Выполнение теплотехнических расчётов

Что бы понять важность и необходимость выполнения теплотехнических расчётов, необходимо дать разъяснения, что это такое и для чего они нужны.

Весь перечень теплотехнических расчётов выглядит следующим образом (сразу дам пояснения по каждому разделу теплотехнических расчётов для чего именно он (этот раздел) нужен):

1) Расчёт часовых пиковых (максимальных) теплопотерь через ограждающие конструкции дома в самую холодную пятидневку года. Выполняется для определения мощности теплогенерирующего устройства системы отопления.

2) Расчёт теплопотерь через наружные ограждающие конструкции за холодный период года. Выполняется для определения суммарных затрат энергроресурсов на отопление за холодный период года, а через это рассчитывается величина финансовых затрат на оплату отопления за весь холодный период года.

3) Расчёт часовых пиковых (максимальных) теплопотерь через систему вентиляции в самую холодную пятидневку года. Выполняется для увеличения мощности теплогенерирующего устройства системы отопления для удовлетворения тепловых потребностей системы вентиляции.

4) Расчёт теплопотерь через систему вентиляции за холодный период года. Выполняется для определения суммарных затрат энергроресурсов на вентиляцию за холодный период года, а через это рассчитывается величина финансовых затрат на оплату вентиляции за весь холодный период года.

5) Расчёт энергозатрат на горячее водоснабжение дома на весь год с разбивкой по месяцам. Выполняется для увеличения мощности теплогенерирующего устройства системы отопления для удовлетворения нужд (тепловых) системы горячего водоснабжения.

6) Расчёт часовых притоков тепловой энергии в дом через ограждающие конструкции в самый жаркий и солнечный день лета. Выполняется для расчёта мощности системы кондиционирования (охлаждения) дома.

7) Расчёт теплопоступлений через ограждающие конструкции в дом по месяцам. Выполняется для расчёта (1) общей потребности энергоресурсов на кондиционирование дома в жаркий период (и, соответственно, финансовых затрат на кондиционирование дома), (2) суммарного поступления тепла от солнца в дом в холодное время года (для вычета этих тепловых объёмов из баланса тепловых потоков и корректировки расчёта финансовых затрат на отопление и вентиляцию за холодный период года).

8) Расчёт часовых теплопоступлений в дом через систему вентиляции в самый жаркий час самого жаркого дня лета. Выполняется для увеличения мощности системы кондиционирования дома.

9) Расчёт бытовых теплопоступлений в дом. Выполняется для вычета объёмов поступления тепла от бытовых приборов, людей, части инженерных систем из баланса тепловых энергопотоков.

И завершает весь этот массив расчётов Сводная таблица баланса тепловых энергопотоков дома по месяцам и за год.

Некоторые особенности выполнения теплотехнических расчётов нашими специалистами:

1-я особенность - мы выполняем расчёты пиковых теплопотерь через ограждающие конструкции дома не по укрупнённым показателям, а строго разбивая всю оболочку дома на отдельные теплотеряющие поверхности (окна, сегменты стен, сегменты фундамента, сегменты крыши или перекрытий верхнего этажа и т.д. именно по уже с разработанным Архитектурным решением дома и утверждённой ориентацией дома по сторонам света) и выполняем расчёты теплопотерь по каждой из этих выделенных поверхностей. Такой подход (и только такой подход) позволяет нам наглядно увидеть, как именно распределяются потери тепловой энергии через ограждающие поверхности дома. Через какие именно элементы ограждающих конструкций теряется максимальное количество тепла, и по каким элементам конструкций необходимо в большей степени выполнять мероприятия утепления;

2-я особенность заключается в том, что потери тепла через оболочку дома и через систему вентиляции за холодный период года, мы выполняем с разбивкой по месяцам. Так делаем только мы. При том, что все региональные теплотехники выполняют расчёт теплопотерь через ограждающие конструкции и вентиляцию за весь холодный период года, и никакой разбивки по месяцам они даже не знают. Доходит до смешного - пытаешься потребовать у них, что бы они выполнили расчёты так, как нам надо (именно с разбивкой по месяцам), а они спрашивают, «А зачем?». А, правда, зачем? Дело в том, что основные доступные нам виды возобновляемых источников энергии (солнечная и ветровая энергии) являются переменными по мощности (по активности) и именно в зависимости от времени года, даже конкретно по месяцам. Исходя из этого, что бы проектировать возможность использования солнечной и ветровой энергии для нужд теплоснабжения дома нам как раз и необходимо знать, а сколько нам тепловой энергии нам требуется для дома именно в каждый календарный месяц. Отдельно в октябре, отдельно в ноябре и так далее. И мы располагаем методиками расчётов, которые позволяют это сделать.

Теперь нам необходимо определиться, а какие уровни теплоизоляции по отдельным элементам строительных конструкций (окна, стены, перекрытия подвалов, перекрытия верхних этажей, входные (наружные) двери) необходимо принимать в расчётах. Рассмотрим возможные варианты:

Вариант 1 Самый распространённый вариант заключается в следующем: после разработки архитектурного решения (АР) иногда в его составе разрабатывается (укрупнённо) архитектурно-строительное решение (АС), в котором определяются виды строительных материалов, из которых будут состоять стены, перекрытия верхнего этажа (или, в случае мансард, крыши), конструкции ограждения отапливаемых объёмов в нижней части дома (полы первого этажа), окна, входные двери. Подробно отражены в этой части толщины строительных конструкций и их составы (в случаях многослойных строительных ограждающих конструкций). Так же (ещё в АР) «отрисованы» застеклённые веранды, застеклённое крыльцо, навесы и прочие строительные конструкции. Теперь, зная теплоизоляционные характеристики каждого из применяемых материалов, мы можем выполнить все необходимые теплотехнические расчёты (1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9). В общем, все, только без нужд ГВС (горячего водоснабжения). После этого мы составляем сводную таблицу баланса тепловых энергопотоков и видим (наглядно) все затраты тепла, поступления тепла и сводный тепловой баланс. Но это голые цифры. Что же дальше? Как узнать, большие эти потребности, или малые? Насколько профессионально (в части энергетической эффективности и параметров теплосбережения) эти самые архитекторы и проектировщики нам спроектировали предлагаемый дом? С чем сравнивать? Вот теперь и необходимо применять:

1) СП (свод правил) 50.13330.2012 ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ЗДАНИЙ (актуализированная версия СНиП (строительные нормы и правила) 23-02-2003 Тепловая защита заданий), и

2) ТСН (территориальные строительные нормы) 23-339-2002 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИНОСТЬ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ. НОРМАТИВЫ ПО ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЮ И ТЕПЛОЗАЩИЕТЕ. ПО РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ.

(понятно, что такие ТСН разработаны и утверждены для всех областей России)

Для наглядности, рассмотрим вариант одноэтажного одноквартирного жилого дома с отапливаемой площадью 150 кв.м., расположенного в г. Ростове-на-Дону. При величине градусо*суток (D_d) (для Ростова-на-Дону) равной 3523 ⁰С*суток, продолжительностью отопительного периода Z_ht = 171 суток, и средней температуре наружного воздуха за отопительный период = +0,6 ⁰С.

По документу (2) - ТСН 23-339-2002, требуемый (нормативный) удельный расход тепловой энергии на отопление (и вентиляцию) жилых домов одноквартирных отдельно стоящих и блокированных для рассматриваемого дома составляет 110 кДж/(м²·°С·сут)

Выполним расчёт потребности (нормативной) для данного дома на отопительный период:

110 кДж/(м²·°С·сут) * 3523 ⁰С*суток = 387530 кДж/м² : 3600 кДж/кВт = 107,7 кВт/м²

Запомним эту цифру. Что же она означает? Она означает, что в соответствии с установленным в документе (1) классом энергосбережения жилых и общественных зданий «С» - нормальный (то есть именно с тем классом энергосбережения, по которому в самом лучшем случае и строят наши строители, да и то только те, которые всё-таки что то соблюдают) наш дом за отопительный период потратит ~ 108 кВт тепловой энергии на каждый квадратный метр отапливаемой (общей) площади. Соответственно, на весь дом придётся потратить

108 кВт/м² • 150 м^{2 =} 16200 кВт

тепловой энергии. И это не считая нужды ГВС. Если сжигать природный газ, который при сжигании в современных приборах (газовые котлы) генерирует ~ 9,5 кВт тепла на 1 м³ сожжённого газа, то при цене 5 руб/м³ получим расход (в рублях) на отопление:

16200 кВт: 9,5 кВт/м³ • 5 руб/м³ = 8526 рублей

Тоже немало, но ещё терпимо, а если газа нет, а «сжигаем» электрическую энергию, которая любыми прямыми преобразователями электрической энергии в тепловую (ТЭНы, электродные котлы типа «Галан», и любые прочие устройства) при потреблении из сети 1 кВт*часа электрической энергии выдаёт 1 кВт тепла, то при цене электроэнергии так же 5 руб/кВт*час, мы получим расходы на отопление (опять же без ГВС)

16200 кВт: 1 кВт*час/кВт • 5 руб/кВт*час = 81000 рублей (ОГО!!!)

Проверим нормативное потребление тепловой энергии на отопление и вентиляцию такого же дома по документу (1) - СП 50.13330.2012. Всё таки 10 лет прошло, может что то изменилось? Что мы видим в этом документе. В таблице 13 «Нормируемая (базовая) удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию жилых одноквартирных зданий» для одноэтажных домов площадью 150 кв.м. (q ) равен 0,455 Вт/(м³•⁰С). Как то всё не очень понятно. Даже показатель этой самой характеристики изменился. Необходимо разобраться. В документе (2) показатель удельных затрат тепловой энергии представлен в размерности кДж/(м²·°С·сут). «кДж» понятно – единицы измерения работы (легко переводятся в кВт, или калории), «м²» так же понятны – сразу идёт привязка к квадратным метрам отапливаемой площади здания, и «°С·сут» тоже в общем то понятно – чем более холодная зона (чем больше величина этих самых градусо • суток), тем, соответственно, больше потребуется разрешённого (!) тепла на отопление точно такого же дома (смотри расчёт выше). А в документе (1) уже нормируемый показатель расхода тепловой энергии представлен в размерности Вт/(м³•⁰С). Разберёмся: «Вт» понятно - стали считать (и нормировать) непосредственно в Ваттах (стало просто удобнее, нет необходимости переводить из кДж). «м³» - тоже понятно, привели расчёт к объёму отапливаемой площади. Квадратные метры не совсем корректно отражали потребности в тепловой энергии, так как при одинаковой отапливаемой площади (квадратуре), у разных домов могут быть очень разные отапливаемые объёмы, в связи разными высотами стен, наличием атриумов (пространств, объединяющих несколько этажей) и т.п. Поэтому «привязка» нормирования необходимой на отопление тепловой энергии именно к объёму (отапливаемому) дома однозначно более правильна, чем к квадратным метрам. Но куда делись «°С·сут» и что это за «⁰С»? Для того, что бы полностью разобраться в этом, приведу полную формулировку удельного расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию (q_от) – расход тепловой энергии на 1 м³ отапливаемого объёма здания в единицу времени (стразу скажем, что единицей времени во всех этих расчётах принимается 1 час) при перепаде температуры в 1⁰С. Выполним расчёт потребности (нормативной) в тепловой энергии для данного (рассматриваемого в нашем примере) дома на отопительный период:

0,455 (Вт/м³•⁰С•час) × 450 (м³) × (22 – (- 0,6)) (⁰С) × 24 (час) × 171 (сут) =

18990644,4 (Вт/отоп. пер) ≈ 18991 кВт/отопит. период

Где:

450 – объём дома (150 м² ×3 м (высота этажа));

22 ⁰С – средняя температура воздуха внутри отапливаемых помещений в течение отопительного периода;

- 0,6 ⁰С – средняя температура окружающего (наружного) воздуха в течение отопительного периода для города Ростова-на-Дону составляет минус 0,6 ⁰С;

24 час – это понятно - количество часов в сутках;

171 суток – длительность отопительного периода в г. Ростове-на-Дону.

Приведём эти расходы к 1-му квадратному метру площади (как и в первом расчёте):

18991 кВт/отопит. период: 150 м² = 126,61 (≈127) кВт/м²• отоп. период

Вот это да!!! Оказывается, что по нормам 2012 года допустимая (законом!) величина затрат на отопление не только не уменьшилась, а даже увеличилась. То есть строители по нормам (!) могут строить ещё менее утеплённые дома, чем в 2002 году. Пересчитывать сколько Вы заплатите за такое отопление даже нет смысла.

А цены на сетевую электроэнергию, сетевой газ, сжиженный газ, жидкое топливо растут, и будут только расти. Что же делать?

Во-первых, сравним, как дела развиваются в Европе. Почему, спросите Вы, в Европе? Ведь необходимо сравнивать со странами с аналогичными климатическими условиями. Но, так как мы выбрали в качестве примера город Ростов-на-Дону (климатические условия которого показаны выше), то можно сказать, что климатические условия Ростова-на-Дону вполне корректно можно сравнивать с климатическими условиями Германии (особенно её восточных земель), а так же скандинавских стран. Понятно, что в связи с влиянием Гольфстрима, в этих странах климат несколько мягче (не такие низкие абсолютные температуры зимой и не так жарко летом), но по абсолютному тепловому балансу (те самые градусо-сутки холодного времени года) сравнение будет вполне уместным.

Посмотрим, как же в этой самой Европе решают проблемы снижения выбросов в атмосферу (от котельных), снижения затрат на отопление и, в конечном счёте, повышения общей энергоэффективности жилых и административных зданий:

(ниже приведены цветные таблицы-графики, взятые из книги Вольфганга Файста «Основные положения по проектированию пассивных домов». Пассивные дома – дома, построенные по таким энергосберегающим технологиям, что при их эксплуатации не требуется традиционная (активная) система отопления. Первый пассивный дом был построен в Германии под руководством Вольфганга Файста в 1992 году (!). К настоящему времени в Германии построены уже тысячи пассивных домов, энергоавтономных домов, и так же набирает темпы тенденция к строительству энергоположительных домов – домов, которые по балансу года потребляют меньше энергоресурсов, чем генерируют встроенными в дом системами генерации энергии от возобновляемых источников (солнце, ветер, геотермальная). Излишки энергии направляются на оказание энергетических услуг соседям, или на зарядку электромобилей, или на энергетическое обслуживание собственных надворных построек на территории усадьбы.

Сравнение показателей потребления конечной энергии* (WSchVО - Постановление по тепловой защите (ФРГ); SВN 1980 - Шведские строительные нормы 1980 г.; ЕnЕV 2002** Постановление по энергосбережению 2002 г.). Шведские нормы 1991 г. примерно соответствовали предписаниям для зданий с низким энергопотреб­лением ЕnЕУ 2002/

На данных графиках очень наглядно видны те процессы, которые я упоминал выше – в европейских странах очень активно ужесточаются нормы по энергосбережению. Потребности на отоплении на уровне 100 кВт/м²•год (как видно из графиков) были установлены во многих странах ещё в конце прошлого века. Сейчас уместно вспомнить 108 (а сейчас уже и 120) кВт/м²•год (современные нормы у нас в России в Ростове-на-Дону для одноквартирных домов). ЕnЕV 2002** Постановление по энергосбережению 2002 г.) уже 70 кВт/м²•год на отопление было в 2002 году. Даже пассивные дома (с потреблением энергии на отопление и вентиляцию не более 15 кВт/м²•год) начали разрабатываться в Германии уже в 1992 году. А в настоящее время дома с нулевым потреблением энергии на отопление, и даже энергоположительные дома (которые по балансу года потребляют на свои нужды (в том числе и на отопление) меньше энергии, чем генерируют собственными устройствами возобновляемых источников энергии) это уже не только не редкость и диковинка, а таких домов в Европе уже тысячи!!!

Ещё одна интересная табличка:

На рисунке представлен Баланс потерь тепла (слева) и поступлений тепла (справа) в стандартном здании с низким энергопотреблением и в пассивном доме. Тепловые потери в пассивном доме уменьшены до такой степени, что проникающая через окна солнечная энергия и внутренние источники тепла вместе с предварительным подогревом приточного воздуха достаточны, чтобы возместить эти потери тепла. (В столбцах «Потери» указа­ны одновременно и перекрытие, и крыша. Это сочетание возможно для мансардного зда­ния. Неиспользуемое свободное тепло - это неиспользуемые солнечные теплопоступления. Их никогда нельзя использовать на 100%, особенно в очень ясные дни, поэтому оп­ределенная их часть расположена в столбцах «Потери».

Действительно, очень интересная табличка, но это для любителей анализа и докапывания до сути вещей.

Но, вернёмся к нашим теплотехническим расчётам.

Применительно к классу энергосбережения «С» - нормальный, вне зависимости от того, в какой части нашей замечательной страны находится дом, мы принимаем однозначное решение, что потери тепла по классу «С» нас абсолютно не устраивают. Это очень высокие теплопотери, а мы должны строить энергоэффективные дома. Значит необходимо эти самые теплопотери снижать. Но как, и насколько?? Начнём с ответа на вопросы, насколько можно и насколько нужно уменьшать эти самые потери тепла на отопление и вентиляцию за отопительный период. Что в этом плане нам говорит документ (1) СП 50.13330.2012 (такой «свежий» и такой действующий). В этом документе дана уточнённая классификация жилых и общественных зданий по классам энергосбережения (таблица 15):

Обозначение класса	Наименование класса	Величина отклонения расчётного (фактического) значения удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания от нормируемого, %	Рекомендуемые мероприятия, разрабатываемые субъектами РФ
При проектировании и эксплуатации новых и реконструируемых зданий
А^++ А^+ А	Очень высокий	Ниже -60 От -50 до -60 включительно От -40 до -50 включительно	Экономическое стимулирование
В^+ В	Высокий	От -30 до -40 включительно От -15 до -30 включительно	Экономическое стимулирование
С^+ С С^-	Нормальный	От -5 до -15 включительно От +5 до -5 включительно От +15 до +5 включительно	Мероприятия не разрабатываются
D	Пониженный	От +15,1 до +50 включительно	Реконструкция при соответствующем экономическом обосновании
Е	Низкий	Более +50	Реконструкция при соответствующем экономическом обосновании, или снос

Класс «С» как раз тот самый – нормальный (кому он нормальный??), по которому, как уже говорилось, разрешается строить, а значит и строится всё ныне вводимое жильё. Именно по этому классу энергосбережения допускается в Ростове-на-Дону строить одноэтажные одноквартирные дома с затратами тепла на отопление и вентиляцию 127 кВт на каждый метр отапливаемой площади на отопительный период. НОРМАЛЬНО!!! Даже при достижении класса энергосбережения А⁺⁺ (максимальный уровень) и в случае снижения теплопотерь аж на 60% относительно «С», то и в этом случае потребление тепловой энергии для рассматриваемого дома составит 51 кВт/м² отапливаемой площади за отопительный период. Это, конечно, уже очень круто, но…, по сравнению с приведёнными данными в европейских странах, где уже активно строятся и входят в повседневную жизнь пассивные дома (15 кВт/м²) и безотопительные дома (0 кВт/м²), эти заявляемые пожелания выглядят очень и очень скромненько. При этом необходимо заметить, что домов с классом энергосбережения «А» в России построено от силы с десяток. Вот такие наши достижения. Кому то это выгодно…

В наших проектах мы сразу предлагаем Заказчикам ставить задачу о снижении затрат на отопление и вентиляцию в 5 (пять) раз (на 80%) относительно класса «С». И мы реально это достигаем. А что бы ещё проще было Заказчику ориентироваться, то можно решать задачу снижения тепловых потерь на отопление и вентиляцию за холодное время года руководствуясь так называемым Потребительским подходом, при котором Заказчик (потребитель) задаёт величины потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию не в относительных единицах (каких то процентах или долях от чего то там), а в понятных абсолютных. Например, Заказчик дает проектировщикам точное задание – величина потребления энергии на отопление и вентиляцию должна быть 15 кВт на каждый квадратный метр отапливаемой площади на весь отопительный период. Вот при таком подходе и самому Заказчику абсолютно понятно, сколько будет потреблять энергии его будущий дом на отопление и вентиляцию в холодное время года, и проектировщику необходимо проявить талант, знания и опыт, что бы действительно красиво и эффективно решить такую задачу.

Но такие задачи в принципе могут решаться только при выполнении качественных и профессиональных теплотехнических расчётов, которые как раз и позволяют проектировщику очень ясно и наглядно видеть все теплотехнические особенности данного (всегда уникального) проектируемого дома.

Дата добавления: 2015-09-05