Лучшие практики энергосбережения в городах

Главная
О проекте
Контакты

 

Мир энергосбережения - интернет-портал

 

Бюллетень Энергосбережение в ЖКХ

Измерение фактических энергетических характеристик жилых зданий

Леонид Данилевский   

Роль внутренних источников тепла в тепловом балансе помещений жилого здания

С изменением уровня теплопотерь жилых зданий изменяется роль внутренних источников тепла в общем тепловом балансе здания. Нормируемое значение мощности бытовых и технологических тепловыделений в помещениях равно 21 Вт/м2 [1]. На представленной диаграмме (рис. 1) приведены среднегодовые удельные теплопотери и бытовые тепловыделения зданий различного типа. В нижней части столбцов — удельные теплопотери зданий, в верхней — суммарные нормативные значения энергии бытовых и технологических тепловыделений в помещениях.

Для расчета системы теплоснабжения здания важно знать точные значения всех составляющих теплового баланса. Из диаграммы, приведенной на рисунке, можно сделать вывод, что бытовые теплопоступления для зданий нового жилого фонда (столбец 2) покрывают средние теплопотери в течение отопительного сезона. Это значит, что для температуры наружного воздуха выше средней за отопительный сезон, равной для г. Минска 1,6 °C, можно отключить систему отопления, что не соответствует существующему положению вещей.

На наш взгляд, нормируемое значение мощности бытовых и технологических тепловыделений в помещениях завышено. Это обусловлено прежде всего тем, что за последние десятилетия существенно вырос размер площади помещений в жилых зданиях, приходящийся на одного человека. Сейчас он составляет в среднем по республике 21 м2 на человека. Уменьшилась мощность основных бытовых приборов — телевизоров, холодильников. Изменилась структура питания людей, в которой доля готовых продуктов и полуфабрикатов увеличилась.

Определение фактического, характерного для данного момента среднего уровня внутренних источников тепла чрезвычайно важно как с точки зрения расчета систем теплоснабжения зданий и графиков подачи тепла в системах централизованного теплоснабжения, так и с точки зрения конструирования зданий с минимальными теплопотерями. Неточное знание этих величин уже сегодня приводит к ошибкам в расчетах тепловых режимов зданий нового строительства и старого жилого фонда после тепловой модернизации.

Измерение фактических составляющих теплового баланса жилых зданий

На данный момент отсутствует методика измерения составляющих теплового баланса здания, особенно в части измерения уровня внутренних источников тепла и солнечной энергии, поступающей в помещения. Для зданий нового жилого фонда с уровнем теплопотерь около 100 кВт·ч/м2 в год их распределение по различным путям имеет следующий вид (рис. 2).

Измерение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций выполняется в соответствии с требованиями норматива [2]. Однако уточнение этого значения в эксплуатируемом здании, прогнозировать которое почти всегда можно с высокой точностью, несущественно повлияет на определение уровня теплопотерь. Возможные вариации могут быть вызваны статистическим разбросом влажности материала утеплителя. В качестве примера значения сопротивления теплопередаче трехслойных стеновых панелей с пенополистирольным утеплителем для различных значений коэффициента теплопроводности утеплителя [3] приведены в табл. 1.

Как видно, изменение сопротивления теплопередаче в диапазоне возможных свойств теплоизоляции не превышает 10% среднего значения. Разброс возможных значений не превышает возможную точность измерения этого параметра в условиях объекта, что делает измерение данной величины на объекте бессмысленным.

Если в современных зданиях трансмиссионные теплопотери через стены, перекрытия верхнего этажа и над подвальными помещениями составляют около 34%, или 34 кВт·ч/м2 в год, то вариации теплопотерь из-за неточного знания сопротивления теплопередаче — около 3 кВт·ч/м2 в год и не превышают 3% общего уровня теплопотерь. То есть 1% изменения сопротивления теплопередаче ограждений приводит к 0,3% изменения уровня теплопотерь. Таким образом, с точки зрения уточнения фактической величины потерь энергии измерение сопротивления ограждающих конструкций здания также не имеет смысла.

Около 50% теплопотерь в новых зданиях приходятся на вентиляционные выбросы. Увеличение или уменьшение уровня воздухообмена по сравнению с нормативным значением наиболее существенно сказывается на уровне теплопотерь. При принятой в жилых зданиях системе свободной вентиляции возможны значительные отклонения уровня воздухообмена от требований нормативов, что наблюдается на практике, как правило, в сторону уменьшения. Здесь 1% изменения уровня воздухообмена приведет к 0,5% изменения уровня теплопотерь.

Существенную роль в тепловом балансе здания играет мощность внутренних источников тепла. Источник тепла мощностью 1Вт в пересчете дает 5 КВт·ч/м2 в год тепловой энергии, т. е. 5% годового уровня теплопотерь здания.

Приведенные результаты подчеркивают важность корректной оценки уровня внутренних источников тепла в тепловом балансе здания. Если теплопотери через ограждающие конструкции здания могут быть достаточно точно определены расчетным путем для известной конструкции оболочки, то уровень воздухообмена при системе свободной вентиляции в значительной степени не определен, как и мощность внутренних источников тепла.

Измерение теплового баланса здания предполагалось выполнять на основе исследуемых значений температурных режимов внутренних помещений и уровня воздухообмена здания при использовании расчетных значений теплопотерь через ограждающие конструкции.

Методика проведения экспериментальных исследований

Для определения средних значений температур и влажности воздуха в помещениях здания, а также среднего уровня воздухообмена регистрировались значения температуры и влажности воздуха и уровень воздухообмена в вытяжных вентиляционных шахтах. Предполагалось, что параметры воздуха на выходах вентиляционных шахт равны средним значениям в квартирах, расположенных на соответствующей вертикали.

Температуру фиксировали цифровые автономные программируемые регистраторы, устанавливаемые на длительное время в определенных местах. Для измерения влажности и скорости удаляемого из помещений воздуха в вытяжных шахтах применялись регистраторы параметров` микроклимата и цифровой прибор «МЭС-200», фиксирующий текущие и экстремальные значения влажности воздуха в данный момент времени.

Все измерения выполнялись на одной секции жилого дома, и результаты их при расчетах распространялись на все здание.

Характеристика объекта

Объектом исследования был жилой дом по ул. Горецкого, 61 в Минске (ЖЭС 117) — двухподъездное 10-этажное крупнопанельное здание серии М 111-90. Ограждающая конструкция типовая — блок-секция 10БС41 с теплофизическими характеристиками оболочки, представленными в табл. 2.

Линейный размер по сечению шахт:

шахты №1 — длина 1770 мм, ширина 340 мм;
шахт №2–3 — длина 1920 мм, ширина 340 мм;
шахты № 4 — длина 1760 мм, ширина 340 мм;
шахты №5 — длина 1100 мм, ширина 340 мм;
шахты №6 — длина 700 мм, ширина 340 мм.

Глубина вентшахт от отметки покрытия кровли № 1–3, 6 — 700 мм, а для № 4, 5 — 4000 мм.

Кухни квартир оборудованы электроплитами. По СНБ 2.04.01-97 «Строительная теплотехника», количество удаляемого воздуха должно составлять 3 м3 на 1м2 жилой площади квартиры; из кухни с электроплитами — не менее 60 м3/ч; ванной — 25 м3/ч; уборной индивидуальной — 25 м3/ч.

Результаты измерений

Измерения уровня воздухообмена и влажности воздуха на выходах вентиляционных шахт проводились 01.03.2005 г. с 14 до 16 часов. Температура воздуха внутри вентиляционных шахт регистрировалась с интервалом 0,5 часа в течение всего указанного периода. Типичный график изменения температуры представлен на рис. 3.

Может возникнуть вопрос, корректно ли обобщение результатов измерений параметров воздуха вентиляционных шахт по отношению к температурно-влажностному режиму и воздухообмену помещений. На наш взгляд, это вполне допустимо.
Схема воздухообмена многоэтажного дома включает в себя вытяжную вентиляционную шахту, собирающую воздух квартир, через которые она проходит, и неорганизованный приток через открытые окна и щели в ограждающих конструкциях зданий. Воздух в вентиляционной шахте движется вверх, побуждаемый разностью его плотностей и температур внутри и вне здания, и создает пониженное давление на входе в вентиляционные отверстия. Из-за этого весь воздух из помещений квартир смешивается, и его температура при удалении через вентиляционные шахты равна средней температуре в помещениях здания.

Данная схема измерения может приводить к ошибкам в моменты приготовления пищи в интервалах с 6 до 8 часов утра и с 17 до 20 часов вечера. Однако анализ графиков на рис. 3 не дает оснований для такого вывода, так как не показывает повышенных значений температуры воздуха в эти часы. Аналогичные результаты дали измерения на выходах остальных вентиляционных каналов. Такая картина характерна для квартир с электрической кухонной плитой. Энергия, выделяемая нагревательным элементом, поглощается в большей степени нагреваемым сосудом и в меньшей степени прогревает воздух кухни.

Средняя температура наружного воздуха за время наблюдения составляла + 5,2°С, средняя температура в помещении — 21,5°С.
Из результатов, представленных в табл. 3, можно сделать вывод, что по большинству вентиляционных стояков и в среднем по вентиляционным стоякам фактический уровень воздухообмена меньше нормативного значения на 4%, однако на некоторых превышает нормативное значение. Среднее превышение фактического значения воздухообмена над нормативным значением, равное 23%, достигается в стояках 1– 4. В то же время в стояках 5 и 6 фактический воздухообмен составляет около 50% от нормативного.

Эти результаты объясняются тем обстоятельством, что значения температур воздуха в вентиляционных стояках 1– 4 находятся в интервале 22 –24°С, а значит, превышают нормативные и оптимальные значения — 20–22°С [4]. В большинстве квартир здания имеется избыток тепла, что побуждает жильцов постоянно держать открытыми форточки или балконные двери. Об этом свидетельствует повышенный уровень воздухообмена в здании по сравнению с нормативным значением.

В стояках 5 и 6 уровень воздухообмена ниже нормативного значения, но и средние температуры воздуха находятся в интервале температур 18–21°С, т. е. ниже, чем в остальных. Это объясняется тем, что жильцы соответствующих квартир в условиях температурного дискомфорта вынуждены снижать уровень воздухообмена.

Было выполнено измерение температурно-влажностных параметров воздуха и уровня воздухообмена после окончания отопительного сезона в период с 05.05.2005 г. по 12.05.2005 г. Типичный график изменения температуры в шахтах и температуры окружающего воздуха отражен на рис. 4.

С учетом того что отопление в Минске было отключено 06.04.2005 г., за месяц до проведения измерений, тепловой режим эксплуатации здания можно считать установившимся. Результаты средних значений температуры воздуха, влажности и скорости его потоков в вентшахтах за период измерений представлены в табл. 4.

Сравнение данных, приведенных в табл. 3 и 4, позволяет сделать вывод об устойчивых характеристиках уровня воздухообмена в помещениях здания.
Несмотря на то что отопительный сезон завершился и наблюдалась достаточно низкая средняя температура окружающего воздуха (9,4 °С), средняя температура внутри помещения (20,3 °С) превышает нормативный показатель более чем на два градуса. Поскольку отопление в период измерений было отключено, температура воздуха внутри помещений поддерживалась только за счет внутренних источников тепла и солнечной энергии. Это обстоятельство может быть использовано для определения мощности внутренних источников тепловой энергии.

Сравнение расчетных теплопотерь по измеренным характеристикам воздухообмена и температуры и фактических теплопотерь здания по счетчику группового учета тепла

По измеренным параметрам воздухообмена и температуры и проектным характеристикам ограждающих конструкций был выполнен расчет теплопотерь здания за период с 01.03.2005 г. по 15.03.2005 г. по формуле

Q = Q огр. + Q ок. + Q пер. + Q покр. + Q возд., (1)

где Q – суммарные теплопотери здания, Гкал; Q огр. – теплопотери через стены; Q ок. – теплопотери через окна; Q пер. – теплопотери через перекрытие верхнего этажа; Q покр. – теплопотери через покрытия подвала и Q возд. – теплопотери с воздухообменом (Дж).
Теплопотери через ограждающие конструкции здания искались по формуле

Q огр. = S огр.·rt·rТ°ґС·R огр., (2)

где S огр. – площадь соответствующего ограждения, м2; rt – время проведения измерений, с; rТ°С – среднее значение разницы температур наружного воздуха и в помещениях ( по температурам воздуха вентиляционных шахт) за период измерений; R огр. – сопротивление теплопередаче соответствующего ограждения, м2·К/Вт.

Теплопотери при воздухообмене через вентиляцию рассчитываются по формуле

Q возд. = С возд.·с возд.·V возд.·rT, (3)

где С возд. – теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); с возд. – плотность воздуха, кг/м3; V возд. – измеренный суммарный объем воздуха, прошедший за время проведения измерений через вентиляционные шахты дома, м3.

По показаниям счетчика тепла, предоставленным в ЖЭСе, его расход в исследуемом доме за данный период равен 51,5 Гкал, т. е. энергия, полученная из внутренних источников тепла, составляет 28,0 Гкал.

По указанным формулам подсчитаны теплопотери дома в период с 05.05.2005 г. по 12.05.2005 г., когда отопление было отключено (табл. 6). В это время теплопотери через стены, окна, подвал и крышу, а также через вентиляционные шахты составили 16,4 Гкал, или 10 Вт/м2 жилой площади. Средняя температура воздуха вентиляционных выбросов, соответствующая средней температуре в квартирах, составляла в этот период 20,3°С.
Поскольку отопление было отключено, можно считать, что теплопотери здания равны внутренним источникам тепла. Отсюда мощность бытовых теплопоступлений и поступающая в здание солнечная энергия составляют 10,3 Вт/м2.

В пересчете для предыдущего периода измерений получим суммарную энергию внутренних источников тепла и солнца, равную 32 Гкал, что расходится с цифрой, полученной ранее, всего на 11, 3%.

Одной из причин этого является невозможность долговременного фиксирования характеристик воздухообмена из-за отсутствия соответствующих систем регистрации.

Выводы

По результатам проведенных исследований температурно-влажностного режима, воздухообмена в жилых помещениях и энергопотребления здания серии «МАПИД» за отопительный период можно сделать следующие выводы:

– температурный режим в жилых комнатах и подсобных помещениях квартир здания на 3,5°С превышает нормативные значения и на 1–1,5°С оптимальный режим температуры для жилых помещений, что дает основание говорить о неудовлетворительной работе группового регулятора тепла на тепловом пункте здания;
– уровень воздухообмена по зданию меньше нормативного значения, хотя на большинстве вентиляционных стояков он его превышает. Среднее превышение фактического значения воздухообмена над нормативным, равное 23%, достигается в стояках 1– 4. Это вызвано тем, что в большинстве квартир здания имеется избыток тепла, что побуждает жильцов постоянно держать открытыми форточки или балконные двери;
– влажностный режим по отдельной вентиляционной шахте дома не превышает нормативных требований.
Оценочное значение потребления тепловой энергии по жилому дому в целом превышает нормативное потребление примерно на 30%.
Для снижения потребления тепловой энергии в энергоэффективных домах серии «МАПИД» целесообразно применение автоматизированных систем тепло- и водоснабжения, разработанных в УП «Институт НИПТИС».

При наличии группового счетчика тепла долговременная регистрация теплоэнергетических характеристик здания позволит определить средние значения уровня бытовых тепловыделений в помещениях.

Измерения теплоэнергетических характеристик здания и расчет уровня теплопотерь после окончания отопительного периода позволяют определить средние значения уровня бытовых тепловыделений в помещениях, близкого к значению, существующему в течение отопительного сезона.
Путем долговременной регистрации параметров воздухообмена в здании будет достигнута более высокая точность результатов. Таким образом, полученные результаты могут быть положены в основу методики измерений теплоэнергетических характеристик здания как в течение отопительного сезона, так и вне его.


Литература
1. СНиП 2.04.01-91.
2. ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций».
3. БНБ 2.04.01-97 «Строительная теплотехника».
4. СанПиН. Министерство здравоохранения Республики Беларусь. Мн., 1995.

Источник: www.ais.by