Введение
Жилищное строительство – один из приоритетов социально-экономического развития Республики Беларусь. Решение задачи совершенствования нормативной и технической базы строительства в направлении снижения уровня энергоснабжения зданий, потребляющих в отопительном периоде до 40% производимой в стране тепловой энергии, представляется совершенно необходимым.
Расчетный уровень теплопотерь многоэтажных домов старого жилого фонда составляет 150–170 кВт•ч/м2 в год, или средняя мощность теплопотерь в отопительном сезоне – 31–35 Вт/м2. По действующим нормативам [1] в новых многоэтажных жилых зданиях эти показатели равны соответственно 85–110 кВт•ч/м2
в год и 17,6–22,8 Вт/м2. В [2] приведены результаты измерения затрат энергии на отопление многоэтажных жилых зданий разных лет постройки в отопительном сезоне 2006–2007 гг. В домах старого жилого фонда удельное теплоснабжение по показаниям групповых счетчиков тепла составило 110 кВт•ч/м2
в год, или средняя мощность теплопотерь в течение отопительного сезона – 22 Вт/м2, в новых – 80 кВт•ч/м2 в год и 16 Вт/м2.
В Западной Европе в настоящее время активно развивается строительство пассивных зданий [3] с задаваемым уровнем теплоснабжения 15 и менее кВт•ч/м2 в год. И эта тенденция продвигается на территорию СНГ.
Встает вопрос о целесообразности и экономической оправданности возведения пассивных зданий в климатических и урбанистских условиях стран Содружества. Возможной альтернативой, на наш взгляд, может стать строительство энергоэффективных домов [4].
Пассивный дом: определение и основные принципы строительства
Следует еще раз уточнить понятие "пассивный дом" и тот смысл, который вкладывается в понятие "энергоэффективный дом".
Пассивный дом – здание, уровень тепловых потерь которого так низок, что можно исключить систему отопления, объединить ее с системой вентиляции [3]. Oтличительные особенности пассивных зданий:
- уровень потребления энергии на отопление меньше 15 кВт•ч/м2 в год;
- теплозащитные свойства оболочки здания, причем равномерно утепленной, с сопротивлением теплопередаче не менее 10 м2•°С/Вт;
- принудительная приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов;
- проектирование без мостиков холода;
- герметичная оболочка здания;
- теплозащитные свойства окон с сопротивлением теплопередаче не менее 1,2 м2•°С/Вт.
Целевым является показатель потребления тепловой энергии на отопление 15 кВт•ч/м2 в год. Остальные требования скорее можно назвать средством для достижения поставленной цели.
Рассмотрим историю появления целевого показателя. В [5] впервые приведены графики (рис. 1), из которых следует обоснование данной цифры. При снижении потребления тепловой энергии на отопление снижается ее стоимость, что показано линейной зависимостью. Разность затрат на мероприятия по экономии тепловой энергии и стоимостью сэкономленной энергии представлены на втором графике. Минимум этой функции соответствует удельному потреблению тепла на отопление, равному 30 кВт•ч/м2 в год. При значении этой величины, равном 15 кВт•ч/м2 в год, можно совместить систему вентиляции с воздушным отоплением здания, что приводит к скачкообразному снижению затрат.
На графике отображен условный уровень затрат в зависимости от потребления тепловой энергии на цели отопления.
Для конкретных климатических условий г. Дармштадт (Германия), уровня воздухообмена (1 1/ч для жилой площади) рассчитано, что для воздуха (в качестве теплоносителя) с температурой 50 °С принятая кратность воздухообмена обеспечивает отопление здания на уровне 15 кВт•ч/м2 в год. Отсюда следует, что при данной совокупности факторов теплоснабжение пассивного дома не должно превышать указанную величину, которая является пороговой для определения пассивного дома.
Рассмотрим возможности применения воздушного отопления в квартирах многоэтажных зданий в климатической среде г. Минска. В качестве условия возможности использования воздушного отопления запишем следующее:
qот. = V0ρc (Тт–Твн)/(S•3600), (1)
где qот. – максимальная удельная мощность системы отопления в отопительном сезоне, Вт/м2;
V0 – нормативное значение воздухообмена, м3/ч;
ρ – плотность воздуха, кг/м3; c – теплоемкость воздуха, Дж/(кг•град);
Тт и Твн – максимальная температура воздуха, подаваемая из системы воздушного отопления в квартиру, и нормативная температура воздуха в квартире, °С;
S – площадь квартиры, м2.
В таблице приведены исходные данные для расчета по формуле (1), взятые из [6, 7], и результаты расчетов пороговых значений удельного потребления тепловой энергии на отопление для пассивного дома в конкретных условиях Беларуси в случае многоэтажных зданий с газовыми плитами для приготовления пищи. Рассмотрены три типа квартир, поскольку воздухообмен в них определяется необходимым объемом удаляемого из квартиры воздуха [7] (90 м3/ч для кухни и по 25 м3/ч для туалета и ванной комнаты).
Как следует из таблицы, выбранное в качестве характеристики пассивного дома в [5] значение удельного потребления энергии, равное 15 кВт•ч/м2 в год, носит случайный характер. Значит, под определение "пассивный многоэтажный дом" подходит здание с уровнем тепловых потерь менее 40 кВт•ч/м2 в год.
К какому же уровню потерь тепла в зданиях следует стремиться и является ли необходимым переход к воздушному отоплению, который возможен и при более высоких показателях теплозатрат на отопление?
В этом случае можно сохранить кратность воздухообмена с окружающей средой, требуемую для обеспечения нормируемого качества воздушной среды, а при необходимости увеличения кратности воздухообмена в системе воздушного отопления сверх этой величины использовать частичную рециркуляцию воздуха в системе воздушного отопления в пределах одной квартиры.
Переход к воздушному отоплению зданий позволяет убрать из квартиры приборы системы водяного отопления и взамен установить канальный нагреватель воздуха, представляющий собой теплообменник вода/воздух. Его стоимость может оказаться не меньше суммарной стоимости отопительных приборов водяного отопления. К тому же настройка и балансировка воздушного отопления достаточно сложна, так как в каждую жилую квартиру воздух необходимо подавать не пропорционально ее площади, а в соответствии с уровнем тепловых потерь, на которые существенно влияет положение помещения в здании [4]. Возникают сложности и при управлении тепловым режимом помещений. Они обусловлены возможным противоречием между воздухообменом для дыхания и воздухообменом для компенсации теплопотерь. Если в комнате собралось несколько человек, объем воздуха в ней должен быть увеличен. Но увеличится и уровень тепловыделений, что ведет к снижению подачи теплоносителя в комнату.
На наш взгляд, более приемлемо использование водяной системы отопления стандартного типа или системы напольного отопления, целесообразность применения которой возрастает по мере увеличения энергоэффективности зданий.
Таким образом, нет причин для доведения уровня теплоснабжения здания до 15 кВт•ч/м2 в год, как следует из [3] для пассивного дома. Тем не менее системный подход к снижению энергопотребления на отопление, выработанный при проектировании пассивных зданий, показал свою эффективность и является отправной точкой при решении задач экономии энергии.
Энергоэффективные здания
Следует отметить, что график на рис. 1 не совсем точен, так как в нем отсутствует скачкообразное увеличение затрат в связи с появлением системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов.
График на рис. 2 более достоверно отражает изменение инвестиций при постепенном снижении затрат тепловой энергии на отопление, достигаемом за счет увеличения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. На определенном этапе, соответствующем на графике значению R = 4 м2•°С/Вт, с целью снижения уровня теплопотерь переходят от системы со свободным воздухообменом (с чем, как известно, связано до 50% теплопотерь) к принудительной приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов, что приводит к скачкообразному снижению потребления тепловой энергии в здании на 40–45 кВт•ч/м2 в год. В этом случае также резко увеличиваются и инвестиции в энергосбережение, поскольку в квартирах появляется новая инженерная система.
Влияние изменения теплозащиты зданий на уровень теплоснабжения не зависит от наличия или отсутствия системы утилизации тепла вентиляционных выбросов. При определении целесообразного уровня теплопотерь следует исходить из оптимального уровня теплозащиты здания, т.е. экономически целесообразного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций [8, 9].
В зависимости от стоимости тепловой энергии и утеплительных материалов можно рассчитать оптимальную для сложившихся условий величину сопротивления теплопередаче. В качестве критерия оптимальности можно принять сумму чистой прибыли, полученной при эксплуатации системы теплоизоляции в течение срока ее жизни за счет экономии тепловой энергии [8]. Рассчитанное таким образом оптимальное сопротивление теплопередаче при использовании, например, пенополистирола в течение 25 лет не превышает в настоящий момент 5 м2•°C/Вт.
С этой точки зрения энергоэффективным назовем здание, в котором помимо высокой компактности и оптимального утепления используется энергия тепла вентиляционных выбросов, возвращаемая в помещения путем утилизации.
Потребление тепловой энергии на отопление для квартир пассивного дома
Исходные данныеV0 = 140 м3/ч; Тт = 45 °С; Твн = 18 °С; Tмин = -25 °С; Tср = -0,9 °С;
Тип квартиры 1-комн., 45 м2 2-комн., 60 м2 3-комн., 80 м2 qот, Вт 15,8 21 26 qср, Вт 7,2 9,6 12,8 Q, кВт•ч/м2 в год 62 46 35qср – средняя за отопительный сезон мощность системы отопления, Вт;
Q – среднее удельное потребление тепла для отопления, кВт•ч/м2 в год;
Tмин = -25 °С – температура холодной пятидневки для Минска [6];
Tср= -0,9 °С – средняя за отопительный сезон температура в Минске [6].
Рассмотрим необходимый уровень удельного теплоснабжения здания с принудительной приточно-вытяжной вентиляцией и рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха. Для расчетов примем уровень остаточного свободного воздухообмена в здании 10% от нормативного и коэффициент полезного действия системы рекуперации тепла 90%. Уровень внутренних и бытовых тепловыделений – 4 Вт/м2, что меньше среднего уровня фактических тепловыделений, определенного в [2] и соответствует наличию одного человека на 20 м2 отапливаемой площади.
Как показывают результаты расчетов (рис. 3), для зданий с высокой компактностью при наличии системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла уходящего воздуха и оптимальном на настоящий момент значении сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций 3,5 м2•°С/Вт достигается уровень теплоснабжения Q > 15 кВт•ч/м2 в год. При Rogr = 5 м2•град/Вт можно устанавливать оконные конструкции, соответствующие действующим в настоящее время нормативам – с сопротивлением теплопередаче Rost = 0,6 м2•град/Вт.
В то же время расчеты показывают, что для зданий с малой компактностью даже сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций 10 м2•град/Вт при использовании оконных конструкций с сопротивлением теплопередаче 1,2 м2•град/Вт позволяет получить уровень удельного среднегодового теплоснабжения не менее 30 кВт•ч/м2 в год.
Таким образом, энергоэффективность предполагает различные нормативы теплопотерь в зависимости от компактности здания. Можно назвать энергоэффективным здание с сопротивлением теплопередаче ограждающих конструкций ниже или равным экономически целесообразному для периода строительства при использовании системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха. Это даст критерий для уровня энергопотерь энергоэффективного здания с малой компактностью (S/V = 0,7–1,2) – 40–90 кВт•ч/м2, а для компактных зданий (S/V > 0,7) – 40 кВт•ч/м2 в год. По мере увеличения стоимости энергоресурсов понятие энергоэффективного здания будет изменяться в сторону уменьшения удельных теплопотерь, т.к. экономически целесообразное сопротивление теплопотерь будет расти. В идеале энергоэффективность здания должна обеспечить возможность существования в течение отопительного сезона без затрат энергии на отопление.
Литература
1. ТКП 45–2.04–43–2006 Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования. – Минск, 2006 г.
2. Данилевский, Л.Н., Жило, А.Н., Москалик, Б.Ф. Фактические энергетические характеристики жилых зданий // Строительная наука и техника. – 2008. – C. 22–29.
3. Feist, W. Gestaltungsgrundlagen Passivhäuser Verlag das Beispiel GmBH. – 2001. – 132 s.
4. Данилевский, Л.Н. Особенности проектирования ограждающих конструкций и длительность отопительного периода энергоэффективных зданий // Строительная наука и техника. – 2008. – № 1. – С. 35–42.
5. Feist, W. Passivhäuser – Behandlichkeit ohne Heizung. – 1. Passivhaustagung. – 22–23, November, 1996. – Passivhausinstitut, s. 29–40.
6. СНБ 2.04.02–2000 Строительная климатология. – Минск, 2000 г.
7. СНБ 4.02.01–03 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. – Минск, 2004 г.
8. Дмитриев, А.Н., Табунщиков, Ю.А., Ковалев, И.Н., Шилкин, Н.В. Руководство по оценке экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия. Техническая библиотека НП АВОК. – М.: "АВОК-ПРЕСС", 2005 г.
9. Данилевский, Л.Н. Методика расчета экономической целесообразности энергоэффективных мероприятий // Строительная наука и техника. – 2009. – № 6. – С. 12–17.