CC BY
31
УДК 699.86+004.42
Программно-вычислительный комплекс проектирования тепловой защиты зданий для энергосбережения
И. Г. Русяк,
ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, доктор технических наук, профессор К. В. Кетова,
ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, доктор физико-математических наук, профессор С. А. Королёв,
ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, кандидат физико-математических наук, доцент А. С. Краснов,
ИжГТУ имени М. Т. Калашникова,
ведущий инженер кафедры «Математическое моделирование процессов и технологий» И. С. Никитина,
ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, аспирант
Материал посвящён вопросу проектирования тепловой защиты зданий и разработке программно-вычислительного комплекса проектирования тепловой защиты зданий. Приведены результаты расчёта показателей энергоэффективности и структуры тепловых потерь для типовых серий жилых и общественных зданий с помощью разработанного программно-вычислительного комплекса.
Ключевые слова: энергосбережение, тепловая защита, программно-вычислительный комплекс, показатель энергоэффективности, энергетический паспорт.
Повышение требований к энергоэффективности зданий, появление новых технологий и материалов для энергосбережения требует постоянного планирования и оценки энергосберегающих мероприятий. Одним из основных направлений энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве является тепловая защита зданий. Необходим удобный инструмент для выполнения теплотехнических и экономических расчётов, хранения и дополнения информационной базы энергоэффективных технологий и проектных решений для типовых зданий. Решение поставленных задач возможно с помощью разработанного программно-вычислительного комплекса проектирования тепловой защиты зданий.
Программно-вычислительный комплекс основан на методике расчёта тепловых потерь здания и удельного расхода тепловой энергии на отопление в соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [1]. Он содержит блок проектирования мероприятий по повышению тепловой защиты зданий. Методика и комплекс мероприятий тепловой защиты приведены в [2-4].
База данных программного комплекса содержит информацию по типовым сериям жилых и общественных зданий, современным технологиям и материалам тепловой защиты, а также по
проектам тепловой защиты для различных типов зданий. Программный комплекс содержит блок финансово-экономического анализа проектов тепловой защиты зданий, позволяет формировать энергетический паспорт здания и отчёт по проекту повышения тепловой защиты.
Интерфейс программного комплекса состоит из четырёх блоков:
- выбор объекта тепловой защиты;
- выбор мероприятий тепловой защиты;
- финансово-экономический анализ;
- формирование отчёта.
В первом блоке осуществляется выбор объекта тепловой защиты из существующих в базе данных или ввод информации о новом объекте - здании или сооружении. База данных содержит теплотехническую информацию о типовых сериях жилых и общественных зданий, что существенно упрощает ввод информации о новом объекте. В форме представлена общая информация о здании, его фотография, а также теплотехническая информация об ограждающих конструкциях здания (рис. 1).
В результате расчёта выводятся данные о показателях энергетической эффективности здания, структура тепловых потерь и потенциал энергосбережения при повышении тепловой защиты до нормативных требований. Результаты расчёта
Рис. 1. Форма представления информации об объекте тепловой защиты
отображаются в табличном и графическом виде (в ности говорит о том, что расчётные фактические
виде графиков и диаграмм). значения в 2-3 раза ниже требуемых нормативных.
Показатели энергетической эффективности Рассматриваемое здание имеет низкий класс энерге-
жилого здания 446 серии приведены в табл. 1. тической эффективности, поэтому необходима
Сравнение показателей энергетической эффектив- реконструкция с улучшением тепловой защиты [1].
Показатели энергетической эффективности здания
Таблица 1
Наименование Единица Расчётное Требуемое
показателя измерения фактическое нормативное
Приведенное сопротивление теплопередаче
наружных стен (м2- °С)/Вт 0,82 3,47
подвальных перекрытий (м2- °С)/Вт 0,99 1,82
чердачных перекрытий (м2- °С)/Вт 1,16 4,10
окон и балконных дверей (м2- °С)/Вт 0,40 0,59
наружных дверей (м2- °С)/Вт 0,36 0,93
Удельный расход тепловой энергии
на единицу площади кДж/(м2 - °С- сут.) 133,0 85,0
на единицу объёма кДж/(м3 - °С- сут.) 53,2 31,0
Класс энергетической эффективности здания Низкий
В табл. 2 представлена структура тепловых потерь через ограждающие конструкции за счёт теплопередачи и инфильтрации. Основную долю тепловых потерь составляют потери за счёт теплопередачи через стены (37,3 %) и за счёт теплопередачи (26,4 %) и инфильтрации (21,2 %) через окна и балконные двери. Отображение структуры тепловых потерь в виде столбиковой диаграммы на рис. 2.
По комплексу мероприятий тепловой защиты здания проводится расчёт его технико-экономических показателей. Результатами расчёта являются описание способов, технологий и материалов спроектированного комплекса мероприятий тепловой защиты здания, потенциал энергосбережения и структура затрат на его реализацию.
Таблица 2
Структура тепловых потерь через ограждающие конструкции за счёт теплопередачи и инфильтрации
Ограждающие конструкции Удельные тепловые потери, кДж/(м2-°С сут.) Суммарные тепловые потери, Гкал/год Доли тепловых потерь, %
Наружные стены 49,6 410,2 37,3
Подвальные перекрытия 6,6 54,2 4,9
Чердачные перекрытия 12,7 104,7 9,5
Окна и балконные двери 35,2 291,0 26,4
Наружные двери 0,9 7,5 0,7
Инфильтрация 28,1 232,8 21,2
Всего 133,0 1100,4 100,0
Гкал/год 600"^
400
200
Наружные Окна Чердачные Подвальные Входные Инфильтрация стены и балконные пере- пере- двери двери крытия крытия
Рис. 2. Диаграмма структуры тепловых потерь
Во втором блоке производится выбор мероприятий тепловой защиты (рис. 3). Для каждого типа ограждающих конструкций выбирается способ и технология утепления, из базы данных подбираются теплоизоляционные и конструкционные материалы для выбранной технологии, рассчитывается необходимая толщина теплоизоляции с учётом нормативных требований и определяются удельные и суммарные затраты на проведение мероприятия.
Рис. 3. Форма выбора мероприятий тепловой защиты здания
В табл. 3 показаны результаты расчёта тепловых потерь до и после утепления здания. Общая эконо-
Таблица 3
Результаты расчёта тепловых потерь до и после утепления здания
Ограждающие конструкции Тепловые потери (до утепления), Гкал/год Тепловые потери (после утепления), Гкал/год Экономия тепла, Гкал/год Экономия тепла, %
Наружные стены 410,2 93,1 317,1 28,8
Подвальные перекрытия 54,2 27,4 26,8 2,4
Чердачные перекрытия 104,7 29,3 75,4 6,9
Окна и балконные двери 291,0 149,2 141,8 12,9
Наружные двери 7,5 2,2 5,2 0,5
Инфильтрация 232,8 47,8 185,0 16,8
Всего 1100,4 349,0 751,4 68,3
0
мия тепловой энергии по комплексу утеплительных мероприятий составляет 68,3 %. На рис. 4 приведена диаграмма структуры тепловых потерь здания до и после утепления.
Гкал/год 600
400
200
Наружные Окна Чердачные Подвальные Входные Инфильтрация стены и балконные перек- перек- двери двери рытия рытия
до утепления
после утепления
Рис. 4. Диаграмма структуры тепловых потерь здания до и после утепления
Табл. 4 содержит структуру затрат на проведение утеплительных мероприятий здания. Наибольшие доли затрат приходятся на мероприятия по утеплению стен (56,9 %) и установку энергоэффективных оконных конструкций (30,3
%). В то же время они дают наибольшие доли экономии тепловой энергии - 28,8 % и 29,7 % соответственно.
В третьем блоке проводится финансово-экономический анализ комплекса мероприятий тепловой защиты здания (рис. 5).
Так как мероприятия тепловой защиты здания связаны с реконструкцией и капитальным ремонтом здания, то для возврата инвестиций необходимо использовать средства, собираемые на капитальный ремонт жилья. Также учитывается экономия денежных средств за счёт снижения тепловых потерь. При составлении финансового плана существует возможность выбора различных способов финансирования энергосберегающих проектов, информация о которых приведена в [5-7]. Там же имеется справочная информация по динамике роста тарифов на тепловую энергию и капитальный ремонт и динамику общеэкономических показателей (процент инфляции и ставка по кредиту). По результатам расчёта строится график возврата денежных средств, потраченных на проведение мероприятий тепловой защиты здания, и определяется срок окупаемости проекта (рис. 5).
На рис. 6 представлена диаграмма динамики общих затрат на отопление. Для возврата инвести-
Таблица 4
Структура затрат на утеплительные мероприятия
Ограждающие конструкции Площадь, м2 Удельные затраты, руб./м2 Суммарные затраты, тыс. руб. Доли суммарных затрат, %
Наружные стены 2 751,88 2 073,00 5 704,65 56,8
Подвальные перекрытия 1 098,24 345,00 378,89 3,8
Чердачные перекрытия 1 101,23 725,00 798,39 8,0
Окна и балконные двери 950,60 3 200,00 3 041,92 30,3
Наружные двери 22,00 5 000,00 110,00 1,1
Всего - - 10 033,85 100,0
Рис. 5. Форма ввода исходных данных и отображения результатов финансово-экономического анализа комплекса мероприятий тепловой защиты здания
ций в течение периода окупаемости сохраняется оплата за тепловую энергию по прежним объёмам потребления до утепления, после периода окупаемости существует возможность снижения затрат на отопление здания в соответствии с новым объёмом потребления тепловой энергии после утепления.
млн руб. 3
0
1-6771 ___
009 ■■■ ЕШ!
ГТ3581 ¿¡В I
0-636
.0,707.
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 Период окупаемости: 4 года 9 мес.
Рис. 6. Диаграмма динамики общих затрат на отопление
0
2
1
Результаты расчёта показывают, что период окупаемости проектов тепловой защиты зданий составляет 4-8 лет в зависимости от типа здания и схемы финансирования проекта.
В четвёртом блоке формируются итоговые отчёты по результатам расчёта:
- энергетический паспорт здания в соответствии со СНиП [1];
- описание проекта повышения тепловой защиты здания и финансового плана его реализации.
Существует возможность экспорта энергетического паспорта здания и отчёта по проекту повышения тепловой защиты в документы текстового и табличного формата.
Разработанный программно-вычислительный комплекс реализует методику расчёта тепловых потерь, проектирования тепловой защиты здания,
содержит блок финансово-экономического анализа и является удобным инструментом при комплексном анализе энергоэффективности зданий и проектировании энергосберегающих мероприятий. Информационная база данных содержит информацию по типовым сериям жилых и общественных зданий, современным технологиям и материалам тепловой защиты, а также проектам тепловой защиты для различных типов зданий. Результаты расчётов представляются в виде таблиц, графиков, диаграмм и отчётов, которые могут быть экспортированы в текстовые и табличные документы. Программный комплекс предлагается использовать для расчёта, проектирования и финансово-экономического анализа проектов тепловой защиты зданий в проектно-строительных организациях, организациях, эксплуатирующих здания, управляющих компаниях в жилищно-коммунальном хозяйстве.
Литература
1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий - М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004.
2. Королёв С. А., Русяк И. Г., Никитина И. С. Разработка методики и программного обеспечения проектирования тепловой защиты зданий // Вестник Ижевского государственного технического университета. -2012. - № 4. - С. 131-134.
3. Королёв С. А., Волкова Е. И. Разработка методики оценки эффективности для комплекса типовых энергосберегающих мероприятий / Математическое и компьютерное моделирование технических и социально-экономических систем: Материалы Регион. научно-технич. конф. (Ижевск, 14 мая 2010 г.). - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. - С. 27-29.
4. Русяк И. Г., Королёв С. А. Особенности математического моделирования и проектирование энергосберегающих многослойных оконных систем // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2005. - № 4. - С. 20-25.
5. Программа кредитования малого и среднего предпринимательства «Финансирование для инноваций и модернизации». Удмуртский государственный фонд поддержки малого предпринимательства [Электронный ресурс]. Код доступа: www.udbiz.ru/node/2670.
6. Программа кредитования НЕФКО «Энергосбережение». Северная экологическая финансовая корпорация (НЕФКО) [Электронный ресурс]. Код доступа: www.nefco.org/ru/financing/kredity_po_pro-gramme_eko_effektivnost.
7. Энергосбережение плюс (программа КфВ «Защита климата» - кредитование энергосберегающих технологий). АКБ «Спурт» (ОАО) [Электронный ресурс]. Код доступа: www.spurtbank.ru.
Development of software and computing complex for designing of building thermal protection I. G. Rusyak,
Izhevsk State Technical University, Professor K. V. Ketova,
Izhevsk State Technical University, Professor S. A. Korolyov,
Izhevsk State Technical University, Associate Professor A. S. Krasnov,
Izhevsk State Technical University, lead engineer I. S. Nikitina,
Izhevsk State Technical University, postgraduate student
The paper is devoted to designing of building thermal protection and development of software and computing complex. Results of calculation of energy efficiency indicators and structure of heat losses for standard series of residential and public buildings by means of the developed software and computing complex are given.
Keywords: energy-economy, heat protection, software and computing complex, energy efficiency indicator, energy passport.
