CC BY
12
ISSN 2542-1468, Лесной вестник /Forestry Bulletin, 2019. Т. 23. № 5. С. 101-107. © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 Энергосбережение типового деревянного дома... Деревообработка и химическая переработка древесины
УДК 630*812 DOI: 10.18698/2542-1468-2019-5-101-107
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ТИПОВОГО ДЕРЕВЯННОГО ДОМА В РАЗЛИЧНЫХ РЕГИОНАХ РОССИИ
З. Пастори1, Г.А. Горбачева2, В.Г. Санаев2, З. Борчок1
'Инновационный центр, Шопронский университет, 9400, Венгрия, г. Шопрон, Байцы-Жилинская улица, д. 4 2МГТУ им. Н.Э. Баумана (Мытищинский филиал), 141005, Московская обл., г. Мытищи, ул. 1-я Институтская, д. 1
Построена энергетическая модель типичного дома из клееного бруса площадью 108 м2 с тремя различными типами окон. Виртуальная модель тепловых параметров здания создана с использованием программного обеспечения WinWatt. Годовая потребность в тепловой энергии была интегрирована из почасовых данных внутренней и наружной разности температур с помощью программы, разработанной для этой цели (программное обеспечение EnergiKalk). Определены затраты тепловой энергии, необходимой для предложенной модели дома, в российских городах с разным климатом, в частности Архангельске, Владивостоке, Иркутске, Краснодаре, Красноярске, Магадане, Москве, Омске, Санкт-Петербурге, Челябинске. Показано, что изменение коэффициента теплопередачи остекления с 3,5 на 1,4 и 0,7 Вт/м2К привело к экономии энергии на 11,9 и 15,9 % соответственно. При понижении ночной температуры на 2 °С экономия составляет 2,7 % (1865 кВтч) в более холодной Магаданской обл., в то время как в теплом Краснодаре — 4,48 % (1151 кВтч). Проведенные расчеты показали, что Россия обладает значительным потенциалом для экономии энергии в деревянных жилых малоэтажных строениях.
Ключевые слова: типичный российский деревянный дом, затраты тепловой энергии, климатические регионы России, количество часов отопительного периода, энергосбережение
Ссылка для цитирования: Пастори З., Горбачева Г.А., Санаев В.Г., Борчок З. Энергосбережение типового деревянного дома в различных регионах России // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2019. Т. 23. № 5. С. 101-107. DOI: 10.18698/2542-1468-2019-5-101-107
Энергоэффективность и энергосбережение входят в число приоритетных стратегических направлений развития технологий в экономике России, которая обладает одним из самых мощных в мире технических потенциалов повышения энергоэффективности [1]. Обеспечить использование этого резерва можно только вследствие проведения комплексной энергетической политики.
На долю жилого сектора в разных странах приходится 30-45 % всей потребляемой энергии, в зависимости от климатических условий и теплотехнических свойств зданий [2, 3]. Поскольку высока доля потребляемой энергии и она неэффективно используется, потенциал энергосбережения остается высоким благодаря, прежде всего тепловым свойствам зданий [4-7]. При строительстве и модернизации домов с повышенными энергетическими требованиями основной задачей является улучшение теплоизоляции, повышение энергоэффективности, снижение энергопотребления, что важно для окружающей среды и повышения экономической эффективности их эксплуатации [8-12].
Определяя тепловые характеристики здания, особое внимание следует уделять остеклению, так как теплопотери через окна могут значительно превосходить теплопотери через другие его части. Некоторые исследователи отмечают важность учета теплопотерь через окна в зданиях и рассматривают возможности использования солнечной энергии [13-14]. В работе [15] указано, что коэффициент теплопотерь через окна может
на 40 % превышать теплопотери, регламентированные действующим законодательством Норвегии [16]. На оптимальные тепловые параметры влияют размеры и ориентация окон, общая годовая потребность в энергии на отопление/охлаждение, которая напрямую связана с климатическими условиями [17].
Наряду с тепловыми параметрами зданий очень важное значение в определении энергии отопления/охлаждения имеет географическое положение здания и его размещение на местности. Для обеспечения одинаковых условий внутри здания необходимо разное количество энергии в различных погодных условиях и в зависимости от положения на местности. Россия по площади занимает лидирующую позицию среди самых больших стран мира (17 125 191 км2), простираясь от восточных рубежей Европы до западного берега северной части Тихого океана, и включает в себя несколько климатических поясов. Большая часть территории страны лежит в умеренном поясе, острова Северного Ледовитого океана и северные материковые районы — в арктическом и субарктическом поясах, Черноморское побережье России расположено в субтропическом поясе.
Подавляющее большинство жилых домов в сельской местности России — деревянные [18-19]. Многовековые традиции строительства деревянных домов, доступность древесных ресурсов и значительные запасы древесины на территории страны обусловили ее широкое использование
в качестве конструкционного материала. Правительством Российской Федерации разработаны программы по стимулированию рынка деревянного индустриального домостроения, что в перспективе приведет к увеличению ежегодных объемов производства деревянных домов в 2-3 раза. Толщина стены в 18-25 см из клееного бруса обеспечивает необходимые требования к характеристикам здания [20]. В СНиП 23-02-2003 установлены рекомендации для малоэтажных зданий, в том числе и для индивидуальных жилых строений, однако не регламентируется минимальное тепловое сопротивление конструкции стены.
Цель работы
Настоящая работа посвящена определению затрат тепловой энергии, необходимой для одного и того же деревянного дома в десяти российских городах с разным климатом, определению влияния остекления в общем объеме тепловых энергетических затрат для трех разных уровней изоляции в доме из клееного бруса и определению уровня энергосбережения за счет снижения температуры внутри деревянного дома (с 20 до 18 °С) в ночной период в десяти городах России.
Материалы и методы
С помощью моделирования методом конечных элементов построена тепловая энергетическая модель типового российского дома из клееного бруса. Десять одинаковых моделей разместили в перечисленных выше городах и определили потребность в тепловой энергии в зависимости от местного климата. Несмотря на то что солнечная энергия и сила ветра оказывают тоже значительное воздействие на затраты энергии на отопление, данных об этом для разных регионов страны нет. В связи с этим при проведении расчетов ориентация здания на местности не учитывалась. Отапливаемая площадь двухэтажного дома составляет 108 м2, габариты — 10,40^9,40 м, фундамент — свайный с железобетонным ростверком. Структура ограждающих конструкций, крыши, потолка и пола приведена в табл. 1.
Стены дома выполнены из клееного бруса сечением 200*200 мм, значение коэффициента теплопередачи и составило 0,5 Вт/м2К при коэффициенте теплопроводности 0,11 Вт/(мК), сопротивлении теплоотдаче — 1/24, сопротивлении тепловосприятию — 1/8. Виртуальная модель тепловых параметров здания создана с использованием программного обеспечения WinWatt (http://www.bausoft.hu) на основе данных табл. 1.
Значения характеристик для каждой строительной детали были выбраны из базы данных программного обеспечения, которая содержит актуальные данные для большого количества стро-
Таблица 1 Структура ограждающих конструкций The structure of the building envelope
Ограждающая конструкция Материал Толщина, мм
Пол Пиломатериал Гидроизоляция Балка 200*50 Теплоизоляция госкжоо1 Нижний настил Рейки Воздушный зазор Грунт 40 1 200 200 25 25 Не регл. Не регл.
Потолок Пиломатериал Балка 200*50 Теплоизоляция госкжоо1 Пароизоляция Отделочная доска (евровагонка) Пиломатериал 40 200 150 1 20 40
Крыша Металлочерепица Обрешетка Контробрешетка Гидроизоляция Стропило Теплоизоляция Пароизоляция Обрешетка 0,7 25 25 2 200 150 1 25
Стены Клееный брус 200
ительных материалов. Расчеты модели проводились для трех вариантов остекления, имеющих три различных теплоизолирующих потенциала и коэффициенты теплопередачи (значение Ц) — 3,5, 1,4 и 0,7 Вт/м2К, соответственно.
Эти значения учитывают тепловые параметры стекла и массу рамы пропорционально поверхности. Общая площадь окон составляет 18 м2, в том числе рама. Тепловая конечно-элементная модель позволяет проводить расчеты теплопотерь здания для каждой разности температур внутри помещения снаружи.
Годовая потребность в тепловой энергии была интегрирована из почасовых данных внутренней и наружной разности температур с помощью программы, разработанной для этой цели (программное обеспечение Епе^Ка1к) [21]. Программа позволяет определить энергозатраты одного и того же здания в разных климатических условиях и подсчитывает потребление тепловой энергии за определенный период, используя данные о погоде для этого города и внутренней температуры для здания. В зависимости от разницы температур внутри и снаружи здания рассчитывается расход тепловой энергии, затем путем интегрирования почасовых данных вычисляется потребление тепловой энергии дома в течение определенного периода. Годовое потребление энергии в одном варианте определялось для температуры внутри здания 20 °С. В другом варианте — температура
Таблица 2
Города России разных климатических зон с указанием их географических координат, средних и экстремальных температур атмосферного воздуха в 2014 г. Russian cities of different climatic zones with an indication of their geographical coordinates, average and extreme temperatures of atmospheric air in 2014
Город Координаты Температура, °C Количество часов отопительного периода*
с. ш. в. д. средняя максимальная минимальная
Архангельск 64°33' 40°32' 2,4 32 -30 8246
Владивосток 43°07' 131°54' 5,4 32 -29 7258
Иркутск 52°17' 104°18' 1,0 31 -34 7926
Краснодар 45°02' 38°59' 12,6 37 -17 6125
Красноярск 56°00'43" 92°52'17" 1,3 35 -35 7927
Магадан 59°34' 150°48' -4,2 27 -45 8627
Москва 55°45'21" 37°37'04" 6,4 33 -26 7592
Омск 54°58' 73°23' 2,1 35 -35 7707
Санкт-Петербург 59°57' 30°19' 6,6 33 -22 7808
Челябинск 55°09'44" 61°24'11" 2,9 32 -35 7877
*Количество часов отопительного периода при температуре внутри здания 20 °C.
внутри помещения была снижена до 18 °С в период между 22.00 и 06.00, в результате чего удалось уменьшить разницу между внутренней и внешней температурой и, следовательно, потери тепла. Рассчитанные затраты тепловой энергии позволили определить энергетические потребности здания.
Для моделирования выбрали города в разных климатических зонах: Архангельск, Владивосток, Иркутск, Краснодар, Красноярск, Магадан, Москву, Омск, Санкт-Петербург и Челябинск, — всего десять городов. При исследовании использовали типовой проект дома из клееного бруса, соответствующий нормам и требованиям СНиП и пригодный для любого из перечисленных городов. У каждого города есть гражданский аэропорт, метеоданные которого в период с 01.01.2014 г. по 31.12.2014 г. были использованы при моделировании. Точность данных проверили с помощью других метеостанций и установили их идентичность.
Климатические условия России требуют охлаждения внутренней температуры зданий преимущественно в течение короткого теплого периода года, поэтому системы кондиционирования используются неповсеместно. Так, затраты энергии на охлаждение нами не рассчитывались.
Рассмотрим местоположение и температуру воздуха указанных городов (табл. 2). Наибольшие амплитуды температуры отмечаются в Красноярске, самая низкая среднегодовая температура-зафиксирована в Магадане, самая высокая — в Краснодаре. Наибольшим количеством часов отопительного периода характеризуется Магадан, наименьшим — Краснодар. Будучи самым северным из рассматриваемых городов, Архангельск не является самым холодным вследствие влияния
на климатические условия теплых морских течений. Большинству городов характерен континентальный климат. Количество часов отопительного периода зависит от многих факторов, в частности, географического положения, наличия морских течений, ветровых условий, высоты и рельефа местности. Для рассматриваемых городов России количество часов отопительного периода примерно одинаковое, несмотря на различие минимальных и максимальных значений температуры (см. табл. 2).
Результаты и обсуждение
С помощью программного обеспечения Епе^Ка1к рассчитаны ежегодные потребности в тепловой энергии для трех типов окон и двух видов суточных температурных ритмов в каждом из рассматриваемых городов, ежегодное потребное число часов для отопления как для внутренней температуры 20 °С, так и для пониженной температуры 18 °С в ночной период (табл. 3).
Согласно проведенным расчетам, количество тепловой энергии определяется преимущественно не количеством часом нагрева, а требуемой степенью нагрева. Максимальные затраты на энергию и самый продолжительный отопительный сезон характерны для Магадана, самые низкие затраты на энергию — для Краснодара. В Архангельске затраты на отопление не самые высокие, несмотря на продолжительный отопительный период. Для Иркутска, Красноярска и Омска получены большие затраты на тепловую энергию вследствие длительного отопительного сезона, значительной степени нагрева и низких средних температур. Энергопотребление здания в Московской области с коэффициентом теплопередачи окон 1,4 Вт/м2К составляет 335 кВтч/м2 в год
Таблица 4
Энергосбережение при пониженной ночной температуре Energy saving at low night temperatures
Таблица 3
Затраты тепловой энергии Thermal energy inputs
Город Количество часов отопительного периода, ч °C Затраты энергии, кВтч /год
постоянная температура 20 °C температура ночью 18 °C и днем 20 °C
коэффициент теплопередачи (Вт/м2К)
постоянная температура 20 °C температура ночью 18 °C и днем 20 °C 3,5 1,4 0,7 3,5 1,4 0,7
Архангельск 155 599 150 633 51 534 45 390 43 336 49 671 43 749 41 769
Владивосток 132 475 129 008 43 510 38 322 36 590 42 219 37 186 35 504
Иркутск 169 550 165 361 55 775 49 123 46 904 54 217 47 751 45 593
Краснодар 77 357 74 183 25 710 22 645 21 618 24 559 21 632 20 651
Красноярск 167 009 162 086 55 077 48 509 46 317 53 205 46 861 44 743
Магадан 212 417 206 759 69 850 61 517 58 739 67 985 59 876 57 171
Москва 124 180 119 457 41 141 36 236 34 597 39 400 34 703 33 132
Омск 161 330 156 464 53 003 46 681 44 573 51 198 45 092 43 055
Санкт Петербург 120 797 116 254 40 211 35 416 33 813 38 539 33 945 32 407
Челябинск 152 980 148 560 50 396 44 386 42 379 48 724 42 914 40 973
Город Затраты энергии при температуре ночью 18 °С и днем 20 °С, кВтч/год при коэффициенте теплопередачи (Вт/м2К) Экономия энергии,% Снижение степени нагрева часа отопления, %
3,5 1,4 0,7
Архангельск 1863 1641 1567 3,62 3,19
Владивосток 1291 1136 1085 2,97 2,62
Иркутск 1558 1372 1311 2,79 2,47
Краснодар 1151 1013 968 4,48 4,10
Красноярск 1872 1648 1574 3,40 2,95
Магадан 1865 1641 1567 2,67 2,66
Москва 1741 1533 1464 4,23 3,80
Омск 1805 1589 1518 3,41 3,02
Санкт-Петербург 1673 1472 1406 4,16 3,76
Челябинск 1671 1471 1406 3,32 2,89
(см. табл. 3). Эти данные хорошо согласуются с расчетами, проведенными в системе GWD Engineering 2017, что составляет около 298 кВтч /м2 в год [22].
Различные энергетические потребности при использовании разных видов окон можно сравнить, поскольку конфигурация и расположение дома на местности постоянны. Окно с наименьшей теплоизоляционной способностью и коэффициентом теплопередачи 3,5 Вт/м2К принято за базовый вариант. Для окна, имеющего коэффициент теплопередачи 1,4 Вт/м2К, отмечено снижение уровня энергозатрат на 11,9 %, а даль-
нейшее снижение теплопередачи до 0,7 Вт/м2К уменьшает затраты на энергию дополнительно еще на 4 %. В самой холодной Магаданской обл. современные окна (Ц = 0,7 Вт/м2К) позволяют экономить 11 МВтч энергии в год по сравнению с базовым вариантом 3,5 Вт/м2К. В Краснодаре, где спрос на энергию наименьший, экономия составляет 4 МВтч. Результаты расчетов показывают энергопотребление здания при изменении степени отопления для разных типов окон. Изменение типа окон с Ц = 1,4 Вт/м2К на Ц = 0,7 Вт/м2К привело к существенно меньшей (~4 %) экономии энергии.
При снижении температуры с 20 до 18 °С в период с 22.00 до 06.00 потребление энергии можно уменьшить на 4,5 %, в зависимости от погодных условий, характерных для данного района (табл. 4). За счет снижения внутренней температуры уменьшается также степень нагрева (см. табл. 4).
Экономия в Магадане при наибольших затратах на отопление составляет 1865 кВтч (2,67 %), в Краснодаре — 1151 кВтч (4,48 %). Энергосбережение в Магадане почти в 1,5 раза превышает абсолютное значение в Краснодаре, однако в относительных величинах показывает меньшую долю, что связано с большими энергозатратами. Таким образом, при больших энергозатратах значительной экономии можно достичь при снижении температуры внутри помещения в ночной период, а при использовании остекления с более низкими значениями коэффициента теплопередачи, можно повысить энергосбережение.
Выводы
Города, расположенные в самых теплых регионах России должны отапливаться почти 70 % времени в течение года, в то время как на самых холодных территориях города нуждаются в отоплении более 98 % времени всего года. Благодаря длительному отопительному периоду незначительное улучшение изоляции экономит большое количество энергии, поэтому использование окон с меньшей теплопроводностью и понижение температуры внутри помещений в ночное время снижает затраты на тепловую энергию на 20 % в большинстве регионов России.
От теплопроводности окон существенно зависит объем тепловых потребностей здания. По сравнению двухрамным однослойным остеклением (Ц = 3,5 Вт/м2К) однокамерные стеклопа-кеты с теплоизоляционным остеклением, низкоэмиссионным покрытием и заполнением аргоном (Ц = 1,4 Вт/м2К) могут обеспечить значительную экономию. Двухкамерные стеклопакеты с тремя слоями остекления и максимальной изоляцией (Ц = 0,7 Вт/м2К) могут снизить потребность здания в тепловой энергии почти на 1/6 и это не мало, особенно с учетом малой площади поверхности окон.
Для рассматриваемых городов снижение ночной температуры внутри здания на 2 °С может сохранить от 2,67 до 4,48 % необходимой энергии, в зависимости от потребности в отоплении и климата региона. Так экономить энергию можно без дополнительных инвестиций.
Следовательно, полученные результаты показали возможные пути энергосбережения в жилых деревянных домах в пределах России, которая обладает значительным потенциалом для экономии
энергии. В связи с этим рекомендуется повышение стандартов в области энергетики зданий и их модернизация.
Представленная работа выполнена в рамках проекта «Sustainable Raw Material Management Thematic Network—RING 2017», EFOP-3.6.2-16-2017-00010project in the framework of the Szechenyi 2020 Program. Реализация данного проекта осуществляется при финансовой поддержке Европейского Союза (European Union) и совместном финансировании со стороны Европейского Социального Фонда (European Social Fund).
Список литературы
[1] Пилипенко Н.В., Сиваков И.А. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности инженерных систем и сетей. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 274 с.
[2] Swan L.G., Ugursal V.I. Modeling of end-use energy consumption in the residential sector: A review of modeling techniques // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, no. 13 (8), pp. 1819-1835. DOI: 10.1016/ j.rser.2008.09.033
[3] Estiri H. The indirect role of households in shaping US residential energy demand patterns // Energy Policy, 2015, no. 86, pp. 585-594. DOI: 10.1016/j.enpol.2015.08.008
[4] Balaras C., Droutsa K., Dascalaki E., Kontoyiannidis S. Heating energy consumption and resulting environmental impact of European apartment buildings // Energy and Buildings, 2005, no. 37, pp. 429-442.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2004.08.003
[5] Harvey L.D.D. Reducing energy use in the buildings sector: measures, costs, and examples // Energy Efficiency, 2009, no. 2, pp. 139-163. DOI 10.1007/s12053-009-9041-2
[6] Lechtenböhmer S., Schüring A. The potential for large-scale savings from insulating residential buildings in the EU // Energy Efficiency, 2010, no. 4(2), pp. 257-270. DOI: 10.1007/s12053-010-9090-6
[7] Nyers J., Tomic S., Nyers A. Economic optimum of thermal insulating layer for external wall of brick // Acta Poly-technica Hungarica, 2014, no. 11(7), pp. 209-222.
[8] Arumägi E., Kalamees T. Analysis of energy economic renovation for historic wooden apartment buildings in cold climates // Applied Energy, 2014, no. 115, pp. 540-548. DOI: 10.1016/j.apenergy.2013.10.041
[9] Basinska M., Koczyk H., Szczechowiak E. Sensitivity analysis in determining the optimum energy for residential buildings in Polish conditions // Energy and Buildings,
2015, no. 107, pp. 307-318. DOI:10.1016/j.enbuild.2015.08.029
[10] Jermyn D., Richman R. A process for developing deep energy retrofit strategies for single-family housing typologies: Three Toronto case studies // Energy and Buildings,
2016, no. 116, pp. 522-534.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.01.022
[11] Skarning G. C. J., Hviid C. A., Svendsen S. Roadmap for improving roof and facade windows in nearly zero-energy houses in Europe // Energy and Buildings, 2016, no. 116, pp. 602-613. DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.01.038
[12] Пастори З., Борчок З., Горбачева Г.А. Баланс CO2 различных видов стеновых конструкций // Строительные материалы, 2015. № 12. С. 76-77.
[13] Grynning S., Gustavsen A., Time B., Jelle B.P. Windows in the buildings of tomorrow: Energy losers or energy gainers? // Energy and Buildings, 2013, no. 61, pp. 185-192. DOI: 10.1016/j.enbuild.2013.02.029
[14] Arici M., Karabay H., Kan M. Flow and heat transfer in double, triple and quadruple pane windows // Energy and Buildings, 2015, no. 86, pp. 394-402. DOI: 10.1016/ j.enbuild.2014.10.043
[15] Grynning S., Time B., Uvslrkk S. An overview and some reflections on energy saving potentials by heat loss reduction through the building envelope // Project report to be published within the Research Centre on Zero Emission Buildings, 2011.
[16] TEK 2010. Technical regulations to the Norwegian building regulations, Forskrift om tekniske krav til byggverk (Byggteknisk forskrift), 2010. URL: https://lovdata.no/ dokument/SF0/forskrift/2010-03-26-489/ KAPITTEL_1-1#%C2%A71-1 (дата обращения 18.12.2018).
[17] Jaber S., Ajib S. Thermal and economic windows design for different climate zones // Energy and Buildings, 2011, no. 43, pp. 3208-3215. DOI: 10.1016/j.enbuild.2011.08.019
Сведения об авторах
[18] Ефимов Е.М. Деревянное домостроение в России: состояние, проблемы и перспективы развития // Бизнес в законе. Экономико-юридический журнал, 2011. № 2. С. 239-241.
[19] Петрова З.К. Проблема развития малоэтажной жизнеобеспечивающей жилой застройки в России и мире // Градостроительство, 2012. № 4 (20). С. 59-66.
[20] СНиП 23-02-2003 Строительные нормы и правила Российской Федерации. «Тепловая защита зданий». М.: Стройиздат, 2003. 30 с.
[21] Vados M. Épuletek hôveszteségének integralt energetikai modellezése (Integral energetic model of thermal loss of buildings). Thesis. Sopron: University of West Hungary, BSc. 2013.
[22] GWD Engineering 2017. Руководство по выбору топлива системы отопления. URL: http://www.gwde.ru/articles/ rukovodstvo-po-vyboru-topliva-sistemy-otopleniya/ (дата обращения 27.03.2017).
Пастори Золтан — Ph.D, директор Инновационного центра, Шопронский университет, Венгрия, [email protected]
Горбачева Галина Александровна — канд. техн. наук, доцент кафедры древесиноведения и технологии деревообработки, МГТУ им. Н.Э. Баумана (Мытищинский филиал), [email protected] Санаев Виктор Георгиевич — д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой древесиноведения и технологии деревообработки, директор Мытищинского филиала ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (национальный исследовательский университет)», [email protected]
Борчок Золтан — Ph.D, исследователь Инновационного центра, Шопронский университет, Венгрия, [email protected]
Поступила в редакцию 18.03.2019. Принята к публикации 27.03.2019.
HEATING ENERGY DEMAND SAVINGS OF TYPICAL LOG HOME IN DIFFERENT REGIONS OF RUSSIA
Z. Pasztory1, G.A. Gorbacheva2, V.G. Sanaev2, Z. Borcsok1
University of Sopron, Innovation Center, Bajcsy-Zsilinszky utca 4, 9400, Sopron, Hungary 2BMSTU (Mytishchi branch), 1, 1st Institutskaya st., 141005, Mytishchi, Moscow reg., Russia
The problem of energy saving is crucial for improving energy efficiency in the residential sector. Russia has one of the world's largest technical potential to improve energy efficiency. An energy model of a typical Russian log home (108 m2) with three different types of windows was built. The virtual thermal parameter model of the building was created in WinWatt software. The yearly heat energy demand was integrated from the hourly data of the inner and outer temperature difference with the help of a program made for this purpose (EnergiKalk software). One year energy demands of the model in ten different cities of the Russia with different climates were examined such as Arkhangelsk, Vladivostok, Irkutsk, Krasnodar, Krasnoyarsk, Magadan, Moscow, Omsk, St. Petersburg, Chelyabinsk. Cities in the warmest areas require heating in 70 % of the year while city in the coldest places need heating for more than 98 % of the year. It was shown, that the changing the 3,5 W/m2K thermal insulation capacity windows to 1,4 W/m2K and 0,7 W/m2K windows caused an energy saving of 11,9% and 15,9 % heating energy respectively. If the night temperature is reduced by 2 degrees Celsius it results a 2,7 % (1865 kWh) saving in the colder Magadan region, while in the Mediterranean Krasnodar, there was a 4,48 % (1151 kWh) saving of the net heating energy amount. Based on the calculations it can be concluded that Russia possesses a significant heating potential savings in residential sector.
Keywords: Russian log house, heating energy demand, climatic regions of Russia, heating degree hours, energy savings
Suggested citation: Pasztory Z., Gorbacheva G.A., Sanaev V.G., Borcsok Z. Energosberezhenie tipichnogo derevyannogo doma v razlichnykh regionakh Rossii [Heating energy demand savings of typical log home in different regions of Russia]. Lesnoy vestnik / Forestry Bulletin, 2019, vol. 23, no. 5, pp. 101-107. DOI: 10.18698/2542-1468-2019-5-101-107
References
[1] Pilipenko N.V., Sivakov I.A. Energosberezhenie i povyshenie energeticheskoy effektivnosti inzhenernykh sistem i setey [Energy saving and energy efficiency of engineering systems and networks: textbook]. Saint Petersburg: ITMO, 2013, 274 p.
[2] Swan L.G., Ugursal V.I. Modeling of end-use energy consumption in the residential sector: A review of modeling techniques. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, no. 13 (8), pp. 1819-1835. DOI: 10.1016/j.rser.2008.09.033
[3] Estiri H. The indirect role of households in shaping US residential energy demand patterns. Energy Policy, 2015, no. 86, pp. 585-594. DOI: 10.1016/j.enpol.2015.08.008
[4] Balaras C., Droutsa K., Dascalaki E., Kontoyiannidis S. Heating energy consumption and resulting environmental impact of European apartment buildings. Energy and Buildings, 2005, no. 37, pp. 429-442. DOI: 10.1016/j.enbuild.2004.08.003
[5] Harvey L.D.D. Reducing energy use in the buildings sector: measures, costs, and examples. Energy Efficiency, 2009, no. 2, pp. 139-163. DOI 10.1007/s12053-009-9041-2
[6] Lechtenbohmer S., Schuring A. The potential for large-scale savings from insulating residential buildings in the EU. Energy Efficiency, 2010, no. 4(2), pp. 257-270. DOI: 10.1007/s12053-010-9090-6
[7] Nyers J., Tomic S., Nyers A. Economic optimum of thermal insulating layer for external wall of brick. Acta Polytechnica Hungarica, 2014, no. 11(7), pp. 209-222.
[8] Arumagi E., Kalamees T. Analysis of energy economic renovation for historic wooden apartment buildings in cold climates. Applied Energy, 2014, no. 115, pp. 540-548. DOI: 10.1016/j.apenergy.2013.10.041
[9] Basinska M., Koczyk H., Szczechowiak E. Sensitivity analysis in determining the optimum energy for residential buildings in Polish conditions. Energy and Buildings, 2015, no. 107, pp. 307-318. DOI:10.1016/j.enbuild.2015.08.029
[10] Jermyn D., Richman R. A process for developing deep energy retrofit strategies for single-family housing typologies: Three Toronto case studies. Energy and Buildings, 2016, no. 116, pp. 522-534. DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.01.022
[11] Skarning G. C. J., Hviid C. A., Svendsen S. Roadmap for improving roof and facade windows in nearly zero-energy houses in Europe. Energy and Buildings, 2016, no. 116, pp. 602-613. DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.01.038
[12] Pastori Z., Borchok Z., Gorbacheva G.A. Balans CO2 razlichnykh vidov stenovykh konstruktsiy [CO2 balance of different types of wall constructions] Stroitel'nye materialy [Building materials], 2015, no. 12, pp. 76-77.
[13] Grynning S., Gustavsen A., Time B., Jelle B.P. Windows in the buildings of tomorrow: Energy losers or energy gainers?. Energy and Buildings, 2013, no. 61, pp. 185-192. DOI: 10.1016/j.enbuild.2013.02.029
[14] Arici M., Karabay H., Kan M. Flow and heat transfer in double, triple and quadruple pane windows. Energy and Buildings, 2015, no. 86, pp. 394-402. DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.10.043
[15] Grynning S., Time B., Uvslrkk S. An overview and some reflections on energy saving potentials by heat loss reduction through the building envelope. Project report to be published within the Research Centre on Zero Emission Buildings, 2011.
[16] TEK 2010. Technical regulations to the Norwegian building regulations, Forskrift om tekniske krav til byggverk (Byggteknisk forskrift), 2010. URL: https://lovdata.no/dokument/SFO/forskrift/2010-03-26-489/KAPITTEL_1-1#%C2%A71-1 (accessed 18.12.2018).
[17] Jaber S., Ajib S. Thermal and economic windows design for different climate zones. Energy and Buildings, 2011, no. 43, pp. 3208-3215. DOI: 10.1016/j.enbuild.2011.08.019
[18] Efimov E.M. Derevyannoe domostroenie v Rossii: sostoyanie, problemy iperspektivy razvitiya [Wooden housing construction in Russia: state, problems and prospects of development] Biznes v zakone. Ekonomiko-yuridicheskiy zhurnal [Business in law. Economic and legal journal]. 2011, no. 2, pp. 239-241.
[19] Petrova Z.K. Problema razvitiya maloetazhnoy zhizneobespechivayushchey zhiloy zastroyki v Rossii i mire [The problem of development of low-rise life-supporting housing in Russia and abroad] Gradostroitel'stvo [Urban planning], 2012, no. 4 (20), pp. 59-66.
[20] SNiP 23-02-2003 Stroitel'nye normy i pravila Rossiyskoy Federatsii. «Teplovaya zashchita zdaniy» [SNiP 23-02-2003 Building codes and regulations of Russian Federation. «Thermal performance of the buildings»]. Modcow: Stroyizdat, 2003, 30 p.
[21] Vados M. Épuletek hôveszteségének integralt energetikai modellezése (Integral energetic model of thermal loss of buildings). Thesis. Sopron: University of West Hungary, BSc. 2013.
[22] GWD Engineering 2017. Rukovodstvo po vyboru topliva sistemy otopleniya [Guide to choosing fuel heating system]. Available at: http://www.gwde.ru/articles/rukovodstvo-po-vyboru-topliva-sistemy-otopleniya/ (accessed 27.03.2017).
Authors' information
Pasztory Zoltan — Ph.D, Director of Innovation Center, University of Sopron,
Gorbacheva Galina Aleksandrovna — Cand. Sci. (Tech.), Associated Professor of the BMSTU
(Mytishchi branch), [email protected]
Sanaev Victor Georgievich — Dr. Sci.(Tech.), Professor, Head of Department of Wood Science and
Technology, Director of BMSTU (Mytishchi branch), [email protected]
Zoltan Bôrcsôk — Ph.D, Researcher of Innovation Center, University of Sopron,
Received 18.03.2019.
Accepted for publication 27.03.2019.
