Фактическое теплопотребление зданий как показатель качества и надежности проектирования

В. И. Ливчак, начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы

В условиях возрастания дефицита в энергоснабжении крупных городов России вопросы контроля и учета расходуемой энергии приобретают особую актуальность. Одной из мер, направленных на повышение рациональности использования энергоресурсов и выработки приоритетных направлений в реализации энергосберегающих мероприятий, является сопоставление фактического тепло- и водопотребления здания по результатам измерений теплосчетчиком, установленным на вводе тепловых сетей в здание либо на систему отопления и горячего водоснабжения, а также водосчетчиком на холодной и горячей воде, с ожидаемым тепло- и водопотреблением исходя из проектных нагрузок и требуемым исходя из обеспечения нормативного тепло- и водопотребления.

Для этого используются данные фактического измерения месячных расходов тепловой энергии, холодной и горячей воды, потребленных зданием в течение одного календарного года, а лучше двух предыдущих лет. Фиксируется также среднемесячные значения температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети или системы отопления, в подающем и циркуляционном трубопроводах горячего водоснабжения (при измерении теплопотребления на горячее водоснабжение отдельным теплосчетчиком).

Конечным результатом обработки измерений по системе отопления является определение фактического теплопотребления за отопительный период, отнесенное к м² площади квартир без летних помещений жилых зданий [кВт•ч/м²] либо полезной площади помещений общественного здания, а также соответствие температур воды в подающем и обратном трубопроводах системы отопления графику отпуска тепла в зависимости от среднемесячной температуры наружного воздуха. По соответствию фактических температур и требуемой по графику можно судить о правильности режима отопления, а удельный показатель теплопотребления на отопление позволяет сравнивать дома между собой и с нормативом, так как энергоэффективность зданий оценивается именно по этому показателю.

Конечным результатом по системе водоснабжения является определение фактического потребления холодной и горячей воды в средние сутки за отопительный период на одного человека [л/(чел•сут.)] и сравнение с нормируемой по СНиП величиной, а также общее водо- и теплопотребление в год, отнесенное к м² площади квартир или помещений [м³/м²] и [кВт•ч/м²]. Нормируемое по СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий» водопотребление составляет для жилых домов с ванными и центральным горячим водоснабжением 105 л/сут. Превышение этой величины свидетельствует либо об излишнем давлении воды перед водоразборными кранами, либо о нарушении циркуляции в системе горячего водоснабжения (вода поступает с пониженной температурой, что вызывает большой слив ее), либо имеют место утечки в системе водоснабжения.

При измерении теплосчетчиком, установленным на общем трубопроводе тепловой сети, когда водонагреватели горячего водоснабжения располагаются в доме, расход тепла на отопление определяется по разности измеренного расхода и потребленного на горячее водоснабжение. Последнее определяется по подводомеру, установленному на трубопроводе холодной воды, направляемой в водонагреватели горячего водоснабжения, по формуле:

Q_гв= G_гвc (t_г – t_х)·k_bl, Гкал

где G_гв – измеренный расход воды, направляемой на горячее водоснабжение, в м³;

с – теплоемкость воды, с = 10^-3 Гкал/(м³•°С);

t_г – температура горячей воды в местах водоразбора,

t_г = 55 °С;

t_х – температура холодной воды, принимается t_х = 5 °С;

k_bl – коэффициент, учитывающий потери тепла при циркуляции, принимается равным 1,2 при изоляции стояков системы горячего водоснабжения и 1,3 – при отсутствии изоляции стояков.

Для возможности сравнения полученного удельного расхода теплоты на отопление с нормативными значениями или определенными за другой отопительный период необходимо знать среднесуточную температуру наружного воздуха за каждый период измерения, и через рассчитанные градусосутки этого периода (принимая условную температуру внутреннего воздуха в помещениях здания 20 °С) следует пересчитать полученный удельный расход теплоты на тот, который будет при градусосутках, соответствующих нормируемому значению, для Москвы D_d = 4 943 °С·сут.

Определение требуемого теплопотребления здания выполняется по разработанному НП «АВОК» «Руководству по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий» АВОК-8–2007, в котором приводится единая методика определения требуемого расхода тепла на отопление и вентиляцию жилого здания за отопительный или иной период времени. Она позволяет рассчитать этот расход тепла с учетом фактических или проектных величин приведенного сопротивления теплопередаче каждого наружного ограждения, теплопотерь на нагрев наружного воздуха в объеме нормативного воздухообмена (как правило, 30 м³/ч на человека или 0,35 обмена в час от объема квартиры в соответствии со Стандартом АВОК–1–2002 «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена») и инфильтрации через входные наружные двери и проемы лестнично-лифтового узла, а также с учетом внутренних тепловыделений в квартирах в размере от 10 до 17 Вт/м² площади жилых комнат в зависимости от заселенности, нормативных теплопоступлений через наружные светопозрачные ограждения от солнечной радиации и с учетом эффективности принятой системы автоматического регулирования отопления.

Расчету должен предшествовать обмер отапливаемой оболочки здания, выделяя отдельно площади стен, окон квартир, нежилых арендуемых помещений, ЛЛУ, входных дверей, покрытий, перекрытий и других отличающихся конструкций наружных ограждений здания. Эти величины можно получить из планов и фасадов проекта здания, либо из материалов БТИ, либо выполнив натурные обмеры. С использованием Руководства АВОК–8–2007 выявляются резервы экономии, намечаются конкретные мероприятия по энергосбережению в данном здании, рассчитывается экономический эффект от реализации каждого мероприятия и устанавливается его инвестиционная привлекательность и приоритетность внедрения.

Проектный расчетный расход тепла на отопление не может быть использован в анализе истинного теплопотребления здания, так как он не отражает необходимого значения, поскольку за последние 35–40 лет методика расчета теплопотерь неоднократно менялась. Так, по СНиП на проектирование отопления и вентиляции (1971 г.) инфильтрационная составляющая теплопотерь жилых зданий принималась равной 8 % от теплопотерь через ограждения (в то время как на самом деле по величине она близка трансмиссионным теплопотерям через ограждения), но не учитывались внутренние тепловыделения и теплоотдача от стояков отопления и подводок к отопительным приборам.

Затем стали учитывать инфильтрацию в полном объеме, но внутренние тепловыделения опять же не принимались во внимание, и вследствие этого неоправданно возрос расход тепла на отопление на 30–40 %. Одно время оставляли без изоляции обратные трубопроводы, чтобы использовать теплопотери от них для нагрева подвала или чердака, но эти теплопотери не включали в проектный расход тепла на отопление здания. Затем сочли необходимым выполнять изоляцию обоих трубопроводов, но учитывать теплопотери трубопроводов, прокладываемых в неотапливаемых помещениях, в расчетном расходе тепла на отопление начали только с 1987 года.

Далее, окна, применяемые до 1995–1998 годов, имели повышенную воздухопроницаемость, что обуславливало неравномерную инфильтрацию воздуха через неплотности оконных проемов по высоте здания, учитываемую в имеющихся методиках расчета теплопотерь помещений. Существующие окна, выполняемые по евростандарту, значительно герметичней применяемых ранее, и в закрытом положении они даже в нижних этажах 17-этажного здания не только не пропускают излишнюю инфильтрацию, но и не обеспечивают нормативного воздухообмена, что позволяет при определении расхода тепла на отопление независимо от этажа принимать равномерную инфильтрацию через окна в объеме нормативного воздухообмена (обеспечиваемую приоткрыванием створок окна или установкой воздухопропускных клапанов). Но ряд проектных организаций пользуются старыми методиками, и это приводит к завышению расчетного количества тепла на отопление.

Примером могут служить рис. 1 и 2, где представлены во времени графики изменения удельного расхода тепловой энергии на отопление за отопительный период, построенные исходя из заданной проектом расчетной нагрузки (взятой из проекта или из территориального каталога) с изменением ее в зависимости от наружной температуры в соответствии с Приложением 22 СНиП 2.04.07-86 «Тепловые сети» (синяя линия); требуемого значения – исходя из обеспечения нормативного воздухообмена в квартирах, достигнутой величины сопротивления теплопередаче наружных ограждений и учета теплопоступлений с внутренними (бытовыми) тепловыделениям в объеме 85 % от расчетной величины, но без учета теплопоступлений с солнечной радиацией (красная линия), и фактического теплопотребления системой отопления (зеленая линия), измеренного теплосчетчиком в 2006 календарном году по зданиям серии П-49, П-44, П-46 и П-3 разного года строительства, с пересчетом на нормативное значение градусо-суток отопительного периода.

Рисунок 1 (подробнее)   Удельный расход тепловой энергии на отопление за отопительный период в зданиях серий П-49 и П-44, кВт•ч/м2

Рисунок 2 (подробнее)   Удельный расход тепловой энергии на отопление за отопительный период в зданиях серий П-46, П-3, кВт•ч/м2

Рисунок 3 (подробнее)   Удельный расход тепловой энергии на отопление за отопительный период в зданиях серий П-46, П-3, кВт•ч/м2

Сравнение выполняется по теплопотреблению за отопительный период, а не по расчетным значениям из-за того, что измерение потребленного количества энергии может проводиться только за определенный период времени. Сопоставление проектных и требуемых удельных расходов тепловой энергии на отопление за отопительный период жилых домов, включая и другие типовые серии, с фактическим теплопотреблением и расчетных величин приводится в таблице.

Из рис. 1, 2 и таблицы видно, что если в 1973–80 годах проектный и требуемый удельный расход тепловой энергии на отопление за отопительный период были близки (серии П-49, П-30, П-46, П-18), то к 1985 и последующим годам проектный расход за отопительный период на 25–30 % превысил требуемый, а по проектам 2000 года, в которых была резко повышена теплозащита ограждений и должны были быть установлены термостаты на отопительных приборах, превышение проектного расхода тепла на отопление за отопительный период над требуемым составило для серии П-3М – 146 / 86 = 1,7 раза, П-46М – 175 / 97 = 1,8 раза, П-44Т – 208 / 105 = 2 раза.

Характерно, что фактическое теплопотребление зданий за весь период до перехода на повышенные нормативы по показателю энергоэффективности было близко требуемому значению, но в зданиях строительства после 2000 года, несмотря на резкое снижение требуемого теплопотребления, фактическое осталось практически на прежнем уровне, хотя термостаты должны были бы сократить теплоотдачу отопительных приборов при перегреве помещений. Следовательно, либо термостаты не выполняют своего предназначения, либо сопротивление теплопередаче стеновых панелей и окон не соответствует тем техническим характеристикам, что приведены в технических свидетельствах и сертификатах. Это один из результатов выполненного сопоставления, который должен быть предметом дальнейших исследований.

В отношении расчетного расхода тепловой энергии на отопление, определенного при расчетной для проектирования отопления температуре наружного воздуха, следует заметить, что если при проектировании жилых домов до 1975 го-да (серии П-49/9, П-18-01/9,12, П-30/12) наблюдался недостаток теплопроизводительности системы отопления в расчетных условиях на 18–12 %, который компенсировался увеличением доли бытовых тепловыделений в тепловом балансе здания при повышении наружной температуры выше расчетной (за отопительный период ожидаемый проектный расход тепловой энергии даже несколько превышал требуемый), то в домах, запроектированных с начала 1980-х годов, наоборот, наблюдается запас теплопроизводительности системы отопления, составляющий 7–11 %, а в домах после 2000 года, когда резко повысились требования к повышению теплозащиты зданий, запас возрос на 26 % в серии П-3М, на 38 % в серии П-46М и до 55 % в П-44Т.

Занижение теплопроизводительности в морозный период по сравнению с требуемым расходом теплоты свидетельствует о том, что происходит неправдоподобно большое снижение воздухообмена в квартирах по сравнению с нормативным, достигая 12–15 м³/ч на человека, и это при принятой удельной величине бытовых тепловыделений 17 Вт/м² жилой площади, что косвенно подтверждает эту величину (воздухообмен был бы еще ниже, если принять меньшее значение удельных бытовых тепловыделений).

Удивительно, что в серии П-44Т несмотря на повышение сопротивления теплопередаче наружных стен с 1,3–1,5 до 3,3 м²•°С/Вт, окон с 0,34 до 0,62 м²•°С/Вт, расчетные данные проекта системы отопления практически не изменились.

По  «Территориальному каталогу для строительства в г. Москве» за 1985, 1990 и 2000 годы удельный расчетный расход тепловой энергии на отопление остался, соответственно, на уровне 78, 81 и 77 Вт/м², в то время как требуемый снизился до 51 Вт/м².

Повышение теплозащиты существующих зданий при выполнении их капитального ремонта также не сопровождается адекватным снижением мощности в проектах системы отопления. Так, по серии П-18-01/12 удельный расчетный расход тепловой энергии на отопление по проекту МосжилНИИпроекта составил 58 Вт/м², а требуемый на те же параметры теплозащиты – 49 Вт/м², что на 18 % ниже. По удельному теплопотреблению за отопительный период разница еще больше – 156 и 95 кВт•ч/м². То же наблюдается и в других сериях: П-49-04/9Д – удельный расчетный расход тепла на отопление по проекту МосжилНИИпроекта составил 56 Вт/м², а требуемый на те же параметры теплозащиты – 45 Вт/м², что на 26 % ниже; П-3/16 – по проекту – 57 Вт/м², а требуемый – 47 Вт/м², что на 21% ниже; П-44/16 – по проекту – 64 Вт/м², а требуемый – 52 Вт/м², что на 24 % ниже.

Такой запас в теплопроизводительности системы отопления ставит под сомнение правильность применяемой методики расчета теплопотерь жилых зданий и подбора поверхности нагрева отопительных приборов и повышает роль экспресс-энергоаудита, так как одним из результатов его должен быть пересчет расчетных параметров теплоносителя, циркулирующего в системах отопления, по формулам, приведенным ниже, так как при соблюдении проектных расчетных параметров будет наблюдаться перегрев здания, не сопровождаемый завышением температуры обратной воды против графика. Следует пересмотреть методику расчета системы отопления, что позволит снизить площадь поверхности отопительных приборов и, соответственно, инвестиционную составляющую в сооружение системы отопления.

Проектный расход тепловой энергии на отопление отражает фактическую теплоотдачу системы отопления данного здания при условии  соответствия температурных графиков в подающем и обратном трубопроводах расчетному значению, поскольку по нему подбиралась поверхность нагрева отопительных приборов в помещениях. Поэтому по соотношению проектного расчетного расхода тепловой энергии на отопление (Q_от.пр.^р) и требуемого (Q_от.тр.^р), определенного по Рекомендациям Р НП «АВОК» 3.2.2-2009 «Автоматизированные индивидуальные тепловые пункты зданий взамен центральных тепловых пунктов. Нормы проектирования» и записанного в Энергетический паспорт, можно судить о коэффициенте запаса поверхности нагрева отопительных приборов

К_зап = (Q_от.пр^р) / (Q_от.тр^р).

Если продолжать отопление по расчетным температурным графикам, не обращая внимание на запас в поверхности нагрева отопительных приборов, то здание будет перегреваться, причем без повышения температуры воды в обратном трубопроводе против графика. В то же время, при завышенном расходе теплоты на отопление внутренняя температура воздуха в квартирах уже не является индикатором соответствия фактического теплопотребления требуемому, так как при перегреве помещений жильцы открывают форточки, сбрасывая излишнее тепло на улицу. Это подтверждается результатами натурных измерений, приведенными на рис. 3. Здесь сопоставлены значения средней фактической температуры воздуха t_вн^ф по нескольким зданиям при разных погодных условиях с теоретической величиной t_вн^т, которая должна быть по фактическому теплопотреблению.

Однозначная связь между подачей теплоты и температурой внутреннего воздуха наблюдается только при t_вн^ф < 21 °C. Причем при t_вн^т < 20 °C t_вн^ф несколько больше t_вн^т, что говорит о стремлении жителей в этих условиях сократить воздухообмен. При t_вн^т > 21 °C, то есть при увеличении подачи теплоты сверх требуемого значения, повышение t_вн^ф очень мало, что затрудняет фиксирование перерасхода теплоты по отклонению температуры внутреннего воздуха. Так, увеличение расхода теплоты на отопление, соответствующее повышению внутренней температуры до 30 °C, не привело к повышению фактической температуры воздуха выше уровня 21–22,5 °C.

Поэтому там, где завышена поверхность нагрева отопительных приборов (а это могут быть здания, при проектировании которых инфильтрация воздуха считалась в полном объеме, а внутренние тепловыделения нет, или где при подборе отопительных приборов не учитывалась теплоотдача стояков, или когда было выполнено дополнительное утепление здания без замены отопительных приборов), выявить это завышение, измеряя только температуру воздуха в квартирах, довольно затруднительно.

С учетом этого запаса должны быть пересчитаны расчетные значения температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы отопления. Выразив отношение проектного расчетного расхода тепловой энергии на отопление к требуемому из энергетического паспорта в виде коэффициента запаса поверхности нагрева отопительных приборов K_зап = Q_пр^р / Q_тр^р = F_ф / F_тр, определяются требуемые значения температуры воды в подающем и обратном трубопроводах системы отопления:

t_1тр = t_вн^р + 0,5·(t₁^р – t₂^р)·(Q^–₀/ K_зап) + [(t₁^р + t₂^р) / 2 – t_вн^р] ×
× (Q^–₀/ K_зап)^1/(1+m), (1)

t_2тр = t_1тр – (t₁^р – t₂^р)·(Q^–₀/ K_зап). (2)

Здесь индекс 1 означает температуру в подающем трубопроводе; 2 – в обратном; вн – воздуха в помещении;

Q^–₀    – относительный расход тепловой энергии на отопление, представляющий отношение требуемых расходов тепловой энергии на отопление, определенных при текущей температуре наружного воздуха t_н и расчетной для проектирования отопления t_н^р; m – показатель степени в формуле определения коэффициента теплопередачи отопительных приборов, как правило, принимают m = 0,25. Чтобы установить значение требуемых температур, при расчетной наружной температуре (t_н^р) необходимо подставить Q^–₀ = 1.

Выполненные расчеты показывают, что, например, при завышении поверхности нагрева отопительных приборов на 20 % параметры теплоносителя, циркулирующего в системе отопления, должны составлять в расчетных условиях 84–63 °C вместо 95–70 °C. Если же при этом оставить расчетную температуру теплоносителя в подающем трубопроводе системы отопления 95 °C и регулировать ее в зависимости от изменения наружной температуры по графику, принятому теплоснабжающими организациями в соответствии со СНиП 2.04.07-86 (подставляя в формулу (1) Q^–₀ = (t_вн^р – t_н) / (t_вн^р – t_н^р), перерасход тепловой энергии за отопительный период может составить 30–35 %.

Выводы

1. Результаты измерения фактического теплопотребления на отопление жилых зданий основных типовых серий подтверждают правильность методики определения требуемого расхода тепловой энергии на отопление, изложенной в Рекомендациях Р НП «АВОК» 3.2.2-2009 «Автоматизированные индивидуальные тепловые пункты в жилых зданиях взамен ЦТП» и «Руководстве по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий» АВОК-8-2007. Фактическое теплопотребление зданий, как правило, соответствует требуемому, в то время как проектная величина для зданий, запроектированных позже 1980 года, значительно превышает и фактическое, и требуемое значения.

2. Проектный расход теплоты на отопление только отражает фактическую теплоотдачу системы отопления данного здания, поскольку по нему подбиралась поверхность нагрева отопительных приборов в помещениях. Поэтому по соотношению проектного расчетного расхода тепловой энергии на отопление и требуемого, определенного по Рекомендациям Р НП «АВОК» 3.2.2-2009, можно судить о коэффициенте запаса поверхности нагрева отопительных приборов, с учетом которого, как приведено в статье, должны быть пересчитаны расчетные значения температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы отопления во избежание перегрева зданий.

3. Следует пересмотреть существующую методику расчета теплопотерь и подбора отопительных приборов системы отопления жилых зданий, так как и в проектах нового строительства, выполненных МНИИТЭП, и в проектах капитального ремонта зданий, выполненных МосжилНИИпроектом, продолжается систематическое завышение расчетной теплопроизводительности системы отопления, достигающее 25–50 %.

4. Фактическое теплопотребление зданий строительства после 2000 года оказалось выше требуемого: по серии П-44Т (по замерам на 20-ти зданиях) 156 / 105 = 1,49; по серии П-46М (8 зданий) 152 / 97 = 1,57; по серии П-3М (8 зданий) 142 / 86 = 1,65. Это может быть вызвано несколькими причинами:

– неотрегулируемость системы автоматизации, в том числе неустановкой термостатических головок;

– большой запас в поверхности нагрева отопительных приборов, который отрицательно влияет на эффективность работы термостатических регуляторов;

–  сопротивление теплопередаче стеновых панелей и окон не соответствует тем техническим характеристикам, что приведены в технических свидетельствах и сертификатах.

Это должно быть предметом дальнейших исследований.

5. При выполнении мониторинга системы отопления важно не только правильно определить ее расчетные параметры, но и задать режим изменения температуры циркулирующего в ней теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха с учетом увеличивающейся доли бытовых тепловыделений в тепловом балансе здания с повышением этой температуры. Это должно быть одним из результатов энергоаудита здания.

6. Во всех зданиях фактическое водопотребление горячей воды в среднем на 40–50 % превышает нормируемое в СНиП значение, что свидетельствует о значительных резервах экономии тепловой энергии, потребляемой на горячее водоснабжение.