Оценка энергопотребления зданий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 699.86

ЮЛ. МАТРОСОВ, канд. техн. наук, НИИСФ РААСН;

В.С. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук, ОАО «ЦНИИЭПжилых и общественных зданий

(ЦНИИЭП жилища)» (Москва)

Оценка энергопотребления зданий

Предложена методика, которая может стать основой для разработки нормативов удельного годового расхода энергии жилых и общественных зданий для климатических условий Российской Федерации с учетом основных энергопотребляющих систем здания - отопления, горячего водоснабжения и искусственного освещения.

Ключевые слова: энергоэффективность, сопротивление теплопередаче, ограждающие конструкции, энергопотребление.

Политика государства в настоящее время направлена на повышение энергетической эффективности российской экономики, включая строительный комплекс и ЖКХ. Около 40% всего добываемого в нашей стране топлива расходуется на теплоснабжение зданий, и в первую очередь жилых.

Энергоэффективность проектных решений как в нашей стране, так и зарубежом оценивается по степени их соответствия нормативным удельным показателям расхода тепла на единицу площади или объема жилых и общественных зданий.

Разработанные в 1995-2005 гг. новые нормативные документы по энергосбережению в зданиях как на федеральном, так и на региональном уровнях включали новый нормируемый показатель - удельный расход тепловой энергии на отопление за отопительный период различных зданий, обеспечивающий существенное снижение энергопотребления зданий за счет использования при проектировании зданий высокоэффективных теплоизоляционных материалов, прогрессивных конструктивных решений наружных ограждений (расположения теплоизоляции с наружной стороны оболочки здания, повышения теплотехнической однородности наружных ограждений, применения энергоэффективных светопрозрачных конструкций, утилизации теплоты удаляемого из здания вентиляционного воздуха, оптимизации объемно-планировочного решения здания, оборудования систем отопления устройствами автоматического регулирования подачи тепла в помещения при изменении параметров наружной среды и т. д.).

Однако не все резервы энергосбережения в зданиях были использованы при разработке норм проектирования энергоэффективных зданий. Помимо расходов тепловой энергии на отопление в зданиях тепловая энергия расходуется на горячее водоснабжение, а также электрическая энергия расходуется на искусственное освещение и бытовые нужды. Первая попытка такого учета была сделана в 1999 г. в МГСН 2.01-99 «Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению».

При совместном рассмотрении теплозащиты и систем отопления, горячего водоснабжения и искусственного освещения необходимо учитывать эксплуатацию здания за год и расход энергии при этом определять в одинаковых системных единицах. Поэтому нормативы удельного энергопотребления здания для каждого пункта строительства должны вычисляться по формулам с использованием нор-

мативных значений, установленных в соответствующих нормативных документах.

При определении удельного расхода тепла на отопление зданий в соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» вычисляется приведенный трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания (К^,), который учитывает приведенные сопротивления теплопередаче (Иг, м2-°С/Вт).

В табл. 4 СНиП 23-02-2003 значения Йес стен не зависят от типа стен. Тогда как расчеты экономически целесообразного сопротивления теплопередаче Яэк различных типов стен, например при стоимости тепловой энергии 20-30 у. е. за МВт ч, показывают, что Яэк для Москвы для слоистых стен составляет 3,4-3,6 м2 оС/Вт, а для стен из ячеисто-бетонных блоков 1,9-2,4 м2 оС/Вт.

В табл. 4 СНиП 23-02-2003 установлены нормируемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций Яге<с: стен (на этаж, как в п. 5.6 СНиП 2302-2003), чердачных перекрытий и т. д. В соответствии с п. 5.1, а СНиП 23-02-2003 стены (на этаж) якобы являются отдельными элементами ограждающих конструкций (как и записано в п. 5.13 СНиП 23-02-2003).

Поэтому исходя из вышеизложенного, в п. 5.13 СНиП 23-02-2003 после слов: «Если в результате расчета удельный расход тепловой энергии на отопление здания окажется меньше нормируемого значения, то допускается уменьшение сопротивления теплопередаче...» - следует написать: «.для наружных стен из мелких блоков приведенное сопротивление теплопередаче, рассчитанное для фасада здания либо промежуточного этажа, не должно быть ниже минимальных величин Ятт, определяемых по формуле (8) для стен групп зданий, указанных в поз. 1 и 2 табл. 4, а элементов таких стен не менее Йес, определенного по формуле (3) СНиП 23-02-2003» - далее по тексту. Для остальных типов стен текст п. 5.13 СНиП 23-02-2003 остается прежний.

Расход теплоты на отопление здания рассматривается в течение отопительного периода. Отнести к градусо-суткам отопительного периода можно только удельное потребление тепловой энергии на отопление здания за отопительный период. Расход теплоты на горячее водоснабжение происходит в течение всего года, он мало зависит от района строительства и на него оказывает влияние поведение обитателей, температура подводимой для нагрева

воды в холодный и теплый периоды года. Расход электроэнергии на искусственное освещение и бытовые нужды происходит также в течение всего года и зависит от потребностей обитателей, времени суток и периода года. В системах отопления и горячего водоснабжения измеряется расход тепловой энергии, а в системах искусственного освещения - расход электрической энергии.

Для установления нормы целесообразно использовать показатель удельного (на 1 м2 площади пола помещений) годового расхода энергии зданием qy, кВт ч/м2. Норма удельного годового расхода энергии зданием определяется по формуле:

qy =

(1)

где Qy - общий годовой расход энергии зданием, учитывающий теплопотери и составляющие энергопотребления на отопление, горячее водоснабжение и искусственное освещение, а также бытовые теплопоступления и теплопоступ-ления от солнечной радиации, кВтч; Ah - сумма площадей пола квартир Ai или полезной площади помещений Aj, за исключением технических этажей и гаражей, м2:

А =

А = !А}.

(2)

Общий годовой расход энергии зданием Qy, кВтч, учитывающий основные составляющие энергопотребления, определяется по формуле:

Q = Q1 + QУy + Qу •

У « №

1,

(3)

где Qh - расход тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода, кВтч, определяемый по СНиП 23-02-2003; QJ¡w - годовой расход тепловой энергии на горячее водоснабжение, кВтч, определяемый по формуле (5); Qy- годовой расход электрической энергии на искусственное освещение и бытовые нужды, кВтч, определяемый по формуле (7); 1 - коэффициент приведения электрической к тепловой энергии:

рабочих дней в неделю; 344 - продолжительность пользования центральным горячим водоснабжением в течение года, сут; ^ - температура холодной воды, оС, принимается равной 5оС.

Среднесуточный за годовой период расход тепловой энергии на горячее водоснабжение Qhw определяется по формуле:

Qhw = д т (55 - у(1 + к«) Р№С№/3,6-10-:

(6)

где д - средний за отопительный период расход воды одним пользователем (жителем), л/сут; т - число пользователей (жителей), чел; tc, кн - то же, что и в формуле (5); р№ - плотность воды, равная 1 кг/л; с№ - удельная теплоемкость воды, равная 4,2 Дж/(кг оС).

При определении величины QJ¡wзначения кш принимаются согласно разделу 5 МГСН 2.01-99, а при определении величины Qhw значения д принимаются согласно СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий».

По нормам для жилых и различных групп общественных зданий все они должны оснащаться системами горячего водоснабжения, а для отдельных групп в соответствии с их назначением необходимы большие расходы горячей воды (предприятия общественного питания, бани, прачечные, больницы, спортивные сооружения). Нормами (СНиП 2.04.01-85) предусматриваются различные минимальные температуры горячей воды перед водозаборными приборами, а именно 60оС для централизованных систем горячего водоснабжения, присоединенных по открытой схеме, и 50оС для этих систем, присоединенных по закрытой схеме. Максимальная температура воды не должна превышать 75оС.

Годовой расход электрической энергии на искусственное освещение и бытовые нужды помещений зданий QW, кВтч, с учетом продолжительности ее использования определяется по формуле:

Q№= ЪЩАт-10

(7)

1 = / еР

' о о

(4)

где еО^, ер - расчетные коэффициенты энергетической эффективности систем тепло- и электроснабжения соответственно.

Годовой расход тепловой энергии на горячее водоснабжение с учетом выключения системы на ремонт Q¡Уw определяется по формуле:

Qyw= [Qhw/(1 + к«)] •{344^/7)^(344-2«) (55-у/(55-у]}, (5)

где Qhw - среднесуточный за годовой период расход тепловой энергии на горячее водоснабжение, кВт, определяемый по формуле (6); кн - коэффициент, учитывающий потери теплоты трубопроводами систем горячего водоснабжения;

- продолжительность отопительного периода, сут; а -коэффициент, учитывающий снижение уровня водозабора в зданиях в летний период. Для жилых зданий а = 0,8, для остальных - а = 1; tcs - температура холодной воды в летний период, принимается 15ОС при водозаборе из открытых источников; 1№к - число суток потребления в неделю: для жилых зданий - 7 суток, для общественных зданий - число

где п - количество видов помещений в здании; - удельная установленная мощность общего искусственного освещения /-го вида помещения здания, Вт/м2, определяемая по формуле (8); А1 - суммарная площадь помещений /-го вида помещений, м2; - среднее число часов использования искусственного освещения в сутки, ч; - число суток использования искусственного освещения в течение года, сут.

Удельная установленная мощность общего искусственного освещения 1-го вида помещения М определяется по формуле:

Щ = М0 (Еп/100) • (К/1,5) • (100/Л,) • (80/т|и

(8)

где М0 - базовое значение удельной мощности общего освещения помещения, Вт/м2, при освещенности 100лк, кпд светильника 100% и коэффициенте запаса 1,5; Еп - нормируемая освещенность помещения, лк; К$ - нормируемый коэффициент запаса для данного вида помещения; п - коэффициент полезного действия применяемых светильников, %; - световая отдача применяемого источника света, лм/Вт.

или

Таблица 1

= Рп,

(10)

Объект Режим работы Географическая широта гуу, ч

Освещение и бытовые нужды жилых квартир - Любая 2920

Освещение в помещениях общественных зданий: - помещения с 1 смена Южнее 50о с. ш. 700

естественным освещением 2 смены От 50о до 60о с. ш. Севернее 60о с. ш. Любая 750 850 2250

3 смены Любая 4150

3 смены, Любая 4800

непрерывная работа

- помещения без 1, 2, 3, смены Любая 4800

естественного освещения 1 смена Любая 2150

2 смены Любая 4300

3 смены Любая 6500

3 смены, Любая 8760

непрерывная работа

Освещение прилегающих территорий общественных

зданий: - включается ежедневно До 24 ч Любая 2100

До 1 ч Любая 2450

Всю ночь Любая 3600

- включается в рабочие дни До 24 ч До 1 ч Всю ночь Любая Любая Любая 1750 2060 3000

Наружное освещение городов, поселков и сельских населенных пунктов До 24 ч До 1 ч Всю ночь Любая Любая Любая 1950 2350 3500

При определении величины О! и № значения

Еп' П

принимаются согласно разделу 8 МГСН 2.01-99; значение К - согласно СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».

Годовая продолжительность использования электрической энергии для жилых и общественных зданий ч, определяемая по формуле:

2уу = 2й2у .

(9)

принимается по табл. 1.

Расчетная мощность электроэнергии в жилых зданиях Wh, кВт, определяется по формуле:

где Р - удельная нагрузка электроприемников квартир, принимаемая по табл. 2 в зависимости от числа квартир, типа кухонных плит, кВт, на одну квартиру; п - количество квартир, присоединенных к линии.

В последние 15-20 лет проектируется элитное жилье с квартирами повышенной комфортности. Решающим параметром является заявленная мощность на одну квартиру. В настоящее время, по данным ОАО «Тяжпромэлектропро-ект», даже в муниципальных домах с электрическими плитами установленная мощность Р =14 кВт.

Расчетное потребление электроэнергии Wh, кВт, для жилых зданий повышенной комфортности определяется по формуле:

Щ = p■n■k¡■k0,

(11)

где Р - нагрузка электроприемников квартир; п - количество квартир; к; - коэффициент спроса для квартир повышенной комфортности по табл. 3; к0 - коэффициент одновременности для квартир повышенной комфортности по табл. 4.

На базе разработанной методики были проведены расчеты удельного годового энергопотребления многоэтажных жилых домов повышенной комфортности в условиях Москвы с наличием нежилого первого этажа для размещения учреждений общественно-бытового назначения и подземной автостоянки:

1. Трехсекционный жилой дом с различной этажностью секций (9, 11 и 12 этажей).

2. Двухсекционный жилой дом с разной этажностью секций (6, 7 этажей).

В первом доме в цокольном этаже предусмотрены технические помещения, приточные и вытяжные камеры для вентиляционных систем здания, а также техническое пространство для прокладки инженерных коммуникаций. На первом этаже предусмотрены нежилые помещения общественного назначения и учреждения бытового обслуживания. Входы в нежилые помещения самостоятельные и изолированы от жилой части дома.

Жилые этажи высотой 3,3 м включают 80 квартир, рассчитанных на 252 человека.

Таблица 2

Потребители электроэнергии Удельная расчетная электрическая нагрузка при количестве квартир

1-5 6 9 12 15 18 24 40 60 100 200 400 600 1000

Квартиры с плитами на природном газе 4,5 2,8 2,3 2 1,8 1,65 1,4 1,2 1,05 0,85 0,77 0,71 0,69 0,67

Квартиры с электрическими плитами мощностью 8,5 кВт 10 5,1 3,8 3,2 2,8 2,6 2,2 1,95 1,7 1,5 1,36 1,27 1,23 1,19

Таблица 3

Заявленная мощность, кВт До 14 20 30 40 50 60 70 и более

Коэффициенты спроса к, 0,8 0,65 0,6 0,55 0,5 0,48 0,45

Таблица 4

Характеристика квартир к0 при числе квартир

1-5 6 9 12 15 18 24 40 60 100 200 400 600 и более

С электроплитами 1 0,51 0,38 0,32 0,29 0,26 0,24 0,2 0,18 0,16 0,14 0,13 0,11

Над жилыми этажами располагается технический (теплый) чердак. Такой чердак является конструктивным элементом энергосбережения в оболочке здания, поскольку для повышения теплозащиты он использует вентиляционный воздух, удаляемый из жилых помещений. Покрытие теплого чердака - в виде несущей монолитной железобетонной плиты, утепленной минераловатными плитами.

Несущий каркас здания выполнен в виде пространственной структуры из монолитного железобетона, включающий междуэтажные перекрытия, наружные и внутренние стены и перегородки. Такая структура несущей основы здания позволяет возводить самонесущие (в пределах одного этажа) стены, что дает возможность реализовывать энергоэффективные конструктивные решения наружных стен с применением многослойных конструкций, включающих эффективные теплоизоляционные материалы, мелкоштучные изделия; наружную теплоизоляцию (наиболее эффективную) с тонким штукатурным слоем либо различные модификации вентилируемых фасадных систем.

В данном доме стены выполнены многослойными с внутренним слоем в виде кладки из керамзитобетонных блоков, со средним слоем из минераловатных плит и облицовочным слоем в виде кладки в полкирпича из пустотного керамического кирпича, размещенной на относе, образуя с наружной поверхностью утеплителя воздушную прослойку.

Окна и балконные двери деревянные с двухкамерными стеклопакетами.

Все конструктивные решения наружных ограждающих конструкций характеризуют оболочку здания как энергоэффективную.

Таблица 5

Жилые здания Показатели энергопотребления здания, кВт- ч/м2

на отопление на горячее водоснабжение на искусственное освещение

9-12-этажный трехсекционный жилой дом 73,7 47,94 32,64

6-7-этажный двухсекционный жилой дом 88,5 48,1 28,4

Во втором жилом доме применены другие энергоэффективные ограждающие конструкции, обеспечивающие снижение энергопотребления здания.

Наружные стены многослойные с внутренним слоем из монолитного железобетона (несущая часть стен) и кладки из сплошного глиняного кирпича (самонесущая часть стен). Средний слой - минераловатные плиты с устройством вентилируемой фасадной системы с облицовкой из алюминиевых кассетных плит. Светопроемы заполнены деревоалю-миниевыми оконными блоками с двухкамерными стекло-пакетами.

В результате проведенных расчетов удельное (на 1 м2 полезной площади) годовое энергопотребление многоэтажных жилых домов повышенной комфортности в условиях Москвы (табл. 5) с учетом расходов энергии на отопление, горячее водоснабжение, электроосвещение и электропотребление на бытовые нужды qytes получено до 170 кВт • ч/м2.

[РЕГИОНАХ! ЫЙ

Sil.« '

mwf tfen щ

шегетгийа!

(¡ШаЯйМ^;

m

жйсхй

Организаторы: Л —

Выставочная фирма СИБЭКСПОСЕРВИС- Новосибирск, при поддержке: Администрации г.Бийска, Администрации Новосибирской области.

I'1

' Я — ОПРАВКИ ПО ТЕЛЕФОНАМ:

1БЭКСПОСЕРВИС-Новосибирск, ^383) 335 63 50

E-mail: SES@math.nsc.ru WWW: SES.NET.RU