Экспресс-энергоаудит теплопотребления жилых зданий: особенности проведения

В. И. Ливчак, начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы,

Ю. А. Табунщиков, зав. кафедрой «Инженерное оборудование», Московский архитектурный институт (государственная академия)

В соответствии с приказом Министерства промышленности и энергетики РФ задачей энергетического обследования потребителя является оценка эффективности использования ТЭР, а также вторичных энергоресурсов. По результатам энергетического обследования (энергоаудита) составляется энергетический паспорт либо уточняется существующий и программа (предложения) по повышению эффективности использования ТЭР, снижению затрат на топливо- и энергообеспечение и внедрению энергосберегающих мероприятий для обследуемого предприятия (организации, здания).

По срокам проведения энергетические обследования потребителей ТЭР подразделяются на первичные, очередные, внеочередные и предэксплуатационные. По объемам проводимых работ – на экспресс-обследования (экспресс-энергоаудит), полные инструментальные обследования, комплексные обследования и обследования технологических процессов. Экспресс-энергоаудит проводится по сокращенной программе, как правило, с минимальным использованием или без использования приборного оборудования и носит ограниченный по объему и времени проведения характер. При этом может производиться оценка эффективности применения всех или одного из видов ТЭР, либо отдельных показателей энергоэффективности.

Проведение экспресс-энергоаудита, предусмотренное Постановлением Правительства Москвы № 452-ПП, ограничивается распространением на жилые дома и здания бюджетных учреждений города с целью выявления фактического энергопотребления объектов и разработки укрупненных проектов мероприятий по энергосбережению.

За рубежом очень серьезное внимание уделяют вопросам энергетического обследования зданий. Так, Европейский парламент и Совет Европейского Союза по энергетическим характеристикам зданий разработали директиву 2002/91/ЕС от 05.09.2002 года [1], согласно которой для всех стран, входящих в Европейский Союз, обязательно составление энергетического паспорта эксплуатируемого здания как результат энергоаудита. Государства-участники обязуются, что при сооружении, продаже или сдаче в аренду здания владельцу передается или владелец передает будущему покупателю или арендатору энергетический паспорт, из которого следует, каковы энергозатраты данного здания в сравнении с рекомендуемыми нормами и стандартами. В США в своей 20-минутной инаугурационной речи президент Барак Обама обратил внимание на то, что в процессе реализации новой энергетической программы планируется проверить возможности энергосбережения (выполнить энергоаудит) у трех четвертей общественных зданий и 2 млн жилых домов. (Более подробно об опыте США по повышению энергоэффективности зданий в [2].)

В нашей стране, несмотря на неоднократные призывы к выполнению энергетического обследования и паспортизации эксплуатируемых жилых зданий [3, 4], только с выходом Постановления Правительства Москвы № 452-ПП начинаются широкомасштабные работы по проведению энергоаудита. Однако в этом постановлении нет четкого определения, что должен включать в себя экспресс-аудит энергопотребления в бюджетных учреждениях и жилых домах.

Существует мнение, что экспресс-энергоаудит следует проводить для выявления энергорасточительных зданий, теряющих наибольшее количество тепловой энергии на отопление из-за низкого качества теплозащиты наружной оболочки. Поэтому предлагается сопровождать его тепловизионной съемкой наружных поверхностей зданий и ставить для него задачу выявления первоочередных зданий для капитального ремонта с утеплением.

По мнению авторов, в том случае если обследованное здание будет поставлено на капитальный ремонт, а соответственно сопротивление теплопередаче стен, чердачных перекрытий будет повышено по сравнению с существующим в 2–3 раза, то нет необходимости в проведении предварительных тепловизионных обследований для поиска локальных нарушений в этих ограждениях. Они с лихвой перекроются новой теплоизоляцией. Возможно после капитального ремонта проводить выборочное тепловизионное обследование с целью обнаружения скрытых дефектов по монтажу теплоизоляции и их последующему устранению в соответствии с п. 11.4 СНиП 23–02 «Тепловая защита зданий».

Выполненное в результате сопоставления фактического тепло- и водопотребления жилых зданий основных типовых серий, измеренное домовыми тепло- и водосчетчиками, с ожидаемым исходя из проектных нагрузок и требуемым для обеспечения нормативного тепло- и водопотребления [5] обследование показало, что для большей части зданий теплопоступления от системы отопления соответствуют или превышают требуемый расход тепловой энергии, определенный на проектные значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, нормативный воздухообмен в квартирах с учетом бытовых тепловыделений исходя из фактической заселенности здания.

Причем удельный расход тепловой энергии на отопление за отопительный период, отнесенный к квадратному метру площади квартир для зданий, запроектированных до принятия решения о повышении их теплозащиты, составляет в основном 180–200 кВт•ч/м², независимо от конструкции стен – кирпичных, блочных или панельных. Эти заниженные значения энергетической эффективности зданий (по действующим нормам требуется не более 95–105 кВт•ч/м²) связаны не с каким-то дефектом конструкций, которые хотят выявить с помощью тепловизинного обследования, а с общим низким уровнем теплозащиты возводимых тогда в нашей стране зданий.

Экспресс-энергоаудит эксплуатируемых жилых зданий включает задачи определения теплопотребления на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и электропотребление на освещение мест общего пользования, лифтовое хозяйство и другие специфические элементы инженерного оборудования. В данной статье будут рассмотрены особенности проведения экспресс-энергоаудита только тепло- и водопотребления жилых зданий. В этой связи целью экспресс-энергоаудита жилых зданий должно быть установление величины превышения фактического тепло- и водопотребления зданий над требуемым значением исходя из обеспечения нормируемой температуры внутреннего воздуха и нормируемого воздухообмена в квартирах с учетом реальной заселенности дома и проектного значения сопротивления теплопередаче наружных ограждений (выявление фактического значения – это задача полного инструментального обследования для зданий, у которых при достижении требуемого теплопотребления не обеспечивается комфортный микроклимат в подавляющем большинстве помещений).

Установленная величина превышения фактических значений тепло- и водопотребления зданий за отопительный период – это тот резерв экономии тепловой энергии, который можно реализовать средствами гидравлической наладки распределения теплоносителя и автоматического регулирования подачи тепла на отопление по оптимальному режиму работы с учетом всех составляющих теплового баланса здания, причем до выполнения планового капитального ремонта с утеплением. Результатом экспресс-энергоаудита будет перечень мероприятий, позволяющих достичь этой экономии при эксплуатации систем отопления и горячего водоснабжения обследуемых жилых зданий.

Рисунок 1. График изменения относительного расхода тепла на отопление в зависимости от температуры наружного воздуха Qвн – внутренние тепловыделения в квартирах; Qо – расход тепловой энергии на отопление; Qин – теплопотери с инфильтрацией воздуха; Qогр – теплопотери через наружные ограждения

Отметим, что проектное значение расчетного расхода теплоты на отопление не может быть использовано для анализа необходимого теплопотребления здания, поскольку, во-первых, оно свидетельствует о расходе при расчетной температуре наружного воздуха, а теплосчетчик измеряет расход тепловой энергии за период времени с отличающейся наружной температурой, и надо уметь его пересчитать (о трудностях пересчета будет сказано далее), и, во-вторых, за последние 35–40 лет методика расчета теплопотерь неоднократно менялась, и удельный проектный расход теплоты, рассчитанный для отопления зданий по методикам 1955 года, будет отличаться от расхода теплоты, рассчитанного для того же здания по методикам 1985 года.

Но проектный расход теплоты на отопление отражает фактическую теплоотдачу системы отопления данного здания при условии соблюдения температурных графиков в подающем и обратном трубопроводах, поскольку по нему подбиралась поверхность нагрева отопительных приборов в помещениях. Поэтому по соотношению проектного расхода теплоты на отопление и требуемого можно судить о коэффициенте запаса теплопроизводительности системы отопления, который следует учитывать при пересчете расчетных значений температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы, т. к. если продолжать отопление по расчетным проектным температурным графикам, здание будет перегреваться, причем без повышения температуры воды в обратном трубопроводе против графика.

С учетом этого запаса должны быть пересчитаны расчетные значения температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы отопления, и это будет одним из результатов экспресс-энергоаудита. 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:

(1)

(2)

где t_1тр и t_2тр – требуемая температура воды в подающем и обратном трубопроводах соответственно, °С;

t₁^р и t₂^р – расчетная температура воды соответственно в подающем и обратном трубопроводах при расчетной для проектирования отопления температуры наружного воздуха, °С;

t^р_вн – расчетная температура воздуха в помещении, °С;

 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^р_н;

m – показатель степени в формуле определения коэффициента теплопередачи отопительных приборов, как правило, принимают равным 0,25.

Чтобы установить значение требуемых температур при расчетной наружной температуре (t^р_н), необходимо подставить в формулы 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.

Очень важно с точки зрения экономии энергоресурсов определить, каким принимать изменение относительного расхода тепловой энергии на отопление Q^–₀ в зависимости от температуры наружного воздуха. График центрального качественного регулирования от источника предполагает следующую зависимость:

(3)

Данная зависимость показана линией 1 на рис. 1, и она справедлива для объектов, не имеющих внутренних тепловыделений, т. к. в противном случае получится, что внутренние тепловыделения с изменением наружной температуры меняются также, как и теплопотери здания, график изменения которых для жилых зданий изображен линией 2. В действительности внутренние тепловыделения, оставаясь в течение всего отопительного периода практически постоянными по абсолютной величине, при определении расхода теплоты на отопление должны вычитаться из величины теплопотерь, характеризуемых линией 2.

Таким образом, отложив от расчетных теплопотерь величину внутренних тепловыделений и проведя через эту точку линию 3, параллельную линии 2, получим зависимость изменения требуемого расхода теплоты на отопление жилых зданий от наружной температуры:

(4)

где Q_вн/Q^р_о.тр – доля внутренних (бытовых) тепловыделений в квартирах по отношению к расчетному расходу теплоты на отопление.

При построении графика отпуска теплоты по этой формуле принимается, что при температуре наружного воздуха выше расчетной по параметрам А температура внутреннего воздуха поддерживается на комфортном уровне t_вн= 20–21 °C, а при t_н^р (расчетной по параметрам Б), равной расчетному значению для жилых помещений, t^р_вн = 18 °C. Исходя из этого, часть бытовых тепловыделений пойдет на нагрев воздуха в квартире до комфортного уровня, и необходимый расход теплоты на отопление несколько повысится (линия 4, рис. 1). Заштрихованная область рис. 1 показывает экономию теплоты, получаемую при учете постоянства бытовых тепловыделений в построении графика отпуска теплоты и при условии поддержания комфортной температуры воздуха в квартирах в течение большей части отопительного периода.

Подтверждением необходимости учитывать увеличивающуюся долю бытовых тепловыделений в тепловом балансе здания с повышением температуры наружного воздуха служат результаты натурных испытаний системы отопления с автоматическим регулированием заданного режима, представленных на рис. 2. Здесь линией 1 показан режим подачи теплоты на отопление по формуле (3), а линией 2 – по формуле (4) с относительной величиной внутренних тепловыделений в квартирах Q_вн/Q^р_о.тр = 0,16 (нулевой расход теплоты на отопление соответствует наружной температуре 12 °C, а не 18 °C, как при режиме по кривой 1).

Величина бытовых тепловыделений при построении графика отпуска теплоты принимается на минимальном уровне, соответствующем наиболее неблагоприятному помещению. Таким помещением является квартира с угловой комнатой, т. к. отношение бытовых тепловыделений к теплопотерям в ней минимальное. Если в среднем по дому, построенному до 1998 года, для метеорологических условий Москвы бытовые тепловыделения составляют 20–25 % Q^р_о.тр (в зависимости от изрезанности фасада), то для углового помещения они равны примерно 17–20 %.

Точками показаны результаты фактического расхода теплоты на отопление за каждые сутки в пасмурную погоду (чтобы исключить теплопоступления с инсоляцией). В правой части рис. 2 приведены гистограммы температур воздуха в квартирах: вверху – при режиме, близком к графику 1, внизу – к графику 2. Анализ рис. 2 показывает, что режим подачи теплоты на отопление с учетом увеличивающейся доли бытовых тепловыделений соответствует требуемому. Это подтверждается наибольшей повторяемостью температуры внутреннего воздуха в квартирах в пределах комфортной 20–21 °С с одинаковыми отклонениями в большую и меньшую стороны (по вертикальной шкале гистограмм отложена повторяемость данной температуры в процентах от общего числа обследованных квартир).

Режим подачи теплоты по графику 1 рис. 2 является избыточным. О перегреве квартир свидетельствует увеличенное число квартир с температурой выше 21 °С – 70 % по сравнению с 1-м режимом – 25 %. Но при этом подтверждается вывод, что, несмотря на такой большой перерасход теплоты, наибольшая повторяемость температур воздуха находится в пределах 21–22 °С. Характерно, что как при перегреве, так и при нормальном режиме остается примерно одинаковое количество квартир с пониженной температурой воздуха, что свидетельствует об индивидуальном желании жильцов поддерживать такой режим в своих квартирах.

Рисунок 2 (подробнее)   Обобщенная функциональная схема по автоматизированному дистанционному снятию показаний счетчиков электроэнергии

Изложенное подтверждает, что выполнение расчета требуемого расхода теплоты на отопление и вентиляцию жилого здания исходя из его теплового баланса и с учетом фактических (или расчетных) теплотехнических характеристик наружных ограждений, нормативного воздухообмена в квартирах и удельных бытовых тепловыделений в зависимости от фактической заселенности здания позволяет обоснованно подойти к выбору режима работы системы автоматического регулирования отопления и, соответственно, получению дополнительной экономии тепловой энергии в объеме до 30 % от годового теплопотребления сверх ожидаемой от повышения теплозащиты здания. Выполнение расчета режима подачи тепловой энергии на отопление в течение отопительного периода – тоже результат уточнения теплового баланса жилого дома в процессе осуществления экспресс-энергоаудита.

Экспресс-энергоаудит включает камеральную обработку данных фактического измерения месячных расходов тепловой энергии, холодной и горячей воды, потребленных зданием в течение одного календарного года, а лучше двух предыдущих лет. При этом фиксируются 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 измерения по системе отопления является определение фактического теплопотребления за отопительный период, отнесенное к квадратному метру 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, т. к. энергоэффективность зданий оценивается именно по этому показателю.

Для возможности выполнения такого сравнения необходимо знать среднесуточную температуру наружного воздуха за каждый период измерения, и через рассчитанные градусо-сутки этого периода (принимая условно температуру внутреннего воздуха в помещениях здания 20 °С) следует пересчитать полученный удельный расход теплоты на тот, который будет при градусо-сутках, соответствующих нормируемому значению, для Москвы D_d = 4 943 °С•сут.

Конечным результатом измерения 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 квадратному метру площади квартир или помещений [м³/м²], [кВт•ч/м²]. Нормируемое по СНиП 2.04.01–85* 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 ее большой слив), либо имеют место утечки в системе водоснабжения.

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 тепловой энергии на отопление и вентиляцию жилого здания за отопительный или иной период времени [6].

Она позволяет рассчитать этот расход теплоты 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, 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 светопрозрачные ограждения от солнечной радиации и с учетом эффективности принятой системы автоматического регулирования отопления.

Расчету требуемого расхода теплоты на отопление 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 здания, либо из материалов БТИ, либо выполнив натурные обмеры. Далее рассчитывается сопротивление теплопередаче каждого наружного ограждения или принимается из проекта и составляется энергетический паспорт здания, выписав из данных БТИ площади квартир, жилых помещений здания и количество проживающих жителей.

Энергетический паспорт является документом, отражающим показатель тепловой энергоэффективности, уровень теплозащиты и эксплуатационной энергоемкости здания в целом, а также величин энергетических нагрузок на это здание. По нему можно проверить правильность представления о том, что энергоэффективность запроектированного здания соответствует требованиям норм, и установить минимально необходимое теплопотребление здания за определенный период времени при соответствии фактических и проектных теплотехнических характеристик наружных ограждений или выявить их несоответствие в процессе натурных испытаний.

Используя данные энергетического паспорта, можно оценить вклад каждого ограждения в величину теплопотерь и объем снижения теплопотребления от реализации того или иного энергосберегающего мероприятия, установив тем самым приоритеты выполнения каждого с учетом их инвестиционной привлекательности [7]. Помимо определения требуемого удельного теплопотребления обследуемого здания с учетом его реальных теплотехнических показателей наружных ограждений и степени автоматизации систем отопления, паспорт позволяет рассчитать лимит необходимой тепловой энергии на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Литература

1. О директиве Европейского парламента и Совета Европейского Союза по энергетическим характеристикам зданий [Текст] // Энергосбережение. – 2006. – № 3.

2. Ливчак, В. И. Рычаги повышения энергоэффективности зданий. Опыт США [Текст] / В. И. Ливчак, Ю. А. Матросов // АВОК.– 2008. – № 8.

3. Ливчак, В. И. Энергоаудит и энергетическая паспортизация жилых зданий – путь стимулирования энергосбережения [Текст] / В. И. Ливчак // АВОК. – 2002. – № 2.

4. Ливчак, В. И. Развитие энергетической сертификации жилых зданий [Текст] / В. И. Ливчак // Энергосбережение. – 2007. – № 7.

5. Ливчак, В. И. Фактическое теплопотребление зданий как показатель качества и надежности проектирования [Текст] / В. И. Ливчак // АВОК. – 2009. – № 2.

6. Руководство АВОК–8–2007. Руководство по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2005–2007.

7. Дмитриев, А. Н. Руководство по оценке экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия [Текст] / А. Н. Дмитриев, И. Н. Ковалев, Ю. А. Табунщиков, Н. В. Шилкин. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2005.