Энергоэффективность зданий Украины: основы расчета

В. Пырков

Наше будущее неразрывно связано с энергоэффективностью в быту и во всех сферах деятельности. Для этого пора учиться разбираться во всех ее проявлениях, учиться считать выгоду от применения тех или иных энергоносителей и принимать правильные решения. В настоящее время адаптирована Минрегионстроем Украины европейская методика по энергоэффективности, основанная на расчетах и дающая ответы на многие вопросы. Положения методики уже нормированы в современных украинских строительных нормах.

Общие подходы для ЕС и Украины

В 2015 г. планируется ввести в действие два государственных стандарта Украины, касающиеся энергетической эффективности зданий. В них будут изложены метод расчета энергопотребления при отоплении, охлаждении, вентиляции, освещении и горячем водоснабжении, а также руководство по проведению энергетической оценки и энергетической сертификации зданий.

Представленная в данных ДСТУ методика – набор адаптированных под национальные условия европейских стандартов, разработанных специалистами Евросоюза и Украины. В Европе такая методика разработана в поддержку Директивы 2010/31/ЕС «Об энергоэффективности зданий». В Украине – в поддержку аналогичного будущего Закона Украины «Об энергетической эффективности зданий».

На энергоэффективность в ЕС направлены и многие другие директивы. Некоторые из них Украина обязалась имплементировать, став полноправным членом Энергетического сообщества. Одной из новых, тесно взаимосвязанных с Директивой 2010/31/ЕС, является Директива 2012/27/ЕС «Об энергоэффективности» (заменяет Директиву 2006/32/ЕС). Эти документы описывают единые подходы государств к энергоэффективности, в частности, к определению основных альтернативных источников теплообеспечения зданий. Ключевая роль среди источников отведена централизованному теплоснабжению. Государства обязаны контролировать, чтобы до начала строительства новых зданий была учтена возможность технического, экологического и экономического применения нижеследующих высокоэффективных альтернативных систем, при условии их доступности (Директивой 2010/31/ЕС):

а) децентрализованные системы энергоснабжения, использующие возобновляемые источники энергии;
б) системы энергоснабжения от комбинированной выработки электро- и теплоэнергии (когенерация);
в) централизованные или квартальные системы теплоснабжения полностью или частично использующие возобновляемые источники энергии;
г) тепловые насосы.

Эти требования нашли свое отражение в украинских строительных нормах – ДБН В.2.2-15-2005 «Жилые здания» и ДБН В.2.5-67:2013 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». Применение вышеперечисленных альтернативных источников теплообеспечения не требует технического и экономического обоснования, в то время как для других источников обоснование обязательно, а именно для:

а) квартирных газовых котлов;
б)твердотопливных котлов;
в) местной котельной (крышной, встроенной или пристроенной);
г) электрокотлов, электроотопительных приборов (кроме тех, которые потребляют электроэнергию от возобновляемых источников или от общей энергосистемы в ночное время).

Как видим, предпочтение отдано централизованному теплоснабжению. В разъяснении Еврокомиссии к Директиве 2012/27/ЕС указано, что при рассмотрении альтернативных сценариев теплообеспечения, государства обязаны изучить, в первую очередь, возможность применения:

а) систем с источниками комбинированной выработки электро- и теплоэнергии;
б) применения систем централизованного теплоснабжения, которые полностью или частично используют возобновляемые источники энергии.

Лишь тогда, когда применение этих систем технически невозможно или экономически нецелесообразно с учетом долгосрочных затрат и выгод, следует перейти к рассмотрению иных вариантов эффективного теплообеспечения, таких как индивидуальные.

Критерии выбора схем теплоснабжения

Ключевым критерием выбора централизованного или индивидуального теплообеспечения является их эффективность. Определение этого понятия для источников теплообеспечения дано в Директиве 2012/27/ЕС:

эффективное централизованное теплоснабжение должно, по меньшей мере, использовать 50% возобновляемых источников энергии либо 50% отработанной теплоты, либо 75% когенерированной теплоты или 50% от комбинации указанных энергии и теплоты;
эффективное индивидуальное теплообеспечение должно потреблять меньше первичной энергии по сравнению с эффективным централизованным теплоснабжением или столько же первичной энергии, но по более низкой цене.

Как видим, для того, чтобы определить какой источник энергии эффективнее, необходимо знать его показатель потребления первичной энергии. Методика определения этого показателя дана в указанных выше стандартах. Приведем лишь некоторые результаты расчетов для различных источников с современной системой отопления и горячего водоснабжения (рис. 1). Здесь сделаем ремарку, что современной системой отопления считается система, отвечающая минимальным европейским требованиям по энергоэффективности (в соответствии ДСТУ Б EN 15232:2011):

автоматическое регулирование температуры воздуха в помещении терморегуляторами на отопительных приборах;
регулирование отпуска тепловой энергии потребителю в зависимости от погодных условий;
насосная циркуляция теплоносителя в системе отопления.

Pirkov_1

Рис.1. Сопоставление энергоэффективности современного теплоообеспечения зданий

Перечисленные минимальные требования уже 15 лет обязательны по строительным нормам Украины. Старые здания, безусловно, им не соответствуют. Новые здания с индивидуальными квартирными котлами также не относят к современным. Поскольку из вышеперечисленных нормативно-обязательных требований по энергоэффективности они, зачастую, не имеют автоматических терморегуляторов на отопительных приборах и не имеют автоматического регулирования температуры теплоносителя по погодным условиям. Вместо автоматического, регулирование осуществляется вручную. Это означает, что для старых зданий с централизованным теплоснабжением и новых зданий с котлами графики будут располагаться примерно на 30…40% выше от графиков на рис. 1 (показано стрелками).

Графики представляют собой зависимость коэффициента использования первичной энергии при применении того или иного источника теплообеспечения от отапливаемой ими площади. Чем меньше значение этого коэффициента, тем ниже потребление невозобновляемых энергоресурсов (газа, угля, мазута и др.). Так, для централизованного теплоснабжения, обслуживающего около 10 тыс. м² отапливаемой площади (несколько «хрущевок») и для квартирного котла, обслуживающего 100 м² отапливаемой площади (одна квартира), при сжигании газа использование первичной энергии примерно одинаково. При обслуживании централизованным теплоснабжением более двух «хрущевок» энергоэффективность становится выше, чем для индивидуальных котлов.

Добиться более высоких показателей энергоэффективности, т. е. снизить использование первичной энергии, можно по-разному. Так, например, можно применить совместную выработку тепловой и электрической энергии. Тогда график теплосети опустится примерно в 1,7 раза. Именно такой график характерен для централизованного теплоснабжения от ТЭЦ, поскольку в теплосети используют когенерированную теплоту. Поэтому ТЭЦ относится к энергоэффективной системе теплообеспечения (см. определение выше). Достичь аналогичного с ТЭЦ показателя, применяя самые современные квартирные газовые котлы, довольно сложно – лишь в комбинации газового котла с солнечным коллектором для горячего водоснабжения и теплоутилизатором системы вентиляции. На рис. 2 стрелками показано сравнение энергоэффективности газового котла в сочетании с различным оборудованием внутренних инженерных систем (отопления, горячего водоснабжения, вентиляции) в квартире/доме с отапливаемой площадью 200 м². Кривые на графике, обозначенные значениями «40» и «90» – годовое удельное энергопотребление [кВт•ч] одного м² отапливаемой площади. Изменение порядка расположения этих кривых происходит при применении возобновляемых энергоресурсов.

Pirkov_2

Рис. 2. Энергоэффективность теплоообеспечения от индивидуального котла

Приведенные графики разработаны по немецкой методике и представлены в стандарте DIN V 4701-10 Bbl 1. Эта методика легла в основу европейской и украинской методик. Как видим, она позволяет довольно наглядно определиться в принятии энергоэффективного решения при конкретной задаче. Например, при выборе источника теплообеспечения или инженерной системы здания. Она позволяет также решать задачи на уровне квартала, города и государства в целом. Основное назначение методики:

оценка выполнения норм плановых показателей энергопотребления;
оптимизация энергетических показателей при новом строительстве путем выбора энергетических показателей из нескольких проектных вариантов;
индикация уровня энергоэффективности существующих зданий;
оценка эффекта от применяемых мероприятий по сокращению энергопотребления в существующем здании по расчету энергопотребности в сравнении с существующим состоянием;
прогнозирование потребности в энергетических ресурсах на национальном или международном уровнях путем расчета энергопотребности нескольких зданий, которые являются репрезентативными для всего жилого фонда.

По сути перечисленной области применения методики – это инструмент для принятия решения по многим задачам энергоэффективности. Это инструмент, позволяющий избавить Украину от принятия поспешных необдуманных действий, особенно диаметрально противоположных энергоэффективности. Пример тому – дискредитация централизованного теплоснабжения. Ведь высокоэффективная когенерация и централизованное теплоснабжение обладают куда более значительным потенциалом экономии первичной энергии, чем индивидуальное теплообеспечение. В соответствии с Директивой 2012/27/ЕС этот потенциал еще не использован в значительной степени. Поэтому государства-члены ЕС должны проводить его комплексную оценку.

Потенциал эффективности

Оценивая отечественное централизованное теплоснабжение, можно утверждать, что потенциал их энергоэффективности действительно весьма существенен. Не будем останавливаться на уже набивших оскомину таких мероприятиях как замена трубопроводов, горелок, котлов и т. д. Безусловно, это надо делать, но лишь при комплексном подходе – начиная от здания и заканчивая источником теплообеспечения. Именно так поставлена задача энергоэффективности в Директиве 2010/31/ЕС. В свою очередь, в Директиве 2012/27/ЕС для энергоснабжающих компаний прописано: «Каждое государство-член ЕС должно принять программу обязательств по энергетической эффективности… Ее цель должна быть, по меньшей мере, эквивалентна достижению экономии энергии с 1 января 2014 г. по 31 декабря 2020 г. в размере 1,5% годового объема поставок энергии конечным потребителям по всем поставщикам энергии или всем розничным энергосбытовым компаниям по объему, усредненному за последние три года, предшествующие 1 января 2013 г.» Как видим, условия довольно-таки жесткие и целенаправленные.

Однако бояться требований Директивы 2012/27/ЕС не стоит. В украинских теплосетях есть куда более существенный потенциал снижения энергопотребления, чем в европейских. Снизить энергопотребление конечных потребителей централизованного теплоснабжения в Украине на 30…50% – посильная задача при обеспечении качественных услуг по отоплению и горячему водоснабжению. Для этого необходимо осуществить организационные и технические мероприятия. Причем мероприятия должны в корне отличаться от реализуемых в настоящее время, которыми недовольны потребители – отключение горячего водоснабжения и снижение температуры воздуха в зданиях, т.е. ухудшение качества предоставляемых услуг.

Для существенного снижения энергопотребления при централизованном теплообеспечении надо воплотить в жизнь нереализованные нормативные требования СССР по обеспечению тепловой устойчивости систем отопления – с повышением температуры наружного воздуха необходимо не только уменьшать температуру теплоносителя, но и уменьшать расход теплоносителя. За все годы существования теплосетей уменьшали только температуру теплоносителя в системах отопления. У нас до сих пор системы отопления старых зданий с постоянным гидравлическим режимом, а надо – с переменным. В результате имеем перегрев помещений, что подтверждают открытые балконы и окна/форточки в конце отопительного периода. Устранив лишь только этот недостаток отпуска тепловой энергии, можно сократить ее потребление примерно на 30% и на столько же уменьшить плату за отопление (рис. 3).

Pirkov_3

Рис. 3. Фактический и требуемый расход теплоносителя в системах отопления

Организация регулирования зависит от источника, типа теплосети, состояния индивидуальных тепловых пунктов зданий. Поэтому требует индивидуального подхода. Лучший способ – автоматическое регулирование на источнике энергии с корректировкой в индивидуальных тепловых пунктах зданий. Худший (как временная мера) – ручной по данному графику. Безусловно, в последнем случае мы не достигнем максимально возможного эффекта, но результат все же будет существенным.

Самый идеальный способ снижения энергопотребления – комплексный подход, который включает термомодернизацию зданий, модернизацию сетей и источников теплообеспечения. Сложный и длительный путь. Поэтому в Украине он решается выборочно и не всегда правильно с точки зрения энергосбережения. Так, например, характерная ошибка – утепление зданий. Эта мера не приводит к снижению энергопотребления. Старая система отопления и старый источник теплообеспечения не способны отреагировать на утепление, замену окон и т. д. Расчеты по методике дают ответ на то, что надо делать при утеплении здания для достижения существенного снижения энергопотребления – выполнить хотя бы минимальные требования по энергоэффективности системы отопления.

Еще одна часто встречающаяся ошибка – переход на использование альтернативных энергоносителей. Для решения таких задач в методике даны коэффициенты сопоставления различных энергоносителей между собой (табл. 1). Так, переход с газа на невозобновляемую электроэнергию от единой энергосистемы приводит к увеличению потребления первичной энергии в 3,14/1,36 = 2,3 раза и увеличению выбросов загрязняющих газов в эквиваленте СО₂ – в 617/277 = 2,2 раза.

Таблица 1. Коэффициенты использования первичной энергии для сопоставления различных энергоносителей

Энергоносители и источники энергии

Pirkov_4

В табл. 1 стоит обратить внимание на показатели для древесины. На первый взгляд – это выгодное для Украины решение для отопления. Однако древесина становится возобновляемым энергоресурсом только при условии возобновления лесов, т. е. если не уменьшается их площадь, либо организованы специальные насаждения для этой цели. То и другое пока не характерно для Украины. Эту особенность необходимо учитывать при применении котлов, сжигающих древесную щепу/ пеллеты. Положительным фактором является применение древесных отходов или использование древесины от санитарной очистки лесов и зеленых насаждений населенных пунктов.

Выбор источника теплообеспечения в Украине также представляет сложность. Рекламируя оборудование, производители иногда указывают заоблачные КПД. Европейский подход к оценке энергоэффективности источников иной – их эффективность оценивается совместно с инженерными системами здания при промежуточной нагрузке. Определяющим показателем при этом является сезонная эффективность источника теплообеспечения. Средние значения показателя приведены в методике (табл. 2). Как видим, даже самые современные котлы далеки от совершенства. Но, замена газовых котлов на электрокотлы еще более усугубляет показатели энергоэффективности. Так, преобразование электрической энергии в тепловую равно почти 100%. В тоже время, эффективность самой современной водяной системы составляет примерно 60…70%. Запланировав электрокотел для водяной системы, уже на этапе расчетов теряем 30…40% эффективности. К тому же, при переходе на первичную энергию по табл. 1, как уже отмечалось, получаем ухудшение показателей еще в 2,3 раза. Справедливости ради, следует отметить, что, применяя современные системы электроотопления с автоматическим регулированием температуры воздуха в помещении и энергоэффективностью близкой к 100%, получают экономию энергии в сравнении со старыми водяными системами отопления. Поскольку в старых системах без такого терморегулирования эффективность составляет примерно 50%. Выигрыш от электроотопления примерно в 2 раза по сезонной эффективности почти нивелируется проигрышем в 2,3 раза по использованию первичных энергоресурсов. В целом, это приемлемо, особенно при использовании электричества в ночное время, и весьма эффективно при использовании электроэнергии от возобновляемых источников – гидростанций, ветроустановок, солнечных батарей и др.

Таблица 2. Сезонная эффективность источников теплообеспечения

Особое внимание обращает на себя такое современное оборудование как тепловые насосы и гелиоколлекторы. Следует отметить, что применение этих источников экономически целесообразно лишь в утепленных зданиях с современными системами отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, выполненных по современным строительным нормам. Иначе вышеперечисленное оборудование не окупится в отведенный ему срок эксплуатации. Ориентировочные сроки окупаемости можно определить по ДСТУ Б EN 15459:2014, который также является частью методики.

В разработке методики для Украины принимали участие специалисты компании Уорли Парсонс/ENSI/ІМР в тесном сотрудничестве со специалистами ГП «Научно-исследовательский институт строительных конструкций» (НИИСК) и других организаций по проекту технический помощи Европейского банка реконструкции и развития (EБPP). Сегодня по данному проекту осуществляется следующий этап – создание на основе европейского опыта программного обеспечения для облегчения расчетов по методике. Ориентировочный срок его внедрения в Украине – середина 2016 г.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!