Контрольные вопросы

1.Основные цели энергетических обследований?

2.Назовите наиболее важные, на ваш взгляд, причины нерационального расхода:

−электроэнергии,

−тепловой энергии.

3.Организационные условия проведения энергетических обследований.

4.Необходимо ли проведение целевого энергетического обследования по управлению спросом на энергию для объектов вашего учебного учреждения?

258

10. Вопросы экономики при отоплении помещений

(на примере Германии)

10.1. Применение улучшенной тепловой изоляции

Введение

Рост объемов жилой площади, которая сегодня составляет, например, в Германии в среднем 36 м2 на человека, приводит к тому, что одна треть от общего энергопотребления используется для отопления помещения (рис. 10.1). Приблизительно три четверти энергии, расходуемой в быту, необходимы для отопления жилья (рис. 10.2).

Рис. 10.1. Среднегодовое распределение расхода энергии потребителями в Германии в 1991 г.

Среднегодовое потребление энергии для отопления помещений составляет от 160 до 260 кВт·ч/м2 для систем центрального отопления, работающих на природном топливе. На рис. 10.3 показано годовое потребление тепловой энергии в зданиях различных конструкций [11].

В настоящее время существует термин – дом с низким потреблением энергии. Потребление энергии в таком доме составляет только одну треть от среднего потребления энергии во всем жилищном фонде Германии.

259

Строительство таких домов открывает возможность сократить выбросы углекислого газа и защитить окружающую среду.

Обогрев

помещений

76,5%

Рис. 10.2. Среднегодовое распределение расхода энергии в быту в Германии в 1991 г. (без транспорта)

Последние нормативы Федерального правительства по использованию тепловой изоляции направлены на сокращение ежегодного потребления тепла в новых зданиях примерно на 30 % по сравнению с прежними нормативами 1982 г., а также на уменьшение тепловых потерь в существующих зданиях. Перед концом десятилетия намечается принятие еще более строгих норм. Тогда все здания должны будут строиться согласно стандарту низкого потребления энергии.

Опыт Германии по этой проблеме представляет наибольший интерес для условий России, так как именно в данной стране за последние 30 лет достигнуто значительное (в 2 – 3 раза) снижение расхода топлива на отопление, в том числе при целевой реконструкции жилья бывшей ГДР.

Конструкции зданий с низким потреблением энергии

Архитектор и заказчик должны уже сегодня использовать стандарты низкого потребления энергии при проектировании и строительстве новых зданий. Такие здания не должны отличаться от обычных внешним видом. Хорошая архитектура и высокий уровень жизни, возможность сохранения

260

энергии и защита окружающей среды должны не исключать, а дополнять друг друга.

Рис. 10.3. Годовое энергопотребление для отопления помещении в зданиях различных конструкций, кВт·ч/м2:

Дополнительные затраты

Применение улучшенной тепловой изоляции ведет к увеличению затрат при строительстве. В новых нормативах по использованию тепловой изоляции дается количественная оценка дополнительных затрат при строительстве:

•больших зданий 1,5... 2,5 %;

•маленьких зданий 2,5...4 %.

В среднем строительство зданий с низким потреблением энергии приводит к росту затрат на 3...5 %. Использование систем вентиляции воздуха также увеличивает затраты на 1,5...2,5 %.

Этот небольшой рост затрат может быть скомпенсирован отказом от использования дорогостоящих проектных решений в других частях здания.

261

Количественные и качественные изменения в энергопотреблении становятся очевидными при рассмотрении теплового баланса дома с низким потреблением энергии:

•благодаря улучшенной теплоизоляции внешних ограждений здания тепловые потери путем теплопередачи уменьшаются до одной трети по сравнению с обычным домом;

•тепловые потери, связанные с вентиляцией, сокращаются до значений, обеспечивающих санитарные нормы. Однако их доля в общих потерях увеличивается;

•тепловые потери вследствие вентиляции становятся настолько значимыми, что может представить интерес система утилизации тепла;

•количество потребляемой солнечной энергии уменьшается, но ее доля в балансе энергии здания значительно возрастает;

•дом с низким потреблением энергии нагревается главным образом энергией солнца и внутренних источников. Система отопления должна покрывать менее 50 % тепловых потерь;

•жители зданий с низким потреблением энергии оказывают большое влияние на тепловой баланс здания, поскольку потери, связанные с вентиляцией помещений, составляют значительную часть общих тепловых потерь.

Наиболее эффективной стратегией, ведущей к сокращению потребления энергии для обогрева зданий, является оптимизация теплоизоляции.

Тепловые потери вследствие теплопередачи

Передача тепла через стены, окна и другие части здания в окружающее пространство описывается так называемым k-фактором, Вт/(м2·К), определяемым как тепловой поток через один квадратный метр при разности температур в 1 К. Чем ниже k-фактор, тем меньше тепловые потери. Для стен тепловые потери определяются теплопроводностью и теплоотдачей с поверхности.

262

Гиперболическая кривая (рис. 10.4) показывает зависимость теплопередачи от толщины теплоизоляционного слоя. Увеличение толщины изоляции в два раза приводит к снижению тепловых потерь на 50 % (сплошная линия). В реальных зданиях должны быть приняты во внимание дополнительные условия: тепловые мосты, сокращение времени нагрева вследствие наличия внутренних источников тепла, солнечная радиация. Все это приводит к более высокому уровню тепловых потерь (пунктирная линия).

Рисунок 10.4 демонстрирует следующее:

-важность применения надежной теплоизоляции;

-необходимость ограничения толщины тепловой изоляции, поскольку чрезмерное ее возрастание не приводит к существенному снижению тепловых потерь;

-в среднеевропейском климате увеличение толщины теплоизоляционного слоя сверх 20 см не приводит к более высокому уровню сбережения энергии. Не существует «дома с нулевым потреблением тепла», поскольку тепловые потери не могут быть уменьшены до нулевого значения, даже с помощью суперизоляции.

Рис. 10.4. Теплопередача в изоляционном слое, отнесенная к его толщине (λ/d)

263

В Германии диапазон рекомендуемой толщины теплоизоляционного слоя находится между 8 и 20 см. На рис. 10.5 и рис. 10.6 представлены усредненные значения толщины теплоизоляции для различных стран. Легко видеть влияние климатических условий.

Конструкции зданий

Значительное влияние на потребление энергии оказывает размер внешней поверхности здания. Компактная конструкция здания с малой поверхностью при неизменном обогреваемом объеме снижает тепловые потери и, следовательно, затраты на обогрев. Это так называемое А/V – отношение площади поверхности к объему является важным фактором при проектировании зданий с низким потреблением энергии.

Рисунок 10.7 показывает важность этого соотношения.

Уход от тепловых мостов

Тепловые мосты вызывают рост локальных тепловых потерь, увеличивая общие тепловые потери за счет теплопередачи. Улучшение тепловой изоляции снижает значение таких утечек в тепловом балансе здания.

Страна Стены

Толщина изоляционного слоя (мм)

Рис. 10.5. Используемые толщины теплоизоляции стен, данные 1990 г.

264

Рис. 10.6. Используемые толщины теплоизоляции крыши, данные 1990 г.

Рис. 10.7. Конструкции зданий с различным А/V-отношением

Окна

Тепловые потери через окна определяются значениями теплопроводности, конвекции и излучения. Несколько лет назад окна были самыми слабыми местами в здании в отношении тепловых потерь. В настоящее время разработаны весьма совершенные конструкции окон. Конвекция между стеклами уменьшена благодаря использованию специальных газов, в частности аргона. Излучение существенно снижено вследствие использования покрытия, нанесенного на стекло. В этих новых конструкциях k-фактор может спадать до 0,6 Вт/(м2·К).

265

Плотность внешнего покрытия здания

Внешнее покрытие здания должно быть достаточно плотным, поскольку утечки воздуха в местах неплотных стыков нежелательны по многим причинам:

•в зависимости от числа и размера этих стыков они ведут к большим или меньшим неконтролируемым тепловым потерям;

•возможны повреждения конструкций из-за скапливания конденсирующейся влаги;

•при низкой внешней температуре и сильном ветре возможно резкое возрастание тепловых потерь.

Для устройства современных систем вентиляции, отвечающих санитарным нормам, воздухонепроницаемость покрытия здания является наиболее важным условием. Ее достижение – задача как конструктора, так и строителя здания.

Для домов с низким потреблением энергии желательно испытание повышенным давлением для выявления возможных утечек воздуха. Для этого испытания может использоваться специальная вентиляционная система, создающая внутри дома давление выше или ниже внешнего. При измерении воздушных потоков утечки могут быть обнаружены с помощью источника дыма.

Требуемый санитарными нормами обмен воздуха может быть эффективно реализован механической системой вентиляции.

Пассивное использование солнечной энергии

Окна – наиболее важный элемент в использовании солнечной энергии для обогрева. С одной стороны, окна работают как солнечные коллекторы без дополнительных затрат, но, с другой стороны, тепловые потери через окна значительно больше, чем через стену, имеющую хорошую теплоизоляцию.

На рис. 10.8 показан баланс энергии фасада здания, обращенного на юг. Рисунок иллюстрирует зависимость тепловых потерь от доли окон в

266

площади фасада при различном качестве изоляции окон и стен. Лучший путь к сохранению энергии состоит в снижении k-фактора стен. Дом с низким потреблением энергии – это дом с хорошей теплоизоляцией.

Рис. 10.8. Баланс энергии фасада здания, расположенного на южной стороне

Улучшение тепловой изоляции приводит к большей экономии энергии, чем увеличение площади окон, воспринимающих солнечную радиацию. С ростом поверхности окон возрастает также опасность перегрева вследствие солнечной радиации в летнее время. Подчеркнем еще раз, что лучший способ снизить потребление энергии заключается в применении хорошей тепловой изоляции стен. Сбережению энергии способствуют также хорошие конструкции окон.

Теплоемкость здания

В здании с большой теплоемкостью возможно успешное пассивное использование солнечной энергии. Особенно важно, чтобы внутренние стены были изготовлены из материала с большой теплоемкостью. Такие конструкции помогают также сохранять низкую температуру в летнее вре-

267

мя.

Однако не следует переоценивать значение теплоемкости здания в решении проблемы энергосбережения. Даже конструкции с большой теплоемкостью способны только в течение двух дней предотвращать сильное охлаждение помещения. Они неэффективны в течение более длительных периодов плохих погодных условий.

Прозрачные теплоизоляционные системы

В настоящее время применяется полупрозрачный теплоизоляционный материал, в толще которого имеется множество небольших воздушных камер. Попадающие на стену здания солнечные лучи нагревают ее, при этом сокращаются тепловые потери. Но эти материалы еще проходят испытания. Пока не ясно, будет ли применение прозрачного теплоизоляционного материала лучшим решением по сравнению с другими методами энергосбережения. В летнее время оно потребует автоматически работающей системы экранирования.

Примеры стеновых конструкций

На рис. 10.9 и рис. 10.10 представлены удачные конструкции двух типов стен.

На рис. 10.9 показана конструкция стены с толщиной внешнего теплоизоляционного слоя не менее 10 см. Внешняя теплоизоляция позволяет избежать появления тепловых мостов.

На рис. 10.10 представлена другая конструкция теплоизоляции, включающей воздушный промежуток толщиной не менее 4 см и расположенной между наружным слоем отделки и кирпичной кладкой. Материал внешней отделки может быть различным, типа древесины или пластмассы, в зависимости от желаемого внешнего вида.

На обоих рисунках показано распределение температуры по толщине стены.

Нормативы по использованию тепловой изоляции

268

Новые нормативы по использованию тепловой изоляции действуют с 1 января 1995 года. Годовое потребление тепловой энергии определяют следующие факторы:

•теплоотдача,

•вентиляция,

•внутренние источники энергии,

•солнечная энергия.

Все эти факторы учитываются новыми нормативами.

Максимально допустимое потребление зависит от так называемого А/V-отношения, которое определяется как отношение внешней поверхности (А) к объему здания (V). На рис. 10.11 показано допустимое годовое удельное энергопотребление в зависимости от А/V-отношения.

По сравнению со старыми нормативами по использованию тепловой изоляции новые нормативы ведут к уменьшению потребления тепловой энергии приблизительно на 30 %.

269