Влияние климата на энергопотребление зданий.

Мониторинг данных СП «Строительная климатология»

А. С. Горшков, канд. техн. наук, директор учебно-научного центра «Мониторинг и реабилитация природных систем» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»;

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

А. А. Романова, канд. техн. наук, доцент кафедры физики ФГБВОУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»

Энергопотребление зданий зависит от большого количества факторов: от площади проектируемого здания, его строительного объема, компактности, степени остекленности фасадов и их ориентации по сторонам света, уровня теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, наличия теплопроводных включений в их составе, герметичности наружной оболочки, оснащенности здания приборами учета потребляемых энергоресурсов, эффективности инженерного оборудования, степени его автоматизации, качества управления и даже поведения жильцов [1–7] – и, конечно, от климатических характеристик района проектирования и строительства. При прочих равных условиях энергопотребление зданий будет тем выше, чем в более холодном климате они расположены.

В этой связи при проектировании зданий в регионах с более холодным климатом нормами предусмотрено некоторое повышение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций (см. формулу (1)).

ГСОП зависят не только от продолжительности отопительного периода, но и от разности температур внутреннего и наружного воздуха (см. формулу (2)). А величина ГСОП влияет на уровень теплоизоляции наружных ограждающих конструкций проектируемого здания: чем больше ГСОП, тем выше требуемые значения сопротивления теплопередаче. Этим для районов с более холодным климатом частично компенсируются потери тепла, обусловленные более высокой разностью температур внутреннего и наружного воздуха, через оболочку здания. Чем выше сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций, тем меньшими будут потери тепла через оболочку и тем меньше потребуется подвести к зданию тепловой энергии для компенсации потерь. Таким образом, градусо-сутки отопительного периода являются основной климатической характеристикой района строительства при расчете ограждающих конструкций.

Температура внутреннего воздуха

В соответствии с требованиями СП 50.13330 «Тепловая защита зданий» (п. 5.2) при расчете ограждающих конструкций в качестве температуры внутреннего воздуха tВ принимается минимальное значение оптимальной температуры соответствующих зданий по ГОСТ 30494¹ (в интервале 20–22 °C). Оптимальные и допустимые нормы температуры внутреннего воздуха в жилых помещениях для холодного периода показаны в табл. 1.

Таблица 1 Оптимальные и допустимые нормы температуры в жилых комнатах для холодного периода года

Наименование помещения Температура воздуха tB, °С оптимальная допустимая Жилая комната 20-22 18-24 Жилая комната в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) минус 31 °С и ниже 21-23 20-24

Таким образом, при проектировании жилых зданий в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92):

• выше –31 °C численное значение температуры внутреннего воздуха t_В в формуле (2) следует принимать равным 20 °C;
• –31 °C и ниже – t_В в формуле (2) следует принимать равным 21 °C.

Параметры отопительного периода

Отопительный период характеризуется продолжительностью z_ОТ и средней температурой наружного воздуха t_ОТ. Эти показатели при проектировании жилых и некоторых типов общественных зданий (за исключением лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых) принимаются по СП 131.13330 для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не более 8 °C.

Анализ данных таблицы 3.1* (СП 131.13330)

В табл. 3.1* размещена информация по 465 населенным пунктам, 7 из которых расположены на территории Крыма (Ай-Петри, Керчь, Клепинино, Севастополь, Симферополь, Феодосия, Ялта) и добавлены в 2015 году. В список населенных пунктов включены все 15 городов с численность населения более 1 млн жителей, расположенные на территории Российской Федерации (табл. 2).

Таблица 2 Распределение населенных пунктов, указанных в таблице 3.1* СП 131.13330, по численности населения

Численность населения, чел Количество населенных пунктов Менее 1000 131 1 000 - 9 999 128 10 000 - 49 999 84 50 000 - 99 999 28 100 000 - 499 999 59 500 000 - 1 млн. 20 Более 1 млн. 15 ИТОГО 465

Примечание. Численность населения указанных в СП 131.13330 населенных пунктов принята по данным Росстата [8] на 01.01.2016 г.

Из общего перечня населенных пунктов, представленных в табл. 3.1*, выявлены 54, по которым отсутствуют сведения о наличии и количестве проживающего в них населения.

Большинство населенных пунктов с количеством жителей 0 расположены в районах Крайнего Севера и представляют собой метеостанции. Некоторые метеостанции в открытых источниках указаны как законсервированные, например Хоседа-Хард (Ненецкий АО), Березово (Чукотский АО). Ряд таких населенных пунктов относятся к затопленным территориям, например Кежма (Богучанское водохранилище), Туой-Хая (водохранилище Вилюйской ГЭС), Илимск (Усть-Илимское водохранилище). Ряд поселков заброшены или упразднены, например Аркагала (Магаданская обл.), Борковская (Архангельская обл.), Дружина (Республика Саха), Погиби (Сахалинская обл.) и др. Некоторые представляют собой вахтовые поселки (Варандей, Ненецкий АО) или нефтебазы (Джарджан, Республика Саха).

Населенный пункт Костычевка на территории Волгоградской области вообще не выявлен.

Рисунок Диаграммы распределения населенных пунктов и распределения доли граждан, проживающих в населенных пунктах, указанных в табл. 3.1* СП 131.13330, в зависимости от диапазона ГСОП

По некоторым населенным пунктам количество зарегистрированных в них жителей не превышает 10 чел., например Терско-Орловский (Мурманская обл.), Пул­озеро (Мурманская обл.), Ичера (Иркутская обл.), Гроссевичи (Хабаровский край).

Есть и просто ошибки: так, областной центр Кировской области в табл. 3.1* указан как Вятка (название г. Кирова до 1457 года и с 1780 по 1934 годы).

Поэтому можно сделать вывод, что данные, представленные в табл. 3.1*, требуют корректировки и уточнения.

Таблица 3 Населенные пункты с экстремальными значениями ГСОП

Населенный пункт ГСОП, °С·сут Наиболее низкие значения Сочи 1260 Ялта 1877 Севастополь 2081 Дербент 2249 Феодосия 2357   Наиболее высокие значения Саскылах 12412 Верхоянск 12512 Иэма 12819 Оймякон 12853 мыс Челюскина 12994

Населенные пункты с экстремальными климатическими условиями

В рамках данного исследования рассчитаны градусо-сутки отопительного периода для всех населенных пунктов, представленных в табл. 3.1* СП 131.13330.

Самое низкое значение ГСОП, рассчитанное по формуле (2), оказалось в Сочи – 1 260 °C•сут., самое высокое – на мысе Челюскин (Таймырский АО) – 12 994 °C•сут. (табл. 3). Из населенных пунктов, указанных в нижней части табл. 3, достоверные сведения о постоянно проживающем населении обнаружены только для двух: Верхоянск и Саскылах.

Населенные пункты с экстремальными значениями продолжительности отопительного периода, средней температуры наружного воздуха за отопительный период, температуры воздуха наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92), принимаемой в качестве расчетной при проектировании отопления зданий, указаны в табл. 4–6. Можно видеть, что за небольшим исключением данные табл. 4–6 коррелируют с данными, представленными в табл. 3.

Кроме того, расчетные значения градусо-суток отопительного периода для всей территории страны характеризуются значительным разбросом.

Градусо-сутки отопительного периода

Среднее арифметическое значение ГСОП, рассчитанное по формуле (3), составило 7 158 °C•сут. Однако рассчитанное таким образом значение ГСОП нельзя считать объективным по отношению ко всей территории России. Например, все 15 городов-миллионников расположены в районах с ГСОП от 3337 (Ростов-на-Дону) до 6454 (Красноярск) °C•сут.

Таблица 4 Населенные пункты с экстремальными значениями продолжительности отопительного периода

Населенный пункт zОТ, сут Наиболее низкие значения Сочи 94 Ялта 126 Севастополь 136 Дербент 138 Феодосия 142   Наиболее высокие значения Варандей 323 Ходовариха 330 Юкспор 340 Марресаля 365 мыс Челюскина 365

Анализируя, как распределяются населенные пункты, указанные в табл. 3.1*, в зависимости от диапазона ГСОП (рис.), можно видеть, что большинство из них (98) расположены в диапазоне ГСОП от 6000 до 7000 °C•сут. Однако такое распределение нельзя признать показательным, поскольку в районах с указанным диапазоном ГСОП проживают только 17,6 % граждан из числа всех, которые зарегистрированы в населенных пунктах, охваченных СП 131.13330. Например, в указанный диапазон ГСОП попадают только 3 города с населением более 1 млн чел. – Омск, Красноярск и Новосибирск.

Более интересно распределение не количества населенных пунктов в зависимости от ГСОП (диапазона ГСОП), а процентное соотношение проживающих в них граждан (рис.), если принять общую для указанных в табл. 3.1* населенных пунктов численность населения за 100 %. Из рис. 3 видно, что основная доля населения страны сосредоточена в районах с ГСОП 4 000–5 000 °C•сут. с последующим резким уменьшением процентной доли населения. По этой причине более точную оценку усредненного для всей территории страны ГСОП будет показывать не среднее арифметическое значение, а так называемое среднее взвешенное, рассчитанное с учетом численности населения, проживающего в искомых населенных пунктах (см. формулу (4)).

Таблица 5 Населенные пункты с экстремальными значениями средней температуры наружного воздуха отопительный период tОТ

Населенный пункт tОТ, °С Наиболее низкие значения Оймякон - 25,4 Верхоянск - 25,0 Усть-Мома - 24,1 Нера - 23,8 Томпо - 23,3   Наиболее высокие значения Феодосия 3,4 Дербент 3,7 Севастополь 4,7 Ялта 5,1 Сочи 6,6

Полученное средневзвешенное значение ГСОП, которое составило 5 106 °C•сут., также нельзя считать истинным для всей территории России, т. к. в СП 131.13330 приведены далеко не все населенные пункты страны.

Таблица 6 Населенные пункты с экстремальными значениями температуры воздуха наиболее холодной пятидневки tH

Населенный пункт  tH, °С Наиболее низкие значения Оймякон - 59 Сухана - 59 Верхоянск - 58 Нера - 58 Екючю - 58   Наиболее высокие значения Севастополь - 11 Дербент - 9 Красная Поляна - 9 Ялта - 6 Сочи - 2

Кроме того, общая численность населенных пунктов, представленных в табл. 3.1*, составляет по данным Росстата [8] 65,4 млн чел., т. е. примерно 45 % общей численности населения страны. Однако оно все же более объективно, т. к. согласно требованиям СП 131.13330 (п. 2.1) в случае отсутствия в таблице значений климатических параметров для какого-либо населенного пункта их следует принимать равными значениям климатических параметров ближайшего к нему пункта, приведенного в таблице и расположенного в местности с аналогичными условиями. Это означает, что представленные в табл. 3.1* климатические параметры являются актуальными для всех или практически всех населенных пунктов, расположенных на территории России.

Литература

1. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. М., 2003.
2. Табунщиков Ю. А., Шилкин Н. В. Оценка экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия // АВОК. 2005. № 7.
3. Васильев Г. П. Эффективная теплозащита – дань моде или экономическая необходимость? // Энергосбережение. 2011. № 6.
4. Ливчак В. И., Забегин А. Д. Преодоление разрыва между политикой энергосбережения и реальной экономией энергоресурсов // Энергосбережение. 2011. № 4.
5. Горшков А. С. Об окупаемости инвестиций на утепление фасадов существующих зданий // Энергосбережение. 2014. № 4. С. 12–27.
6. Горшков А. С., Немова Д. В., Рымкевич П. П. Экономим или нет? Российские энергосберегающие требования // Энергосбережение. 2014. № 2.
7. Горшков А. С., Ливчак В. И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 3 (30).
8. Численность населения Российской Федерации по муниципальным образованиям на 1 января 2016 года (www.gks.ru).

¹ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» (с поправкой).