8%, а общий для системы отопления и вентиляции – до 49,6%, в зависимости от уровня автоматизации системы отопления.

Утилизация теплоты вытяжного воздуха

Вытяжной воздух содержит значительный потенциал тепла. Традиционно эту теплоту стараются использовать для нагрева приточного воздуха. Однако в рассматриваемой схеме системы вентиляции (центральная механическая вытяжка и децентрализованный приток) нагрев приточного воздуха за счет утилизации теплоты удаляемого воздуха конструктивно невозможен. Представляется, что в данном конструктивном варианте системы вентиляции наиболее рационально использовать теплоту удаляемого воздуха для предварительного нагрева холодной воды, поступающей в систему горячего водоснабжения.

Для рекуперации необходимо использовать теплоутилизатор с промежуточным теплоносителем. В устье вытяжных воздуховодов устанавливаются теплообменники-рекуператоры типа «воздух – вода», а в ИТП, в тракте ГВС перед теплообменником первой ступени подогрева устанавливается теплообменник-рекуператор типа «вода – вода» (см. рис. 1). Опыт реализации такой схемы рекуперации уже имеется. В частности, компания «Инсолар» реализовала такую схему рекуперации в одном многоквартирном экспериментальном доме. Кроме того, «Данфосс» и «Инсолар» разработали конструкцию ИТП с теплообменниками предварительного нагрева холодной воды за счет теплоты удаляемого воздуха.

Оценим эффективность данной схемы рекуперации.

Среднечасовой расход тепловой энергии на ГВС за отопительный период составляет:

Q_hw = [V_hw ∆t(1 – C) n / m] / 24, кВт, (2)

где
∆t– разность температур воды, подаваемой в ГВС и из ХВС:

∆t = t_{вод.норм} – t_{вод.нач}, °C. (3)

При использовании теплоутилизатора данная разность температур трансформируется в следующее выражение:

∆t_утил = t_{вод.норм} – t_{вод.утил}, °C, (4)

где
t_{вод.утил}– температура воды после теплоутилизатора, °C.

Эта температура может быть определена из выражения (5) через эффективность теплоутилизатора по тракту ГВС, выраженную через общий относительный перепад температур:

(5)

откуда

(6)

где
t_{возд.удал}– температура удаляемого воздуха, °C.

Результаты расчета q_hw приведены в табл. 5.

Таблица 5 Сводные данные по энергоэффективности мероприятий в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения
Системы Условия сравнения qyh  (ОВ) qhw (ГВС) Σq ξ L, м3/ч Θгвс кВт·ч/м2 % кВт·ч/м2 % кВт·ч/м2 % Базовые 0,50 Lнорм = 30,0 0 88,1 – 67,8 – 155,9 – Эффективные 0,95 Lр = 20,5 0,4 44,4 49,6 54,4 19,7 98,8 36,6

Из табл. 5 следует, что эффект от утилизации теплоты удаляемого воздуха для предварительного нагрева холодной воды для нужд ГВС составляет 19,7%. Общий эффект от рассмотренных выше мероприятий по энергосбережению в системе отопления, вентиляции и горячего водоснабжения составил 36,6%.

Класс энергоэффективности здания мы здесь не определяем, поскольку в статье рассматривается лишь принципиальный подход к обеспечению энергоэффективности здания бюджетного сегмента строительства. Однако очевидно, что здания с таким эффектом энергосбережения следует отнести к одному из самых высоких классов энергоэффективности.

Выводы

1. Для обеспечения требуемого уровня энергоэффективности здание должно быть оснащено:
   • системой отопления с уровнем автоматизации ξ = 0,9÷1,0,
   • системой вентиляции с воздухообменом «по требованию» (L_р < L_норм),
   • системой рекуперации тепла удаляемого воздуха,
   • системами индивидуального учета всех потребляемых ресурсов и расчетом с жильцами по факту их потребления.
2. Уровень энергоэффективности системы отопления определяется в основном степенью ее оснащения автоматикой регулирования и мало зависит от конструкции системы при идентичном оснащении.
3. При отсутствии системы вентиляции или ее некорректной работе невозможно обеспечить требуемый уровень энергоэффективности здания.

Литература

1. Матросов Ю.А. Энергосбережение в зданиях. Проблемы и пути решения. М. : НИИСФ, 2008.
2. Грановский В.Л. Энергоэффективные системы отопления: тенденции, практика, проблемы // АВОК. – 2011. – № 8.
3. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома ТР АВОК-4–2004. М., 2004.
4. ГОСТ Р 30494‑2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
5. Klaus Eppe, Mathias Paul, Zentrale Abluftanlagen mit wohnungsweise veränderlichen volumenströmen, HLH Bd. 55 (2004) Nr. 2.

.