Реализация энергосберегающих мероприятий в инженерных системах многоквартирных жилых домов

А. Н. Колубков, вице-президент НП «АВОК», директор ООО ППФ «АК»

Н. В. Шилкин, канд. техн. наук, доцент МАрхИ, otvet@abok.ru

Нормативы

Принятый Государственной Думой и одобренный Советом Федерации Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» направлен на создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Закон устанавливает требования энергетической эффективности зданий, строений, сооружений, однако в нем не содержится перечень и содержание конкретных энергосберегающих мероприятий в строительной отрасли, актуальных для условий нашей страны на современном этапе. Такой перечень и конкретное содержание энергосберегающих мероприятий раскрывается, в частности, в Постановлениях Правительства Москвы от 9 июня 2009 г. № 536-ПП «О Городской программе “Энергосберегающее домостроение в городе Москве на 2010–2014 гг. и на перспективу до 2020 года”» и от 5 октября 2010 года № 900-ПП «О повышении энергетической эффективности жилых, социальных и общественно-деловых зданий в г. Москве и внесении изменений в постановление Правительства Москвы от 9 июня 2009 года № 536-ПП».

Эти постановления относятся к продукции массового строительства, продукции ДСК, продукции повторного применения. Принятие этих постановлений – большой шаг вперед в повышении энергетической эффективности не только в строительстве Москвы, но и для всей отечественной строительной отрасли: указанные в постановлениях энергосберегающие мероприятия можно признать актуальными и для других регионов. И очень важным является то, каким образом будут реализованы положения этих постановлений, какие могут возникнуть трудности как технического, так и организационного характера.

Утепление фасадов

Согласно первому пункту перечня мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности общего имущества собственников помещений в проектируемых, новых, капитально ремонтируемых и реконструируемых многоквартирных домах, приведенного в Постановлении № 900-ПП от 05.10.2010 г., указанное повышение энергетической эффективности должно обеспечиваться за счет повышения теплозащитных качеств наружных ограждающих конструкций: фасадов, окон, покрытий и т.д.

С технической стороны технологии утепления фасадов проработаны, и две основные проблемы здесь – качество выполнения работ и экономическая целесообразность.

При тепловизионных обследованиях жилых домов были выявлены множественные дефекты:

• Неутепленные (или недостаточно утепленные) участки стен здания.
• Повышенные теплопотери через некоторые участки сопряжения стены с перекрытием по сравнению с остальными участками, что свидетельствует об ошибках при монтаже данных узлов.
• Грубый брак в монтаже отдельных узлов.
• Неутепленные перекрытия под отапливаемыми помещениями, выступающие наружу.

Проблема экономической целесообразности повышения теплозащиты ограждающих конструкций, утепления фасадов неоднократно обсуждался специалистами как на страницах печатных изданий, например, [1, 2], так и на конференциях, круглых столах и т.д.

В Постановлении № 900-ПП устанавливаются четкие требования к теплозащите, согласно которым с 01.10.2010 г. приведенное сопротивление теплопередаче наружных стен многоквартирных домов в Москве должно быть не ниже 3,5 м²·°C/Вт, окон – 0,8 м²·°C/Вт, а с 01.01.2016 г.– 4,0 м²·°C/Вт и 1,0 м²·°C/Вт соответственно.

Эффективные отопительные системы

Следующее мероприятие по энергосбережению, указанное в Постановлении № 900-ПП от 05.10.2010 г.,– это применение эффективных отопительных систем, преимущественно двухтрубных с горизонтальной поквартирной разводкой и эффективной теплоизоляцией стояков и общедомовых трубопроводов, оснащенных термостатическими вентилями и балансировочными клапанами, а также применение индивидуальных общедомовых (ИТП) и при технической целесообразности поквартирных (КТП) тепловых пунктов, оснащенных автоматизированными системами управления и учета потребления энергоресурсов, горячей и холодной воды.

Следует отметить, что согласно статье 13 Федерального закона Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», с 2012 года поквартирный учет теплопотребления обязателен для всех вновь построенных и, при наличии технической возможности, капитально ремонтируемых многоквартирных домов: «…многоквартирные дома, вводимые в эксплуатацию с 1 января 2012 года после осуществления строительства, реконструкции, должны быть оснащены дополнительно индивидуальными приборами учета используемой тепловой энергии, а многоквартирные дома, вводимые в эксплуатацию с 1 января 2012 года после капитального ремонта, должны быть оснащены индивидуальными приборами учета используемой тепловой энергии при наличии технической возможности их установки».

Это же требование об обязательном применении с 1 января 2012 г. поквартирного учета тепловой энергии, горячей и холодной воды и электроэнергии содержится в Постановлении № 900-ПП от 05.10.2010 г.

Согласно Городской программе «Энергосберегающее домостроение в городе Москве на 2010–2014 гг. и на перспективу до 2020 года», ожидаемая энергетическая эффективность установки квартирных теплосчетчиков составляет 10–40%.

Поквартирные системы отопления не только предоставляют техническую возможность реализации поквартирного учета, но и дают возможность жителям получить за счет снижения энергопотребления экономический эффект. Целесообразность применения именно таких систем к настоящему времени признана многими специалистами. Тем не менее, организовать индивидуальный учет теплопотребления возможно и при других вариантах систем водяного отопления.

Способы организации учета и оплаты

К настоящему времени многие фирмы-производители предлагают свои разработки и схемные решения по организации узлов индивидуального учета потребления ресурсов: тепловой энергии, горячей и холодной воды. В основном используются следующие способы.

Прямое измерение

При двухтрубной горизонтальной поквартирной системе отопления – прямое измерение и оплата фактически потребленной тепловой энергии. Это наиболее простой и понятный жителям способ организации учета и оплаты, он не вызывает никаких вопросов и стимулирует жильцов к экономии энергии. Целый ряд как зарубежных, так и отечественных производителей предлагают свои варианты теплосчетчиков, как простых моделей, так и достаточно сложных, в том числе и с возможностью удаленной передачи данных в систему диспетчеризации по радиоканалу. Таким же образом может быть организован учет потребления горячей и холодной воды.

Измерение температуры по стояку

В вертикальных (стояковых) системах отопления организация индивидуального учета сопряжена с гораздо большими сложностями. Используется несколько схем, но в практике реальной эксплуатации они не показали достаточной точности и надежности.

Одна из схем предусматривает измерение температуры по стояку под потолком каждой квартиры и измерение расхода теплоносителя в стояке. Зная расход теплоносителя и температурный перепад на стояке в каждой квартире, можно рассчитать расход тепловой энергии для этой квартиры. Этот способ прост, но если его физическая модель не вызывает никаких вопросов, то вопрос реализации в части используемых средств измерения обычно остается открытым. Так, например, в двадцатиэтажном доме с условной нагрузкой в 1 кВт при перепаде +90…+70 °C перепад температуры для одной квартиры должен составить порядка одного градуса. Очевидно, чтобы замерить с приемлемой степенью точности температурный перепад в 1 °C, необходимо использовать средства измерения достаточно высокого класса точности. Предположим, что в двух одинаковых квартирах фактическое теплопотребление одинаково; если для одной квартиры измерение температуры будет выполнено с отклонением в половину градуса в меньшую сторону, а в другой – в большую, итоговое теплопотребление, рассчитанное для этих квартир, может отличаться в три-четыре раза.

Таким образом, необходимость очень точных измерений делает такой способ хотя и понятным, но сложно реализуемым в условиях реальной эксплуатации. Кроме того, поскольку теплопотребление не является непосредственно измеренной величиной, а рассчитывается по некоторым формулам, жильцы не чувствуют непосредственной взаимосвязи между своими действиями и реальной экономией, у них нет прямого стимула к экономии.

Распределители тепловой энергии

Следующий метод учета – использование распределителей тепловой энергии. Эти устройства уже достаточно давно применяются во многих странах. Они устанавливаются непосредственно на поверхность отопительных приборов и бывают либо испарительного типа, либо электронные. В зависимости от типа отопительного прибора по этой разности температур рассчитывается некоторая условная величина теплоотдачи, которая затем соотносится с показаниями общедомового теплосчетчика, и исходя из этого вычисляется теплопотребление отдельной квартиры. При замене отопительного прибора необходимо сразу же вводить соответствующий ему коэффициент в память распределителя (при одинаковой ∆t теплоотдача у двух разных отопительных приборов будет различаться в зависимости от их типа, типоразмера и т.д.). В случае, например, использования вертикальных систем отопления с верхней разводкой на верхнем и нижнем этаже температура стояка будет существенно отличаться. Поскольку стояки не теплоизолируются, то жители верхних этажей получат дополнительное количество тепловой энергии, которое никак не учитывается, а его стоимость равномерно распределяется между всеми квартирами. Соответственно, жильцы верхних этажей будут переплачивать. Имели место попытки разрешить эту проблему, предусмотрев теплоизоляцию стояков отопления, но на практике это решение себя не оправдало, поскольку даже по эстетическим соображениям владельцы квартир сразу же избавлялись от теплоизоляции. Эти устройства не учитывают расположение помещений – рядовое оно или угловое и т.д. Поскольку устройство не отображает напрямую количество потребленной тепловой энергии, то жильцы не чувствуют экономию, не имеют реального стимула к действиям, направленным на энергосбережение.

Особенность этого способа – для адекватного и справедливого распределения количества и стоимости тепловой энергии необходимо выполнение условия нормальной работы всех приборов. Если какие-то из приборов не исправны или не передают показаний, сразу же вносится погрешность в общую картину. Условием корректной работы такого распределителя является плотный контакт с поверхностью отопительного прибора. Поскольку приборы находятся внутри квартиры, осмотреть и проконтролировать их можно только при условии доброй воли владельцев квартир. Это создает возможности злоупотреблений со стороны жильцов. Можно поставить дополнительные отопительные приборы или дополнительные секции, можно различными способами вносить погрешность в измерение ∆t – способы для этого достаточно известны.

Имеют место случаи, когда для формального выполнения требований Постановления № 900-ПП от 05.10.2010 г. отопительные приборы действительно оснащаются распределителями. Но для организации индивидуального учета помимо установки распределителей необходимо организовать диспетчерский пункт, в котором бы собиралась информация со всех квартир, а затем по некоторому алгоритму соотносить показания распределителей с текущим показанием домового теплосчетчика, вычислять текущее теплопотребление отдельной квартиры, затем суммировать это теплопотребление помесячно. Для всех этих операций в диспетчерском пункте необходимо установить достаточно дорогой программно-аппаратный комплекс.

Термостатические вентили

Применение термостатических вентилей, предусмотренное Постановлением № 900-ПП от 05.10.2010 г., дает возможность жильцам экономить энергию, и здесь имеет место прямая зависимость между действиями жильцов и полученным экономическим эффектом. У жильцов появляется стимул к выбору оптимального температурного режима в помещениях, предупреждению перетопов, использованию проветривания только по необходимости, а не для «сброса» теплоты на улицу. Согласно Городской программе «Энергосберегающее домостроение в городе Москве на 2010–2014 гг. и на перспективу до 2020 года», ожидаемая энергетическая эффективность применения радиаторных термостатов в массовом строительстве составляет 6–7%, квартирных контроллеров – 10–15%.

ИТП

Применение индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) взамен центральных (ЦТП) дает большие потенциальные возможности в экономии энергии, что уже неоднократно отмечалось специалистами. В НП «АВОК» разработаны и опубликованы Рекомендации «АВОК» 3.3.1–2009 «Автоматизированные индивидуальные тепловые пункты в зданиях взамен центральных тепловых пунктов. Нормы проектирования» [3]. Проведенные расчеты показали, что в масштабах города переход от ЦТП на ИТП дает существенный экономический эффект, даже несмотря на то, что количество ИТП существенно увеличивается по сравнению с количеством ЦТП. Необходимо также отметить, что внедрение ИТП создает предпосылки для реализации прочих энергосберегающих мероприятий, только в этом случае потенциал энергосбережения может быть реализован наиболее полно.

Энергоэффективное освещение

Следующий пункт в Постановлении № 900-ПП от 05.10.2010 г.– применение систем освещения общедомовых помещений, использующих энергосберегающие лампы, оснащенных датчиками движения и освещенности, а также систем компенсации реактивной мощности. Организация освещения, например, подъезда, в котором постоянно не будут гореть лампы, за исключением аварийных, не требует сложных технических решений и больших финансовых затрат. Схемы компенсации реактивной мощности также известны, но не все их используют (особенно в жилых зданиях). С другой стороны, в жилых зданиях вопрос применения таких систем стоит не так остро, в этих зданиях значение cos φ и так достаточно велико. Согласно Городской программе «Энергосберегающее домостроение в городе Москве на 2010–2014 гг. и на перспективу до 2020 года», ожидаемая энергетическая эффективность использования энергоэффективных осветительных приборов, энергоэкономичных ламп, светодиодных источников света составляет 10–15%, управление системами освещения общедомовых помещений – 10%, компенсация реактивной мощности – также 10%.

Вентиляция с механическим побуждением

В наших условиях применение вентиляции с механическим побуждением в многоэтажных жилых зданиях необходимо даже не столько для обеспечения возможности энергосбережения, сколько просто для обеспечения приемлемого качества микроклимата квартир. В настоящее время уже многие проектировщики предусматривают в проектах вентиляторы для «перехвата» вытяжки хотя бы на теплый период года (так называемая гибридная вентиляция). Процесс внедрения систем вентиляции с механическим побуждением сдвинулся с мертвой точки, и одной из предпосылок к этому стало принятие Постановления № 900-ПП от 05.10.2010 г. Согласно Городской программе «Энергосберегающее домостроение в городе Москве на 2010–2014 гг. и на перспективу до 2020 года», ожидаемая энергетическая эффективность автоматического регулирования вентиляции для обеспечения нормативного воздухообмена в здании составляет 10%, регулирования вытяжной вентиляции в зависимости от гравитационной составляющей – 10–15%.

Рекуперация и утилизация теплоты

Значительно повысить эффективность механической вентиляции можно за счет утилизации теплоты вытяжного воздуха либо для подогрева приточного, либо посредством теплонасосных установок. Постановление № 900-ПП от 05.10.2010 г. предусматривает использование рекуперации и утилизации теплоты вентиляционных выбросов, в том числе посредством теплонасосных систем. Здесь следует еще иметь в виду, что организация приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией позволяет не только уменьшить затраты энергии на подогрев приточного воздуха, но и достаточно существенно снизить затраты на отопление. Представляется, что именно это направление – одно из самых перспективных с точки зрения высокого потенциала энергосбережения. При существенном снижении трансмиссионных теплопотерь через оболочку здания основные резервы экономии лежат в области снижения затрат энергии на подогрев вентиляционного воздуха. В свою очередь, наиболее очевидным вариантом такого снижения затрат энергии является, во-первых, регулирование воздухообмена (устранение сверхнормативного, избыточного воздухообмена, снижение воздухообмена в периоды, когда помещение не используется и т.д.), во-вторых, утилизация теплоты вытяжного воздуха различными способами. В настоящее время даже в типовых проектах все чаще и чаще предусматривается приточно-вытяжная вентиляция с механическим побуждением.

Схема с тепловыми насосами более сложная. Здесь сразу встает вопрос, каким образом использовать теплоту вытяжного воздуха. Поскольку и отопление, и подогрев приточного воздуха необходимы только в холодный и переходный периоды года, целесообразно использовать низкопотенциальную теплоту для подогрева воды в системе горячего водоснабжения (ГВС). Поскольку использование воды из системы ГВС носит периодический характер, а вентиляция работает постоянно, необходимо предусматривать использование баков-аккумуляторов. Кроме того, вытяжные установки располагаются в верхней части здания, а оборудование ГВС – в тепловом пункте обычно в подвале здания; требуется прокладка магистралей промежуточного теплоносителя по всей высоте здания, применение циркуляционных насосов для перекачки теплоносителя и т.д. Все эти мероприятия увеличивают стоимость проекта. С другой стороны, при использовании тепловых насосов целесообразно обеспечивать, помимо утилизации теплоты вентиляционных выбросов, и применение других источников низкопотенциальной теплоты: канализационных стоков, теплоты грунта и т.д. Согласно Городской программе, ожидаемая эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха посредством тепловых насосов составляет 20–70%.

Таким образом, применение тепловых насосов обладает весьма высоким потенциалом энергосбережения, но требует как обоснования технической возможности (например, не всегда возможно разместить необходимое количество грунтовых теплообменников), так и оценки экономической эффективности конкретного проекта.

Нетрадиционные источники энергии, вторичные ресурсы

Следующий пункт в Постановлении № 900-ПП от 05.10.2010 г. касается использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и вторичных энергетических ресурсов. С чисто экономических позиций массовое применение решений с использованием нетрадиционной энергетики пока не особенно оправдано; с другой стороны, например, в подмосковном поселке Первомайское выбор схемы теплоснабжения с тепловыми насосами, использующими низкопотенциальную теплоту грунта, был обусловлен именно экономическими соображениями – высокой стоимостью подключения к газовой сети.

Топливные элементы

Пока совершенно не получили распространение в нашей стране топливные элементы – электрохимические генераторы, которые производят одновременно тепловую и электрическую энергию из водородсодержащего сырья, обычно природного газа. Между тем в зарубежной практике такое решение встречается все чаще и чаще. Достоинства топливных элементов:

• Высокая эффективность – при использовании только электрической энергии КПД установки составляет 30–50%; при использовании и электрической, и тепловой энергии КПД может достигать 90%, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения КПД.
• Доступность и низкая стоимость топлива – в стационарных топливных элементах обычно используется доступный и дешевый природный газ (необходимый для работы водород вырабатывается из топлива непосредственно в топливном элементе); кроме природного газа может использоваться чистый водород и любое водородсодержащее сырье: газ из метантенков, аммиак, метанол, бензин и т.д.
• Экологичность – при использовании в качестве топлива водорода продуктом реакции является только вода (водяной пар); при использовании других видов топлива возможно незначительное выделение других газов, например, оксидов углерода и азота.
• Масштабируемость – в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания, КПД топливных элементов остается постоянным в любом диапазоне вырабатываемой мощности; малые установки столь же эффективны, как и большие; мощность установок может быть увеличена простым добавлением отдельных элементов.
• Надежность и долговечность.
• Низкий уровень шума при работе.
• Простота эксплуатации – топливные элементы практически не нуждаются в обслуживании.
• Возможность размещения топливного элемента непосредственно на обслуживаемом объекте, что снижает потери на транспортировку энергии и дает возможность использования установок в качестве аварийных источников энергии.

Широкому распространению топливных элементов препятствует главным образом их высокая стоимость. Тем не менее, применение топливных элементов явно указывается в п. 10 раздела «Типовые энергосберегающие решения для домостроительных комбинатов и предприятий строительной отрасли» Городской программы, который предусматривает «использование и развитие конкурентных систем теплоснабжения на базе встроенных, пристроенных и крышных автономных газовых котельных, установок когенерации и тригенерации, квартирных газовых теплогенераторов и систем централизованного теплоснабжения с поквартирными теплообменниками, а также систем энергоснабжения на основе топливных элементов».

Автономные котельные

Актуальность требований указанного выше пункта в части использования автономных котельных требует отдельного изучения, поскольку в масштабах города, теплоснабжение которого осуществляется на базе теплофикации, внедрение автономных систем теплоснабжения означает снижение тепловой нагрузки на ТЭЦ. Уменьшение съема тепловой энергии приводит к снижению эффективности работы ТЭЦ. Таким образом, использование автономных систем теплоснабжения актуально в том случае, если в сложившейся строительной ситуации невозможно или очень затратно использовать централизованное теплоснабжение.

Теплотехническая однородность ограждающих конструкций

Следующий пункт в Постановлении № 900-ПП от 05.10.2010 г.– применение технических решений по повышению теплотехнической однородности наружных ограждающих конструкций, в том числе за счет повышения герметичности межпанельных швов. Технологии повышения герметичности межпанельных швов в панельных домах к настоящему времени достаточно хорошо отработаны.

В статье [4] авторы рассматривают методы расчета коэффициентов теплотехнической однородности конструкций и пути его повышения. В частности указывается, что «у рассматриваемых конструкций стен имеются следующие теплопроводные включения: кладочные растворные швы, арматурные сетки, гибкие связи, стык стены с перекрытием, оконные откосы, балконные плиты, ограждения лоджий. Каждое из этих теплопроводных включений характеризуется своими дополнительными теплопотерями, приводящими к снижению приведенного сопротивления теплопередаче» [4].

Снижение затрат в системах ГВС

Последний пункт Постановления № 900-ПП– применение технических решений по снижению затрат энергии в системах горячего водоснабжения, в том числе в системах циркуляции горячей воды, а также при наличии технической возможности рекуперация и утилизация низкопотенциальной теплоты канализационных стоков. Аспекты применения теплонасосных систем утилизации теплоты рассматривались выше. Согласно Городской программе, ожидаемая эффективность разделения хозяйственных и фекальных вод с утилизацией теплоты посредством теплового насоса составляет 30–50%. Другие энергосберегающие мероприятия, эффективность которых указана в программе,– это предотвращение охлаждения горячей воды в циркуляционном трубопроводе (эффективность 10%), изоляция трубопроводов водоснабжения (эффективность 4%).

Установка, утилизирующая теплоту сточных вод

Заключение

Рассматривая содержание всех девяти пунктов перечня мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности общего имущества собственников помещений в проектируемых, новых, капитально ремонтируемых и реконструируемых многоквартирных домах, приведенного в Постановлении № 900-ПП от 05.10.2010 г., можно отметить, что при выполнении требований этих пунктов действительно можно реализовать комплексный подход к энергосбережению, рассмотрев все элементы здания – как его оболочку, так и инженерные системы. Зачастую под энергосбережением подразумевается исключительно утепление зданий. Но при реализации принятых требований к теплозащите резервы экономии энергии в части сокращения трансмиссионных теплопотерь оказываются в значительной степени исчерпанными: при высоких значениях приведенного сопротивления теплопередаче его дальнейшее повышение требует пересмотра конструкции наружных ограждений, приводит к значительным дополнительным затратам, но при этом уже не дает заметного снижения теплопотерь. Это констатирует и президент НП «АВОК», член-корреспондент РААСН Ю.А. Табунщиков: «Резервы экономии энергоресурсов за счет повышения тепловой защиты зданий практически исчерпаны» [5].

Гораздо больший потенциал энергосбережения может быть реализован за счет регулирования отпуска тепловой энергии, применения автоматизации, повышения эффективности вентиляции и т.д.

Важно отметить, что многие из возможных в этой части технических решений по энергосбережению являются относительно малозатратными, то есть имеют достаточно низкий срок окупаемости.

Можно надеяться, что указанные в Постановлении № 900-ПП от 05.10.2010 г. мероприятия будут действительно внедряться в практику массового строительства и позволят достичь реального снижения энергоемкости отечественной строительной отрасли.

Литература

1. Гагарин В. Г. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий. // АВОК. – 2009. – №№ 1–3.
2. Васильев Г. П. Эффективная теплозащита – дань моде или экономическая необходимость? // Энергосбережение. – 2011. – № 6.
3. Р НП «АВОК» 3.3.1–2009 «Автоматизированные индивидуальные тепловые пункты в зданиях взамен центральных тепловых пунктов. Нормы проектирования». М. : Изд-во «АВОК-ПРЕСС», 2009.
4. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Крышов С.И., Пономарев О.И. Теплозащита наружных стен зданий с облицовкой из кирпичной кладки // АВОК.– 2009.– №№ 5–6.
5. Табунщиков Ю.А. Энергоэффективные здания – возможности московского строительства // Энергосбережение.– 2010.– № 8.