К вопросу о точности определения расхода теплоты на отопление жилых и общественных зданий

В. И. Ливчак, начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы

Как было показано ранее [1], в процессе натурных испытаний увеличение фактического расхода теплоты на отопление в 1,5 раза не приводит к увеличению температуры внутреннего воздуха помещений выше 22–23 °С. Эта температура воспринимается жителями как верхний предел комфорта, и избытки теплоты удаляются ими с помощью открывания форточки. Поэтому не могут быть достоверными методы определения расхода теплоты на отопление, основанные на прямом измерении фактической температуры воздуха в помещениях здания [2] без учета фактических объемов инфильтрующегося наружного воздуха.

Наиболее правильный метод определения расхода теплоты на отопление зданий – это расчетный метод, учитывающий фактические теплотехнические характеристики наружных ограждений (приведенное сопротивление теплопередаче и воздухопроницанию) и нормируемые значения воздухообмена и других показателей, влияющих на теплопотери и теплопоступления. Этот метод изложен в московских городских нормах МГСН 2.01–99 «Энергосбережение в зданиях. Нормы по тепловодоэлектроснабжению» для вновь строящихся зданий [3] и в Руководстве АВОК–8–2005/7 по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий для существующих. Изложение этой методики приведено в журнале «АВОК» [4].

С какой точностью позволяет определять требуемый расход тепла на отопление здания эта методика? Это зависит от того, учитывает ли она все факторы, влияющие на тепловой и воздушный баланс здания, насколько обоснованы коэффициенты и показатели, используемые в расчетах, и насколько достоверны принятые теплотехнические характеристики наружных ограждений здания.

Методологически расход теплоты на отопление за отопительный период окончательно определяется по следующему уравнению:

Точность определения расхода теплоты на отопление гарантирована тем, что здесь учтены все составляющие теплового и воздушного баланса здания, и это не вызывает ни у кого сомнения. Достоверность принятых коэффициентов подтверждается предшествующей дискуссией, в результате которой, например, по предложению главного специалиста ОАО «Моспроект-1» Карпова В. Н. коэффициент эффективности авторегулирования отопления (η) занял свое настоящее место, ранее он был за квад-ратной скобкой, что, конечно, не правильно, т. к. он влияет только на величину теплопоступлений. Сам коэффициент был получен по результатам длительных тепловых испытаний систем отопления с центральным, пофасадным регулированием и индивидуальным у отопительных приборов. Однако этот коэффициент для индивидуального авторегулирования был скорректирован на основании результата испытаний, проведенных под руководством заведующего отделом ОАО «НИИ Сантехники» Сасина В. И. Испытания показали, что в однотрубной системе отопления с индивидуальным автоматическим регулированием отопительных приборов при закрытии термостата сохраняется остаточная теплоотдача за счет расслоения потока греющей воды по ответвлению от подающего стояка к отопительному прибору нагреваемого и возвращаемого после охлаждения, который проходит по нижней части трубы ответвления обратно в стояк.

По справедливому замечанию заведующего отделом ОАО «ЦНИИПромзданий» Наумова А. Л. о том, что в коэффициент α, учитывающий, что в теплое время возможны периоды, когда теплопоступления превышают теплопотери, и этот избыток теплоты бесполезно сбрасывается, должен быть разным для зданий строительства до и после 2000 года. Из-за большей величины теплопотерь по отношению к внутренним тепловыделениям и теплопоступлениям с солнечной радиацией в Руководстве АВОК–8–2005 повышена величина этого коэффициента до 0,85 вместо 0,8 для зданий, построенных до 2000 года.

Коэффициент дополнительных теплопотерь (βhl) за счет увеличенных теплопотерь зарадиаторного участка стены, дискретности подбора отопительных приборов и теплоотдачи разводящих магистралей и главного стояка, которые не учитываются при подсчете теплопотерь в помещениях, принят в результате тщательных расчетов для разных серий жилых домов, проектируемых МНИИТЭП.

Расчеты, выполненные профессором МГСУ Малявиной Е. Г. [5], подтвердили, что при окнах, изготовленных по европейской технологии (сопротивление воздухопроницанию не менее 0,9 м²•ч/кг), инфильтрация наружного воздуха в квартире не превышает необходимого воздухообмена для ее вентиляции даже в расчетных условиях на первом этаже 17-этажного жилого дома с естественной вытяжной вентиляцией. Исходя из этого, во всех жилых домах при расчете расхода тепла на вентиляцию объем приточного наружного воздуха был принят по расчетному воздухообмену в квартирах. Далее были уточнены формулы расчета инфильтрации наружного воздуха через окна и балконные двери наружных переходов в лестнично-лифтовых узлах (ЛЛУ) и в нежилых помещениях в нерабочее время. Эти изменения были включены в СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий».

В существующих зданиях, где окна менее герметичны, инфильтрация наружного воздуха превышает нормативный воздухообмен, и она определяется с учетом рекомендаций Грудзинского М. М. (МНИИТЭП) [6], и эта методика вошла в Руководство АВОК–8–2005.

Учтено предложение профессора кафедры «Инженерное оборудование зданий» МАрхИ Бродач М. М.: по результатам анализа Стандарта ASHRAE принимать воздухообмен в квартирах наряду с нормируемыми у нас 30 м³/ч на жителя также и в размере 0,35 кратного в час от объема квартиры, позволяющий в должной степени учитывать загрязняющее действие на воздух, которым мы дышим, строительных материалов, ковров, мебели, и принимать в расчетах большую из полученных величин. Действительно, почему требуемых 2 • 30 = 60 м³/ч наружного воздуха для двух жителей, занимающих квартиру 75 м² (40 м² жилой площади), должно быть достаточно для квартиры в 150 м² и выше, занимаемой теми же двумя людьми? Ведь поверхностей, выделяющих вредности в большой квартире, будет больше, но в СНиП  41-01–2003 проигнорировано это предложение.

Также не учтено предложение о необходимости дифферециации удельной величины бытовых тепловыделений в жилых квартирах в зависимости от заселенности ее жильцами, в результате чего в СНиП 41-01–2003 была снижена удельная величина бытовых тепловыделений в квартирах жилых зданий по сравнению со СНиП 2.04-05–86 с 21 Вт/м² площади пола жилых комнат и кухни, полученной по результатам натурных тепловых испытаний ряда жилых зданий [1], до не менее 10 Вт/м², не подтверждаемые никакими ни расчетами, ни испытаниями. Основанием служат только рассуждения, что люди стали жить лучше, и если в квартире живет одна бабушка, то какие от ее жизнедеятельности бытовые тепловыделения?

В СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий» частично были удовлетворены доводы относительно социального неравенства жителей: максимальная величина удельных бытовых тепловыделений снижена до 17 Вт/м² площади пола жилых комнат (с учетом исключения площади кухонь – пятая часть от площади жилых комнат и кухни, сокращение составило (21 - 17 •  0,8) • 100 / 21 = 35 %). Такая величина принята для заселенности квартир 20 м² общей площади на одного человека, уменьшаясь до минимальной величины 10 Вт/м² при заселенности 45 м²/чел. и выше, принимая во внимание, что в элитных квартирах и более высокая насыщенность электрооборудованием.

Вернемся к нашему примеру об одинокой бабушке, которая проживает, например, в однокомнатной квартире общей площадью 35 м² при площади жилой комнаты 18 м². Наружные ограждения – это две панели высотой 2,8 м, шириной 3,6 + 3,0 = 6,6 м, в которых находятся по окну – в жилой комнате 1,5 х 1,45 =  2,18 м² и в кухне – 1,2 х 1,45 = 1,74 м². Тогда площадь окон составит A_F = 3,9 м², а площадь стен – A_w = 6,6 • 2,8 - 3,9 = 14,6 м². Например, сопротивление теплопередаче окон для Москвы по СНиП 23-02–2003 должно составить R_F = 0,54 м² • °С и стен – R_w = 3,13 м² • °С/Вт. Следовательно, трансмиссионные теплопотери через наружные ограждения при средней за отопительный период температуре наружного воздуха -3,1 °С, а внутренней 20 °С составят:

Q_tr = (14,6 / 3,13 + 3,9 / 0,54)(20 + 3,1) = 275 Вт.

Теплопотери с инфильтрующимся воздухом в объеме 3 м³/ч на квадратный метр площади пола комнаты при плотности воздуха 1,25 кг/м³ составят:

Q_inf = 0,28 • 3 • 18 • 1,25 · (20 + 3,1) = 437 Вт.

Примем удельную величину бытовых тепловыделений сначала по максимальной величине, которая учитывается при воздухообмене 3 м³/(ч•м²), т. е. q_int = 17 Вт/м², тогда бытовые тепловыделения в квартире будут:

Q_int = 17 • 18 = 306 Вт,

а суммарные теплопотери, на которые будут подбираться отопительные приборы с учетом теплоотдачи труб:

Q_h = Q_tr + Q_inf - Q_int = 275 + 437 - 306 = 406 Вт.

Предположим, мы приняли удельную величину бытовых тепловыделений в квартире бабушки q_int = 10 Вт/м², хотя следует помнить, что бытовые тепловыделения включают не только тепловыделения от людей и электроприборов, но и теплопоступления от полотенцесушителя и трубопроводов горячего водоснабжения, от рассеянной радиации. Тогда следует применять воздухообмен в квартире, равный 30 м³/ч, на одного человека, и теплопотери соответственно составят:

Q_{h при qint}=10 = 275 + 0,28 • 30 • 1,25 • (20 + 3,1) - 10 • 18 = 338 Вт,

т. е. теплопотери при воздухообмене в квартире 30 м³/(ч•чел.) и бытовых тепловыделениях 10 Вт/м² будут меньше возможной теплоотдачи отопительных приборов, и у бабушки будет все в порядке.

Проведем аналогичный расчет с учетом предлагаемых в СНиП изменений при заселенности более 20 м²/чел.: воздухообмен исходя из большей величины 30 м³/(ч•чел.) или 0,35 обмена в час от объема квартиры – 0,35 • 35 • 2,55 = 31,2 м³/ч, а удельные бытовые тепловыделения в зависимости от заселенности квартиры интерполяцией между 17 Вт/м² при 20 м²/чел. и 10 Вт/м² при 45 м²/чел., что составит при плотности заселения 35 м²/чел. – 12,8 Вт/м².

Q_h.нов = 275 + 0,28 • 31,2 • 1,25 • (20 + 3,1) - 12,8 • 18 = 297 Вт.

При удельных тепловыделениях 10 Вт/м² теплопотери квартиры будут:

Q_{h при qint}=10 = 275 + 0,28 • 31,2 • 1,25 • (20 + 3,1) - 10 • 18 = 347 Вт,

что превышает теплоотдачу отопительных приборов (297 Вт), и для обеспечения комфортной температуры в помещениях бабушке придется сократить воздухообмен до:

G_inf = (297 + 10 • 18 - 275) / (0,28 • 1,25 • 23,1) = 25 м³/ч.

Ну и что? При сниженных бытовых тепловыделениях допустимо снизить и воздухообмен с 30 до 25 м³/ч•чел. С другой стороны, к какому увеличению мощности системы отопления приведет игнорирование реальной величины удельных бытовых тепловыделений в 17 Вт/м², заменив ее на 10 Вт/м² (практика показывает, что если в нормативном документе написано не менее 10 Вт/м², то принимают именно 10 Вт/м²).

Расчетные теплопотери определяются при воздухообмене 30 м³/ч•чел. и рекомендуемых в новую редакцию СНиП 41-02* значениях расчетной внутренней температуры, одинаковой при параметрах А и Б, а расчетной наружной температуры – по СНиП климатологии, не принимая во внимание сложившийся режим работы тепловых сетей города. В этом случае расчетный расход тепловой энергии на отопление для условий Москвы соответственно будет:

Q_{hp при qint}=17 = (14,6 / 3,13 + 3,9 / 0,54 + 0,28 • 30 • 1,31)(20 + 28) - 17 • 18 = 794 Вт;

Q_{hp при qint}=10 = (14,6 / 3,13 + 3,9 / 0,54 + 0,28 • 30 • 1,31)(20 + 28) - 10 • 18 = 920 Вт.

То есть при переходе на рекомендуемую СНиП 41-01–2003 величину удельных бытовых тепловыделений 10 Вт/м² расчетная мощность системы отопления возрастет на (620 - 794) • 100 / 794 = 16 %, что абсолютно не оправдано. Это подтверждает необходимость включения в новую редакцию СНиП 41-01–2003 дифференцированного учета удельной величины бытовых тепловыделений в жилых квартирах от 10 до 17 Вт/м² в зависимости от их заселенности. 

Всесторонняя обоснованность изложенных выше позиций нареканий относительно нормы теплопотребления жилыми зданиями ни по методологии, ни по принятым коэффициентам, нормам воздухообмена и бытовых тепловыделений не вызывала (а апробация МГСН проводится почти 10 лет), более того, большая часть предложений, изложенных в МГСН, включена в федеральные СНиП.

С теплотехническими показателями наружных ограждений дело сложней. В настоящее время их принимают: сопротивление теплопередаче расчетом с учетом теплопроводности материалов, входящих в конструкцию ограждения, полученных по результатам сертификационных испытаний, и расчетного коэффициента теплотехнической однородности конструкции; сопротивления воздухопроницанию по результатам сертификационных испытаний оконного блока без учета его заделки в стену.

К сожалению, обратной связи, насколько подтверждаются расчетные величины на практике с учетом возможных нарушений во время строительства и ошибок в расчетах, сейчас не существует. Тепловизионная съемка из-за большой погрешности измерения и низкого качества ее проведения не позволяет получить достоверные количественные показатели по приведенному сопротивлению теплопередаче конструкции [7].

Измерение накладными тепломерами теплового потока через конструкцию позволит уточнить теплопроводность теплоизоляционного слоя в условиях фактического влажностного режима, но не может оценить величину приведенного сопротивления теплопередаче с учетом наличия всевозможных мостиков холода. И только тепловые натурные испытания здания, проводимые в соответствии с ГОСТ 31168–2003 «Здания жилые. Метод определения удельного потребления тепловой энергии на отопление», могут дать наиболее достоверный результат, какой необходим расход теплоты на отопление для данного здания. Но они довольно трудоемки, занимают длительный период времени и должны выполняться спустя год после введения в эксплуатацию здания (чтобы из конструкций успела уйти влага, накопленная при бетонировании). Через год строителей уже не найти, а средств у эксплуатационников на проведение таких испытаний никогда нет.

В то же время рассматриваемая методика позволяет подкорректировать результаты расчетов по мере поступления более достоверной информации, поэтому по точности определения расхода теплоты на отопление она хоть и уступает квалифицированным тепловым натурным испытаниям здания (не путать с элементарным измерением расхода теплоты), но с приобретением знаний о фактических величинах приведенного сопротивления теплопередаче и воздухопроницания наружных ограждений ее точность будет повышаться. И, по крайней мере, точность этой методики выше, чем записано в договорах на теплоснабжение, т. к. последние ориентируются на проектные значения нагрузок, а за последние 40 лет методики определения расчетного расхода теплоты на отопление неоднократно менялись.

Что касается общественных зданий, то со стороны некоторых специалистов вызвало неприятие установления при определении расхода теплоты на отопление и вентиляцию некой нормы воздухообмена на квадратный метр расчетной площади помещений (4 м³/ч – для офисов и магазинов, 5 м³/ч – для учреждений здравоохранения и образования, 6 м³/ч – для детских дошкольных учреждений, объектов питания и развлечения) вместо подстановки проектного расхода теплоты на вентиляцию.

Здесь следует отметить одну методологическую особенность определения расхода теплоты на отопление и вентиляцию жилых и общественных зданий. В жилых зданиях с естественной приточно-вытяжной вентиляцией нагрев инфильтрующегося или необходимого для вентиляции наружного воздуха происходит за счет системы отопления и внутренних тепловыделений. В общественных здания, как правило, нагрев вентиляционного воздуха происходит в специальных приточных установках с механическим побуждением, а при их отключении или при сбалансированной по помещениям приточно-вытяжной вентиляции нагрев инфильтрующегося воздуха ложится на систему отопления. Причем расход теплоты на вентиляцию никак не лимитируется и настолько велик, что иногда приходилось при работающих системах отопления и общеобменной вентиляции охлаждать воздух сплит-системами. И потом, почему в жилом здании человеку достаточно для вентиляции 30 м³/ч свежего воздуха, а в офисе по нашим нормам в 2 раза больше – 60 м³/ч?

Тогда мы обратились к иностранным источникам и обнаружили, что в их нормах наблюдается тенденция снижения объема наружного воздуха при одновременном стимулировании повышения качества его распределения (более подробно см. в [8]). Эти данные вызывают доверие, поскольку они – результат исследования специалистов разных стран, причем данные стандарта ASHRAE 62-1–1999 отличаются от стандарта 62-1–2004, а у нас нормативы воздухообмена не пересматривались более 20 лет.

С учетом зарубежных данных были уточнены нормы воздухообмена на квадратный метр расчетной площади помещений и рекомендованы в новую редакцию МГСН 2.01, а именно:

• 4 м³/ч/м² расчетной площади офисов, административных зданий исполнительной власти и предприятий супермаркетов;
• 5 м³/ч/м² для магазинов шаговой доступности, больниц, поликлиник, комбинатов бытового обслуживания, спортивных арен, музеев и выставок;
• 7 м³/ч/м² для детских дошкольных учреждений, школ, среднетехнических и высших учебных заведений;
• 10 м³/ч/м² для физкультурно-оздоровительных и досуговых комплексов, ресторанов, кафе, залов ожидания в вокзалах и аэропортах.

Как видно из предлагаемых рекомендаций, перечень общественных зданий по сравнению со СНиП 23-02–2003 расширился, и задаваемые величины воздухообмена более обоснованы. Как правило, их использование при определении расхода теплоты на вентиляцию в целом по зданию не должно быть ниже проектной величины, т. к. в подсобных помещениях воздухообмен должен быть ниже.

Методика определения расходов теплоты на отопление и вентиляцию жилых зданий, изложенная в Руководстве АВОК–8–2005/7, используется при проведении энергоаудита в дополнение к обследованию здания и режима работы систем отопления и горячего водоснабжения [9]. Такой энергоаудит широко рас-пространен в развитых европейских странах и является обязательным в соответствии с Директивой Европейского Союза по энергетическим характеристикам зданий (ЕРВД) 2002/91/УС. Без сведений, сколько здание будет потреблять теплоты на отопление и вентиляцию, оно не может быть выставлено на продажу.

Литература

1. Ливчак В. И. Энергетическая паспортизация существующих жилых и общественных зданий становится реальностью // Энергосбережение. – 2006. –№ 3. – С. 45–48.

2. Аверьянов В. К., Михайлов А. Г., Миткевич О. А. и др. Диагностика теплогидравлических режимов и эксплуатационных характеристик систем отопления// АВОК. – 2006. – № 6. – С. 28–32 , № 7. – С. 84–87.

3. Матросов Ю. А., Ливчак В. И., Щипанов Ю. Б. Энергосбережение в зданиях. Новые МГСН 2.01–99 требуют проектирования энергоэффективных зданий// Энергосбережение. – 1999. – № 2. – С. 3–13.

4. Ливчак В. И. Расчет теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий – основа энергосбережения // АВОК. – 2005. – № 7. – С. 4–8.

5. Малявина Е. Г., Бирюков С. В., Дианов С. Н.Воздушный режим жилых зданий // АВОК. – 2003. – № 6. – С. 14–24.

6. Великанов В. П., Грудзинский М. М., Ливчак В. И. и др. Нормы расхода тепловой энергии на отопление жилых зданий // Водоснабжение и санитарная техника. – 1987. – № 9.

7. Ливчак В. И. Тепловизионное обследование не может заменить тепловые испытания зданий // Энергосбережение. – 2006. – № 5. – С. –21.

8. Ливчак В. И. О нормах воздухообмена общественных зданий и последствие их завышения // АВОК. – 2007. – № 6. – С. 4–8.

9. Ливчак В. И. С чего начинать энергоаудит эксплуатируемых зданий // Энергосбережение. – 2007. – № 6. – С. 26–31.