CC BY
96
УДК 69.03: 620.9
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ЖИЛИЩНОГО ФОНДА РЕГИОНА
Н.Л. Великанов1, С.И. Корягин2
Балтийский Федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. И.Канта),
236041, г. Калининград, ул. А.Невского, 14
Описаны общие требования к энергоэффективности зданий. Представлены результаты исследования коэффициента компактности для зданий, имеющих форму прямоугольной призмы. Строительный объем задан и постоянен, минимизируется площадь поверхности. Показатели приведены к безразмерному виду.
Ключевые слова: энергетическая эффективность, коэффициент компактности, охлаждающие поверхности, теплотехнические характеристики зданий
ENERGY EFFICIENCY OF AVAILABLE HOUSING OF REGION
N.L. Velikanov, S.I. Korjagin
Immanuel Kant Baltic Federal University (IKBFU), 236041, Kaliningrad, street A.Nevskogo, 14 The general requirements to power efficiency of buildings are described. Results of research of factor of compactness for the buildings having the form of a rectangular prism are presented. The total structural volume is set and constant, the surface area is minimised. Indicators are led to a dimensionless sort.
Keywords: energy efficiency, compactness factor, cooling surfaces, heat technical characteristics of buildings.
Согласно ГОСТ Р 51541-99 «Энергетическая эффективность. Состав показателей» эффективное использование энергетических ресурсов это - достижение экономически оправданной эффективности использования энергетических ресурсов при существующем уровне развития техники и технологии и соблюдении требований к охране окружающей среды. В отличие от энергосбережения (сбережение, сохранение энергии), главным образом направленного на уменьшение энергопотребления, энергоэффективность (полезность энергопотребления) - полезное (эффективное) расходование энергии.
Эффективное использование энергии приводит к ее экономии, сокращении выплат по счетам за коммунальные услуги, и защите окружающей среды как следствие уменьшения потребления энергоресурсов и сокращения выбросов парниковых газов [1 - 3].
Энергетический аудит - обследование источников производства энергии и потребителей ТЭР (топливно-энергетических ресурсов) предприятия или объекта ЖКХ (жилищнокоммунального хозяйства) с целью установления показателей эффективности использования
ТЭР и выработки экономически обоснованных мер по снижению их потребления.
Экономия достигается путем внедрения более экономичных схем и процессов, устранения недопустимых потерь энергии, использования постоянно действующей системы учета расхода и анализа энергопотребления (системы энергетического менеджмента).
Вступил в силу Федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности». Данным законом предусмотрено следующее:
• обязательный энергоаудит в бюджетных организациях, первый аудит должен быть проведен в течение ближайших трех лет;
• возможность заключать энергосервисные договора;
• обязанность снижать энергопотребление в сопоставимых условиях не менее чем на 3% в год в течение пяти лет.
Закон устанавливает конкретные сроки: до 1 января 2011 г. все юридические лица, госучреждения должны быть оснащены приборами учета энергетических ресурсов и не позднее, чем через месяц после их установки рассчитываться за потребленный ресурс на основании данных приборов учета.
1 Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии транспортных процессов и сервиса, БФУ им. И.Канта, тел.: 8 (4012) 33-82-84, e-mail: monolit8@yandex.ru;
2Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, директор института транспорта и технического сервиса, БФУ им. И.Канта, тел.: 8 (4012) 33-82-84, e-mail: SKoryagin@kantiana.ru.
До 1 января 2012 г. все собственники жилых домов и квартир в многоквартирных домах должны иметь приборы учета как для дома в целом, так и для каждой квартиры (кроме тепловой энергии) с правом обратиться в ресурсоснабжающую организацию за установкой приборов учета на условиях рассрочки платежа на 5 лет.
Для всех ресурсоснабжающих организаций вводится требование об организации с 1 июля 2010 г. деятельности по установке и эксплуатации приборов учета поставляемого ими ресурса для обслуживаемых ими потребителей.
Если потребитель в срок не установил прибор учета, ресурсоснабжающая организация в течение года обязана установить такой прибор учета, а потребитель оплатить связанные с этим расходы равными долями в течение 5 лет.
Вводится требование для производителей и импортеров маркировать продукцию по классам энергоэффективности: с 2011 г. - все бытовые энергопотребляющие устройства; с 2012 г.
- компьютерную и оргтехнику.
Одним из основных стимулов к повышению энергоэффективности естественных монополий, организаций коммунального комплекса является применение долгосрочных методов тарифного регулирования, в первую очередь, метода доходности инвестированного капитала. Тарифы будут устанавливаться на три года и более, с одновременным закреплением обязательств компаний по надежности и качеству предоставляемых услуг.
На субъекты Российской Федерации и муниципальные образования возложены функции координация и мониторинга работ по энергоэффективности на своей территории.
Сохранение жилищного фонда, повышение энергоэффективности зданий, модернизация и реконструкция застройки для средних и малых городов являются единственным путем предотвращения лавинообразного выхода из эксплуатации значительной части жилых зданий и системы инфраструктуры. Задержка в решении этого вопроса существенно повышает затратный механизм восстановительных работ и создает социальную напряженность ремонтов.
Для планирования и управления этими процессами необходимы проведение инвентаризации жилого фонда на предмет оценки физического и морального износа зданий, разра-
ботки долгосрочных программ по повышению эксплуатационной надежности зданий, восстановления энергосистем как наиболее изношенных элементов, способствующих созданию критических ситуаций, особенно в зимний период.
Федеральный закон №261 "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности" требует быстрых мер по повышению энергоэффективности этих зданий. На первом этапе все дома должны быть оснащены общедомовыми счетчиками. Затем, на втором этапе уже все квартиры должны иметь свои счетчики всех энергоресурсов. Считается, что установка приборов учета и оплата энергоресурсов по факту потребления будет способствовать решению задачи по повышению энергоэффективности каждого дома и снижению расходов по оплате ЖКУ жильцами. А кроме того система учета позволит накапливать данные для последующего анализа с целью выработки мероприятий по повышению энергосбережения и энергоэффективности, а также для оценки результатов этих мероприятий. Причём работа может вестись на всех уровнях: начиная от квартирного и домового (на уровне ТСЖ), и затем на уровне квартала, микрорайона, города, региона и на федеральном уровне.
Входящие почти в любое городское здание сети инженерно-технического обеспечения можно связать с основными каналами снабжения: электричество, газоснабжение, водопровод, отопление и горячее водоснабжение. В соответствующем помещении здания формируется входной узел, в этот узел устанавливается счетчик, который подсоединяется к контроллеру, данные с которого поступают на узел связи, как правило, GSM и далее по мобильной сети данные передаются на сервер с программным обеспечением учета.
Расходы энергоресурсов на строительство и эксплуатацию зданий и сооружений достигают 40-60 % от общих энергозатрат [3]. Результаты многочисленных исследований, посвященных изучению проблем энергосбережения, показывают, что наибольшее количество энергии тратится на отопление, горячее водоснабжение, покрытие потерь при транспортировке энергии, охлаждение воздуха в системах кондиционирования, искусственное освещение. Поэтому с момента выхода в свет серии нормативно-технических документов, в которых из-
ложены основные теплотехнические требования, предъявляемые ко всем строящимся и реконструируемым объектам, усилия проектировщиков были направлены на поиск технических решений, обеспечивающих повышение уровня тепловой защиты зданий и сокращения расходов на их эксплуатацию. Основная задача сегодня - возведение новых утепленных построек, которые позволят экономить энергетические ресурсы, а также реконструкция старого жилищного фонда при помощи современных энергосберегающих материалов.
Основные теплофизические требования, предъявляемые ко всем строящимся и реконструируемым объектам, изложены в СНиП 2302-2003 «Тепловая защита зданий» и в своде правил к нему СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий». В СНиП 23-022003 «Тепловая защита зданий» приведена классификация энергопотребляющих объектов в зависимости от степени отклонения расчетных или измеренных нормализованных значений удельных расходов тепловой энергии на отопление объекта от нормируемого значения.
Тепловые потери за счет конвекции и перетока воздуха через проемы наружной оболочки здания могут составлять значительную часть общих потерь тепла. Эта составляющая потерь может быть особенно велика для таких зданий, как школы, больницы, зрительные залы, в которых требуются повышенные скорости вентиляции. В этих ситуациях все большее внимание должны заслуживать теплорегенерирующие устройства, передающие тепло от отработанного воздуха к поступающему. Летом приточный воздух охлаждается отработанным.
Небольшие вентиляторы, подобные применяемым в ванных комнатах и кухнях, являются причиной утечки меньшего, но все же существенного количества тепла. Следует отдавать предпочтение вентиляторным системам, которые фильтруют и циркулируют воздух, а не выбрасывают его наружу.
Другой причиной обмена между внутренним и наружным воздухом является открывание и закрывание окон и дверей. Чтобы уменьшить расход энергии на отопление и охлаждение, каждый дверной проем должен иметь две двери. Таким образом, создается, по сути дела, декомпрессионная камера. Вращающиеся двери приемлемы в местах с интенсивным перемещением людей, а в сочетании с
тамбурами такие двери являются хорошим средством экономии энергии.
Основой архитектурной композиции здания является его объемно-пространственная структура, под которой понимают сочетание внутреннего пространства здания и внешнего объема в единое композиционное целое. Построение оптимальной объемно-
пространственной структуры здания представляет собой сложный процесс. Проектировщик должен найти такой прием композиции, чтобы объемно-планировочное решение здания и его внешний облик отвечали его функциональному назначению, архитектурно-художественным и градостроительным требованиям, климатическим национально-бытовым особенностям района строительства, гидрогеологическим условиям участка, а также требованиям экономики.
Композицию внутреннего пространства здания и его план нельзя рассматривать в отрыве от композиции внешнего объема. Организация внутреннего пространства здания и построение его внешнего объема представляют собой единый комплексный процесс, который основан на одних и тех же исходных данных (функциональный процесс, конструктивная система, условия внешней среды и требования экономики).
В основу планировочного решения здания должно быть положено осуществление функционального процесса. При составлении проекта плана здания необходимо, прежде всего, установить состав отдельных помещений, их форму и размеры в зависимости от характера размещения людей и оборудования.
В процессе создания композиции внутреннего пространства здания нужно обеспечить соответствие всех площадей и высот помещений действительной потребности, пользуясь нормами проектирования, а также обеспечить выполнение ряда санитарно-гигиенических требований. Кроме того, план здания необходимо проектировать на основе модульной системы во взаимосвязи с принятой а проекте конструктивной схемой здания.
Пространственная композиция образуется средствами:
• расположение объёма в пространстве;
• взаимным отношением пропорций, симметрий, цветов, масштабированием архитектурного объёма, его частей и деталей;
• включение в композицию и активное использование элементов садово-паркового искусства, живописи или скульптуры.
Если в композиции преобладает одна из величин-показателей, то она и придаёт композиции соответствующую характерную особенность. Например, если здание высотное, в его параметрах и характеристиках преобладает высота. Если протяжённое - то налицо преобладание длины. Если же здание плоское - здесь возобладал параметр ширины.
Коэффициент компактности показывает, как выбранная архитектором объёмнопространственная структура дома влияет на теплопотери. Эта величина широко применяется в европейском - в частности, в немецком нормировании для оценки теплотехнических характеристик домов [4-10].
Коэффициент компактности это отношение площади поверхности к объему, т.е. ом = S1/V1 , где Sl - общая площадь внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций, включая покрытие (перекрытие) верхнего этажа и перекрытие пола нижнего отапливаемого помещения, м2; V - отапливаемый объем здания, равный объему, ограниченному внутренними поверхностями наружных ограждений здания, м3.
Согласно СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» расчетный показатель компактности жилых зданий ^ом, как правило, не должен превышать следующих нормируемых значений: 0,25 - для 16-этажных зданий и выше; 0,29 - для зданий от 10 до 15 этажей включительно; 0,32 - для зданий от 6 до 9 этажей включительно; 0,36 - для 5-этажных зданий;
0,43 - для 4-этажных зданий; 0,54 - для 3 -этажных зданий; 0,61; 0,54; 0,46 - для двух-, трех- и четырехэтажных блокированных и секционных домов соответственно; 0,9 - для двух-и одноэтажных домов с мансардой; 1,1 - для одноэтажных домов.
Чем меньше это соотношение, тем меньше охлаждающих поверхностей имеет постройка на один кубический метр объёма. Эта величина имеет значительные колебания: от значений, превышающих единицу (для отдельно стоящих маленьких домов), до 0,12 (для компактных домов с более чем двадцатью этажами), что отражено в таблице. Но чем больше эта величина, тем больше потери тепла, и, соответственно, затраты на отопление.
Лучшие показатели коэффициента имеют дома, близкие в плане к квадрату, или с полукругами стен. Чем больше дом имеет углов, выступов, тем этот показатель хуже.
Пусть здание имеет форму прямоугольной призмы. Основание призмы a, b, высота h. Строительный объем здания V задан и не может меняться. Найдем соотношения между размерами, при которых площадь охлаждающей поверхности здания будет минимальной. Решая задачу при постоянном соотношении b/a = k1 (k1 - относительный размер здания в плане, k1 -const) [9], получим
k2 = (2k1)/( k + 1), (1)
где k2 = h / a - относительная высота здания.
При k1 ^ да величина k2 ^ 2. Графическая зависимость k2 (k1) приведена на рисунке 1. Коэффициент компактности k = S/V. (2)
Коэффициент компактности оптимизированной призмы
кщ = Ъ(кх + \) I (akx). (3)
II э- )
о1--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
О 2 4 6 S 10
Ъ
Рисунок 1 - Зависимость относительной высоты здания k2 от относительного размера здания в плане ^.
Недостаток коэффициента компактности, как характеристики объемно-
планировочного решения здания, в том, что он является размерной величиной. Переход к безразмерной характеристике может быть осуществлен посредством применения эквивалентного куба. Это куб, имеющий такой же объем, как и призматическое здание. Приравняем объем призмы к объему куба
(2^2 а3)/( к + 1) = Ь3. (4)
Сторона эквивалентного куба из (4)
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №3(29) 2014
99
Ь = ( (2^2)/( kl + 1))1/3 а. (5)
Коэффициент компактности куба К = S/V =(6Ь2)/ (Ь3) = 6/Ь. (6)
Определим относительный коэффициент компактности здания ^тн как отношение коэффициента компактности куба к коэффициенту компактности здания. Для рассмотренного случая здания в форме прямоугольной призмы согласно зависимостям
*о™ = ^ / ^р = (№) /( Ь + 1)2))1/3. (7) При ^ ^ да величина ^тн ^ 0. Графическая зависимость kотн (k1) приведена на рисунке 2.
Чем ближе значение ^тн к 1, тем рациональнее конструкция с точки зрения энергосбережения. Очевидно, что из всех вариантов прямоугольных призм одного и того же объема, наименьшая площадь поверхности будет у куба. В этом случае в (14) k1 = 1 и ^тн = 1. Этому значению соответствует максимум функции котн(к1) на рисунке 2.
0 2 4 6 8
Рисунок 2 - Зависимость относительного коэффициента компактности здания ^тн от относительного размера здания в плане ^
Объемно-планировочные решения выбираются на стадии проектирования здания. В дальнейшем, при эксплуатации и ремонтах здания изменить их практически невозможно. Поэтому очень важны объективные показатели, такие как коэффициент (7), помогающие проектировщику принять верное решение по максимальной компактности здания. Компактность
— это соотношение площади ограждающих
конструкций (оболочки здания) и всего объема здания (его полезной площади). Чем меньше площадь ограждающих конструкций по отношению к полезной площади здания, тем компактнее оно.
Для соблюдения принципа компактности желательно отсутствие эркеров, внутренних углов, балконов. Идеальной считается максимальная приближенность формы здания к по-лушару, стоящему срезом на земле.
Литература
1. Афонин А. Методика проведения энергетических обследований предприятий и организаций.// А. Афонин, А. Сторожков, В. Шароухова, Н. Коваль. -Энергосбережение , -1999, № 1. - С.6-18.
2. Табунщиков Ю.А. Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. 194 с.
3. Голованова Л. А. Основные аспекты территориального энергосбережения: Учеб. пособие. - Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. - 115 с.
4. Гликин С.М. Современные ограждающие конструкции и энергоэффективность зданий. ОАО ЦНИИПромзданий, М., 2003. - 157 с.
5. Гликин С. М. Энергосбережение в зданиях, про-гресивные ограждающие конструкции и практические методы их расчета.-М: ФГУП ЦПП,2005.-310 с.
6. Чуркин Денис Николаевич. Метод оценки эффективности теплозащитных характеристик конструкций зданий : Дис. ... канд. техн. наук: 05.23.01 Москва, 2006. - 153 с.
7. Афанасьев, А. А. Реконструкция жилых зданий : учеб. пособие для студентов по направлению 270100 "Стр-во". Ч. 1 : Технологии восстановления эксплуатационной надежности жилых зданий / А. А. Афанасьев, Е. П. Матвеев. - М. : ЦПП, 2008. - 234 с.
8. Афанасьев, А. А. Реконструкция жилых зданий: учеб. пособие для студентов по направлению 270100 "Стр-во". Ч. 2 : Технологии реконструкции жилых зданий и застройки / А. А. Афанасьев, Е. П. Матвеев. - М. : ЦПП, 2008. - 252 с.
9. Великанов Н.Л., Корягин С.И. Коэффициент компактности как критерий оценки теплопотерь здания на стадии его проектирования. - Сборник материалов 12 международной Промышленной конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях». - 13 - 17 февраля 2012 г., (п. Плавья, Карпаты). - г. Киев, УИЦ “Наука. техника. технология” . - 2012. - с. 40 - 43.
10. Примак Л.В., Великанов Н.Л. Мониторинг жилого фонда.- Механизация строительства. - 2014. - № 9. - с. 45-49.
