Многоквартирные дома с близким к нулевому теплопотреблением на отопление и вентиляцию

В. И. Ливчак, вице-президент НП «АВОК», otvet@abok.ru

В [1] приведены проектные решения по двум экспериментальным многоквартирным домам повышенной энергоэффективности, строящимся в Москве (микрорайон Северное Измайлово, кв. 49–50, корпуса 1 и 2). Но хотя дома продекларированы как энергоэффективные, никаких показателей, подтверждающих это положение, представлено не было. Восполним этот пробел и сопоставим энергоэффективность выполненного проекта с той, которую можно достигнуть на таком же доме и с теми же инженерными решениями.

Традиционно в соответствии со СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование» расчет теплопотерь жилых зданий выполняется с учетом бытовых тепловыделений в квартирах и нагрева наружного воздуха для вентиляции системой отопления. Особенность проекта рассматриваемых экспериментальных домов заключается в том, что при определении поверхности нагрева отопительных приборов внутренние теплопоступления в квартирах от жителей и их жизнедеятельности, освещения и системы горячего водоснабжения не учитывались, а нагрев воздуха для вентиляции квартир обеспечивался за счет установок утилизации тепла вытяжного воздуха, и только частично, в варианте применения автономных квартирных утилизаторов, за счет системы отопления. Опыта пересчета в таких условиях расчетных показателей на годовое теплопотребление системами отопления и вентиляции жилого дома в нашей практике не было.

Принятые проектные энергосберегающие решения

Выбраны два одинаковых 11-этажных 4-секционных дома на 153 квартиры с первым нежилым этажом из монолитного железобетона с утеплением из стекловаты и отделкой по системе вентилируемого фасада. Помимо повышения тепловой защиты этих зданий в соответствии с техническим заданием, до приведенного сопротивления теплопередаче стен, перекрытий и покрытий соответственно в 4,0; 5,2 и 6,0 м²·°C/Вт, что примерно на 30% превышает требования действующего на момент принятия решения СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий», а окон до 1,0 м²·°C/Вт, что на 85% выше, были применены такие энергосберегающие решения:

• автоматическое регулирование подачи теплоты в систему отопления в зависимости от изменения наружной температуры;
• поквартирные горизонтальные системы отопления, оборудованные теплосчетчиком для измерения теплоты, потребленной каждой квартирой;
• оснащение каждого отопительного прибора термостатическим клапаном типа «Данфосс» с возможностью настройки на поддержание максимальной температуры воздуха в помещении +24 °C и минимальной +16 °C для удовлетворения индивидуальных потребностей жителей и сокращения теплопотребления из системы отопления при поступлении солнечной радиации;
• утилизация теплоты удаляемого вытяжного воздуха для нагрева наружного приточного в центральных, на секцию дома установках (корпус 1) с использованием роторного рекуператора с эффективностью около 70% и догревом приточного воздуха, прошедшего рекуператор, водяным теплообменником до расчетной температуры притока +20 °C; и индивидуального, на квартиру (корпус 2) роторного рекуператора с эффективностью около 80%, при котором догрев воздуха осуществляется системой отопления (за счет увеличения поверхности нагрева отопительных приборов). Также с автономным теплоутилизатором выполняется вентиляция помещений офисов, расположенных на первом этаже обоих зданий.

Энергетическая эффективность проекта экспериментального дома

В соответствии с проектом расчетный расход тепловой энергии на отопление надземной части корпуса 1 составил Q_К^р_.1от = 326,4 кВт, в том числе квартир – 190,3 кВт, офисов первого нежилого этажа – 57,0 кВт (из них 14,6 кВт на догрев приточного воздуха после теплоутилизатора) и помещений общедомового пользования (входная группа, ЛЛУ и межквартирные коридоры, верхний технический этаж и техническое подполье) – 79,1 кВт. То же на вентиляцию: Q_К^р_.1вент = 72,8 кВт, это расход теплоты калориферами центральных установок на догрев приточного воздуха после теплоутилизатора. При отсутствии утилизации теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного расход тепловой энергии на вентиляцию квартир составил бы 270,6 кВт.

Расчетные показатели расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию надземной части корпуса 2 составили Q_К^р_.2от = 388,6 кВт, в том числе квартир – 253,1 кВт, офисов первого нежилого этажа – 56,4 кВт, помещений общедомового пользования – 79,1 кВт. По данным проекта 63,3 кВт из общего расхода идет на догрев приточного воздуха после автономных теплоутилизаторов жилой и нежилой части здания отопительными приборами. При наличии утилизации в этом корпусе отдельно на вентиляцию тепловой энергии не требуется.

Согласно СНиП 41-02–2003 «Тепловые сети» и СНиП 23-01–99 «Строительная климатология» для условий Москвы длительность отопительного периода составляет z_от.п = 214 суток, а средняя температура наружного воздуха за этот период –3,1 °C, соответственно, градусо-сутки отопительного периода будут: ГСОП = (20 + 3,1)·214 = 4943.

Поскольку при расчете теплопотерь внутренние теплопоступления не принимались во внимание, годовой расход тепловой энергии на систему отопления и приточной вентиляции находится из следующей формулы, преобразованной из формулы Г.2 СНиП 23-02–2003:

Q_от^год = [(Q_о^р_т+вент)/(t_в – t_н^р)·ГСОП·24 – Q_инс^год·ν·ζ)]·(1 – ξ). (1)

При теплопоступлениях с солнечной радиацией за отопительный период Q_инс^год = 125904 кВт·ч (фасад с ЛЛУ ориентирован на север) и коэффициентах: неполного использования теплопоступления ν = 0,8; эффективности авторегулирования отопления в поквартирных системах с термостатами ζ = 1,0; учета снижения теплопотребления при наличии поквартирного учета тепловой энергии теплосчетчиком ξ = 0,15, одинаковых для обоих корпусов, годовое теплопотребление системами отопления и вентиляции должно быть:

Q_К.1от^год = [(326,4 + 72,8)/(20 + 28)·4943·24 – 125904·0,8·1,0)] · (1 – 0,15) = 753020 кВт·ч;

Q_К.2от^год = [388,6/(20 + 28)·4943·24 – 125904·0,8·1,0] (1 – 0,15) = 730750 кВт·ч.

Удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию, отнесенный к суммарной площади квартир и полезной площади помещений общественного назначения, будет:

q_К.1от^год = 753020/(8967 + 729) = 77,7 кВт·ч/м²;(2.1)

q_К.2от^год = 730750/(8967 + 690) = 75,7 кВт·ч/м².(2.2)

Но это не обеспечивает требуемый по техническому заданию уровень энергетической эффективности здания – не более 57 кВт·ч/м². Вот к чему приводит пренебрежение учетом внутренних теплопоступлений! Нельзя не учитывать их в расчетных условиях и вдруг учесть в годовом разрезе. Неквалифицированному расчетчику кажется: чего проще? Поставьте их величину, определенную по удельному показателю для квартир 17 Вт/м² жилой площади квартир (А_{К.1 и К.2ж} = 5250 м², при принятой заселенности 20 м² площади квартир на человека) в течение всех суток и 25,3 Вт/м² полезной площади помещений общественного назначения (при заполнении 8 м² полезной площади на работника) в течение рабочего времени – 6 ч, длительности рабочего времени одной смены в средний день месяца:

Q_К.1вн^год = (17·5250·24 + 25,3·729·6) ·214·10^–3 = 482140 кВт·ч, (3)

вторым слагаемым к Q_инс^год в формулу (1):

Q_К.1от^год = [(326,4 + 72,8)/(20 + 28)·4943·24 –
– (125904 + 482140)·0,8·1,0]·(1 – 0,15) = 425160 кВт·ч,

и тогда q_К.1от^год = 425 160/(8 967 + 729) = 43,8 кВт·ч/м², что уже ниже 57 кВт·ч/м².

Однако невозможно реализовать учет внутренних теплопоступлений в подаче теплоты в систему отопления в течение отопительного периода, если они не учтены при расчетной температуре наружного воздуха и подборе поверхности нагрева отопительных приборов, потому что последние оказались выбраны с большим запасом и будут перегревать помещение. А насколько надо снизить подачу теплоты, чтобы устранить этот перегрев, количественно установить невозможно.

Истинные показатели нагрузки системы отопления и энергетической эффективности рассматриваемых домов

Исходя из теплового баланса жилого дома, в качестве теплопоступлений необходимо учитывать бытовые, внутренние тепловыделения в квартирах, как в расчетных условиях, так и в эксплуатационных режимах при других температурах наружного воздуха. Внутренние теплопоступления зависят от плотности заселения дома, в муниципальных домах с естественной вентиляцией, когда система отопления компенсирует не только теплопотери через наружные ограждения, но и нагрев наружного воздуха в объеме нормативного воздухообмена, с плотностью заселения 20 м² общей площади квартир на жителя, в зависимости от степени теплозащиты здания относительная величина внутренних теплопоступлений составляет от 8–10% от теплопотерь зданий, построенных до 1995 года, до 18–20% в соответствии с требованиями СНиП 23-02–2003 и до 23% после реализации положений Постановления Правительства России № 18 от 25 января 2011 года [2].

В многоквартирных домах с механической приточно-вытяжной вентиляцией доля внутренних теплопоступлений в тепловом балансе системы отопления возрастает более чем в 2–3 раза. Учет внутренних теплопоступлений позволяет сократить теплопотребление на отопление, и это основной резерв экономии тепловой энергии.

Исходя из уравнения теплового баланса здания:

Q_от = Q_огр + Q_инф – Q_вн – Q_инс – Q_техн, (4)

теплопотери жилого дома и общественного здания без технологических процессов с выделением теплоты (Q_техн = 0), включая трансмиссионные теплопотери через наружные ограждения Q_огр и расход теплоты на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха в объеме нормативного воздухообмена Q_инф, равны сумме расхода теплоты на отопление Q_от и внутренним теплопоступлениям Q_вн (солнечные теплопоступления Q_инс на стадии расчетных условий для определения как нагрузки системы отопления, так и начала/окончания отопительного периода, не учитываются, поскольку они имеют направленное действие не на все фасады и нестабильны во времени):

Q_огр + Q_инф = Q_от + Q_вн.(5)

В соответствии с [3, 4] внутренние теплопоступления остаются практически постоянными в течение каждых суток по абсолютной величине; с повышением наружной температуры их доля в тепловом балансе увеличивается, за счет чего возможно сокращение подачи теплоты на отопление по сравнению с отпуском его по температурному графику центрального регулирования, приведенному в формуле (1). Решая уравнение (5) с учетом наличия внутренних теплопоступлений Q_вн относительно к расчетному расходу теплоты на отопление Q_о^р_т и выразив теплопотери при текущей t_н к расчетному перепаду температур, получим относительный расход тепловой энергии на отопление Q_от при текущей наружной температуре t_н:

Q_от = Q_{от.при tн} /Q_от^р =
             = [(Q_огр^р + Q_инф^р)·(t_в – t_н)/(t_в – t_н^р) – Q_вн]/Q_от^р          (6)

Если заменить Q_огр^р + Q_инф^р на Q_от^р + Q_вн из (5):

                                  Q_от = [(Q_от^р + Q_вн)·(t_в – t_н)/(t_в – t_н^р) – Q_вн]/Q_от^р        (7)

и раскрыть квадратную скобку, то:

Q_от = (1 + Q_вн /Q_от^р)·(t_в – t_н)/(t_в – t_н^р) – Q_вн /Q_от^р. (8)

Для того чтобы установить, при какой наружной температуре следует прекращать отопление с учетом конкретного для данного здания значения внутренних тепловыделений, необходимо приравнять к нулю уравнение (8) и извлечь из него t_н. Тогда t_н при Q_от = 0 следует определять по формуле:

             t_{н.при Qот = 0} = (t_в + t_н^р·Q_вн /Q_от^р)/(1 + Q_вн /Q_от^р).        (9)

Вернемся к конкретным рассматриваемым зданиям. Среднечасовая величина внутренних теплопоступлений, практически одинаковая для обоих корпусов, из (3) будет:
Q_вн = 482140 / (214·24) = 93,9 кВт. В соответствии с выполненными расчетами расчетный расход теплоты на отопление (при t_н^р = –28 °C) корпуса 1 исходя из компенсации только теплопотерь через наружные ограждения, включая инфильтрацию наружного воздуха в лестнично-лифтовом узле (ЛЛУ), и с учетом внутренних теплопоступлений составит:

Q_К.1от^р = [(0,365·1,1 + 0,053)·10766 ×
× (20 + 28)·10^–3 – 93,9]·1,13 = 159 кВт,

где 0,365– коэффициент теплопередачи через наружные ограждения, Вт/ (м²·°C);
1,1– коэффициент надбавки на ориентацию ограждений по сторонам света и угловые помещения;
0,053– условный коэффициент теплопередачи на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха через окна и балконные двери ЛЛУ, Вт/(м²·°C);
10766– суммарная площадь наружных ограждений, м²;
20– расчетная температура внутреннего воздуха в здании, °C;
1,13– коэффициент учета дополнительных потерь теплоты при остывании теплоносителя в подающих и обратных магистралях, проходящих в неотапливаемых частях здания.

Это в 326,4/159 = 2,05 раза выше проектной величины и означает, что при соблюдении проектных параметров теплоносителя во столько раз в здание поступит больше тепловой энергии на отопление, чем требуется после его просушки. Чтобы устранить этот перегрев в соответствии с [5] необходимо вместо проектных расчетных параметров теплоносителя 85–60 °C перейти с учетом
К_зап = 2,05 и Q_от = 1 на 54,8–42,6 °C:

Итак, для корпуса 1 соотношение бытовых теплопоступлений к расчетному расходу тепловой энергии на отопление будет:
Q_вн/Q_от^р = 93,9/159 = 0,59, а температура наружного воздуха, при которой должна включаться/выключаться система отопления (из (9))
t_{н.при Qот = 0} = +2,2 °C.

Продолжительность работы системы отопления, сокращенная за счет значительной величины относительных тепловыделений, принимается по климатическим данным, исходя из количества дней стояния наружной температуры ниже +2,2 °C: из СНиП 23-01–99* средняя температура октября +4,3 °C, ноября –1,9 °C, следовательно, статистическая среднесуточная температура +2,2 °C будет 26 октября. Средняя температура марта –4,3 °C, апреля +4,4 °C, следовательно,+2,2 °C будет 9 апреля. Соответственно, в стандартном годе отопление будет включено с 26 октября по 9 апреля – 165 суток, а средняя температура наружного воздуха за этот период из таблицы стояния наружных температур климатического справочника по Москве t_н^ср = –6,3 °C. Число градусо-суток отопительного периода: ГСОП = (20 + 6,3)·165 = 4 340.

Далее, чтобы здание не перегревалось при температурах выше +2,2 °C, когда внутренние теплопоступления будут превышать теплопотери, следует снижать нагрев приточного воздуха в центральном калорифере установки утилизации теплоты вытяжного воздуха с +20 °C при t_н = +2,2 °C до полного отключения нагрева, как показали расчеты, при t_н = +5,4 °C, когда теплопотери через наружные ограждения Q_огр и на догрев приточного воздуха из утилизатора Q_вент будут равны внутренним теплопоступлениям Q_вн = 93,9 кВт:

Q_огр = (Q_от^р/1,13 + Q_вн)·(20 – 5,4)/(20 + 28) = 71,36 кВт;

Q_вент = Q^р_К.1вент (20 – 5,4)/(20 + 28) =
= 72,8·14,6/48 = 22,14 кВт;

Q_огр + Q_вент = 71,36 + 22,14 = 93,5 кВт,
что близко к Q_вн = 93,9 кВт.

При повышении t_н более +5,4 °C надо включить байпас по наружному воздуху вокруг утилизатора, подмешивая его к той части, что прошла через утилизатор, чтобы снять перегрев помещений, но этот процесс будет идти уже без потребления тепла.

Продолжительность периода стояния среднесуточных температур от +2,2 до +5,4 °C будет 25 суток со среднесуточной температурой t_н^ср = +3,8 °C. Таким образом, годовое теплопотребление корпуса 1 на отопление и вентиляцию будет складываться из теплопотребления этими системами за период со среднесуточной температурой наружного воздуха ниже +2,2 °C и теплопотребления на догрев приточного воздуха после утилизатора за период стояния среднесуточных температур от +2,2 до +5,4 °C, понижающегося до нуля при t_н = +5,4 °C (с учетом инсоляции, сокращенной пропорционально снижению количества дней работы системы отопления Q_инс^год = 125 904·165/214 = 97 075):

Q_К.1от^год = [(159/1,13 + 93,9)/(20 + 28)·4 340·24 –
– (93,9·165·24 + 97 075)·0,8·1,0]·1,13·(1 – 0,15) =
= 128 670 кВт·ч;

Q_К.1вент^год = 72,8/(20 + 28) · [(20 + 6,3)·165·24 +
+ (20 – 3,8)·25·24] = 172 550 кВт·ч;

и тогда q_К.1от^год = (128 670 + 172 550)/(8 967 + 729) = 31,1 кВт·ч/м², что не только ниже требований технического задания – не более 57 кВт·ч/м², но и меньше условной величины 43,8 кВт·ч/м², полученной подстановкой годового значения внутренних теплопоступлений в формулу (1), где расчетный расход тепловой энергии на отопление принимался без учета внутренних теплопоступлений, что подтверждает неправомерность такого решения.

В соответствии с выполненными расчетами расчетный расход теплоты на отопление (при t_н^р = –28 °C) корпуса 2 исходя из компенсации теплопотерь через наружные ограждения, одинаковые с корпусом 1, и на догрев отопительными приборами приточного воздуха после автономных теплоутилизаторов в размере 63,3 кВт (см. выше данные из проекта), а также с учетом внутренних теплопоступлений составил
Q_К.2от^р = [(0,365·1,1 + 0,053)·10766·(20 + 28)·10^–3 + 63,3 – 93,9]·1,13 = 231 кВт. Это в 388,6/231 = 1,68 раза выше проектной величины и также потребует пересчета расчетных параметров теплоносителя, циркулирующего в системе отопления.

Для корпуса 2 соотношение бытовых теплопоступлений к расчетному расходу тепловой энергии на отопление будет:
Q_вн/Q_от^р = 93,9/231 = 0,41, а температура наружного воздуха, при которой должна включаться/выключаться система отопления (из (9)):
t_{н.при Qот = 0} = +6,0 °C.

Продолжительность работы системы отопления, сокращенная за счет высокой величины относительных внутренних тепловыделений, составила 196 суток, а средняя температура наружного воздуха за этот период из таблицы стояния наружных температур климатического справочника по Москве t_н^ср = –3,9 °C. Соответственно, число градусо-суток отопительного периода будет: ГСОП = (20 + 3,9)·196 = 4684, и годовое теплопотребление находится из (1) с учетом инсоляции и внутренних теплопоступлений, уменьшенных пропорционально длительности отопительного периода:

Q_К.2от^год = [(231/1,13 + 93,9)/(20 + 28)·4 684·24 –
– (482 140 + 125 904)·0,8·1,0·196/214]·1,13·(1 – 0,15) =
243 160 кВт·ч,

и тогда q_К.2от^год = 243 160/(8 967 + 690) = 25,2 кВт·ч/м², что также ниже требований технического задания – не более 57 кВт·ч/м².

По отношению к базовому по СНиП 23-02–2003 (табл. 9) годовому теплопотреблению на отопление и вентиляцию многоквартирного 11-этажного дома
(q_{от.треб}^год = 72·4943/3600 = 99 кВт·ч/м²) расчетное проектное теплопотребление снижено на (25,2 – 99)·100/99 = –75%, что позволяет отнести запроектированные экспериментальные дома к зданиям с близким к нулевому энергетическим балансом [6]. Напомню, что по требованиям Постановления Правительства РФ № 18 от 25 января 2011 года только с 2020 года предполагается снизить теплопотребление строящихся многоквартирных домов пока на –40%.

Расчеты показали, что использование квартирных теплоутилизаторов оказалось энергоэффективней центральной системы на 31,1 – 25,2 = 5,9 кВт·ч/м². Правда, в последнем решении остается резерв экономии в сохранении «теплого» чердака как сборной камеры теплого вытяжного воздуха, позволяющей не отапливать верхний технический этаж, что не представляется возможным в решении с автономными теплоутилизаторами.

Дело остается за экспериментальной проверкой этих энергосберегающих решений в условиях реальной эксплуатации. Получим ли мы намеченное снижение теплопотребления на отопление и вентиляцию за счет утилизации теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного? За счет установки термостатов на отопительных приборах и возможности реализации поквартирного учета потребления теплоты на отопление? За счет правильной настройки контроллера автоматического регулирования подачи теплоты в систему отопления с учетом запаса в поверхности нагрева отопительных приборов и увеличения доли бытовых тепловыделений в тепловом балансе квартир с повышением температуры наружного воздуха?

Литература

1. Наумов А.Л., Табунщиков Ю.А., Милованов А.Ю. Концепция и технические решения многоэтажных жилых зданий с низким энергопотреблением //АВОК.– 2013.– № 4.
2. Ливчак В.И. Еще один довод в пользу повышения теплозащиты зданий // Энергосбережение.– 2012. – № 6.
3. Ливчак В.И. О температурном графике отпуска тепла для систем отопления жилых зданий // Водоснабжение и санитарная техника.– 1973.– № 12.
4. Грудзинский М.М., Ливчак В.И., Поз М.Я. Отопительно-вентиляционные системы зданий повышенной этажности. М. : Стройиздат. 1982.
5. Ливчак В.И. Фактическое теплопотребление зданий, как показатель качества и надежности проектирования // АВОК.– 2009.– № 2.
6. Бродач М.М., Ливчак В.И. Здание с близким к нулевому энергетическим балансом // АВОК.– 2011.– № 5.