CC BY
52
строительная теплофизика и энергосбережение
Новые подходы к оценке энергосбережения и энергетической эффективности в строительной отрасли
Савин В.К.
Сегодня люди ощущают свою незащищенность, связанную с уходом государства из сферы производства. Передача строительства в частные руки, глобализация и рыночная экономика привели к турбулизации экономики, при которой большинство граждан не в состоянии купить жилье в течение своей жизни. Существующая псевдорыночная идеология, основанная на денежных знаках без золотого или энергетического эквивалента, дезориентирует государство и ведет его к неэффективному производству товаров и услуг.
В России проблема повышения эффективности в строительстве решается с помощью Федерального закона №261—ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности». Основная цель закона — «создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности». Под термином «энергосбережение» понимается — «реализация организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования». Энергетическая эффективность строений и сооружений включает «требования к отдельным элементам, конструкциям зданий, строений, сооружений и их свойствам, к используемым в зданиях, строениях, сооружениях устройствам и технологиям, а также требования к включенным в проектную документацию и применяемым при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте зданий, строений, сооружений технологиям и материалам, позволяющие исключить нерациональный расход энергетических ресурсов как в процессе строительства, реконструкции, капитального ремонта зданий, строений, сооружений, так и в процессе их эксплуатации».
При таком подходе к проблеме возможно получить «уменьшение объема используемых первичных энергетических ресурсов» только, если суммарные затраты энергии в процессах строительства и эксплуатации отдельных элементов, конструкций и зданий в целом будут минимальны. Принятый Закон позволяет строительную отрасль разбить на части и искать способы экономии энергии отдельных частей, изолированных друг от друга. Например, при эксплуатации здания экономить топливо
за счет неоправданного повышения уровня теплозащиты оболочки здания.
Идеология и новые подходы к проблеме. Как и все в Мироздании, здания представляют собой материальные объекты, которые имеют множество связей между собой, людьми и мировым пространством. Они участвуют в кругообороте энергии в природе, проходя три цикла движения вещества: возникновение, эксплуатацию и угасание (демонтаж и утилизация). Созданная природой система мироздания, — вечная и бесконечная, обеспечивает самосохранение и саморегулирование с наименьшими затратами энергии. Вселенная состоит из материи, находящейся в вечном движении и все процессы и явления движения материи взаимосвязаны и запрограммированы в энергетическом обмене между ее объектами. Человек должен подчиняться этим законам и выступать как повелитель и разрушитель этой системы, приводя Землю к катастрофе. Движение материи — это и есть энергия или работа. Основополагающей величиной движения материи является энергия, измеряемая в Джоулях или более крупной величиной — киловатт-часах. Следовательно, выбрав 1 киловатт-час в качестве единицы измерения, мы можем перейти к безразмерному измерению расхода энергии через здание в космос (см. рис.1).
Рисунок 1. Безразмерное измерение расхода энергии через здание в космос.
строительная теплофизика и энергосбережение
Если процесс переноса энергии происходит в пространстве и во времени, то целевой функцией этого процесса будет выражение
Е = 1 (?!),
где V = V / У0 — безразмерная величина объема пространства (V — объем пространства, м3/ч; V = 1 м3/ч — единица измерения объема); Т = Т / Т0 — безразмерная величина времени (2 — время, ч;
2ц = 1 ч — единица измерения времени).
Точно также как и в Мироздании люди в строительстве должны проводить разумную политику и воплощать ее в экономике на базе сохранения гражданского и производственного фонда, тратя минимум энергии и соблюдая законы природы.
На рис. 2 в безразмерном виде приведена энергограмма зависимости расхода энергии на создание конструкции Б^, затраты энергии при эксплуатации Е (за срок службы более г = 100 или г = 100 лет),
а также их суммарные затраты Есум + Бк + Еэк , представленные в безразмерном виде, от уровня теплозащиты ограждения = / ■ Из рисунка видно, что на энергограмме присутствует точка, в которой суммарные затраты энергии при оптимальном уровне теплозащиты ограждения, имеют наименьшее
оптимальное значение, равное = 1. Если выбрать эталонное ограждение, например, кирпичную стену,
то путем расчетов можно определить сначала опти-
Еоп
___________ ___________ сум в размерном виде, а затем
в безразмерном = Есум / . Путем такой же процедуры можно отобрать самые энергоэффективные материалы, изделия, конструкции и здания в целом, в которых ЕСУМ < 1.
Великий фантаст Жюль Берн писал: «Придет время, когда наука опередит фантазию». Английский писатель Артур Кларк предсказал, что «в 2016 году в мире будут отменены деньги и введена единая мировая валюта — киловатт-час». Сумеет ли наука опередить это фантастическое предсказание, используя законы Вселенной и минимизируя затраты энергии при строительстве и эксплуатации зданий? Вопрос о том, почему энергорубль должен стать мировой валютой возникает из общих законов природы. Созданные руками человека строительные материалы, конструкции и построенные здания представляет собой товар, а для его эксплуатации требуются услуги ЖКХ.
На рис.3 схематически показан процесс взаимодействия электромагнитных лучей Солнца (энергии) с веществом Земли, в результате которого вещество преобразуется в товары и услуги. В течение порядка миллиарда лет Природа выполняла работу по преобразованию солнечных лучей в возобновляемые источники энергии, которые находятся в недрах Земли. Кроме того, Солнце непрерывно доставляет на Землю энергию фотонов, движущихся в магнитном поле солнечной системы, которую
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
РАДИАЦИЯ, ВЕТЕР, ВОДА И ДР.
НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ЖИВОИ ТРУД
ВЕЩЕСТВО
ТОВАР УСЛУГИ
Рисунок 2. Энергограмма зависимости расхода энергии на создание конструкции, затраты энергии при эксплуатации (за срок службы более или лет), а также их суммарные затраты, представленные в безразмерном виде, от уровня теплозащиты ограждения.
строительная теплофизика и энергосбережение
МИКРОКЛИМАТ. ЭНЕРГОЗАТРАТЫ = MIN. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ТРУДЫ =МАХ. НАРУЖНЫЙ КЛИМАТ НОРМАТИВНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ТЕПЛОЗАЩИТА
ЭНЕРГОЕМКОСТЬ
ГОРЯЧЕЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ АРХИТЕКТУРНО-ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ
ВЕНТИЛЯЦИЯ ЭКОЛОГИЯ
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Рисунок 3. Процесс взаимодействия электромагнитных лучей Солнца (энергии) с веществом Земли, в результате которого вещество преобразуется в товары и услуги.
можно превратить в потенциальную, кинетическую, в тепловую и химическую.
Организму человека для его жизни постоянно требуется энергия, которую он непосредственно не может получить от Солнца. За него это делают растения, превращая солнечные лучи в химическую энергию. Эта энергия служит ему питанием. В человеческом организме химическая энергия превращается в другие виды: тепловую, кинетическую и умственную. Человек эту полученную от растений энергию (энергию живого труда) может потратить на создание товаров и услуг, необходимых для его жизни и отдыха, т. е. живой труд человека (умственный и физический) и труд Природы (невозобновляемые и возобновляемые источники энергии) могут быть использованы в процессах по превращению вещества (сырья) в товары. Например, кварцевый песок человек может превратить в стекло.
С точки зрения природы товар представляет собой определенное количество энергии, которая человеком оценивается денежными знаками. В природе энергия — первична, деньги — вторичны. Сейчас же в мире первичны денежные знаки и на биржах энергия продается за разную цену, образуя в экономике хаос и множество паразитических организаций. Необходимо, чтобы при товарном обращении эталоном измерения служила единица энергии — киловатт- час. Деньги и энергия должны быть едины. В этом случае, если мы говорим деньги — подразумеваем — энергию, мы говорим энергия — подразумеваем деньги. Тогда процесс обмена товарами можно выразить формулой: энергия — день-
ги — энергия. При такой идеологии энергия становится специфическим товаром, который оценивается денежными знаками. Масштаб цен в мире на товары сейчас устанавливается и изменяется по воле отдельных государств или группы людей. Если для всех участников рынка установить в качестве мировой валюты единицу энергии, то деньги будут выполнять правовые, политические, моральные, этические и др. функции. Сейчас же они выполняют скорее функцию зла, нежели добра.
Цель исследования и пути решения проблемы. В солнечной системе здания представляют собой материальные объекты, которые имеют множество связей между собой, людьми и мировым пространством. Наша задача состоит в том, чтобы их выявить, отобрать наиболее важные факторы и провести минимизацию суммарных энергозатрат, необходимых для строительства и эксплуатации зданий. На рис.3 показаны двенадцать взаимосвязанных между собой факторов, влияющих на расход энергии при строительстве и эксплуатации здания и района застройки.
Из рисунка видно, что эффективность строительства и производительность труда зависят от:
— микроклимата помещения;
— наружного климата;
— теплозащиты оболочки здания;
— энергоемкости здания;
— долговечности (срока службы здания);
— системы вентиляции;
— горячего водоснабжения;
— электроснабжения;
— источника возобновляемой энергии (исполь-
строительная теплофизика и энергосбережение
зования энергии солнца);
— архитектурно-планировочного решения здания и района застройки;
— экологии;
— нормативно-правового законодательства.
Для того чтобы существенно повысить энергетическую эффективность материального производства строительного комплекса, т.е. увеличить в разы ежегодный ввод жилья без существенного роста энергоемкости национального дохода, необходимо разработать модель и методы минимизации расхода энергии из недр земли для строительства и эксплуатации, демонтажа и утилизации зданий и сооружений. При этом необходимо предусмотреть дополнительную энергию и для ликвидации техногенного (экологического) воздействия на окружающую среду.
Решение проблемы следует разделить на этапы. На первом этапе исследований была разработана модель и методы оптимизации энергетических затрат здания при его строительстве и эксплуатации т.е. нахождение единственно правильного технологического решения, которое обеспечит минимальный расход энергии, забираемой из недр земли. Физико-математическая модель позволила создать целевую функцию расхода энергии на строительство здания и его эксплуатацию. Она включает пять из двенадцати взаимосвязанных параметров, которые определяют уровень теплозащиты здания, а именно: микроклимат помещения, наружный климат, теплозащиту оболочки здания, энергоемкость здания и его долговечность (срок службы). Эта часть работы опубликована в монографии [1]. В результате оптимизации целевой функции для расчета годового минимального расхода энергии зданием была получена простая и теоретически обоснованная формула
. = 0,048 • Sa^ • D • FH , кВт • ч/год, (1)
при оптимальном уровне теплозащиты
—min 1/
Ro = 1/ Sa/2 , (2)
где Sa = Q*R*/(24Dz) — полученный автором безразмерный критерий;
D — градусо-сутки отопительного периода, °С • сут.
Формулы (1) и (2) являются фундаментом для разработки новых энергоэффективных материалов, изделий, конструкций и здания в целом.
Второй этап исследований касается оптимизации архитектурно-планировочного решения здания. Она проводилась с учетом обеспечения людей
в помещениях естественным светом и воздухом. Для решения задачи обеспечения людей в помещении воздухом необходимо выбрать и обосновать высоту помещений Н и ширину корпуса здания и. Согласно исследованиям гигиенистов для обеспечения комфортной воздушной среды в помещении нужна кубатура воздуха на одного человека порядка 50—60 м3. Они рекомендуют архитекторам и проектировщикам принимать высоту жилых помещений 2,8—3 м [2, 3]. При оптимизации архитектурно-планировочных решений ширину корпуса здания следует выбирать исходя из условия обеспечения помещений естественным светом. При этом величина отношения площади пола помещений этажа к площади его наружных поверхностей должна быть наибольшей.
В работе [4] проведена оптимизация архитектурно-планировочного решения здания и при высоте помещения Н = 3 м получена функциональная зависимость
6L(1 + X)
(3)
где = х/и — отношение длины здания к ширине; ^нар, ^Пол — соответственно площадь наружного ограждения и пола.
Теперь можно соединить две минимизированные зависимости в единую формулу. Для этого разделим (1) на Бпол, тогда получим удельные минимальные годовые энергетические затраты ограждения, отнесенные к 1 м2 пола
^= 0,048 . 5аТр . 0 . Ккомп , кВт • ч/м2 год. (4)
Таким образом, мы соединили шесть взаимосвязанных факторов, определяющих процесс переноса энергии через здание в космос с минимальным ее расходом. Простая и теоретически обоснованная формула (16) объединяет шесть основных параметров процесса перехода первичной энергии через ограждение в космос: климатический район строительства (/н), микроклимат помещения (/в), теплозащиту долговечность (г) и энергоем-
кость (Ок) конструкции, а также геометрические размеры площадей наружной поверхности конструкции (Рнар) и пола (РПол).
Расчеты, выполненные с помощью этих формул [5] показывают, что одновременно, учитывая суммарный минимальный расход энергии при строительстве и эксплуатации здания, можно в разы повысить его энергетическую эффективность и производительность труда. Например, за срок эксплу-
F
к
строительная теплофизика и энергосбережение
атации долговечного здания в течение 150 лет можно получить экономию по сравнению с недолговечным зданием 55%, т.е. при одинаковых затратах на строительство и эксплуатацию можно построить панельное здание площадью 1000 м2 или кирпичное — площадью 1550 м2, за счет правильного проектирования архитектурно-планировочных решений можно увеличить их площади еще на 49%.
Третий этап включает расчет затрат энергии при естественной вентиляции. Расчетная величина нормируемого воздухообмена принималась равной Gh = 3 м3/ч для 1м2 пола помещений жилых зданий. Тогда удельный расход тепловой энергии на вентиляцию помещения определяется из выражения
qB = 0,28pGH 0,024D = 0,024D кВт • ч/(м2 • год), где Gh = 3 м3/ч — норма воздухообмена на 1 м2 жилой площади здания;
р = 1,2 кг/м3 — плотность воздуха при температуре 20°С.
Общий удельный минимальный расход тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение составит
сум min _ /~,СУМ min
сум min _ сум min . .
Яобщ Яогр ЯВ Яг.,
Яобщ Я'
огр
+ Яв
i.ут 11
Чобщ
■ 0,024 • D(2Sa™^ ■ ккомп +1) .
кВт • ч/(м2 • год). (5)
сум min л m л r\fic- 1
Яобщ = 0-024 •D(2 Sa
огр "омп + 1) + 42ЪпОсуТ (( - tx ) кВт • ч/(м2 • год). (7)
На четвертом этапе учитывались затраты энергии на горячее водоснабжение. Годовой расход тепла на горячее водоснабжение зависит от количества людей, проживающих в квартире, и от нормативного расхода горячей воды в сутки на человека. Его можно рассчитать по формуле
Q = 1,16nG z(t - t) = 423nG (t - t) ,
г.в. сут N г x' сутN г x'
Вт • ч/год, (6)
где n — количество людей, проживающих в квартире;
GcyT = 115 л = 115 кг — нормативный расход горячей воды в сутки на человека;
ZcyT = 365 — количество суток в году;
tr, t — соответственно температура горячей и холодной воды.
Удельный расход тепла на горячее водоснабжение, отнесенный к 1 м2 площади помещения,
равен qr.B. = QrB /Fn кВт • ч/(м2 • год)-
Общий удельный минимальный расход тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение составит
Последний этап исследований предусматривает связать все двенадцать факторов в единое целое. Эту работу автор планирует провести в 2011 году. Особое внимание будет уделено влиянию расхода возобновляемых источников энергии, экологии и нормативно-правовому законодательству на эффективность использования первичной энергии в процессах строительства и эксплуатации зданий и районов застройки.
Литература
1. Савин В.К. Строительная физика: энергоперенос, энергоэффективность, энергосбережение. М. «Лазурь», 2005.
2. Губернский Ю.Д., Лицкевич В.К. «Жилище для человека», М., Стройиздат, 1991.
3. Горомосов М.С. «Микроклимат жилищ и его гигиеническое нормирование», М.: 1960
4. Савин В.К. Строительная физика: аэродинамика и теплообмен при взаимодействии потоков и струй со зданиями. М. «Лазурь», 2008.
5. Савин В.К., Савина Н.В. Два способа увеличения жилищного фонда страны при неизменных энергетических затратах на строительство и эксплуатацию зданий. М. 2009.
Новые подходы к оценке энергосбережения и энергетической эффективности в строительной отрасли
Выполнен научный анализ по оценке энергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Предложена новая идеология и подходы к определению энергетической эффективности зданий.
New approaches to an estimation of power savings and power efficiency in building branch
by V.K. Savin
The scientific analysis of the power savings at building construction and operation is made. The new ideology and approaches to definition of power efficiency of buildings is offered.
Ключевые слова: энергосбережение, эффективность, теплозащита, отопление, вентиляция, горячее водоснабжение.
Key words: the power savings, efficiency, a heat-shielding, heating, ventilation, hot water supply.
