Экономим или нет?
Российские энергосберегающие требования

А. С. Горшков, канд. техн. наук, докторант кафедры интеллектуальных систем и защиты информации ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»

Д. В. Немова, инженер кафедры строительства уникальных зданий и сооружений ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

П. П. Рымкевич, канд. физ.-мат. наук, профессор кафедры физики ФВГОУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»

Потери тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции здания (трансмиссионные потери тепловой энергии) являются одной из основных составляющих в структуре затрат тепловой энергии на отопление. Для их восполнения здание подключается к системе теплоснабжения. Чем выше уровень теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, тем меньшими через них оказываются потери тепловой энергии. В результате снизятся платежи жителей за тепловую энергию и будет сэкономлено больше первичных энергетических ресурсов.

Помимо прямой зависимости потерь тепловой энергии от уровня теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, затраты тепла в здании также обусловлены необходимостью вентиляции помещений и, соответственно, нагревом поступающего с улицы холодного воздуха, а также условиями и степенью регулирования параметров теплоносителя.

Что определяет уровень требований по теплоизоляции зданий

В любой стране существуют нормативные требования к уровню теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, учитывающие ее климатические условия: чем холоднее климат, тем выше уровень.

Климатические параметры Москвы по температуре отопительного периода и его продолжительности сопоставимы с аналогичными показателями Финляндии.

Однако при сравнении российских нормативных требований к уровню теплоизоляции наружных ограждений, приведенных в своде правил СП 50.13330.2012 (далее – СП 50) и в СНиП 23-02–2003 (далее – СНиП 23-02¹), с аналогичными требованиями Финляндии, прописанными в стандарте National Building Code of Finland, Part D3 (далее – NBCF D3), обнаруживаются существенные различия. Оказывается, в Финляндии требования гораздо жестче (выше) российских. Отсюда видно, что нормативные требования определяет не только климат, но и политика государства в области энергосбережения.

Рассмотрим на примере жилого многоквартирного здания влияние уровня тепловой защиты (теплоизоляции) наружных ограждающих конструкций, параметры которых выбраны в соответствии с требованиями СП 50, СНиП и NBCF D3, на величину его энергопотребления.

Объект и условия расчета

Расчет трансмиссионных потерь тепловой энергии за отопительный период произведем для многоквартирного жилого здания, условно расположенного на территории Москвы.

Сравним три уровня тепловой защиты (теплоизоляции) наружных ограждающих конструкций здания, принятых согласно различным нормативам:

• вариант 1 – согласно требованиям СП 50;
• вариант 2 – согласно требованиям СНиП 23-02;
• вариант 3 – согласно требованиям финского стандарта NBCF D3.

Для упрощения расчетов допустим, что для всех трех вариантов являются одинаковыми следующие параметры:

1. строительный объем и расчетные площади здания;
2. воздухообмен;
3. система вентиляции;
4. ориентация фасадов по сторонам света;
5. расчетное количество жителей.

Тогда согласно принятым допущениям затраты тепловой энергии на вентиляцию помещений рассматриваемого здания за отопительный период для трех вариантов тоже одинаковы (допущения 1–3), и для упрощения расчетов потери тепла на вентиляцию учитываться не будут. Кроме того, бытовые и солнечные теплопоступления в рассматриваемом здании также оказываются одинаковыми (допущения 1, 4–5).

Таким образом, сравнение затрат тепловой энергии на отопление рассматриваемого здания произведем только по показателям трансмиссионных потерь тепловой энергии.

РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Нумерация формулы в тексте Формула (1) ГСОП = (tв – tот) · zот (2) RТРО= α · ГСОП + b (3) QГОГР = 0,024 ·ГСОП·∑ni=1(Ai /Ri ) (4) Sn = (a1 – a1·qn) / (1 – q) Обозначения в формулах ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, 0C·сут/год tв – расчетная температура внутреннего воздуха здания, 0С tот – средняя температура наружного воздуха, 0С (для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 8 0С, а при проектировании лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых не более 10 0С) zот – продолжительность отопительного периода, сут/год RТРО – требуемое сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций, м2·0С/Вт QГОГР – трансмиссионные потери тепловой энергии на отопление, кВт·ч/год Ai – площадь i-го типа наружной ограждающей конструкции (стены, окна, покрытия и т. д.), м2 0,024 – переводной коэффициент потерь тепловой энергии через наружные ограждающие конструкциииз Вт·сут в кВт·ч Ri – приведенное сопротивление теплопередаче i-го типа наружной ограждающей конструкции, принятоеравным требуемому RТРО, м2·0С/Вт (табл. 3) Sn – расходы жильцов здания на тепловую энергию за различный период эксплуатации, руб. a1 – расходы жильцов на тепловую энергию в первый год эксплуатации q – среднегодовая норма роста тарифов на тепловую энергию, для рассматриваемого примера q = 1,15 (15 %) n – период эксплуатации здания (в нашем случае 10, 20 и 30 лет)

Исходные данные

Расчетные климатические и теплоэнергетические параметры для жилой части рассматриваемого здания приняты для климатических условий Москвы²:

• расчетная температура наружного воздуха t_н = –25 ⁰C,
• средняя температура наружного воздуха за отопительный период t_от = –2,2 ⁰C,
• продолжительность отопительного периода z_от = 205 сут/год,
• градусо-сутки отопительного периода (далее – ГСОП) – 4 551 ⁰C·сут/год;
• расчетная температура внутреннего воздуха t_в = 20 ⁰C.

Суммарная площадь наружных ограждающих конструкций отапливаемого объема здания составляет 21 100 м², в том числе:

• наружные стены А_СТ = 12 275 м²;
• окна и балконные двери А_ОК= 3 680 м²;
• входные наружные двери А_ДВ = 65 м²;
• совмещенное покрытие А_ПОКР = 1 720 м²;
• перекрытия над проездами и под эркерами А_ПЕРЕКР = 185 м²;
• перекрытие над неотапливаемым подвалом А_{Ц.ПЕРЕКР} = 3 175 м².

Требуемые значения приведенного сопротивления теплопередаче R^ТР_О, м²·⁰С/Вт, наружных ограждающих конструкций здания для трех вариантов сведены в табл. 1.

Изменение расчетных климатических параметров

Как видно (табл. 1), нормативные требования в варианте 2 выше требований варианта 1. Несоответствия эти для одного и того же объекта (в нашем случае здания в Москве) обусловлены различием климатических параметров, учитываемых в СП 50 и СНиП 23-02 при расчете ГСОП по одной и той же формуле (1) (см. расчетные формулы). Но не все параметры, входящие в формулу (1), принимаются в российских нормативах СП 50 и СНиП 23-02 одинаковыми.

Дело в том, что в СНиП 23-02 при определении климатических параметров отопительного периода последние принимаются по СНиП 23-01–99*, а в СП 50 – по СП 131.13330 (далее – СП 131). И тут оказывается, что согласно актуализированной редакции стандарта по строительной климатологии СП 131 в Москве резко потеплело, а продолжительность отопительного периода сократилась. Так, средняя температура наружного воздуха за отопительный период для жилых зданий t_ОТ в СНиП 23-01–99* принималась равной –3,1 ⁰С, а в СП 131 стала равна –2,2 ⁰С.

Аналогично продолжительность отопительного периода z_ОТ согласно СНиП 23-01–99* принималась равной 214 сут., а в СП 131 сократилась до 205 сут.

Неизменной в формуле (1) осталась лишь принимаемая для жилых зданий температура внутреннего воздуха t_В, которая согласно ГОСТ³ как была, так и осталась равной 20 ⁰С.

В результате изменений расчетных климатических параметров изменилось расчетное значение ГСОП для жилых зданий, проектируемых в Москве, которое до введения СП 50 принималось равным 4 943 ⁰С·сут, а теперь снизилось до 4 551 ⁰С·сут. Как это связано с тепловой защитой?

Оказывается, довольно существенно, т. к. требуемое сопротивление теплопередаче R^ТР_О наружных ограждающих конструкций определяется в зависимости от ГСОП (см. расчетные формулы, (2)).

С одной стороны, это формальность, но с другой, как можно видеть, изменились требования к уровню тепловой защиты (табл. 1), что создает условия для уменьшения требований и при реальном проектировании ограждающих конструкций. И разработчиками актуализированной редакции стандарта по тепловой защите СП 50 это обстоятельство никак не было учтено. Отсюда и получается, что в России требования к уровню тепловой защиты зданий снизились.

Таблица 1 – Минимальные требования к уровню тепловой защиты жилого многоквартирного здания по различным нормативам

Тип наружной ограждающей конструкции Требуемые значения приведенного сопротивления теплопередаче, м2·0С/Вт Вариант 1* RТРСП Вариант 2** RТР СПиП Вариант 3,***, RТР D3 Наружные стены 2,99 3,13 5,88 Окна и балконные двери 0,49 0,52 1,0 Входные наружные двери 0,78 0,83 1,0 Совмещенное покрытие 4,48 4,67 11,11 Перекрытия над проездами и под эркерами 4,48 4,67 11,11 Перекрытие над неотапливаемым подвалом (подпольем) 3,95 4,12 6,25

* Значения RТРСПприняты по ГСОП согласно СП 131.13330.2012 и рассчитаны по СП 50.13330.2012 (формула 5.1). ** Значения RТР СПиП рассчитаны по ГСОП согласно СНиП 23-01–99* и приняты согласно СНиП 23-02–2003 по табл. 4. *** В стандартах европейских стран нормируется не сопротивление теплопередаче R, а обратная ему величина, так называемая U-value, принимаемая равной U = 1/R. В стандарте NBCF D3 нормируемое значение величины U для стен составляет 0,17 Вт/м2·0С. Соответственно, обратная ему величина R = 1/0,17 = 5,88 м2·0С/Вт. Аналогичным образом рассчитаны сопротивления теплопередаче для других типов ограждающих конструкций согласно NBCF D3 (п. 3.5.4).

Потери тепловой энергии

Выполнив расчет трансмиссионных потерь тепловой энергии на отопление Q^Г_ОГР(СП) рассматриваемого многоквартирного жилого здания за отопительный период по формуле (3) (см. расчетные формулы), получим:

• для варианта 1 Q^Г_ОГР(СП) = 1 412 038 кВт·ч/год;


• для варианта 2 Q^Г_{ОГР(СНиП)} = 1 338 596 кВт·ч/год;


• для варианта 3 Q^Г_{ОГР(D3) = 711 272 кВт·ч/год.}

Результаты расчета в различных единицах измерения тепловой энергии сведем в табл. 2, из которой видно, что трансмиссионные потери тепловой энергии для рассматриваемого нами здания, построенного согласно требованиям СП 50, окажутся в 2 раза выше по сравнению с тем же зданием, но построенным по требованиям Финляндии (вариант 3). И это без учета того, что российские стандарты допускают следующее уменьшение нормативных требований к уровню теплоизоляции:

• на 37 % – для стен;
• на 5 % – для светопрозрачных ограждений;
• на 20 % – для остальных ограждающих конструкций⁴.

Значит, различия в уровне трансмиссионных потерь тепла могут оказаться еще более существенными.

Таблица 2 – Годовой расход (потери) тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции здания за отопительный период в зависимости от минимальных требований к уровню тепловой защиты ограждающих конструкций

Результаты расчета Трансмиссионные потери тепловой энергии Годовая стоимость тепловой энергии на отопление здания при учете только трансмиссионных потерь, руб/год кВт·ч/год МДж/год* Гкал/год** Вариант 1 (СП 50) 1 412 038 5 083 337 1 214,4 1 749 343 Вариант 2 (СНиП 23-02) 1 338 596 4 818 946 1 151,2 1 658 303 Вариант 3 (NBСF D3) 711 272 2 560 579 611,7 881 153

* 1 кВт·ч /год = 3,6 МДж /год.   ** 1 кВт·ч /год = 86·10-5 Гкал/год.

Конечно, разница значений трансмиссионных потерь тепла в здании, проектируемом по СП 50 и СНиП 23-02, не очень значительна: 5 % (табл. 2, соответственно варианты 1 и 2). Однако «лишние» потери тепла в варианте 1 – это реальные затраты жильцов на отопление.

Отметим, что если сберечь в здании 1 т у. т. (с теплотворной способностью 7 000 ккал/кг или 29,3 МДж/кг), это будет равнозначно экономии нескольких тонн реального топлива⁵, т. к. значительная доля потерь тепловой энергии расходуется на транспортировку теплоносителя от ТЭЦ к зданию и генерацию тепла в самой ТЭЦ с учетом КПД. Если прибавить к этому расходы энергии на добычу первичного топлива, его транспортировку и переработку, а также утилизацию отходов ТЭЦ и т. п., эффект окажется еще более ощутимым.

Финансовые потери

Пересчитаем выявленные нами потери тепловой энергии в денежный эквивалент. В Москве единица тепла стоит 1 440,50 руб./Гкал⁶. Умножив значение стоимости на годовой расход тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции, получим величину затрат на отопление для рассматриваемых трех вариантов (табл. 2, крайний правый столбец).

Сравнивая суммарные платежи, направленные на компенсацию потерь тепла через наружные ограждающие конструкции, мы можем видеть, что самым неэкономичным для жителей является здание, спроектированное по нормативам СП 50. В аналогичном здании, построенном по требованиям финских стандартов, расходы можно снизить почти в 2 раза, а в здании, спроектированном по СНиП 23-02, на 91 000 руб. (5 %). Но это только в первый год эксплуатации здания.

Тарифы на тепловую энергию постоянно увеличиваются. В среднем рост тарифов на тепловую энергию в Москве составляет 15 % в год, и при сохранении данной динамики мы можем сделать следующий прогноз:

• через 5 лет тарифы вырастут в два раза: (1 + 0,15)⁵;
• через 10 лет – в четыре раза: (1 + 0,15)¹⁰;
• через 20 лет – в восемь раз: (1 + 0,15)²⁰ и т. д.

Динамика увеличения финансовых потерь

Рассмотрим, как ежегодный рост тарифов скажется на динамике увеличения платежей на отопление для жителей нашего здания. Для этого выполним расчет стоимости тепловой энергии на отопление рассматриваемого здания только при учете трансмиссионных потерь тепловой энергии за 10, 20 и 30 лет эксплуатации при различном уровне тепловой защиты ограждающих конструкций (варианты 1–3).

В результате можно видеть (табл. 3), что управляющая зданием компания (ТСЖ, ЖСК и т. п.) при переходе на новые требования к уровню тепловой защиты согласно СП 50 по сравнению с требованиями СНиП 23-02 потратит дополнительно на тепловую энергию:

• за 10 лет эксплуатации почти 2 млн руб.;
• за 20 лет эксплуатации около 10 млн руб.;
• за 30 лет – 40 млн руб.

Таблица 3 Результаты последовательного суммирования расходов на отопление при учете только трансмиссионных потерь тепловой энергии с учетом среднегодового роста тарифов – 15 % в год

Варианты расчета Общие расходы жильцов за тепловую энергию при различных сроках эксплуатации многоквартирного здания*, руб За первый год За 10 лет За 20 лет За 30 лет Вариант 1 1 749 343 35 518 167 179 208 964 760 518 379 Вариант 2 1 658 303 33 669 717 169 882 500 720 939 180 Вариант 3 881 153 17 890 682 90 268 470 383 076 990 *Расчет проведен по формуле (4) (см. расчетные формулы)

Вместо того чтобы просто топить улицу вокруг здания, эти средства можно было бы потратить более эффективно, например на реконструкцию, ремонт кровли или фасадов и т. д.

Существенно более значительными оказываются платежи за отопление при сравнительном рассмотрении состава затрат для зданий, построенных по российским и финским нормативам (табл. 3). Экономия средств за отопление в здании, построенном по минимальным требованиям финского стандарта (табл. 3, вариант 3), по сравнению с аналогичным зданием, но построенным по минимальным российским требованиям (табл. 3, вариант 1), окажется меньше:

• за первый год эксплуатации на 870 тыс. руб.;
• за 10 лет эксплуатации на 17,5 млн руб.;
• за 20 лет – на 89,0 млн руб.;
• за 30 лет – на 377,5 млн руб.

Оппоненты могут возразить, что увеличение минимальных требований к уровню тепловой защиты потребует увеличения толщины теплоизоляции в конструкциях, а значит, дополнительных затрат, увеличивающих себестоимость строительства. В результате застройщик будет вынужден повысить цены на жилье.

Стоит, однако, отметить три фактора:

• во-первых, цена определяется рынком (соотношением спроса и предложения);
• во-вторых, стоимость 1 м² многоквартирного строящегося жилья в Финляндии и той же Москве сопоставима (на самом деле, в Москве она несколько выше);
• в-третьих, поскольку при увеличении толщины теплоизоляции конструктив ограждения не меняется, а стоимость монтажа и отделки остается почти неизменной, то рост цены на 1 м² стены или покрытия только за счет улучшения теплоизоляции окажется незначительным.

Европейский и российский подход к энергосбережению

Анализ табл. 3 показывает различия России и Финляндии в подходе к проблемам энергосбережения. Да, Финляндия не обладает такими природными ресурсами, как Россия, поэтому энергосбережение для нее, как и для большинства других европейских стран, является более актуальной проблемой и задачей.

Стремясь снизить зависимость от поставщиков энергоресурсов, страны Европы развивают собственные рынки инновационных продуктов, материалов и технологий в области энергосбережения, используют для энергоснабжения зданий возобновляемые источники энергии, повышают требования к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций. Как экономно европейцы, соблюдая аналогичные нашим требования к микроклимату помещений (20 ⁰С), расходуют энергию в зданиях, видно из табл. 3.

В России пока все по-другому. Вместо того, чтобы сберегать собственные энергоресурсы, мы позволяем себе отапливать улицу (табл. 2), повышая тем самым, видимо, температуру наружного воздуха в Москве с –3,1 до –2,2 ⁰С (как это следует из изменений в нормативных документах по строительной климатологии). Может, это влияние глобального потепления климата? Но почему тогда для населенных пунктов, расположенных в Московской области (Дмитров, Кашира), климатологические данные остались неизменными?

Не нужно срочно вводить такие же высокие требования к уровню теплоизоляции и оснащенности зданий энергосберегающими инженерными системами, как в Финляндии или Норвегии, но стоит делать осознанные шаги в этом направлении. В той же Финляндии современные требования к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций (табл. 1) повышались постепенно (табл. 4), по мере реализации программы энергосбережения.

Таблица 4 Изменение требований к уровню теплоизоляции наружных ограждающих конструкций в Финляндии по годам [1]

Нормируемы показатель  Год введения требований 1976 1978 1985 2003 2007 2010 Коэффициент теплопередачи строительных конструкций, Вт/(м2·К): Наружные стены, Верхнее перекрытие, Нижнее перекрытие, Окна 0,40 0,35 0,40 2,10 0,29 0,23 0,40 2,10 0,28 0,22 0,36 2,10 0,25 0,16 0,25 1,40 0,24 0,15 0,24 1,40 0,17 0,09 0,17/0,16 1,00 Значение инфильтрации при разности давлений 50 Па n50,-1/час 6 6 6 4 4 2 Годовой КПД утилизации тепла на вентиляцию, % 0 0 0 30 30 50

Поэтапное ужесточение требований к уровню теплоизоляции и оснащенности зданий энергосберегающими инженерными решениями стимулирует внедрение инновационных разработок в строительстве. Пока нормативные требования остаются неизменными, не имеет смысла менять старые технологии, в полной мере соответствующие старым стандартам. Только поняв это, мы встанем на инновационный путь развития.

Литература

1. Сормунен П. Энергоэффективность зданий. Ситуация в Финляндии // Инженерно-строительный журнал. – 2010. – № 1.

¹ СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий» (редакция не отменена в связи с введением в действие СП 50.13330.2012).

² Согласно СП 131.13330.2012 «Строительная климатология. (Актуализированная редакция СНиП 23-01–99*)»

³ ГОСТ 30494–96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».

⁴ Согласно п. 5.2 СП 50.13330.2012 или п. 5.13 СНиП 23-02–2003.

⁵ Калорийный эквивалент реального топлива примем равным 1.

⁶ Постановление Правительства Москвы от 27 ноября 2012 года № 671-ПП «Об утверждении цен, ставок и тарифов на жилищно-коммунальные услуги для населения на 2013 год».