Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Обоснование величин базового удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию жилых и общественных зданий для разных регионов России

В. И. Ливчак, член президиума НП «АВОК»

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

20 мая 2017 год Постановлением Правительства Российской Федерации № 603 утверждены изменения в ППРФ № 18 от 25 января 2011 года в отношении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, касающиеся перечня показателей, характеризующих выполнение этих требований. В новых Правилах приведены сведения, как обеспечивать показатели, а также изменения сроков исполнения и диапазона уменьшения требуемого удельного годового расхода энергетических ресурсов, потребляемых в зданиях: с 1 января 2018 года — не менее чем на 20% по отношению к базовому уровню, с 1 января 2023 года — еще на 20% и с 1 января 2028 года — еще на 10%, а всего на50 % по отношению к базовому уровню, установленному в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», т. к. с момента его утверждения на федеральном уровне не было иных документов, предусматривающих повышение энергоэффективности строящихся и капитально ремонтируемых зданий.

Это обстоятельство вынуждает пересмотреть ранее представленные в работе [1] положения. Новые предложения были приведены авторами в работе [2]. В данной статье представлены обоснования показателей таблицы базовых значений удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирных домов (МКД), которые являются наиболее массовыми потребителями энергоресурсов.

Одним из основных показателей, характеризующих выполнение требований энергетической эффективности МКД в соответствии с ППРФ № 603, является удельный годовой расход тепловой энергии на их отопление и вентиляцию. Базовые значения данного показателя в табл. 9 СНиП 23-02-2003 приведены по отношению к 1 м² площади квартир и градусо-суткам отопительного периода (ГСОП), кДж/(м²×^oC×сут).

В Требованиях к правилам определения класса энергетической эффективности МКД согласно изменениям ППРФ № 1129 от 9 декабря 2013 г. в п. 4 г) указано, что базовые значения показателя удельного годового расхода энергетических ресурсов в многоквартирном доме должны отражать также суммарный удельный расход энергетических ресурсов на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение, а также на электроснабжение в части расхода электрической энергии на общедомовые нужды. Но удельные годовые расходы тепловой энергии на горячее водоснабжение и электрической энергии на общедомовые нужды назначаются в размерности кВт·ч/м² (см. ГОСТ Р 31427-2010).

Отсюда возникла задача, как для разных регионов пересчитать базовый расход на ОВ из кДж/(м²×^oC×сут) в кВт·ч/м². В СНиП 23-02-2003 такой задачи не стояло, потому что по Приложению Г определялся расчетный расход в кВт·ч/м² с учетом измененных в зависимости от ГСОП региона сопротивлений теплопередаче наружных ограждений, а затем он делился на ГСОП этого региона с пересчетом кВт·ч в кДж/(м²×^oC×сут) и сравнивался с требуемым базовым по табл. 9. Здесь все было правильно.

Но для определения базового суммарного удельного годового расхода энергетических ресурсов МКД базовый расход тепловой энергии на ОВ требуется предварительно пересчитать на кВт·ч/м². При этом многие, в том числе авторы Приказа Минстроя № 399 от 06.06.2016 г., ошибочно полагали, что для установления базового или нормируемого удельного расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию МКД в каком-то регионе надо табличные значения умножать только на ГСОП этого региона.

Ошибка заключалась в том, что при этом не учитывается изменение нормируемого сопротивления теплопередаче наружных ограждений (в соответствии с табл. 4 того же СНиП), также зависящего от ГСОП региона, и меняющееся вследствие этого соотношение составляющих теплового баланса здания. Наряду с составляющими, зависящими от изменения температуры наружного воздуха (теплопотери через наружные ограждения и на нагрев воздуха, инфильтрующегося через окна), в уравнение теплового баланса проектируемого объекта входят также внутренние (бытовые) теплопоступления, удельная величина которых не зависит от климатических условий региона и практически постоянна для всех регионов в диапазоне широт 45–60°.

Это означает, что относительные теплопотери здания, приведенные к 1 ^oC перепада температур внутреннего и наружного воздуха, будут понижаться с повышением ГСОП (из-за повышения сопротивления теплопередаче наружных ограждений), а потому при умножении значений, представленных в табл. 9 СНиП 23-02 на ГСОП, надо вводить коэффициент, учитывающий данное обстоятельство, а также изменения в тепловом балансе здания.

Следует иметь в виду, что расчетные (нагрузочные) показатели определяются по расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления (), которая приводится в СП 131.13330 как средняя температура наиболее холодной пятидневки за период наблюдения с 1960 по 2010 гг. с обеспеченностью 0,92. За такой период стояния наружных температур (5 суток) все инерционные и неинерционные составляющие теплопотерь через разные наружные ограждения (стены, окна) и на нагрев инфильтрующегося воздуха выравниваются по влиянию на температуру воздуха в помещении, и режим теплообмена рассматривается как стационарный.

Кроме того, даже при наличии колебаний температуры наружного воздуха, при осуществлении автоматического регулирования подачи теплоты в здание в зависимости от изменения наружной температуры, практически без существенной временной задержки, происходит ответная реакция на воздействие изменения температуры через малоинерционные ограждения — окна, а через массивные ограждения в виде стен и перекрытий навстречу холодной волне от понижения  поступает с такой же амплитудой теплая волна от повышения теплоотдачи отопительного прибора, которые практически нейтрализуют друг друга.

В расчетах норм, действующих на все регионы страны, принято определять нормативные показатели других регионов путем пересчета норм, установленных для центрального региона, в зависимости от соотношения расчетных температур внутреннего воздуха отапливаемых помещений здания и наружного воздуха. Проанализируем, насколько нормативные документы повышения теплозащиты и энергоэффективности жилых зданий, разработанные на базе климатических условий центральной России, соответствуют условиям других регионов страны при учете того, что базовые величины сопротивления теплопередаче ограждений увеличиваются с ростом ГСОП, а удельные бытовые теплопоступления практически постоянны для всех регионов.

Примем для условного центрального региона:

а для более сурового северного региона, например, расположенного вблизи Якутска:

Расчет базового удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирных домов при разных ГСОП

риентируясь на соотношение теплового баланса типового многоквартирного 8-этажного 4-секционного жилого дома, построенного в соответствии с требованиями СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника» с изменениями на 2000 год в климатических условиях центрально-европейского региона нашей страны, пересчитаем его показатели базового удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию для регионов северной и южной частей страны.

При ГСОП = 4000 °С·сут, = минус 20 °C и при рекомендованном в СНиП 23-02-2003 значении коэффициента остекленности фасада здания f = 18% наблюдается следующее соотношение расчетных теплопотерь:

— относительные теплопотери через стены — 0,215 от суммарных при приведенном сопротивлении теплопередаче стен = 2,8 м²·°C/Вт;

— относительные теплопотери через пол и покрытие — 0,05;

— относительные теплопотери через окна — 0,265 при их приведенном сопротивлении теплопередаче  =0,45 м²·°C/Вт;

— относительные теплопотери на нагрев наружного воздуха при расчетном воздухообмене 30 м³/ч на человека и заселенности 20 м² общей площади квартир без летних помещений на человека — 0,47. Итого составляющие теплопотерь, как и должно быть, в сумме равны единице:

Рис. 1. Диаграммы теплопотерь и теплопоступлений в многоквартирных домах в 8 этажей, построенных в соответствии со СНиП 23-02-2003 при ГСОП = 4000 °С•сут

Доля бытовых теплопоступлений при удельной их величине в размере 17 Вт/м² площади жилых комнат (при заселенности 20 м² площади квартир в доме на человека) окажется равной  (правая часть рис. 1),а относительный расчетный расход теплоты на отопление:

.

Поскольку в дальнейших расчетах годового теплопотребления мы будем принимать долю бытовых теплопоступлений по отношению к этому расходу, то

С использованием данных, представленных на рис. 2, демонстрирующем изменение относительных теплопотерь через каждое наружное ограждение  при заданной величине его приведенного сопротивления теплопередаче, пересчитаем для рассматриваемого объекта аналогичные показатели на измененные значения сопротивлений теплопередаче наружных ограждений

Для МКД, строящегося в центральном регионе, но с сопротивлением теплопередаче наружных ограждений, соответствующим требованиям СП 50.13330 для северного региона с ГСОП = 10 000°С·сут, относительные теплопотери стен при увеличении базового сопротивления теплопередаче с Rw = 2,8 м²·°C/Вт до Rw = 4,9 м²·°C/Вт снизятся от 0,34 до 0,19 и составят 0,19/0,34 = 0,559 от предыдущей величины. Относительные теплопотери через окна при увеличении их базового сопротивления теплопередаче сRf = 0,45 до 0,75 м²·°C/Вт снизятся от 0,79 до 0,48 и составят 0,48/0,79 = 0,608 от исходной величины. Относительные вентиляционные теплопотери останутся на том же уровне, поскольку воздухообмен при таких условиях не изменился (изменение теплопотерь оценивается в условиях центрального региона).

Для установления суммарных расчетных относительных теплопотерь аналогичного по геометрическим характеристикам объекта, но расположенного в условиях выбранного северного региона с ГСОП= 10 000°С·сут, необходимо суммарные расчетные теплопотери дома, находящегося в центральном регионе, но с увеличенным сопротивлением теплопередаче наружных ограждений, разделить на расчетный перепад температур внутреннего и наружного воздуха центрального региона и умножить на соответствующий расчетный перепад температур северного региона с использованием следующего уравнения:

Объединив относительные теплопотери через стены, покрытие и пол и принимая во внимание (как видно из рис. 2) то обстоятельство, что последние практически так же меняются, как для стен, получим следующие суммарные расчетные относительные теплопотери того же дома, построенного вблизи Якутска, с ГСОП = 10 000°С·сут:

Как видим, несмотря на снижение относительных теплопотерь через наружные ограждения в северном регионе, суммарные расчетные теплопотери, включая нагрев наружного воздуха для вентиляции, возросли по отношению к центральному региону в 1,4 раза. Причем относительная доля теплопотерь, связанных с вентиляцией, увеличилась с 0,47 до 0,62.

Внутренние теплопоступления по абсолютной величине и в долях от суммарных расчетных теплопотерь центрального региона остались при этом неизменными, поэтому для установления относительного расчетного расхода теплоты на отопление дома-аналога, строящегося в регионе с ГСОП = 10 000°С·сут, необходимо из величины относительных (по отношению к центральному региону) суммарных расчетных теплопотерь вычесть относительные (к тому же региону) внутренние теплопоступления:

Установим, как будет меняться величина теплопотребления на отопление за расчетный отопительный период. Для этого воспользуемся следующим уравнением:

где  Qот— относительный расход тепловой энергии на отопление при текущей температуре наружного воздуха , определенный с учетом постоянной величины внутренних теплопоступлений в течение отопительного периода, по отношению к расчетному расходу тепловой энергии на отопление;

Qбыт — расчетная величина бытовых (внутренних) теплопоступлений, кВт;

Qр/от— расчетный расход тепловой энергии на отоп­ление при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления, tр/н, кВт.

Для определения расхода тепловой энергии на отопление в кВт при средней температуре наружного воздуха за отопительный период tр/н запишем это уравнение в следующем виде:

и пересчитаем его с часового расхода на годовой, отнесенный к м² площади квартир или полезной площади помещений общественного здания, ,умножив обе части равенства на длительность отопительного периода 24zот.п  и заменив произведение

,

а отношение абсолютных величин на относительные удельные, в том числе

.

В общем виде преобразованное уравнение примет следующий вид:

Отнесем удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию дома, строящегося в регионе с ГСОП = 10 000 °C·сут, к такому же расходу дома-близнеца, строящегося в регионе с ГСОП = 4000 °C·сут, которое, для сравнения, примем за исходное значение, равное по абсолютной величине

и подставим приведенные выше значения. Из уравнения пропорции получим значение расчетного удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию 8-этажного жилого дома при ГСОП = 10 000 °C·сут:

Цифровые значения в числителе приняты здесь из решения уравнения (2) при ГСОП = 10 000 и  = 1, а в знаменателе при решении того же уравнения для региона с ГСОП = 4000, приведенного выше. После сокращения qр/от (при ГОСП=4000)· 0,24, переноса qгод расч./от+вент (4000)= qгод баз/от+вент (4000) = 84 в другую часть равенства и выполнения вычислений, указанных в квадратных скобках, получим:

Если бы пересчет базовых значений удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию, выраженных в кДж/(м²×^oC×сут) или Вт×ч/(м²×^oC×сут), выполнялся только умножением на ГСОП, без учета увеличения сопротивления теплопередаче с повышением ГСОП и неизменности внутренних теплопоступлений от температуры наружного воздуха, то qгод баз/от+вент (10000) = (76/3,6) · 10 000·10/-3 оказалось бы равным 211 кВт·ч/м².

Пересчитаем аналогичным образом требуемые расчетные удельные годовые расходы тепловой энергии на отопление и вентиляцию дома-аналога для всех искомых значений ГСОП_иск. Исходное значение ГСОП примем равным 4000 ^oC×сут (см. данные таблицы 1). С целью установления закономерности изменения удельного годового расхода в зависимости от ГСОП введем поправочный региональный коэффициент пересчета kрег , рассчитываемый по формуле:

Результаты промежуточных расчетов, выполненных по формулам (1–7), сведены в табл. 1.

Таблица 1. Исходные данные для расчета регионального коэффициента пересчета энергопотребления МКД, заданного в Вт·ч/(м²×^oC×сут) на кВт·ч/м² при _.= 1,0 для ГСОП = 4000 ^oC×сут на примере типового 8-этажного жилого дома

Продолжение таблицы 1

Для удобства расчетов выполним округление показателя  в колонке 19, полученного в результате деления расчетных значений теплопотребления на отопление и вентиляцию здания  (колонка 16) на базовые, рассчитанные без учета повышения сопротивления теплопередаче наружных ограждений по табл. 4 СНиП 23-02-2003 (колонка 17). Тогда окончательные значения регионального коэффициента пересчета, приведенного в колонке 19, окажутся:

• при ГСОП = 4000 °C·сут =1;
• при ГСОП = 3000 °C·сут. и менее = 1,1;
• при ГСОП = 5000 °C·сут. и более = 0,9;
• в диапазоне ГСОП от 3000 до 5000 — по линейной интерполяции.

При таком подходе новые значения базовых удельных годовых расходов тепловой энергии на отопление и вентиляцию с учетом округленных значений  приведены в колонке 20. При максимальном отклонении рассчитанного и округленного значений  при ГСОП от 2000 до 10 000 °C·сут погрешность не превысит 1,5%.

 Для зданий другой этажности значения базовых удельных годовых расходов тепловой энергии на отопление и вентиляцию, рассчитанных с использованием округленных значений коэффициента , сведены в таблицу Приложения 3, приведенного в работе [2].

Одновременно отметим, что представленная в [2] таблица, уточнена по сравнению с приведенной в СНиП 23-02-2003 в части показателей малоэтажных МКД. В таблицу включены 2-этажные секционные многоквартирные дома, широко распространенные в малых городах, показателей по которым нет в табл. 9 СНиП 23-02-2003, а также уточняются показатели для домов в 4 и 6 этажей, поскольку при переходе с 8 этажей на 6-этажный МКД должен наблюдаться более резкий рост удельного годового теплопотребления на ОВ, связанный с переходом от домов с «теплым» чердаком, которые на 5–7% потребляют меньше теплоты, чем дома с совмещенным бесчердачным покрытием.

С переходом на 4- и 2-этажные дома дальнейший рост удельного годового теплопотребления на ОВ связан с повышением относительной площади наружных ограждений к площади квартир с  = 0,96 для 8-этажного дома до 1,3 и 2,0, соответственно 4- и 2-этажного. Выполненный авторами пересчет на базе нескольких типовых проектов МКД показал, что для 2-этажного дома базовый удельный годовой расход тепловой энергии на ОВ по отношению к 8-этажному МКД составит 1,45, для 4- и 6-этажных домов соответственно 1,19 и 1,1, а 10- и 12-этажных домов 0,95 и 0,92, от принятых в СНиП 23-02-2003. С учетом уточненных расчетов пересчитаны показатели этих домов на иные значения ГСОП.

В работе [2] приведена также новая таблица классов энергетической эффективности (Приложение 5), отражающая новую градацию пределов отклонений нормируемых показателей энергоэффективности от базовых согласно ППРФ № 603 от 20.05.2017 г. для классов выше среднего, по сравнению с таблицей классов энергоэффективности, указанных в Приказе Минстроя РФ № 399 от 06.06.2016, и с расширением пределов отклонений низких классов,  вернувшись по нижнему пределу к исходной таблице 3 СНиП 23-02-2003.

Литература

1. Ливчак В.И. Оптимизация классификации зданий по энергетической эффективности // Инженерные системы. АВОК — Северо-Запад. 2016. № 3. С. 52–60.

2. Ливчак В.И., Горшков А.С. Почему приказ «О требованиях энергетической эффективности зданий, строений, сооружений — это движение назад, в прошлый век? // Инженерные системы. АВОК — Северо-Запад. 2017. № 4. С. 54–68.

Скачать статью  в pdf-формате: Обоснование величин базового удельного годового расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию жилых и общественных зданий для разных регионов России