Показатели микроклимата помещений для проектирования зданий и расчета их энергетической эффективности – EN 15251

B. W. Olesen, директор Международного центра микроклимата и энергии Датского технического университета (International Centre for Indoor Environment and Energy, Technical University of Denmark)

Европейская Директива по энергетической эффективности зданий (Energy Performance of Buildings Directive, EPBD) 2002/91/EC была принята после обсуждения 16 декабря 2002 года и вступила в силу 4 января 2003 года. Выполнение государствами – членами ЕС требований данной Директивы является важным компонентом в реализации этими странами обязательств Киотского протокола. План действий ЕС (Action Plan EC) по энергетической эффективности «Realising the potential», принятый в октябре 2006 года, устанавливает повышение энергетической эффективности в строительной отрасли как приоритетное направление. Ключевая роль при этом отводится выполнению требований Директивы EPBD. В Директиве содержатся такие положения, как методология расчета энергопотребления здания, требования к оборудованию вновь строящихся и реконструируемых зданий, принципы энергетической сертификации зданий, требования по регулярному осмотру котлов и систем кондиционирования воздуха. Для того чтобы реализовать на практике требования, содержащиеся в Директиве EPBD, необходимо дополнительно разработать несколько стандартов. В первую очередь, к ним относится стандарт по расчету энергетической эффективности здания ¹. Основным положением этого стандарта являются показатели микроклимата помещения, то есть температура воздуха в помещении, влажность, кратность воздухообмена. Этот стандарт получил наименование EN 15251 «Исходные параметры микроклимата помещений для проектирования и оценки энергетической эффективности зданий в отношении качества воздуха, теплового комфорта, освещения и акустики» («Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics»). До настоящего времени работа над стандартом еще не закончена, но, по словам проф. Bjarne W. Olesen, речь идет о редакционной доработке. Предлагаемая для читателей статья достаточно конкретно передает содержание этого стандарта и продолжает серию публикаций в журнале «АВОК», посвященных проблемам нормирования показателей микроклимата помещений, которые используются в том числе для расчета энергетической эффективности здания ². Статьи показали, что до настоящего времени вопросы нормирования параметров микроклимата помещений, в том числе нормирования воздухообмена, находятся в процессе серьезной разработки. Предлагаемая статья отражает европейское отношение к данной проблеме.

Энергопотребление зданий в значительной степени зависит от показателей, характеризующих микроклимат помещения и влияющих на здоровье, производительность труда и комфорт людей, находящихся в данном помещении. Нормативный документ по энергосбережению должен быть соотнесен с соответствующим нормативным документом по микроклимату помещений (в данном стандарте рассматриваются такие показатели, как температура воздуха в помещении, влажность, кратность воздухообмена, концентрация CO₂). Микроклимат помещений упоминается в тексте директивы EPBD несколько раз. Во-первых, энергосберегающие мероприятия не должны осуществляться в ущерб комфорту и здоровью людей. Во-вторых, кроме энергетического сертификата и фактической величины энергопотребления, для каждого здания рекомендуется указывать расчетные параметры микроклимата и показатели уровня климатического комфорта. В связи с этим обстоятельством возникает необходимость определения перечня показателей микроклимата помещений, используемых при проектировании, расчетах энергопотребления и мониторинга рабочих условий.

В настоящей статье описывается, как показатели микроклимата помещений используются для расчета инженерных систем здания и их энергопотребления в рамках стандарта prEN15251-2006. В статье подчеркиваются некоторые новые принципы, включенные в стандарт, такие как: несколько категорий показателей микроклимата помещений, принципы расчета воздухообмена и оценки микроклимата. Для зданий, оборудованных и не оборудованных системой кондиционирования воздуха, предлагаются различные подходы к расчету мощности систем и энергопотребления. И наконец, в статье приводятся некоторые вопросы, поднятые во время обсуждения стандарта.

Область действия стандарта

Проект стандарта устанавливает показатели микроклимата помещений и описывает их использование в директиве EPBD:

– Стандарт устанавливает показатели микроклимата помещений, влияющие на энергетическую эффективность зданий, и указывает, каким образом можно определить исходные данные для проектирования инженерных систем зданий и расчета их энергетической эффективности.

– Стандарт описывает методы оценки микроклимата помещений в долгосрочной перспективе по результатам измерений или расчетными методами.

– Стандарт определяет показатели, используемые для мониторинга и отображения показателей микроклимата помещений в существующих зданиях.

– Стандарт применим преимущественно для гражданских (жилых и общественных) зданий, в которых требуемые показатели микроклимата обуславливаются присутствием в здании людей, а производственные и технологические процессы не оказывают существенного влияния на микроклимат помещений. Таким образом, область применения стандарта – здания одноквартирные и многоквартирные, административные здания, офисы, образовательные учреждения, больницы, гостиницы и рестораны, спортивные объекты, торговые помещения.

Некоторые параметры микроклимата приводятся для разных категорий здания; категории здания определяются как показано в табл. 1.

Показатели для расчета мощности систем

Показатели, характеризующие тепловой комфорт (минимальная температура помещения в холодный период, максимальная температура помещения в теплый период), используются в качестве исходных данных для расчета тепловой и холодильной нагрузки при проектировании зданий и расчета мощности систем ОВК, что позволяет обеспечить требуемую минимальную и максимальную температуру при расчетных наружных условиях и внутренних нагрузках.

В общем случае необходимо использовать показатели, определенные в национальных нормативах расчета и проектирования систем, а при их отсутствии следует использовать рекомендации, приведенные в стандарте (в информационных приложениях). Рекомендуемые показатели предлагаются для трех категорий. Использование категории с более жесткими требованиями к микроклимату обуславливает более высокие расчетные нагрузки, что приводит к необходимости применения более производительных инженерных систем и оборудования. В качестве примера в табл. 2 приведены расчетные показатели для зданий, оборудованных системой кондиционирования воздуха.

Особенно важно правильно выбрать расчетные показатели для таких типов зданий, как детские сады и магазины, в которых активность людей неравномерна. Кроме того, разные категории людей (продавцы, покупатели) могут носить разную одежду. В таких зданиях, как больницы, рестораны, спортивные объекты и склады, будут наблюдаться похожие проблемы, связанные с различиями в активности и одежде разных людей. Выбор расчетных температур основан на общих критериях комфорта, при этом используется индекс PMV-PPD ³ ±0,5 для категории А (±0,2 для категории А и ±0,7 для категории С).

Расчетные величины температуры воздуха в помещениях зданий, не оборудованных СКВ, как функция от экспоненциально-средневзвешенной средней наружной температуры: I ~ 90 %, II ~ 80 %, III ~ 65 % людей удовлетворены условиями внутри помещения

Здания, не оборудованные СКВ

Расчетные показатели в теплый период года для зданий, не оборудованных системой кондиционирования воздуха, могут отличаться от показателей для зданий, в которых кондиционирование воздуха применяется, из-за различий условий адаптации людей. Уровень адаптации сильно зависит от климатических условий. Поскольку в здании не предусматривается кондиционирование, расчетная температура воздуха помещения в теплый период года является одним из основных факторов при проектировании зданий. Для предотвращения перегрева здания используются солнцезащитные устройства, теплоустойчивость здания, выбор формы здания, расположение и размеры световых проемов и т. д. На рисунке приведена диаграмма выбора рекомендуемой температуры воздуха помещения в зависимости от средних недельных температур наружного воздуха. Эта диаграмма была подтверждена только для офисных зданий с окнами, открывание которых осуществляется непосредственно людьми, находящимися в этих зданиях.

Качество внутреннего воздуха и вентиляция

При проектировании вентиляционных систем и расчете тепловых и холодильных нагрузок требуемый воздухообмен должен быть указан в проектной документации согласно требований национальных нормативных документов или согласно рекомендаций, содержащихся в рассматриваемом стандарте. При проектировании и эксплуатации необходимо выделить и устранить или, по крайней мере, уменьшить основные источники вредностей. Для ассимиляции остальных вредностей используется система вентиляции. Для улучшения качества внутреннего воздуха также можно использовать системы очистки воздуха. Величина воздухообмена, обеспечивающая требуемое качество воздуха, не зависит от времени года.

В стандарте приводятся различные методы расчета требуемого воздухообмена. Как минимум, вентиляционный воздухообмен должен быть достаточным, чтобы рассеивать биологические выделения людей (q_p). Кроме того, воздухообмен увеличивается, чтобы учесть вредности, выделяемые самим зданием и его инженерными системами (q_B). Один из методов заключается в суммировании (q_tot) этих величин, как показано в табл. 3. Величина вредностей, выделяемых людьми, зависит от плотности, а величина вредностей, выделяемых зданием, – от типа здания. Еще один метод заключается в выборе расчетной величины в диапазоне между q_p и q_tot.

Показатели микроклимата для расчета энергопотребления

Температурные условия в зданиях, оборудованных СКВ

Поскольку расчеты энергопотребления могут быть выполнены за холодный или теплый период года, месяц или час (динамическая симуляция), должны быть выбраны соответствующие показатели температуры воздуха помещений.

Для расчетов за холодный или теплый период года и месяц берутся те же значения температуры воздуха помещений, что и для проектирования (расчета) систем климатизации (табл. 2) для каждой категории. Такой метод позволяет рассчитать затраты энергии на отопление и кондиционирование воздуха.

При динамической симуляции рассчитывается почасовое энергопотребление. Рекомендуемые значения приемлемого диапазона температуры воздуха помещений при отоплении и кондиционировании воздуха берутся из индекса PMV. Пример приведен в табл. 4. В качестве расчетной температуры следует использовать среднее значение диапазона, но температура воздуха может варьироваться внутри заданного диапазона в зависимости от используемых энергосберегающих мероприятий или особенностей алгоритма управления.

Если холодильная мощность ограничена (здания со смешанным режимом использования), теплоизбытки необходимо оценить посредством одного из методов, предусмотренных стандартом.

Температурные условия в зданиях, не оборудованных СКВ

Для отопления используются те же нижние пределы температуры внутреннего воздуха, что и для зданий, оборудованных СКВ. Поскольку механического охлаждения нет, энергия на него использоваться не будет, и верхний предел, указанный на рисунке, не будет оказывать заметного влияния. Однако можно рекомендовать рассчитывать энергопотребление таким образом, как если бы система охлаждения была установлена, или рассчитывать, как часто и в какой степени соблюдается рекомендованный температурный режим. Расчетное энергопотребление в теплый период на фиктивное охлаждение можно добавить к общему энергопотреблению в качестве запаса, с учетом того факта, что владелец здания впоследствии может принять решение о его установке.

Качество внутреннего воздуха и вентиляция

При расчете энергопотребления обычно берутся те же значения воздухообмена, что и указанные для расчета нагрузки и мощности системы вентиляции. Для обеспечения требуемых показателей микроклимата помещений в начальный период эксплуатации вентиляционная система должна быть включена заранее. Кроме того, система вентиляции должна работать некоторое время и после окончания эксплуатации помещения, обеспечивая тем самым ассимиляцию всех вредностей, образующихся во время эксплуатации здания. До начала эксплуатации в обслуживаемые помещения необходимо подать количество приточного воздуха, в два раза превышающее объем помещения (например, если кратность воздухообмена составляет 2 1/ч, вентиляция запускается за один час до начала эксплуатации). Инфильтрацию можно учесть как часть вентиляционного воздухообмена (величину воздухопроницания необходимо обосновать). Также рекомендуется проветривать здание до начала эксплуатации – обычно с меньшим уровнем воздухообмена, чем в период эксплуатации. Минимальный уровень воздухообмена рассчитывается исходя из типа здания и уровня выделения вредностей. Рекомендуется минимальный уровень 0,4–0,7 м³/ч на 1 м², если национальные нормативные документы не устанавливают иных требований.

В системах с переменным расходом воздуха и вентиляцией, регулируемой по потребности, уровень вентиляционного воздухообмена может меняться от максимального (при полной занятости или потребности) до минимального (для неэксплуатируемых помещений). Стандарт включает в себя рекомендации по уровням концентрации СО₂ для управления вентиляцией в зависимости от потребности.

Оценка микроклимата

Так как нагрузки на системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха внутри здания различаются в разных частях здания, а также изменяются с течением времени, то проектировщики инженерных систем могут оказаться не в состоянии обеспечить требуемые показатели во всех помещениях в любой момент времени. Поэтому необходимо оценивать эффективность поддержания приемлемых показателей микроклимата в здании за некоторый период времени. Стандарт предлагает критерии для такой оценки и другую информацию по их использованию. Для оценки микроклимата производится оценка показателей микроклимата в типичных помещениях, представляющих различные зоны здания. Оценка может производиться на основании моделирования, измерений или расчетов. Поскольку критерии основаны на мгновенных значениях, отклонения от рекомендованного диапазона допускаются в течение коротких промежутков на протяжении дня. Поэтому допускается отклонение от диапазона расчетных или измеренных параметров в течение 3–5 % времени (рабочих часов). 3–5 % используется для ежедневных (то есть 15–25 минут в течение рабочего дня), ежемесячных (24–120 рабочих минут) и ежегодных (50–100 рабочих часов) периодов.

И, наконец, стандарт обсуждает методы общей оценки внутренней среды, которые в будущем могут быть использованы для получения соответствующего сертификата.

¹ Энергетическая эффективность характеризуется количеством энергии, которое потребляет здание за отопительный период и период охлаждения.

² См. статьи В. И. Ливчака «О нормах воздухообмена общественных зданий и последствиях их завышения» (№ 6, 2007), Ю. Д. Губернского и Е. О. Шилькрота «Сколько воздуха нужно человеку для комфорта?» (№ 4, 2008), Ю. А. Табунщикова «Микроклимат и энергосбережение: пора понять приоритеты» (№ 5, 2008).

³ PMV – predicted mean vote, PPD – predicted percent dissatified. Показатели реакции человека на тепловой комфорт. Предложены P. O. Fanger в работах: P. O. Fanger. Thermal comfort analysis and applications in environmental engineering. McGraw-Hill, New York, 1970; P. O. Fanger. Thermal comfort. Robert E. Crieger, Malabar, FL, 1982. Подробнее о модели PMV-PPD см. ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 2005 – с. 8.17 (прим. ред.).

⁴ clo – показатель, характеризующий теплоизоляционные качества различных видов одежды; 1 clo эквивалентен 0,155 (м²·°С)/Вт. Подробнее об этом показателе см. ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 2005 – с. 8.8 (прим. ред.).

⁵ met – показатель обмена веществ (metabolic rate), показатель, характеризующий тепловыделения от людей в зависимости от их двигательной активности; 1 met = 58,1 Вт/м². Подробнее об этом показателе см. ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 2005 – с. 8.6 (прим. ред.).

⁶ В тексте оригинального документа значения вентиляционного воздухообмена приведены в размерности л/с. Для удобства понимания в настоящей статье указанные значения пересчитаны в м³/ч (1 л/с = 3,6 м³/ч) (прим. ред.).