Экономия тепловой энергии в здании сама по себе может представляться некой полезной самоцелью. Это соответствует установленному законодательству [1-4], стимулирует развитие новых производств, совершенствование и внедрение в практику строительства новых технологий.

Однако эффективность применения энергосберегающих мероприятий в здании необходимо оценивать по показателям, учитывающим дополнительные затраты на внедрение новых энергоэффективных материалов и конструкций, теплоутилизирующего оборудования, на изменение планировки и уменьшение полезного объёма помещений, необходимость обслуживания и ремонта дорогостоящего оборудования и ожидаемой экономией от снижения теплопотребления, возможного удешевления самих теплопотребляющих систем в следствие уменьшения их расчётных показателей.

Оценку эффективности внедрения теплосберегающих мероприятий в жилом здании предлагается провести по безразмерному показателю, учитывающему как экономическую, так и техническую составляющую:

Э=∆Эт∆Эз ,                                                                   (1)

где ∆Эт  и ∆Эз  – соответственно, экономия от энергосбережения и дополнительные затраты на энергосберегающие мероприятия, руб. за расчётный период.

Основным потребителем, а следовательно, и источником экономии тепловой энергии в здании является система отопления. Для индивидуального здания составляющие в выражении (1) могут быть представлены следующим образом:

∆Эт=  ст∙∆Wт+kт∙∆Зто+∆Wэл.т∙сэл ,                                    (2)

∆Эз=kкт∙Зут+kту∙Зту+Wэл.ут∙сэл,                                        (3)

где cт  и сэл  – тариф на соответственно тепловую и электрическую энергию с учётом изменений за период эксплуатации оборудования, руб./кВт·ч;

∆Wт  – снижение потребления тепловой энергии от внедрения энергосберегающих мероприятий за расчётный период, кВт·ч.;

kт , kкт  и kту  – коэффициенты окупаемости соответственно теплопотребляющего оборудования (системы), энергосберегающих конструкций и теплоутилизирующего оборудования, год^-1;

∆Зто  – снижение единовременных затрат на теплопотребляющую систему при внедрении энергосберегающих мероприятий, руб.;

Зут  и Зту  – единовременные затраты соответственно на теплосберегающие конструкции и теплоутилизационное оборудование, руб.;

∆Wэл.т  – снижение затрат электроэнергии на работу теплопотребляющей системы после внедрения энергосберегающих мероприятий за расчётный период, кВт‧ч.;

Wэл.ут  – затраты электроэнергии на работу теплоутилизирующего оборудования за расчётный период, кВт‧ч.

С учётом специфики эксплуатации теплопотребляющих систем в качестве расчётного периода предлагается принимать отопительный период и за срок окупаемости оборудования 12 лет [4].

Особенность предлагаемого метода заключается в выражении всех составляющих в (2) и (3) через один аргумент – расчётную мощность теплопотребляющей системы. При этом появляется возможность учесть объёмно-планировочные и конструктивные параметры здания, климатические характеристики района строительства и энергетической системы, ориентацию здания в пространстве, тип, конструкцию, модель и мощность оборудования теплопотребляющей системы (отопления, вентиляции) и теплоутилизирующего оборудования (тепловых насосов, рекуператоров) и их ценовые характеристики [5-7].

Снижение теплопотребления объектом определится как разность между теплопотреблениями до внедрения энергосберегающих мероприятий Wт.о  и после Wт.э :

∆Wт=Wт.о-Wт.э                                                     (4)

Энергосберегающие мероприятия можно разделить на две группы:

- изменение объёмно-планировочных и конструктивных характеристик объекта;

- внедрение теплоутилизирующего оборудования и использование альтернативных источников энергии.

Изменение объёмно-планировочного решения здания проводится на стадии проектирования и предполагает оптимизацию соотношения геометрических размеров внешней оболочки, остекления, ориентацию по сторонам света. Изменение конструктивных характеристик, применение теплоутилизационного оборудования можно реализовывать как на стадии проектирования, так и в процессе реконструкции эксплуатируемого здания.

Объёмно-планировочные параметры здания влияют на расчётные показатели теплопотребляющих систем Qсо  (Вт) и энергопотребление в течение эксплуатационного периода Wсо  (кВт·ч). Для жилых зданий с единственной теплопотребляющей системой в виде отопления это влияние представим следующими зависимостями (5), (6), (7).

Qсо=Qтр.i+Qвент=kj∙Aj∙tв-tн∙nj+0,28∙Gвент∙сv∙(tв-tн) , (5)

где Qтр.  – трансмиссионные тепловые потери через ограждающие конструкции

здания, Вт;

Qвент  – мощность теплового потока на нагрев санитарной нормы наружного воздуха, Вт;

kj  – коэффициент теплопередачи j-й  ограждающей конструкции внешней оболочки здания, Вт/м² ℃ ;

Aj  – площадь j-й  ограждающей конструкции внешней оболочки, м²;

tв  и tн  – расчётные температуры соответственно внутреннего и наружного воздуха, ℃ ;

nj  – поправочный коэффициент к расчётной разности температур;

Gвент  – расход наружного воздуха, необходимый для обеспечения санитарной нормы, кг/ч;

сv  – теплоёмкость воздуха, кДж/кг ℃ .

Для здания, имеющего отапливаемый объём в форме параллелепипеда с соотношением размеров сторон основания nb=ab , высотой этажа hэт , этажностью nэт  выражение (5) примет вид [6, 7]:

Qсо=V∙(KстVnb∙nh13∙2∙1+1nb∙1+Ao∙Kо-1+0,9∙Kпт+0,6∙Kпл∙1nh+

+0,24)∙(tв-tн) ,                                                   (6)

где V  – отапливаемый объём здания, м³;

nh=hэт∙nэтa  ;

Ao  – площадь светопрозрачных проёмов относительно общей площади вертикальных ограждений;

Kст  – коэффициент теплопередачи наружной стены, Вт/м² ℃ ;

Kо , Kпт  и Kпл  – коэффициенты теплопередачи, соответственно светопрозрачных проёмов, потолка и пола относительно Kст .

Теплопотребление системы отопления Wсо  (Вт·ч) за период работы Zоп  (час) определяется с учётом изменяющейся температуры наружного воздуха и теплопоступлений от солнечной радиации:

Wсо=Qсо∙kt∙Zоп-φ∙Wрад.z ,                                         (7)

где kt=(tв-tн)(tв-tоп)  – температурный коэффициент;

tоп  – температура наружного воздуха за период Zоп , ℃;

Wрад.z  – теплопоступления в здание от солнечной радиации за период Zоп , Вт·ч;

φ  – коэффициент снижения теплопоступлений за счет тепловой инерции ограждающих конструкций, определяется по формуле [2]:

φ=0,7+10-6∙{(tв-tоп)∙Zоп-1000}                                               (8)

Теплопоступления от солнечной радиации определяются по всем светопропускающим ограждениям здания [2]:

Wрад.z=277,8∙τ1ок∙τ2ок∙кiIi.квер∙Aоi ,                                (9)

где τ1ок  – коэффициенты относительного проникания солнечной радиации для

светопропускающих заполнений;

τ2ок  – коэффициенты, учитывающие затенение светового проема непрозрачными элементами заполнения;

Aоi  – площадь светопропускающих ограждающих конструкций внешней оболочки i -й ориентации, м²;

Ii.квер  – суммарная (прямая и рассеянная) за период Zоп  величина солнечной радиации на вертикальную поверхность i -й ориентации при действительных условиях облачности в к-ом месяце расчётного периода, МДж/м² год.

Величину солнечной радиации на вертикальную поверхность можно определить через инсоляцию на горизонтальную поверхность [4]:

Iiвер=к=1m(Sкгор∙Kгв.iк+0,5∙Dкгор) ,                               (10)

где Sкгор  и Dкгор  – солнечная радиация на горизонтальную поверхность в к-ом месяце соответственно прямая и рассеянная, МДж/м² мес.;

Kгв.iк  – коэффициент пересчёта величины прямой солнечной радиации с горизонтальной на вертикальную поверхность i-й ориентации за к-й месяц.

Снижение единовременных затрат на теплопотребляющую систему при внедрении энергосберегающих мероприятий ∆Зто  представим как разность соответствующих затрат на сооружение системы до Зто1  и после Зто2  реконструкции:

∆Зто=Зто1-Зто2                                                   (11)

Единовременные затраты на систему отопления определяются стоимостью оборудования и материалов и зависят от расчетной тепловой мощности системы Qсо . При одинаковых начальных условиях стоимость системы можно представить следующим образом:

Зто=ЗК.СО=ЗЭК+Зтр.d+ЗЦН+ЗНП+За.d ,                             (12)

где ЗЭК , Зтр , ЗЦН , ЗНП , За.d  – стоимость соответственно водогрейного котла, труб

циркуляционного насоса, нагревательных приборов, запорно-регулирующей арматуры, руб.

Цена оборудования при схожих характеристиках зависит от производителя и продавца и может рассматриваться как статистическая величина. Поэтому, для составления модели (12) воспользуемся уравнениями, определяющими усредненную стоимость оборудования [8].

Стоимость водогрейных электрических котлов (модель ZETA):

- с номинальной мощностью NКТ.0  до 15 кВт:

СКТ=NКТ.0⋅1947⋅(NКТ.0-1,8)-0,3 ,                                         (13)

- с номинальной мощностью NКТ.0  от 18 кВт до 45 кВт:

СКТ=NКТ.0⋅1860⋅(NКТ.0-15)-0,263                                         (14)

Стоимость циркуляционных насосов марок (Grundfos, Wilo) для условий эксплуатации с к.п.д не ниже 75 % в условных единицах (у.е.) составит [6]:

СЦН=69,4⋅exp0,222·(Hр-1,5) ,                                         (15)

где HN  – номинальный (паспортный) напор насоса, м вод. ст.

Номинальный напор насоса определяется рабочей характеристикой Hр , которая соответствует гидравлическому сопротивлению системы отопления ΔPсo. (Па). Потери давления в системе определяются расходом теплоносителя Gсо  (кг/сек.) и гидравлической характеристикой sсо :

∆Pсо=sсо∙Gсо2=sсо∙Qсо2⋅Δtсо-2⋅cw-2 ,                                         (16)

где ∆tсо  – расчетная разность температур теплоносителя в системе отопления,

°С;

сw  – теплоемкость воды, Дж/(кг К).

Установочная (номинальная) мощность насоса (Вт) составит:

Nцн=ΔРсо⋅Gco⋅ρw-1⋅η-1 ,                                                          (17)

где η  – коэффициент полезного действия насоса;

ρw  – плотность теплоносителя, кг/м³.

Стоимость труб и запорно-регулирующей арматуры системы определится ценой единицы элемента и их количеством:

Стр.d+Са.d=(стр.d⋅lтр.d+Nа.d⋅ca.d) ,                                  (18)

где стр.d  и са.d  – стоимость соответственно 1 м трубы (руб./м) и арматуры

(руб./шт.) диаметром dy ;

lтр.d  и Nd  – длина труб (м) и количество арматуры (шт.) диаметром dy .

Длина труб системы отопления определится протяженностью магистралей lм.d , стояков lСт.d  и подводок к нагревательным приборам lп.d . Длину магистралей примем равной удвоенному периметру здания Р . Общая длина стояков зависит от их количества NСт  , этажности здания nэт  и высоты этажа hэт :

lСт.d=NСт⋅hэт⋅nэт                                                        (19)

Количество стояков Nст  при двухстороннем присоединении нагревательных приборов можно выразить как:

Nст=NН.П.2⋅nэт ,                                                                           (20)

где NН.П.  – количество нагревательных приборов в системе, шт.

Исходя из соображений, что один нагревательный прибор состоит из nc  секций, а каждая секция имеет поверхность теплоотдачи fc  (м²/секц.) общее количество нагревательных приборов составит:

NН.П=QсoΔtm⋅KНП⋅nc⋅fc ,                                                        (21)

где KНП  – коэффициент теплопередачи нагревательного прибора, Вт/(м² К).

Тогда общая протяженность стояков выразится уравнением:

lСт.d=0,5⋅Qсo⋅Δtm-1⋅KНП-1⋅nc-1⋅fc-1⋅hэт                              (22)

Общая длина подводок равна длине одной подводки lп.1  и общему их количеству, составляющему удвоенное число нагревательных приборов:

lп.d=2⋅NН.П⋅ln,1=2⋅Qсo⋅Δtm-1⋅KНП-1⋅nc-1⋅fc-1⋅ln,1                     (23)

Цена единичного элемента системы отопления стр.d  и са.d  зависит от марки и номинального диаметра dy  (мм) [7]. Для легких водогазопроводных труб (ГОСТ 3262-75*) параметр ст.d  (у.е./м) аппроксимируется зависимостью:

ст.d=0,51⋅exp(1,1⋅lndy-2,66)                                  (24)

Часть труб в системе отопления покрываются тепловой изоляцией. Её стоимость сиз.d  (у.е./м) также зависит от диаметра dy  (мм) и для трубок из вспененного синтетического каучука может быть оценена как:

сиз.d=0,89⋅exp(0,89⋅lndy-2,2)                                 (25)

Стоимость запорной са.d  (типа «шаровой муфтовый кран») арматуры (марки Valtec) так же представим как функцию от номинального диаметра dy  (мм):

са.d=2,29⋅exp(2,1⋅lndy-5,3)                                                (26)

В системах отопления индивидуальных домов арматура обычно устанавливается только перед нагревательными приборами. Поэтому количество запорной арматуры определится числом нагревательных приборов, а ее диаметр – диаметром подводок:

Nd.a=2⋅NН.П=2⋅QсoΔtm⋅KНП⋅nc⋅fc                                               (27)

Экономия потребления электроэнергии ∆Wэл.т  определяется не только уменьшением теплопроизводительности электрического водогрейного котла при снижении расчётной тепловой мощности отопления ∆Qсо , но и возможным снижением мощности циркуляционного насоса при постоянной гидравлической характеристике трубопроводной системы Sсо  и изменённого расхода теплоносителя:

∆Wэл.т={Wсо.1-Wсо.2}+sсо⋅Δtсо-3⋅cw-3∙(Qсо.13-Qсо.23)∙ρw-1∙Zоп ,              (28)

где Qсо.1  и Qсо.2  – тепловая мощность отопления соответственно до и после энергосберегающих мероприятий, Вт; Wсо.1  и  Wсо.2  – потребление энергии на отопление и вентиляцию здания, соответственно до и после энергосберегающих мероприятий, Дж.

Теплосберегающие конструктивные мероприятия сводятся к утеплению внешней оболочки здания. Для непрозрачных элементов увеличение сопротивления теплопередачи производится за счёт применения теплоизоляционных материалов. Для светопрозрачных – изменение конструкции окон.

Тогда экономия снижение теплопотребления определится как:

Wсо.1-Wсо.2=Qсо.1∙kt∙Zоп-φ∙Wрад.z.1-Qсо.2∙kt∙Zоп-φ∙Wрад.z.2         (29)

или:

Wсо.1-Wсо.2=kt∙Zоп∙V∙Kст.1∙V-13∙nb.1∙nh.113∙21+nb.1-1∙1-Ao.1∙Ko.1-1+0,9Kпт.1+0,6Kпл.1∙nh.1-1- (Kст.2∙V-13∙nb.2∙nh.213∙21+nb.2-1∙1-Ao.2∙Ko.2-1+0,9Kпт.2+0,6Kпл.2∙nh.2-1∙tв- tн-φ∙(Wрад.z.1-Wрад.z.2)                                                         (30)

Теплосберегающие конструкции внешней оболочки здания представляют совокупность непрозрачных и светопропускающих ограждений. Затраты на снижение потерь тепла по этим статьям Зут  представим как сумму затрат на утепление Зут.и  и изменение конструкции элемента Зут.к .

Основным конструктивным мероприятием, обеспечивающим снижение теплопотребления, является утепление непрозрачных элементов наружной оболочки за счёт применения теплоизоляционных материалов. Единовременные затраты на тепловую изоляцию Зут  (у.е.) выразятся через полную стоимость материалов, монтажных работ си.м  (у.е./м³) и их объём Vи.м :

Зут.и=си.м∙Vи.м                                                        (31)

Объём материалов зависит от степени утепления оболочки и её площади:

Vи.м.f=Σ(δи.м.f∙Af)=Σ(1/K2.f-1/K1.f)∙λи.м.f∙Af ,              (32)

где δи.м.f  – толщина слоя изоляционного материала f-го  вида оболочки

(наружная стена, пол, потолок, и. т. п.), м;

Af  – площадь утепляемой части оболочки, м²;

K1.f  и K2.f  – коэффициенты теплопередачи элементов оболочки до и после утепления, Вт/м² ℃;

λи.м.f  – коэффициент теплопроводности материала f-го  вида оболочки, Вт/м ℃ .

Увеличение сопротивления теплопередаче светопропускающих конструкций может сопровождаться увеличением их стоимости. Принимая, что окна одинаковы, единовременные дополнительные затраты на изменение конструкции Зту.к  примут вид:

Зут.и=(сок.2-сок.1)∙2∙Ao∙V∙nb-1∙nh-123∙(nb+1)∙nh ,               (33)