Энергоэффективность зданий. Критерии и технические решения (часть I)

Ю.Матросов и И.Бутовский
НИИСФ/ЦЭНЭФ

В последнее время в журналах строительного профиля начинают появляться публикации, развивающие разработанные НИИСФ совместно с ЦЭНЭФ и НРДС новые подходы по нормированию теплозащиты зданий. Эти подходы, впервые реализованные в 1997 в виде проекта типовых Территориальных Строительных Норм (ТСН) по теплозащите зданий, опубликованы нами ранее в труднодоступных для широкой научно-технической общественности изданиях. Восполняя этот пробел, предлагаем программную статью о существе этого принципиально нового подхода, разработанного в полном соответствии с требованиями СНиП 10-01-94* и реализованного в типовых Территориальных Строительных Нормах (ТСН) по теплозащите зданий для регионов РФ, в ТСН 301-23-98 ЯО Ярославской области,в проекте нового московского МГСН 2.01-98 и проекте федерального СНиП по теплозащите зданий.

Жилой фонд зданий в России с точки зрения энергоиспользования является весьма неэффективным. Проводимая в прошлые годы политика “дешевых” энергоносителей привела к строительству зданий с невысоким уровнем теплозащиты, а отсутствие средств регулирования и учета расхода тепловой энергии, горячей и холодной воды и природного газа создавало условия для их расточительного потребления. Завышенному потреблению тепловой энергии способствовали также низкая эффективность автономных теплогенераторов, большие теплопотери в тепловых сетях при централизованном теплоснабжении, отсутствие оперативного управления параметрами теплоносителя и прочее. Удельные теплопотери в жилых зданиях имели тенденцию к росту в среднем с 200 Гкал/тыс.м² в 1975 г. до 225 Гкал/тыс.м² в 1990 г.

Введенные в 1995 г. изменения в СНиП “Строительная теплотехника”, а также утвержденные Правительством Москвы в 1994 г. Московские городские строительные нормы МГСН 2.01-94 “Энергосбережение в зданиях” уже привели к созданию новых и реконструируемых зданий с эффективным использованием энергии [1]. Однако в этих документах еще не могли найти отражение требования федерального закона “Об энергосбережении”, принятого в 1996 г. (№ 28-ФЗ от 03.04.96), Федеральной целевой программы ”Энергосбережение России”, принятой Постановлением Правительства РФ № 80 от 24.01.98г., и постановления Правительства РФ №1087 1995 г. “О неотложных мерах по энергосбережению” относительно показателей энергоэффективности и проводимой Правительством РФ реформы жилилищно-коммунального хозяйства.

Известно, что Госстрой РФ также поддерживает энергосберегающую политику (Постановлениями № 18-14 от 6.06.97 г. “Об экономии энергоресурсов при проектировании и строительстве” и № 18-11 от 2.02.98 г. “О теплозащите строящихся зданий и сооружений”). По заданию Госстроя РФ НИИСФ РААСН уже разработал Свод Правил “Проектирование теплозащиты зданий”. В этом документе нашли отражения те вопросы, которые вызывают наибольшие затруднения при проектировании в свете изменений №3 и №4 СНиП II-3-79*. Для подготовки проектировщиков к новым принципам проектирования теплозащиты в Своде правил приведены энергетические параметры здания и методы их расчета. Кроме того в настоящее время в Госстрое РФ уже принято решение о разработке норм по теплозащите зданий на основе потребительского подхода к строительному проектированию в соответствии с требованиями СНиП 10-01-94*. Такое же решение приняло и московское правительство: по его заданию на той же принципиально новой основе разработан проект норм МГСН 2.01-98 “Энергосбережение в зданиях”.

Постановка Задачи

В качестве главного потребительского требования с общегосударственной (или региональной) точки зрения предлагается установить нормативы по удельному расходу энергии на отопление зданий за отопительный период в местах первичного потребления топливных ресурсов (например, по расходу газа в котельных или мазута на ТЭЦ). Таким образом при нахождении уровня теплозащиты рассматривается вся цепочка от первичного преобразования топлива в тепловую энергию, теплопотери при транспортировке теплоты потребителю и преобразование ее в низко потенциальные парамеры в тепловых пунктах и эффективности систем отопления.

С другой стороны, в здании должны обеспечиваться комфортные условия пребывания в нем людей, что также является потребительским требованием. Таким образом, создание комфортных условий в здании при заданных расходах энергии на их поддержание и составляет главную задачу с точки зрения потребителя (государства и пользователя). И, наконец, санитарно-гигиенический аспект теплотехнического проектирования приводит к требованию о недопустимости образования конденсата на внутренних поверхностях ограждающих конструкций.

Такой подход (потребительский) предусмотрен СНиП 10-01-94* и он в различных вариантах успешно аппробирован за рубежом: в США [2], Канаде [3,4], Дании [5], Объединенной Европе[6] и дал положительный результат. Основное преимущество заключается в достижении явного энергосберегающего эффектаю как для государства в целом, так и для отдельного региона.

Критерии по энергетической эффективности

В основу выбора критериев для зданий с эффективным использованием энергии заложен принцип удовлетворения главных потребительских требований, которым должно отвечать построенное здание [7]. Таких нормативных требований, как кратко сказано выше, установлено три:

-- предельный уровень удельного энергопотребления на отопление системой теплоснабжения здания за отопительный период;

-- требования по комфорту в помещениях здания;

-- условия невыпадения конденсата на внутренних поверхностях ограждений.

Рассмотрим эти требования более подробно.

Первое требование устанавливает предельное значение удельного энергопотребления на отопление системой теплоснабжения здания в течение отопительного периода [8]. Этот показатель определяется с учетом эффективности системы теплоснабжения в целом как количество энергии на отопление, подводимое в течение отопительного периода от первичного источника энергии (топлива) к потребителю теплоты, приходящееся на квадратный метр общей отапливаемой площади здания (или на кубический метр отапливаемого объема) по отношению градусо-суток отопительного периода. Требуемый уровень удельного энергопотребления q_e^req устанавливается на основе энергетической ситуации в стране или в регионе, исходя из баланса энергозатрат по секторам хозяйственной деятельности. При этом норматив q_e^req, по нашему мнению, не может быть больше величины, вычисляемой на базе поэлементных требований второго этапа внедрения СНиП II-3-79* (изд.1998) при условии подключения зданий к централизованной системе теплоснабжения. В результате определяется энергетическая эффективность всего комплекса теплообеспечения здания, включая его теплозащиту и систему его теплоснабжения.

Проектный удельный расход тепловой энергии системой теплоснабжения на отопление здания q_e^des в течение отопительного периода должен быть меньше или равен требуемому значению q_e^req и определяется путем выбора теплозащитных свойств оболочки здания и типа, эффективности и метода регулирования используемой системы теплоснабжения и отопления

q_e^req ³ q_e^des = q_h^des / h_o^des (1)

где q_e^req - требуемый удельный (на 1 м² полезной площади [на 1 м³ отапливаемого объема]) расход тепловой энергии системой теплоснабжения на отопление здания, Вт.ч/(м².^oC.сут) [Вт.ч/(м³.^oC.сут)];

q_e^des - расчетный удельный расход тепловой энергии системой теплоснабжения на отопление здания, Вт.ч/(м².^oC.сут) [Вт.ч/(м³.^oC.сут)];

q_h^des - расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление здания, Вт.ч/(м².^oC.сут) [Вт.ч/(м³.^oC.сут)];

h_o^des - расчетный коэффициент энергетической эффективности системы теплоснабжения здания.

Расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление здания q_h^desне должен превышать вычисляемый требуемый удельный расход q_h^req по формуле

q_h^des £ q_h^req = q_o^req • h_o^des (2)

где q_h^req - вычисляемый требуемый удельный расход тепловой энергии на отопление здания, Вт.ч/(м².^oC.сут) [Вт.ч/(м³.^oC.сут)], с учетом автоматического регулирования системы и непроизводительных теплопотерь в здании.

При проектировании здания конечный результат получают путем варьирования теплозащиты здания, объемно-планировочных решений здания и выбора тех или иных систем теплоснабжения и способов регулирования. Очевидно, что требуемая энергоэффективность может быть достигнута за счет баланса уровня теплозащиты, объемно планировочных решений и эффективности системы теплоснабжения.

Например: Предположим, что требуемый удельный расход тепловой энергии системой теплоснабжения q_e^req может быть 60 Вт.ч/(м².^oC.сут). Если проектируемое многоэтажное здание подключить к системе централизованного теплоснабжения, то коэффициент эффективности h_o^des может быть 0,55. В этом случае удельное потребление тепловой энергии зданием должно быть q_h^des = 33 Вт.ч/(м².^oC.сут), т.е. теплозащита, включая влияние объемно планировочного решения и воздухообмена, должны обеспечить это энергопотребление. Если же подключить это же здание к модульной газовой крышной котельной при h_o^des = 0,85, то получим q_h^des = 51 Вт.ч/(м².^oC.сут), т.е. в этом случае возможно запроектировать существенно меньшую теплозащиту с достижением равного энергосберегающего эффекта для страны, что и в первом случае.

Процесс проектирования здания включает следующие этапы:

1. Определяется климатический район строительства и выбираются требуемые климатичаские параметры согласно СНиП 2.01.01-82;

2. Выбираются параметры воздуха внутри здания и условия комфортности согласно назначения здания;

3. Разрабатывается объемно-планировочное решение и рассчитываются его характеристики;

4. Выбирается система теплоснабжения, определяется ее коэффициент эффективности h_o^des ;

5. Определяется нормативное требование: удельный расход тепловой энергии системой теплоснабжения q_e^req по типу здания и его этажности согласно таблицы 4;

6. Рассчитывается нормативное требование - удельного расхода тепловой энергии на отопление здания q_h^req по формуле (2);

7. Назначается первый вариант уровня теплозащиты ограждающих конструкций исходя из минимальных требований по условиям комфорта (R_o^min по известной формуле (1) СНиП II-3-79* (изд.1998 г.) и недопустимости образования конденсата, т.е. рассчитывается сопротивление теплопередаче стен, покрытий (чердачных перекрытий), цокольных перекрытий, окон и фонарей согласно этих минимальных требований;

8. Назначается требуемый воздухообмен согласно СНиП 2.08.01-89* и СНиП 2.08.02-89* и другим нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений;

9. Рассчитывается удельное энергопотребление здания q_h^des и сравнивается с требуемым значением q_h^req согласно п.6. Расчет заканчивают в случае, если расчетное значение меньше или равно требуемому;

10. Если расчетное значение больше требуемого, осуществляется перебор вариантов до достижения предыдущего условия. При этом возможны четыре варианта:

а. изменение объемно - планировочного решения здания (размеров и формы),

б. повышение уровня теплозащиты для отдельных ограждений здания,

в. выбор более эффективных систем отопления, вентиляции и теплоснабжения, и пересчет требуемого значения q_h^req согласно п.6.

г. комбинирование вариантов б и в используя принцип взаимозаменяемости.

11. Проверяются принятые конструктивные решения наружных ограждений на удовлетворение требований СНиП II-3-79* (изд.1998) по теплоустойчивости, воздухопроницаемости и паропроницаемости, обеспечивая, при необходимости, конструктивными изменениями выполнение этих требований.

В таблице 1 приведена классификация жилых зданий по степени энергетической эффективности -- по удельному энергопотреблению q_o системой теплоснабжения здания. Данные в таблице базируются на результатах исследований авторов [9]. В таблице 2 приведена аналогичная классификация зданий ФРГ [10]. Как видно из таблицы 1, здания, построенные в соответствии с первыми этапами внедрения СНиП II-3-79* и МГСН 2.01-94, уже являются зданиями с эффективным использованием энергии, а в соответствии со вторым этапом внедрения-- обеспечат снижение энергопотребления на 20-25% по сравнению с первым этапом. Так, например, 17 этажное здание П44/17, возведенное в Москве в соответствии с 1 этапом внедрения МГСН 2.01-94 при подключении его к централизованной системе теплоснабжения с коэффициентом эффективности 0,5 будет иметь удельный расход тепловой энергии системой теплоснабжения 68 Вт.ч/(м².^oC.сут), а в соответствии со 2 этапом внедрения СНиП II-3-79* -- 53 Вт.ч/(м².^oC.сут), что на 22 % снижает энергопотребление.

Возможен и второй альтернативный вариант, когда норматив устанавливантся по удельному расходу тепловой энергии на отопление зданий q_h^req. В этом случае эффективность системы теплоснабжении не учитывается, что значительно снижает возможности этого подхода.

Вторым стандартизированным показателем потребительского подхода является нормируемый перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции Dtⁿ , который отражает условия температурного комфорта в помещении. Известно, что условия комфорта обуславливаются температурной обстановкой в помещении, характеризуемой как температурой внутреннего воздуха, так и радиационной температурой, формируемой температурами поверхностей всех ограждений помещения, а также асимметрией радиационной температуры на границе зоны обитания. С целью стантизации параметров микроклимата в жилых и общественных зданиях нами с участием Сантехпроекта и АВОК был разработан новый ГОСТ 30494-96 “Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях”. Многочисленными расчетами было установлено [11], что принятое ранее Dtⁿ = 6 ^oC для стен не обеспечивает условия комфорта, а при Dtⁿ = 4 ^oC заданный комфорт обеспечивает. Аналогичные исследования влияния на комфортные условия были проведены и для других видов наружных ограждающих конструкций. Следует отметить, что по величине этого показателя возможно рассчитать только минимально допустимый уровень теплозащиты элементов ограждающей оболочки здания. При практическом проектировании эти величины обычно не обеспечивают первого требования и возникает необходимость в повышении теплозащиты отдельных элементов.

Третьим стандартизируемым показателем является известное условие о недопустимости выпадения конденсата на внутренних поверхностях непрозрачных ограждений, которое определяется требованием поддержать температуру внутренней поверхности в любой точке ограждения не ниже температуры точки росы при расчетных условиях. Это условие существенно для теплотехнически неоднородных ограждающих конструкций, как, например, трехслойных с бетонными шпонками, ребрами, а также из листовых материалов.

Таблица 1

Классификация жилых зданий РФ по удельному расходу
тепловой энергии системой теплоснабжения здания

Таблица 2

Классификация жилых зданий ФРГ по удельному расходу тепловой
энергии системой теплоснабжения здания

Предложенный (потребительский) подход имеет следующие преимущества:

• Обеспечивает удовлетворение требованиям СНиП 10-01-94, регламентирующим современные подходы к разработке нормативных документов,
• Устанавливает в качестве основного норматива удельное энергопотребление здания в целом,
• Предусматривает достижение заданного энергопотребления комплексным проектированием здания не только за счет повышения теплозащиты ограждающих конструкций, а и за счет применения более эффективных систем отопления и способов их регулирования, за счет эффективности систем теплоснабжения,
• Устанавливает простые правила и формы по проверке удовлетворения нормативным требованиям,
• Позволяет осуществлять оперативный перебор вариантов снижения энергопотребления для выявления соответствия нормативным требованиям с помощью персонального компьютера.
• Обеспечивается возможность более качественного проектирования.

К недостаткам этого подхода следует отнести:

• Увеличение объема вычислений,
• Для достижение большей энергоэффективности необходима более высокая квалификация,
• Здания в регионе могут иметь различия по уровню теплозащиты в зависимости от источников теплоснабжения.

Поэлементные требования является традиционными - предлагается их также сохранить для реализации постепенности перехода к новым принципам нормирования и для обеспечения требуемого результата при менее квалифицированном проектировании. Основной недостаток этого подхода в том, что жесткие поэлементные нормативы связывают руки проектировщику, не позволяя использовать для достижения требуемого результата возможности учета влияния объемно-планировочных решений, солнечной радиации и вариаций по ограждающим конструкциям. Он также не соответствует требованиям СНиП 10-01-94.

Что касается учета эффективности систем теплоснабжения, то работе [19] рассмотрен один из вариантов ее определения. Энергетическая эффективность системы теплоснабжения здания h_o^des формируется показателями эффективности добычи (h_b), транспортировки (h_tr), сжигания (h_boi) топлива, распределения (h_all) и регулирования (h_req) тепловой энергии

h_o^des = h_b h_tr h_boi h_all h_reg (3)

Численные значения этих показателей приведены в табл.3.

Таблица 3

Значения показателей эффективности систем теплоснабжения

Существующая и разрабатываемая нормативная база

В результате внесения в 1995 и 1998 годах изменений в СНиП по строительной теплотехнике принятые поэлементные нормативы уже предьявляют высокие требования к теплозащите отдельных элементов ограждающих конструкций, обеспечивающие главное потребительское требование по снижению энергопотребления здания. Исходя из этого требования, в основу изменений были положены фиксированные величины удельных энергозатрат на отопление зданий в отопительный период, приходящихся на кв.м отапливаемой площади (куб.м отапливаемого объема) и одни градусо-сутки, которые регламентируют теплозащитные свойства отдельных элементов ограждающих конструкций оболочки зданий [12]. При проектировании соответствующих ограждающих конструкций их приведенное сопротивление теплопередаче должно быть не ниже требуемых значений, приведенных в табл. 1а и 1б упомянутого СНиП соответственно для первого (c 1995 г.) и второго (с 2000 г.) этапов внедрения.

Следует отметить, что утвержденные нормативные требования по сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций установлены едиными независимо от типов конструкций. Также необходимо отметить, что второй этап для малоэтажных зданий из штучных материалов и для всех реконструируемых зданий введен с 1 сентября 1995 г. Таким образом, законодательно стимулируется применение эффективных теплоизоляционных материалов, таких как минеральная вата, пенополиуретан и пенополистирол в многослойных ограждающих конструкциях,.

Остановимся на вопросе, связанном с исключением в последней редакции редакции СНиП II-3-79* (1995 и 1998 г.г.) нормирования уровня теплозащиты зданий на основе расчета экономически целесообразного сопротивления теплопередаче элементов наружных ограждений и попытками некоторых специалистов реанимировать этот метод. Практика использования этого подхода в течение десятилетий при проектировании зданий так и не позволила установить действительного народнохозяйственного эффекта от его применения. Следующие причины сделали этот подход недеспособным:

• математически задача была решена только для однородного бесконечного слоя теплоизоляции в наружном ограждении, тогда как проектирование ограждающей оболочки здания связано с различного рода теплотехническими неоднородностями (оконными проемами, углами, связями между слоями), которые делают практически невозможным правильный выбор уровня теплозащиты по этому методу;
• метод применяется только к отдельным элементам ограждений (стенам, окнам и др.) и не учитывает совокупность всех ограждающих конструкций, образующих оболочку здания;
• зависимость приведенных затрат от переменной толщины теплоизоляционного слоя имеет очень пологую кривизну, поэтому поиск минимума функции для установления оптимальной толщины затруднен.
• непредсказуемость изменения цен на топливо, теплоизоляционные материалы и их монтаж делает нереальным правильный выбор толщины теплоизоляции в мало мальски долговременной (7-10 лет) перспективе; недавнее резкое снижение мировых цен на нефть, обесценивание рубля и невозможность создания устойчивых ценников на все виды строительной продукции доказывают это положение и делает невозможным практические расчеты;
• метод не учитывает капитальные затраты на создание теплогенерирующих мощностей и стоимость транспортировки теплоты до здания, т.е. по существу не учитывает конечный народно-хозяйственный эффект;

В практике реального проектирования этот метод не использовался вследствие многочисленных неопределенностей, заложенных в метод. Расчет по нему больше напоминал искусство, чем инженерный расчет.

Несмотря на критику со стороны непрогрессивных специалистов процесс внедрения изменений №3 и №4 СНиП II-3-79* [11] идет успешно. В настоящее время уже 47 из 96 регионов страны перешли на энергоэффективные ограждения. Распространенным решением является повышение теплозащиты панелей при неизменной толщине стен (и существующего парка металлических форм) путем перехода предприятий крупнопанельного домостроения с однослойных панелей на трехслойные. При этом используется реальная возможность для проектировщиков уложиться в существующую градацию металлических форм: 300, 350, 400 и 450 мм. (cм. табл.4). Одним из возможных направлений является переход на двухслойные индустриальные ограждения с наружной теплоизоляцией [12]. Распространенное в Москве решение – несущая или самонесущая бетонная или кирпичная стена, наружная теплоизоляция и облицовка (штукатурка, кирпич или плитки). В связи с этим происходит техническое перевооружение промышленности теплоизоляционных материалов. На ряде предприятий РФ используются прогрессивные технологии и оборудование зарубежных партнеров: по изготовлению минераловатных изделий - в г. Железнодорожный Московской области, Челябинске, Тюмени, по пенополистиролу - в Санкт-Петербурге, в г. Реж Свердловской области. Модернизированы технологические линии на Пермском, Самарском и Волгоградском заводах теплоизоляционных материалов. На семи российских предприятиях организован выпуск теплоизоляционных изделий на основе стекловолокна.

С целью реализации описанного выше потребительского подхода НИИСФ РААСН и АВОК совместно с ЦЭНЭф (Центром Энергетической Эффективности) завершает подготовку новой редакции федерального СНиП по теплозащите зданий [13]. Новый СНиП регламентирует основной показатель отапливаемого здания - удельный (на 1 м² полезной площади и на 1 м³ отапливаемого объема) расход тепловой энергии системой теплоснабжения здания q_e^req, приходящийся на одни градусосутки отопительного периода. В зависимости от типа здания и его этажности разработаны нормативные значения этого показателя (табл.5).

Таблица 4

Приведенное сопротивление теплопередаче индустриальных
стеновых панелей (без оконных проемов)

Таблица 5

Требуемый удельный расход тепловой энергии
системой теплоснабжения здания q_e^req, Вт.ч/(м².^oC/сут) / [Вт.ч/(м³.^oC/сут)]

В качестве научного задела в 1996-97 годах НИИСФ совместно с ЦЭНЭФ и Советом по защите природных ресурсов (НРДС, США) разработали проект типовых Территориальных Строительных Норм (ТСН) по теплозащите зданий для регионов Российской Федереции [14]. Этот документ включает приведенные выше критерии по энергетической эффективности здания. Основная идея типовых ТСН заключается в обеспечении гарантированного уровня энергопотребления здания. Затруднения, связанные с повышением уровня теплозащиты отдельных видов наружных ограждений, могут быть устранены применением более эффективных систем теплоснабжения. Для реализации контроля качества при проектировании в ТСН приведена методика теплотехнического проектирования здания, форма энергетического паспорта и руководство по его заполнению [15].

(продолжение следует)