К нормированию потребления тепла на отопление и вентиляцию жилых и административных зданий

В. И. Ливчак , начальник отдела энергоэффективности Мосгосэкспертизы

В статьях [1, 2] показано, как в соответствии с МГСН 2.01-99 "Энергосбережение в зданиях" обеспечивается нормирование выбора наружных ограждений жилых зданий с точки зрения оптимального теплопотребления на их отопление. Обосновываются конкретные значения удельной величины внутренних бытовых тепловыделений в квартирах жилых муниципальных домов и объемы инфильтрации наружного воздуха, необходимые для поддержания санитарно-гигиенических условий пребывания жителей и обеспечиваемые нагревом от системы отопления.

Следует добавить, что практика применения этих норм для жилых зданий более высокой категорийности, когда происходит заселение с большей, чем в муниципальных зданиях величиной общей площади на человека (более 20 м²), показывает, что надо переходить от нормирования инфильтрации, обеспечиваемой нагревом системой отопления, в 3 м³/ч на 1 м² жилой площади к 30 м³/ч на человека, допуская увеличение этой величины в 1,5 раза при заселении в 40 м² и более на человека. При этом надо снизить норму удельной величины бытовых тепловыделений с рекомендуемых для муниципальных зданий 17 Вт/м² жилой площади до 10 Вт/м².

Также следует иметь в виду, что в системах с неорганизованным притоком наружного воздуха (с естественной приточной вентиляцией) последний в объеме нормативного воздухообмена обеспечивается за счет приоткрывания створок окон, а это действие является периодичным. В закрытом же состоянии через современные окна, имеющие значительно большее сопротивление воздухопроницанию (порядка 0,6-1,04 м²·ч/кг при перепаде давления на внутренней и наружной поверхностях в 10 Па), будет проникать только часть воздуха из того, на нагрев которого рассчитана система отопления.

Избыточное тепло, поступающее от отопительных приборов, рассчитанных на обеспечение нагрева всего объема наружного воздуха, может быть снято термостатами. Поэтому в жилых зданиях, оборудованных системой отопления с термостатами на отопительных приборах, допускается при определении годового теплопотребления на отопление вводить понижающий коэффициент одновременности действия вентиляции K_v=0,75. Тогда уравнение 3.8, п. 3.5.5. МГСН будет иметь следующий вид:

Q_ht = 0,024 · (K_m^tr + 0,75 · K_m^inf) · D_d · A_ext^sum (3.8a)

При определении установленной мощности системы отопления этот коэффициент, естественно, не учитывается.

В жилых зданиях с организованной приточно-вытяжной вентиляцией с механическим побуждением постоянного действия принимается, что при определении установленной мощности системы отопления K_m^inf = 0, а при определении потребности в тепловой энергии зданием в течение отопительного периода (Q_h^у, форм. 3.9) общие теплопотери здания через наружные ограждающие конструкции складываются с количеством тепла, необходимого для нагрева приточного воздуха в объеме нормативного воздухообмена.

Тогда

K_m^inf.у = 0,28 · с · G_m / A_ext^sum,

где G_m - объем приточного воздуха, кг/ч.

Затем с требуемым удельным расходом тепла на отопление за отопительный период по таблице 3.3 МГСН 2.01-99 сравнивается расчетный удельный расход тепла на отопление и вентиляцию здания. Если расчетный расход тепла оказался выше требуемого, необходимо либо повысить теплозащиту наружных ограждений здания, либо предусмотреть мероприятия по снижению энергозатрат на систему вентиляции, либо предусмотреть более эффективные решения по автоматизации системы отопления.

Введение потребительского подхода позволяет стимулировать применение более эффективной системы авторегулирования отопления для наиболее полного использования теплопоступлений с внутренними тепловыделениями и с солнечной радиацией.

Считается, что максимальная эффективность достигается в системе отопления при пофасадном авторегулировании на вводе или с поквартирной горизонтальной разводкой трубопроводов, когда исключаются остаточная теплоотдача отопительных приборов при закрытых термостатах и теплопоступления от стояков, проложенных в комнатах при вертикальной системе отопления.

Далее, при элеваторном присоединении систем отопления без авторегулирования на вводе с прикрытием термостатов расход сетевой воды через сопло элеватора остается практически неизменным, что приводит к повышению температуры воды, поступающей в систему отопления и стояки.

Предотвратить это можно применением системы авторегулирования температуры воды, подаваемой в систему отопления по графику в зависимости от изменения температуры наружного воздуха, что реализуется применением элеватора с регулируемым соплом, либо насосного подмешивания с регулирующим клапаном, как это рекомендовано в разделе 4 МГСН 2.01-99.

В связи с изложенным предлагается в МГСН 2.01-99 при определении годовой потребности в тепловой энергии ввести дополнительный коэффициент h - эффективности авторегулирования подачи тепла на отопление, после чего формула 3.9, п. 3.5.6 будет иметь вид:

Q_h^y = [Q_ht^y - (Q_int^y + Q_s^y) · u · h] · b_hl (3.9a),

где h = 1,0 - в системе отопления с термостатами и с пофасадным авторегулированием на вводе или поквартирной горизонтальной разводкой;

h = 0,9 - в системе отопления с термостатами и с центральным авторегулированием на вводе (из-за остаточной теплоотдачи отопительных приборов и частичном теплопоступлении от стояков) или в системе отопления без термостатов и с пофасадным авторегулированием на вводе;

h = 0,85 - в системе отопления с термостатами и без авторегулирования на вводе (неиспользованная до 50 % возможная экономия тепла из-за остаточной теплоотдачи отопительных приборов и теплопоступления от стояков, возрастающее с прикрытием термостатов);

h = 0,95 - в 2-трубной системе отопления с термостатами и центральным авторегулированием на вводе (во всех предыдущих примерах принималась однотрубная система отопления);

h = 0,9 - в 2-трубной системе отопления с термостатами и без авторегулирования на вводе (с элеваторным присоединением) из-за возрастания теплоотдачи стояков;

h = 0,75 - в системе отопления без термостатов и с центральным авторегулированием на вводе с коррекцией по температуре внутреннего воздуха;

h = 0,5 - в системе отопления без термостатов и без авторегулирования на вводе - регулирование центральное в ЦТП или котельной.

Административные здания (офисы, учреждения, здания общественных и муниципальных организаций), характеризующиеся отсутствием выделения вредностей и влаги, кроме как от присутствующих людей, отличаются от жилых зданий тем, что они имеют периодический режим эксплуатации (рабочее и нерабочее время, когда люди в здании отсутствуют) и, как правило, оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией принудительного побуждения, а иногда и системами кондиционирования воздуха.

Однако, учитывая, что большую часть времени люди проводят в своих жилищах, есть основание распространить требования по теплозащите жилых зданий и на административные с учетом особенностей их режима эксплуатации.

Вначале рассмотрим административные здания с неорганизованным притоком наружного воздуха (отсутствием приточной принудительной вентиляции с подогревом воздуха). Принимается, что требуемый воздухообмен в рабочих помещениях (относящихся при подсчете к расчетной площади здания) обуславливается необходимостью обеспечения однократного воздухообмена или в объеме 3 м³/ч на 1 м² расчетной площади здания (Gпр) в течение рабочего времени (8 или 12 часов при 5- или 6-дневной рабочей неделе), а в остальное время объем инфильтрационного воздуха определяется исходя из фактических (по данным сертификата) сопротивлений воздухопроницания проемов в наружных ограждениях (окна, витражи, фонари, наружные двери и ворота) и стыков панелей (воздухопроницаемостью стен и перекрытий из-за ее незначительности пренебрегаем), и расчетной разности давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций под действием теплового и ветрового напоров, определяемой по СНиП 11-3-79*.

Dp = 0,55 · H · (g_ext - g_int) + 0,03 · g_ext · v² (Па),

где H - высота здания до верха вытяжной шахты, м;

g_ext - плотность наружного воздуха, равная 3463/(273-26)=14,02 кг/м³;

g_int - плотность внутренного воздуха, равная для окон помещений общественного назначения: 3463/(273+20)=11,82 кг/м³, для входных дверей в здание и балконных дверей ЛЛУ: 3463/(273+12)=12,15 кг/м³;

v -расчетная средняя скорость ветра за январь, для Москвы 4,9 м/с.

Вышеприведенная формула применяется, когда определяется инфильтрация наружного воздуха через проемы наружных ограждений всего здания в целом. Если же объем инфильтрации определяется через входные двери или также через окна 1-го нежилого этажа в многоэтажном жилом доме, то выражение 0,55 · H в формуле заменяется на (Н-1,5) - вычисляется разность давлений на уровне середины двери или окна.

Часовой расход инфильтрующегося воздуха при этом определяем по формуле;

G_inf^Dp = A_F · (DP_F/10)^0,67/R^И.F + A^d(DP^d/10)_0,5/R_и.d + DP^F · 0,5 · l,

где под индексом F включены окна, витражи, фонари, d - двери и ворота, l - означает длину стыков панелей наружных стен.

Указанный объем наружного воздуха также должен быть нагрет системой отопления. Поэтому при определении установленной мощности системы отопления принимается больший расход воздуха - исходя из кратности воздухообмена (при подсчете инфильтрационного коэффициента теплопередачи). А при определении количества потребленного тепла за отопительный период - с учетом рабочего времени в неделе, считая, что в рабочее время для вентиляции будут приоткрыты створки окон, и отопительные приборы обеспечат нагрев наружного воздуха в объеме однократного воздухообмена, а во внерабочее время створки окон будут закрыты, и термостаты на отопительных приборах сократят подачу тепла до обеспечения нагрева только инфильтрующегося воздуха через неплотности ограждений.

Тогда объем воздуха, необходимый, например, для нагрева в час средних за отопительный период суток при длительности рабочего дня 8 часов и 5-дневной рабочей неделе, находится из следующего выражения:

G_inf = (G_пр · 8 · 5/7 + G_inf^Dp · 16 · 8/7)/24,

а при длительности рабочего дня 12 часов и 6-дневной рабочей неделе:

G_inf = (G_пр · 12 · 6/7+ G_inf^Dp · 12 · 8/7)/24.

Этот объем воздуха подставляется в формулы 3.6 и 3.7 МГСН 2.01-99 при определении общих теплопотерь здания через оболочку за отопительный период по п. 3.5.5 МГСН 2.01-99 и проводится сравнение с требуемым удельным расходом тепла на отопление за отопительный период.

Для административных зданий с организованным притоком и нагревом наружного воздуха (при наличии принудительной приточной вентиляцией) принимается, что объем воздуха, инфильтрующегося через неплотности наружных ограждений в нерабочее время, обеспечивается нагревом от системы водяного отопления и определяется исходя из расчетной разности давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций под действием теплового и ветрового напоров при закрытых окнах. В таком объеме он учитывается при определении установленной мощности системы водяного отопления и в нерабочее время - при определении годового теплопотребления на отопление.

Для оценки принятой теплозащиты таких зданий условно принимается, что в рабочее время требуемый воздухообмен в здании определяется как для зданий с неорганизованным притоком наружного воздуха. И также проводится сравнение с требуемым удельным расходом тепла на отопление за отопительный период по графе жилых зданий таблице 3.3 МГСН 2.01-99. Если расчетный расход тепла оказался выше требуемого, необходимо повысить теплозащиту наружных ограждений здания, либо предусмотреть более эффективные решения по автоматизации системы отопления.

Помимо перечисленных выше для жилых зданий решений авторегулирования системы отопления, для административных зданий с периодическим режимом эксплуатации есть дополнительное решение, способствующее экономии тепла, - снижение подачи тепла в систему отопления в нерабочее время (ночные часы и выходные дни). Такое решение потребует дополнительной автоматизации с контролем температуры воздуха в основных представительских помещениях и, возможно, некоторого запаса при подборе поверхности нагрева отопительных приборов [3], но практика показывает, что при этом может быть достигнута 10-15 % экономия тепла от годового теплопотребления [4]. Поэтому применение системы авторегулирования с ночным снижением позволяет вводить на расчетное теплопотребление системы отопления за отопительный период понижающий коэффициент Кн.сн.= 0,9.

При определении годового потребления тепла на отопление административных зданий следует учитывать внутренние теплопоступления, которые включают:

• тепловыделения от людей при спокойной работе 90 Вт на одного человека в час;
• теплопоступления от осветительных приборов по максимально допустимой мощности согласно таблице 8.2 МГСН 2.01-99 для соответствующих групп помещений (например, для кабинетов - 25 Вт/м² площади пола) и с учетом длительности светового дня (из опыта принимается при 8-часовом рабочем дне 50 % использования, при 12-часовом - 70 % от длительности рабочего дня);
• теплопоступления от пользования компьютерами, оргтехникой и другим технологическим оборудованием, исходя из установленой мощности оборудования и длительности действия (из опыта для рабочих помещений административного здания - 10 Вт/м² расчетной площади помещений).

При определении установленной мощности системы отопления внутренние тепловыделения не учитываются.

Таким образом, занормирована теплозащита административных зданий, то есть выбор с теплотехнической точки зрения оптимальной конструкции наружных ограждений и принципа авторегулирования системы отопления. Осталось занормировать теплопотребление на вентиляцию. В настоящее время эта величина никак не ограничивается и, как правило, значительно превышает расчетный расход тепла на отопление. Оправдано ли это?

Предлагается после проверки правильности выбора теплозащиты здания (условно принимая в административных зданиях воздухообмен, обеспечиваемый теплом в рабочее время, равный 3 м^3//ч на 1 м² расчетной площади) в формулу определения потребности тепла на отопление за отопительный период вместо инфильтрационной составляющей теплопотерь подставлять проектный расход тепла на приточную вентиляцию с учетом продолжительности её работы в средние сутки. И сравнивать полученный результат по удельному показателю с требуемым удельным расходом тепла на отопление за отопительный период по графе жилые здания или с несколько большим значением, что должно быть установлено из практики применения такого решения.

При превышении расчетного значения над требуемым обязательным является применение мероприятий по снижению энергозатрат на вентиляцию. Это могут быть решения по утилизации тепла вытяжного воздуха для нагрева приточного, по использованию тепловых насосов, применению систем вентиляции периодического действия или с переменным расходом наружного воздуха, увеличение поверхности нагрева калориферов для использования теплоносителя с параметрами ниже общепринятых, что должно поощряется в теплофикационных системах теплоснабжения, и другие, частично изложенные в [5].

Это не только снизит теплопотребление вентиляционными системами, но и побудит эксплуатационный персонал одобрительно относиться к энергосберегающим мероприятиям, а не игнорировать их, что имеет место в настоящее время.

Литература

1. Ливчак В.И. Энергоэффективные здания - в московское массовое строительство. Журнал "АВОК", № 1, 1999.
2. Матросов Ю.А., Ливчак В.И, Щипанов Ю.Б. Энергосбережение в зданиях. Новые МГСН 2.01-99 требуют проектирования энергоэффективных зданий. Журнал "Энергосбережение", № 2, 1999.
3. Грудзинский М.М., Ливчак В.И., Поз М.Я. Отопительно-вентиляционные системы зданий повышенной этажности. М. Стройиздат, 1982.
4. Ливчак В.И. и др. Применение регулятора "Электроника Р-1" для автоматического регулирования систем отопления. Журнал "Водоснабжение и санитарная техника", № 3, 1983.
5. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие под редакцией Богуславского Л.Д. и Ливчака В.И. М. Стройиздат, 1990.