CC BY
86
Упрощенная модель минимизации расхода суммарной энергии, идущей на строительство и эксплуатацию зданий
В.К.Савин
Смысл деятельности нынешних и будущих поколений людей состоит в том, чтобы бережно и экономно расходовать не-возобновляемые источники энергии, которые по сути являются источником жизни и богатства каждого человека и страны в целом. В связи с этим вопросы теории и практики минимизации суммарного потребления невозобновляемых источников энергии при строительстве и эксплуатации зданий остаются в числе приоритетных фундаментальных исследований.
Главными задачами и приоритетами энергетической политики и стратегии в области строительства являются:
- полное и надежное обеспечение населения и экономики страны энергоресурсами по доступным ценам;
- рациональное использование энергоресурсов;
- снижение удельных энергозатрат за счет применения энергосберегающих технологий и оборудования при производстве строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений в целом;
- минимизация техногенного воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации зданий;
- повышение эффективности строительного комплекса и роста производительности труда путем сокращения живого труда в процессе строительства и эксплуатации здания.
Продолжением государственной энергетической политики является закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности», вступивший в силу 27 ноября 2009 года. В нем созданы «правовые, экономические и организационные основы стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности». Энергосбережение направлено «на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего эффекта от их использования».
Уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении или увеличении объемов строительства возможно на основе минимизации суммарного потребления невозобновляемых источников энергии при строительстве и эксплуатации зданий.
Здание представляет собой единую энергетическую систему, связанную как с наружным, так и внутренним климатом. В единую энергетическую систему здания входят локальные системы: теплозащиты, вентиляции, освещения, горячего водоснабжения и др. Для каждой локальной системы имеется своя методика расчета затрат энергии, необходимой для ее создания и эксплуатации.
Физико-математическая модель упрощенного расчета уровня теплозащиты здания. В настоящее время расход энер-
гии от начала строительства здания до его демонтажа и утилизации производится только для периода эксплуатации на основе нормируемых значений уровня теплозащиты, расхода воздуха и горячей воды. Автор считает, что такой подход является правильным лишь для расчета систем вентиляции и горячего водоснабжения. Для расчета системы теплозащиты здания нужен совершенно иной подход, который бы учитывал многочисленные факторы, связанные с процессом расхода энергии через ограждения, начиная от начала строительства наружной оболочки здания до ее разрушения и утилизации. Наиболее важными взаимосвязанными факторами являются следующие: микроклимат помещения, наружный климат, теплозащита оболочки здания, ее энергоемкость и долговечность, а также архитектурно-планировочные решения. Ни один из этих шести факторов нельзя рассматривать отдельно, изолированно друг от друга. Сейчас же строительные нормы предписывают повышать уровень теплозащиты от ее наименьшей нормируемой величины до бесконечно большой. За прошедшие 15 лет мы прошли три этапа большого пути, когда уровень теплозащиты ограждающих конструкций без должного обоснования был повышен в три раза. В настоящее время появились статьи, например, [4], в которых призывают к дальнейшему увеличению теплозащиты стен и окон здания.
Нами разработана упрощенная энергетическая модель расчета уровня теплозащиты здания, которая позволяет связать все шесть выше названных факторов и получить оптимальное - единственно правильное - решение.
Упрощения. Первое упрощение при расчете теплозащиты оболочки здания касается исключения из рассмотрения теплопотерь через пол и покрытие. В многоэтажных зданиях эти теплопотери имеют небольшую величину, которой можно пренебречь. В одноэтажных зданиях они значительны, и их можно оценить отдельными дополнительными расчетами или повышающим коэффициентом.
Второе упрощение модели энергетического расчета касается величины площади пола, которая принимается по внутренним размерам здания без учета перегородок и других элементов. Следует отметить, что при рассмотрении вопроса о потреблении энергии отдельной жилой квартирой на любом этаже здания, кроме первого и последнего, эти два допущения не имеют места.
Третье упрощение предусматривает определение площади наружных ограждающих конструкций по наружным размерам здания без учета дверных и оконных откосов. Площадь
окон определяется по их размерам в свету. В СП 23-101-2004 [7] записано, что «Площадь наружных ограждающих конструкций определяется по внутренним размерам зданий».
Четвертое упрощение касается учета теплопоступлений в помещение. Строительные нормы [7] при расчете эффективности жилых зданий с естественной вентиляцией предусматривают учет теплопоступлений в помещения от солнечной радиации и теплопоступления от бытовых приборов. В рассматриваемой модели эти показатели не учитываются по следующим причинам:
- как показывает опыт многолетней эксплуатации, при поступлении прямой солнечной энергии в помещения здания отсутствует автоматическое отключение или сокращение в эти часы или минуты подачи тепла в отдельные инсоли-руемые помещения;
- при использовании бытовых приборов требуется дополнительная вентиляция помещений, как, например, при стирке белья, глажении, использовании газовых плит и других приборов. В момент использования бытовых приборов или при скоплении людей в помещении необходимо проветривание через форточки, фрамуги, створки окон. В нашей упрощенной модели расчет теплопоступления от солнечной радиации в помещения от бытовых приборов и людей не предусматриваются.
Минимизация удельных суммарных годовых энергетических затрат стены или окна. Из физической модели расхода энергии зданием за срок его эксплуатации можно получить балансовое уравнение для годового суммарного (на строительство и эксплуатацию) расхода тепла зданием через вертикальное несущее ограждение Оу, на вентиляцию Ов и на горячее водоснабжение Огв, которое имеет вид
Общ = ОУМ + О + Ог.в, кВт-ч/год . (1)
Суммарный расход тепла зданием через вертикальное несущее ограждение равен сумме расходов энергии через стены и окна (расчет производится для одного этажа здания с высотой помещений ^ и без учета потерь энергии через покрытия и полы):
ооу; = отм + а?:. (2)
Суммарные годовые энергетические затраты, учитывающие затраты на создание элемента конструкции (стены или окна) и ее эксплуатацию, можно выразить через их удельные энергетические затраты и площади:
а сум = Псум гст(ок) (3)
:т(ок) Чст(ок) нар , (3)
где Яст(ок) = (С(«о + Чэст(ок)) - удельные суммарные годовые энергетические затраты, учитывающие затраты на создание элемента конструкции (стены или окна) и ее эксплуатацию.
Теория и практика расчетов минимизации энергетических затрат ограждающих конструкций и зданий изложена в монографиях автора [1, 2]. Удельные суммарные годовые энергетические затраты рассчитываются по формуле:
Ч^) = 0,024йкт{ок), кВт-ч/(м2°С), (4)
где кт{ок) - минимальный условный суммарный коэффициент теплопередачи, учитывающий затраты энергии на создание конструкции и ее эксплуатацию;
В - градусо-сутки отопительного периода, °С-сут.
Чтобы связать пять основополагающих факторов (наружный климат, внутренний микроклимат помещений, энергоемкость конструкции, ее уровень теплозащиты и долговечность) в единое целое, в работе [1] разработана энергетическая модель расчета и получена целевая функция
¿У
¿Ж
( . А
— + 5аЯо
Ж
(5)
где Ба = О* • (24• В• 7) - критерий автора;
7 = 77отп€^р_ - безразмерная величина, численно равная сроку службы ограждения;
7от.пер. - время отопительного периода одного года, ч.
Критерий автора Ба связывает энергоемкость О* и теплозащиту Я0* эталонного элемента ограждающей конструкции с долговечностью 7 и климатическим районом строительства (Ь -Ь):
* в н'
энергоемкост - теплозащита ,
Ба =---—-= безразмерное число.
долговечность - район строительства
Приравняв уравнение (5) к нулю и продифференцировав его по ЯЩр', получим оптимальное значение приведенного сопротивления теплопередаче для стены или окна
яЦк) =1/Бахт[ж) (б)
и минимальное значение условного суммарного коэффициента теплопередачи, учитывающего затраты тепла на строительство и эксплуатацию ограждения
к<ум.|тап = 2Бп1/2
кст(ок) = 2Баст(ок) . (7)
С учетом (7) уравнение (4) можно записать в форме
С(Г)п = 0,048£5а1/(2ок), кВт-ч/(м2°С). (8)
Минимальные суммарные энергетические затраты 1м2 вертикального ограждения здания находятся по формуле:
.смттг ■ псумт\пг ^сумтт _ Чст 'ст Чок 'ок
+ Г„
Чогр......= ~ ц" + г"" ~, кВт-ч/м2год. (9)
Зависимость (9) можно представить в другом виде:
\ Ба1/2Г + Ба1/2Г \
Т^™" = 0,048В ст^"ок ок = 0,048ВБат;рп,
С«т1п _
где Баог„ =
Ба1/2Г + Ба1/2Г
ст ст ок ок
огр г
огр
критерий автора являет-
ся средним по площади ограждения (стена+окно). Тогда
асумтт _-.сумтт г
огр огр ог
(10)
Из формулы (9) видно, что для расчета ^УМ™" необходимо определить площадь оконного блока и минимальный удельный годовой расход энергии через окно.
Определение площади оконного блока и минимального годового расхода энергии через окно. Основным назначением окон является обеспечение естественным светом помещений зданий. Жилые и общественные здания с постоянным пребыванием людей должны иметь естественное освещение и отвечать требованиям строительных норм [5].
В настоящее время основополагающие главы СНиП по светотехнике и теплозащите [5, 6] при определении проектировщиком площади окон вступают друг с другом в противоречие. Исходя из экономии топлива, СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» требует ограничить площадь световых проемов до 18% от площади наружного ограждения и значительно повысить уровень теплозащиты окон, т.е. снизить освещенность помещения и таким образом нарушить нормы по светотехнике. Этого делать нельзя, потому что естественный свет является ключевым биологическим фактором, от которого зависит здоровье человека и производительность его труда. Естественный свет регулирует обмен веществ в организме, он влияет на иммунологическое и психоэмоциональное состояние человека. При длительном пребывании в помещении с недостаточным освещением ухудшается зрение, у детей развивается рахит, у взрослых - авитаминоз. Все это приводит к инвалидности и даже преждевременной смерти. Поэтому нельзя эксплуатировать частный эффект экономии топлива путем уменьшения площади световых проемов, увеличения количества слоев остекления, а также с помощью других приемов, снижающих освещенность помещения ниже принятых санитарных норм. Проектирование наружного ограждения (стена+окно) необходимо вести, исходя из условия обеспечения помещения светом и теплом.
Автором разработан метод расчета уровня теплозащиты наружного ограждения (стена+окно) [1], с помощью которого можно выбрать энергоэффективную конструкцию, обеспечивающую экономию энергии при эксплуатации здания, не нарушая СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение». Он заключается в сравнении двух или нескольких вариантов с одинаковыми площадями наружного ограждения, обеспечивающих в расчетной точке помещения нормируемое значение КЕО. Стены наружного ограждения во всех вариантах имеют найденное выше по формуле (6)оптимальное значение приведенного сопротивления теплопередаче
—опт / 1
Яот = 1/За!/ . (10)
В световые проемы могут быть установлены оконные блоки различной конструкции и с разными свето- и теплозащитными свойствами. Таким образом, площади стен и окон имеют разные значения в зависимости от светотехнических свойств оконных блоков. Энергоэффективный оконный блок определяется путем сравнения его с эталоном. В качестве эталона нами выбран оконный блок, выполненный по ГОСТ
11214-86, приведенное сопротивление теплопередаче которого равно R30K = 0,4 м2°С/Вт, а общий коэффициент све-топропускания - тэок = 0,61.
Для любого оконного блока по формуле (6) можно найти оптимальное значение приведенного сопротивления теплопередаче
R07 = V ^ (11)
и минимальное значение условного суммарного коэффициента теплопередачи, учитывающего затраты тепла на строительство и эксплуатацию ограждения
k0Tmin = 2Sal/2. (12)
Чтобы рассчитать общие годовые минимальные суммарные энергетические затраты 1м2 вертикального ограждения здания по формуле (9), необходимо знать площади стен и окон. Согласно [1] площадь исследуемого окна определяется из выражения
F0K = FoK f = °,61 f , (13)
ок ок
где t0K - общий коэффициент светопропускания исследуемого окна.
Площадь стены находится по формуле
Fcm Fo¿p Fok .
Чтобы окончательно решить какой уровень теплозащиты наружного ограждения (стена+окно) является оптимальным, необходимо сначала сравнить суммарные затраты энергии наружного ограждения с эталонным окном, а затем с рассматриваемым оконным блоком.
Разделив уравнение (1) на площадь пола и время эксплуатации здания, получим общий удельный расход тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение
= ЯОгХомп + qa + Яг.е , кВт-ч/(м2-ГОд),
(14)
где цЦ = СЩ /{Иар - удельные энергетические затраты, отнесенные к площади наружного ограждения;
ккомп = Енар /^пол - коэффициент компактности или безразмерный коэффициент, учитывающий влияние объемно-планировочных решений на расход тепла зданием.
Минимальный годовой расход энергии вертикального ограждения с учетом оптимизации архитектурно-планировочного решения здания. Оптимизацию архитектурно-планировочного решения здания следует проводить 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 ¿. 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 [3, 4]. При оптимизации архитектурно-планировочных решений ширину корпуса здания следует
выбирать из условия обеспечения помещений естественным светом. При этом величина отношения площади пола помещений этажа к площади его наружных поверхностей должна быть наибольшей.
В работе [2] проведена оптимизация архитектурно-планировочного решения здания и при высоте помещения Н=3 м получена функциональная зависимость для определения коэффициента компактности
6Ц1 + х)
(15)
комп £ -
' пол х
где х = х / £ - отношение длины здания к ширине;
Гнар, 'пол - соответственно площадь наружного ограждения и пола.
Теперь можно соединить две минимизированные зависимости в единую формулу. Для этого разделим (2) на Гол, тогда получим удельные минимальные годовые энергетические затраты ограждения, отнесенные к 1м2 пола
СГ = 0,048• Батр • В• к^, кВт-ч/м2год. (16)
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 (Ьн), микроклимат помещения (Ь), теплозащиту (Я0), долговечность (г) и энергоемкость (Ок) конструкции, а также геометрические размеры площадей наружной поверхности конструкции (Гнар) и пола (Гпол).
Расчеты, выполненные по формуле (16) показывают, что, учитывая суммарный минимальный расход энергии при строительстве и эксплуатации здания, можно в разы повысить его энергетическую эффективность и производительность труда. Например, за срок эксплуатации долговечного здания в течение 150 лет возможно получить экономию энергии 55% по сравнению с недолговечным зданием, т.е. при одинаковых затратах на строительство и эксплуатацию можно построить панельное здание площадью 1000 м2 или кирпичное - площадью 1550 м2, а за счет правильного проектирования архитектурно-планировочных решений еще увеличить их площади на 49% [10].
Вывод. Повысить эффективность строительства можно путем внедрения беззатратных технологий с переориентацией и перепрофилированием существующих предприятий на строительство менее энергоемких и более долговечных зданий, в которых эксплуатационные затраты оставались бы неизменными, а количество построенных квадратных метров значительно увеличивалось. При таком подходе к проблеме строительный комплекс должен выполнить заказ большинства населения в существенном увеличении объемов жилищного строительства без повышения материалоемкости и эксплуатационных затрат. В этом состоит его общественная полезность, экологическая и социальная безопасность.
Упрощенный расчет затрат энергии при естественной вентиляции помещений. Основной задачей вентиляции является обеспечение нормируемых параметров воздушной среды в рабочей (обслуживаемой) зоне помещений за счет поступления в нее чистого наружного воздуха и исключения влияния вредных выделений (излишков тепла, влаги, пыли и газов) на человека.
Чтобы обеспечить гигиенические нормативные требования воздушной среды помещений, необходимо тратить значительную часть тепла, поступающего в здание. Вопрос о количестве воздуха, которое необходимо подавать в помещения, и количестве поступления воздуха в действительности, является ключевым. Российские нормативные документы рассматривают воздухообмен помещений, исходя из экономии энергии при эксплуатации зданий, т.е. из расчета поступления в помещения минимального количества воздуха, разрешенного гигиенистами. Нормы кратности воздухообмена и количество поступающего в помещение воздуха приведены в СНиПах для гражданских и производственных зданий.
Нельзя забывать слова ведущих ученых гигиенистов [8], «что качество воздушной среды, самочувствие и работоспособность исследуемых свидетельствует о том, что для создания достаточно благоприятных условий воздушной среды в помещениях зданий необходимо подавать на одного человека не менее 60 м3 воздуха в час. Минимальное необходимое количество составляет 20 м3/ч. Оптимальный уровень воздухоподачи равен 200 м3 в час на человека». Конечно, в спальне площадью 10 м2 и объемом 30 м3, где находятся два человека, нормируемый воздухообмен (один обмен в час) не обеспечивает и минимально необходимое количество воздуха 20 м3/ч на человека.
Гигиенические нормативы и требования к воздуху в рабочей зоне, обеспечивающие безопасные уровни воздействия на человека вредных веществ, изложены в нормах, в которых учитываются предельно допустимые концентрации (ПДК) в воздухе вредных веществ в рабочей зоне для определенного загрязнителя. Принято считать, что при ПДК меньше допустимого значения загрязнитель не может причинить вреда здоровью человека, если он работает в помещении не более 41 часа в неделю. В помещениях жилых зданий люди находятся более 15 часов в день, и, ориентируясь на ПДК, специалисты недооценивают риск заболеваний. Кроме того, в зону повышенного риска попадают люди пожилого возраста и дети. Если к тому же учесть, что концентрация вредных веществ в помещениях выше допустимых значений ПДК, то при вентиляции наружным воздухом, в котором вредные вещества находятся на уровне ПДК, мы никогда не добьемся снижения вредных веществ внутри жилища.
На наш взгляд, существующие нормы по вентиляции устарели. Они не гарантируют обеспечение надлежащего качества воздушной среды внутри помещения, так как из поля зрения нормирования выпали такие важные факторы, как чистота воздуха, его ионный состав и прочее. Уже сейчас в
густонаселенных городах каждому человеку необходимо 60 м3/ч свежего воздуха. Вопросы воздухообмена обязательно должны быть в поле зрения государства, поскольку связаны с безопасностью и здоровьем нации. В первую очередь необходимо ужесточить гигиенический контроль воздушной среды с обязательным составлением эколого-гигиеничес-кого паспорта здания.
Для упрощенного расчета затрат энергии при естественной вентиляции можно принять нормируемую величину воздухообмена Сн=3м3/ч для 1м2 пола помещений жилых зданий. Тогда удельный расход тепловой энергии на вентиляцию помещения определяется из выражения
цв = 0,28рС„ 0,0240 = 0,0240 кВт-ч/(м2-год),
где Сн=3м3/ч - норма воздухообмена для жилых зданий на 1м2;
р = 1,2 кг/м3 - плотность воздуха при температуре 20°С.
Для расчета затрат энергии при естественной вентиляции всех помещений жилого здания следует использовать зависимость
Св = 0,0240/^ кВт-ч/год. (17)
Расчет затрат 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
Сг.в = 1г16пСсут1 к - К) = 423пСут (^ - К), кВт-ч/год, (18)
где п - количество людей, проживающих в квартире;
всут= 115 л =115 кг - нормативный расход горячей воды в сутки на человека;
Zсут = 365 - количество суток в году;
, Ьх - соответственно температура горячей и холодной воды.
Удельный расход тепла на горячее водоснабжение, отнесенный к 1 м2 площади помещения, равен Яг.в = Сгв^п кВт-ч/(м2-год).
Общий минимальный расход тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение здания. Общий удельный минимальный расход тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение составит
r.сумmiп _ -_а/м|тпп i« 1/7
1общ = Чогр + Чв + Чг.
или
CT = 0,024• D(2S< • +1) +423^ (t, -tx ),
кВт-ч/(м2-год).(19)
Общий суммарный минимальный расход тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение наружного ограждения (стена+окно) равен
0от,п = ЧГГРогр, кВт-ч/год.
(20)
Общий суммарный минимальный расход тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение всего здания за срок его эксплуатации можно найти из выражения
ЕУГ = k3dqZrnFo¿pz, кВт-ч, (21)
где кзд - коэффициент, учитывающий суммарный минимальный расход тепла через наружное ограждение (пол-+покрытие). Для многоэтажных зданий он имеет небольшую величину порядка кзд = 1,1.
Теоретическая кривая (21) обеспечивает комфортные условия проживания людей в жилых помещениях здания и связывает в единое целое пять его локальных систем: теплозащиту, освещения, вентиляцию, горячее водоснабжение и архитектурно-планировочные решения.
Литература
1. Савин В.К. Строительная физика: энергоперенос, энергоэффективность, энергосбережение. М, «Лазурь», 2005.
2. Савин В.К. Строительная физика: аэродинамика и теплообмен при взаимодействии потоков и струй со зданиями. М, «Лазурь», 2008.
3. «Энергоэффективная экономика» /Федеральная целевая программа. Утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 17.11.2001 г. №796.
4. Ливчак В.И. Повышать ли уровень теплозащиты зданий? Ответ «да». АВОК, №7, 2009.
5. СНиП 23-05-95 Естественное и искусственное освещение. М., 1995.
6. СНиП 23-02-2003 Теплозащита зданий. М., 2004.
7. СП 23-101-2004 Проектирование теплозащиты зданий, М., 2004.
8. Губернский Ю.Д., Лицкевич В.К. Жилище для человека, М., «Стройиздат», 1991.
9. Горомосов М.С. Микроклимат жилищ и его гигиеническое нормирование, М., 1960.
10. Савин В.К., Савина Н.В. Два способа увеличения жилищного фонда страны при неизменных энергетических затратах на строительство и эксплуатацию зданий. Academia. Архитектура и строительство, М., 2009.
The Simplified pattern of Consumption Minimization of the Total Energy Which is Used for Construction and Operation of Buildings. By V.K.Savin
On the basis of maintenance of comfortable conditions indoors the simplified physical and mathematical model of calculation of a wall+a window heat-shielding optimum level is developed and the simplified method of definition of the general minimum heat consumption for heating, ventilation and hot water supply of a building is given.
Ключевые слова: здание, теплозащита, вентиляция, горячее водоснабжение, освещение, энергосбережение.
Key words: construction, heat shielding, ventilation, hot water supply, lighting, energy efficiency.
