CC BY
24
УДК 697.1
Экспериментальное исследование затрат тепловой энергии на отопление индивидуального жилого дома
А. В. Уваров,
Инженерно-строительный институт ФГБОУ ВПО ОГАУ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
А. В. Семёнов,
Инженерно-строительный институт ФГБОУ ВПО ОГАУ
Рассматривается проблема повышения класса энергетической эффективности жилищного фонда на примере сокращения затрат тепловой энергии на отопление индивидуального жилого дома в г. Орле. Рассмотрены мероприятия по снижению потребления природного газа на отопление и повышению класса энергоэффективности жилого дома.
Ключевые слова: энергетическая эффективность зданий, расход газа, отопление, класс энергоэффективности.
Актуальность проблем повышения энергетической эффективности зданий, строений и сооружений в Российской Федерации не вызывает сомнений. При этом основным первичным источником тепловой энергии является природный газ. В связи с этим представляет определённый интерес цена этого энергоносителя и её изменение с течением времени (рис. 1).
Цена газа руб/куб.м
Прогноз
/
¡г
S?
Всего ро ст в 8 раз
Дата наблюден
19.04.2001 14.01.2004 10.10.2006 06.07.2009 01.04.2012 27.12.2014 22.09.2017
Рис 1. Динамика стоимости природного газа для населения в г. Орле
Сплошная линия на рис. 1 построена по результатам изменения фактической цены природного газа в г. Орле с 2002 по 2013 год, а пунктирная - результат аппроксимации данной зависимости с помощью встроенной функции Excel. С достоверностью 0,99 цена газа в г. Орле в ближайшее время превзойдет уровень в 5 руб. за 1 м3. Оснований для изменения этой тенденции в пятилетней перспективе не предвидится, и хотя до уровня мировой цены на природный газ ( 13,5 руб. за 1 м3) ещё далеко, даже настоящий уровень цены на газ приводит к денежным затратам на отопление в размере 50 руб. за 1 м2
отапливаемой площади при отсутствии приборов учёта. То есть за отопительный период 2013-2014 гг. владелец жилого дома площадью 100 м2, не имеющий счётчика газа, заплатит не менее 35 тыс. руб. только за отопление.
Любопытно, что ст. 11, пункт 5, подпункт 4 Федерального закона № 261-ФЗ [1] выводит из числа объектов, требующих государственного обеспечения энергетической эффективности, индивидуальные жилые дома высотой до трёх этажей, предназначенные для проживания одной семьи. Однако строительные нормы и правила (СП 50.13330.2012) предусматривают для этих объектов требования к расходу тепловой энергии на отопление. Так, в табл. 13 [2] приводятся численные значения нормируемой характеристики расхода энергии на отопление малоэтажных одноквартирных зданий, численные значения которой находятся в пределах от 0,336 до 0,579 Вт/(м3-К).
В предшествующем Своде правил СНиП 23-022003 «Тепловая защита зданий» имеется табл. 8, где также приведены аналогичные нормируемые расходы тепловой энергии на отопление, однако в других единицах измерения (от 80 до 140 кДж/(м2-К-сут)). Если применить теорию размерностей, то эти значения будут соответствовать от 0,93 до 1,62 Вт/(м2-К). В то же время приводимые в [2] величины можно представить в виде удельных затрат энергии на 1 м2 отапливаемой площади, умножив их на высоту от пола до потолка. То есть при высоте потолка 2,75 м численные значения из табл. 13 [2] будут находиться в пределах от 0,92 до 1,59 Вт/(м2-К), что очень близко к аналогичным значениям из СНиП.
Величина qTр [2] предоставляет возможность расчётов нормативных значений тепловой энергии, расходуемой на отопление зданий за практически любой промежуток времени. При этом в качестве исходных данных требуется использовать разность нормативной температуры воздуха в помещении и температу-
6
5
4
3
2
0
ры атмосферного воздуха снаружи, а также отапливаемую площадь здания и длительность рассматриваемого промежутка времени:
Q = ql
-с
1000
(1)
где Q - энергия, затраченная на отопление здания, кВт-ч;
qотP - удельная характеристика расхода тепла [1], Вт/(м3-°С);
Fзд - отапливаемая площадь здания, м2; ^норм - нормативная температура воздуха в помещении, °С;
^нар- средняя температура атмосферного воздуха за рассматриваемый период времени, °С; h - высота от пола до потолка, м; т - длительность рассматриваемого промежутка времени.
В формуле (1) неопределённость вызывает лишь одна величина, а именно средняя температура атмосферного воздуха за рассматриваемый период. Тем не менее, в большинстве районов Российской Федерации гидрометеорологической службой обеспечивается периодический мониторинг численных значений температуры атмосферного воздуха (информация о суточном ходе температуры воздуха и других метеорологических факторах размещена на сайтах www.rp5.ru,www.meteo.infospace.ru). Для г. Орла данную информацию можно проследить с 1999 года, что даёт возможность рассчитать соответствующие нормативные расходы энергии на отопление зданий в зависимости от фактической температуры воздуха за пятнадцать прошедших лет.
Одновременно с расчётами нормативных значений для оценки энергетической эффективности зданий необходимо получать фактические величины затрат энергии на их отопление, для чего имеется действующий межгосударственный стандарт ГОСТ 31168-2003 «Здания жилые. Метод определения удельного потребления тепловой энергии на отопление». Однако анализ показывает, что применение данного ГОСТа может привести к недостоверным результатам. Так, например, для определения солнечной радиации предлагаются четыре варианта времени измерения: 6; 12, 18 и 24 ч. Очевидно, что, например, зимой в 6, 18, и 24 ч интенсивность солнечного излучения в г. Орле будет равна нулю и измерять её с помощью пиранометра Янишевского нет никакого смысла. Кроме того, рекомендуемый пиранометр М80-М не выпускается промышленностью уже почти 30 лет. Есть и другие причины, которые указывают на возможные недопустимые погрешности рекомендуемых измерений. Их анализ будет приведен в наших дальнейших работах.
Тем не менее, в ряде случаев возможно достоверное экспериментальное определение затрат тепловой энергии на отопление зданий на основе действующей системы коммерческого учёта расхода газа. При наличии метрологически обеспеченного прибора учёта, например соответствующего счётчика, можно однозначно определить энергию, выде-
ляющуюся при сгорании природного газа. Именно эта энергия используется и оплачивается потребителями.
Точное определение количества энергии, выделяющейся при сгорании газа, представляет собой весьма сложную техническую задачу. Существует ГОСТ 31369-2008 «Газ природный. Вычисление теплоты сгорания», однако для наших расчётов возможно использовать величину 7900 ккал/м3 или 33,076 МДж/м3, приведённую в [3].
Рассмотрим предлагаемую методику на частном примере стандартного каркасного жилого дома из фанерных щитов с внутренним утеплителем, построенного в г. Орле в 1955 году. В 1975 году к дому было пристроено помещение кухни размерами 6,8x3,2 м2 в плане, стены которого толщиной 0,25 м сложены из силикатного кирпича. Общая отапливаемая площадь составляет 86,5 м2, а высота потолка 2,75 м. С 1975 года дом отапливается природным газом с помощью генератора типа АОГВ. С 1999 года данный дом оснащён узлом учёта, показанным на рис. 2. Показания счётчика Gallus 2000 ежемесячно регистрировались в журнале учёта и служили основанием для оплаты за израсходованный газ. Кроме АОГВ в доме функционировали газовая кухонная плита и колонка.
Рис. 2. Узел учёта газа
Численные значения результатов наблюдений представлены в табл. 1.
Из табл. 1 следует, что до 2010 года итоговые колебания расходов газа имели случайный характер, в основном соответствующий колебаниям интегральных метеорологических условий. Среднее значение годового расхода газа за первые 11 лет наблюдений составило 5,76 тыс. м3 при максимальном расходе - 6, 2 тыс. м3 в 1999 году и минимальном - 5,37 тыс. м3 в 2001 году. Начиная с 2010 года наблюдается явное уменьшение затрат энергии, объясняемое использованием различных мероприятий по энергосбережению, в результате которых в 2012 году всего было израсходовано чуть больше 3,5 тыс. м3, а в текущем 2013 году (на момент принятия настоящей статьи к публикации) ожидаемый расход газа будет меньше 2,5 тыс. м3.
Следует отметить, что официальный отопительный период в г. Орле начинается 1 октября и завершается 30 апреля следующего года, однако индивидуальные домовладельцы имеют возможность вклю-
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru
№2 (56)2014, март-апрель
Таблица 1
Показатели расхода газа по счётчику (г. Орёл, пер. Шевцовой, д. 3)
Месяц Ежемесячный расход газа по годам наблюдений, м3
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Январь 900 770 650 1000 878 800 756 976 751 931 851 1052 716 675 537
Февраль 900 951 885 830 900 797 847 930 833 773 714 782 720 733 405
Март 800 706 645 620 900 618 831 790 547 683 712 704 612 568 484
Апрель 490 480 380 460 532 487 450 490 498 411 469 418 321 265 119
Май 410 325 220 210 200 260 192 299 270 328 304 114 106 77 61
Июнь 200 167 155 370 176 125 128 137 87 160 114 68 53 83 48
Июль 130 100 100 160 134 118 110 109 92 102 94 62 67 79 58
Август 160 120 140 210 150 107 114 122 95 145 123 75 57 72 55
Сентябрь 290 280 200 130 247 232 190 285 299 372 209 226 195 125 66
Октябрь 380 500 487 260 582 499 510 508 490 465 462 458 356 202 92
Ноябрь 765 560 714 684 662 700 688 627 749 654 573 420 526 241 140
Декабрь 776 720 792 1008 800 850 862 679 842 788 839 677 553 415 -
Итого 6201 5679 5368 5942 6161 5593 5678 5952 5553 5812 5464 5056 4282 3535 -
чать систему отопления в любое время года и пользуются этим в периоды весенне-летних и осенних похолоданий. Кроме того, обычно в доме устанавливается лишь один общий счётчик газа, который учитывает расход газа не только на отопление, но и на подогрев холодной водопроводной воды для хозяйственных нужд, а также затраты газа на кухонной плите. Эти соображения объясняют приближённый характер дальнейших расчётов. Тем не менее, даже такие цифры представляют интерес не только для
потребителей, но и других заинтересованных специалистов.
Для ориентировочных расчётов затрат на отопление рассматриваемого дома примем ежемесячный расход газа на хозяйственные нужды по каждому году равным константе, рассчитанной как среднее арифметическое за три летних месяца, когда система отопления практически не работает. Тогда затраты газа на отопление можно рассчитать как разность между общим расходом и расходом на хозяйственные нужды.
Таблица 2
Теплотехнические параметры энергоэффективности дома
Параметры Расход газа, другие параметры и энергетическая характеристика дома с 1999 по 2013 гг.
19992000 20002001 20012002 20022003 20032004 20042005 20052006 20062007 20072008 20082009 20092010 20102011 20112012 20122013
Полный расход газа, м3 4828 4340 4903 5162 4746 4933 5246 4443 4879 4653 4830 3924 3676 2403
Отопление, м3 3862 3374 3937 4196 3780 3967 4280 3477 3913 3687 3864 3469 3221 1948
t, °С, ср. нар. 1,72 1,09 0,24 -3,46 0,16 -0,68 -2,12 1,41 1,08 0,58 -1,4 -1,46 -0,64 -0,95
°С вн. возд. 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 25 25 23
At, °С 24,28 24,91 25,76 29,46 25,84 26,68 28,12 24,59 24,92 25,42 27,4 26,46 25,64 23,95
ц, Вт/(м2-°С) 1,082 0,925 1,044 0,973 0,995 1,016 1,040 0,966 1,068 0,991 0,963 0,896 0,854 0,556
Отклон., % 103 73 96 82 86 90 95 81 100 86 80 68 60 4
V м3 у норм*' 1565 1611 1683 1999 1698 1762 1884 1584 1619 1654 1823 1828 1767 1785
ДV, м3 -2297 -1763 -2254 -2197 -2082 -2205 -2396 -1893 -2294 -2033 -2041 -1641 -1454 -163
щ м а ки а мига рмш а м а еж м; i и ми га; i м a WS5 □ g м м м i i в ;.шша
В табл. 2 представлены параметры, характеризующие энергетическую эффективность рассматриваемого дома в течение 14 отопительных периодов с 1999 по 2013 гг. В первой строке представлены данные по общему расходу природного газа с 1 октября по 30 апреля каждого года наблюдений; во второй строке - расчётные данные расхода газа на отопление; в третьей - средние температуры наружного воздуха в отопительные периоды; в четвёртой - средние температуры внутреннего воздуха в помещении; в пятой - расчётная разность температур воздуха; в шестой - расчётная удельная характеристика тепловой эффективности; в седьмой - её отклонение от нормативной величины в процентах; в восьмой - расчётный нормативный расход газа на отопление; в девятой - перерасход газа по отношению к расчётному.
Анализ показал, что до 2012 года рассматриваемый дом относился к классу энергоэффективности Е и требовал реконструкции с позиций энергосбережения, хотя уже в 2011 году наметилось явное снижение затрат энергии на его отопление: осенью 2010 года в доме был установлен современный двух-контурный котел Вах1 (рис. 3) мощностью 24 кВт и КПД 92 %, далее в 2011 году в доме были установлены пластиковые окна. Но наибольший эффект по энергосбережению был отмечен в 2012 году после тепловой изоляции стен кухни и установки терморегулятора с установкой температуры воздуха в помещении на уровне 23,5 °С. В настоящее время дом уже соответствует классу энергоэффективности С.
Таким образом, в частном секторе при отоплении индивидуальных жилых домов имеется определённый потенциал энергосбережения. С помощью реальных мероприятий можно существенно повысить класс энергетической эффективности дома. Мониторинг затрат газа на отопление позволяет с достаточной достоверностью оценить энергоэффективность домов, оснащённых приборами учёта газа.
Литература
1. Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ (ред. от 02.07.2013) «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
2. Свод правил СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (утв. приказом Министерства регионального развития РФ от 30 июня 2012 г. № 265).
3. Постановление Правительства РФ № 306 от 23.05.2006 «Правила установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг».
Case study of thermal energy consumption for residential house heating А. V. Uvarov,
Engineering Building Institute of Orel State Agrarian University, Ph.D., leading researcher А. V. Semyonov,
Engineering Building Institute of Orel State Agrarian University
We consider the problem of energy efficiency rate increasing applying for residential houses. The way of energy efficiency rate increasing is to reduce thermal energy consumption for heating. We analyze some measures to achieve the goal of energy efficiency rate increasing on example of the residential house in the city of Orel.
Keywords: energy efficiency of buildings, gas consumption, heating, energy efficiency rate.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.aidf.nt
№2 (56)2014, март-апрель
