Ассоциация Производителей Энергоэффективных Окон
Ассоциация Производителей Энергоэффективных Окон




СКОЛЬКО СТОИТ ОТОПЛЕНИЕ

Наша страна по меньшей мере трижды принимала неэффективные технологические (промышленные) решения, касающиеся промышленности в масштабах всей России (СССР). Перечислю эти случаи:

  1. Индустриализация конца 1920-х-1930-х годов, основанная на массовом применении малоквалифицированной рабочей силы и соответствующих подобной рабочей силе технологий.

  2. Восстановление народного хозяйства после Второй мировой войны, когда в основу реконструкции были положены довоенные технологии, т.е. довоенная неэффективность производства была заново воспроизведена (в том числе за счет вывоза заводов из Германии: пожилые специалисты сообщают, что поставки немецкого "трофейного" оборудования продолжались до 1960-х годов). Известно, что Япония решала проблему послевоенного восстановления принципиально иначе - закупая по всему миру наиболее эффективные технологии.

  3. И в области, важной для нашего анализа - жилищном строительстве - Постановление ЦК КПСС и Совета министров от 19 августа 1954 г. "О развитии производства сборных железобетонных конструкций и деталей для строительства" открыло дорогу для строительства зданий с высоким удельным энергопотреблением, зданий недорогих при массовом производстве конструкций, но дорогих в эксплуатации. Позднее были дополнительно приняты специальные постановления (в августе 1955 г. - о снижении стоимости строительства, в ноябре 1955 г. - об устранении излишеств). На практике оказалось, что инженерные системы для обеспечения комфортного климата в помещениях не менее важны, чем железобетонная конструкция здания. Считалось, что это временное явление - пока страна не разбогатеет. И вот время пришло! Пришло, в первую очередь, время считать энергозатраты. В основе расчетов лежит стоимость энергии, фактически - стоимость нефти.

Нужно точно сформулировать, какие принципиальные недостатки были заложены при принятии решений в 1954 г.:

  1. массовое строительство тонкостенных жилых зданий;

  2. неразвитость и второстепенность инженерных систем и приборов контроля в ЖКХ.

Нельзя считать, что в то время СССР являлся технологически неразвитой страной - уже были взорваны атомная (1949) и водородная (1953) бомбы собственного производства. В июле 1952 г. распоряжением СМ СССР в Минске (Белоруссия) был создан Институт энергетики, в августе 1954 г. было принято постановление СМ СССР о создании ВНИиПИ "Теплопроект" как центра по проектированию заводов теплоизоляции, промышленной тепловой изоляции, пламенных печей и дымовых труб. В 1960-х публикуются ставшие классическими работы А.В. Лыкова по теории тепло- и массопереноса, в том числе, в строительных материалах. Именем А.В. Лыкова назван Институт тепло- и массообмена Национальной академии наук Белоруссии.

Конечно, при принятии подобных решений (в том числе о массовом жилищном строительстве) сказывалось давление обстоятельств, прежде всего, социальных и политических. Но оправдывают ли эти обстоятельства неэффективность тогдашних решений? Сегодня нам приходится платить по счетам тех лет. Мудрый американец Бенджамин Франклин (1706-1790 гг.) в статье "Путь к изобилию" пишет: "Многие разорились из-за того, что старались купить на грош дешевле" (вариант: "Я не настолько богат, чтобы покупать дешевые вещи").

С 1 января 1955 г. в стране были введены СНиПы, которые разделили методики расчета тепловых потерь элементов конструкции здания и параметров вентиляции помещения (температура внутреннего воздуха и кратность воздухообмена). Нетрудно с калькулятором в руках убедиться в том, что уровень теплозащиты зданий, предусмотренный СНиП 1955 г., допускал в периоды наиболее низких температур 100% тепловые потери с наружных стен здания, то есть нулевое энергосбережение. И это в масштабах всей страны!

Пример с тепловыми расчетами в ЖКХ показывает, каким глубоким оказался разрыв между гражданскими и военными технологиями. Ниже мы увидим, как дорого он нам обходится по сей день.

Сегодняшняя ситуация с энергосбережением в отечественной промышленности в сжатом виде изложена в статье академика Коротеева А.С. и Смолярова В.А. в журнале РАН "Энергетика" (№ 5, 2004 г.): "почти половина расходуемой в стране энергии не превращается в реальную продукцию". Фактически можно говорить о национальной добавке к высоким мировым ценам на нефть за счет низкого КПД промышленности в целом. В итоге, энергоемкость отечественного ВВП более чем в три раза превышает показатели технологически развитых стран. В экономическом смысле это означает, что наша продукция дороже продукции тех производителей, кто учитывает и экономит энергию.

В статье первого вице-президента Российской академии архитектуры и строительных наук Ильичева В.А. ("Строительство и бизнес", № 6 (34), июнь 2003 г.) приводятся сравнительные данные энергопотребления в жилых зданиях на единицу градусосуток в разных странах мира: в России в 1,9 раза больше, чем в США и в 2,5 раза больше, чем в Швеции. Добавим, что создание самой большой в мире системы централизованного теплоснабжения выразилось в том, что на жителя России приходится два погонных метра труб систем отопления и горячего водоснабжения ("батарея отопления в квартире и еще одна, вроде запасной, - на улице").

То есть, в нашей стране энергосбережение в ЖКХ - важный сектор национальной экономики, но до сих пор, к сожалению, "непрозрачный" сектор.

И еще один момент, который необходимо подчеркнуть: обеспечение бытовых энергетических потребностей требует планирования экономической ситуации региона на срок порядка одного отопительного сезона. Правильное планирование требует учета цен на энергоносители, транспорт ресурсов, ремонтные работы, оплату труда специалистов и многое другое. С другой стороны, энергетика ЖКХ дает возможность управлять огромными ресурсами и, при желании, манипулировать ими в интересах различных сторон. Например, новый жилой фонд потребует энергии для отопления. Производство киловатт-часа требует около 0,12 л бензина, то есть при цене литра бензина 12 руб. этот киловатт-час обойдется в 1,44 рубля. Электроэнергия, вроде бы дешевле, но мощности для ее производства надо создавать, а на пути сжигания угля встанут требования Киотского протокола. Пока самая дешевая сегодня в стране энергия - калория тепла по месту потребления. Но с переходом к 100% оплате услуг ЖКХ цены на тепловую энергию могут возрасти.

Как быть? Очевидное решение - учитывать и экономить ту энергию, которая уже сегодня доступна и расходуется.

Масштаб энергозатрат на отопление и вентиляцию жилых помещений

В нашей первой статье ("Строительство и Бизнес", октябрь 2004) было показано, что минимальный (полезный при оценках) расход тепла на отопление жилого помещения без учета затрат энергии на вентиляцию (кондиционирование воздуха) - около 10 Вт на м2 полезной площади помещения - по величине сравним с тепловыделениями бытовой техники в объеме помещения. Полезно указать, что тепловая мощность 11,4 Вт/м2 (что сравнимо с энергией, расходуемой на освещение помещения лампой накаливания) равносильна расходу энергии в размере 100 кВт-час на кв.м в год. Минимальные теплопотери определяются теплоотдачей с поверхности ограждающих конструкций за счет двух механизмов потери тепла: нагрева прилегающего к стене слоя воздуха и уноса нагретого воздуха воздушными потоками (ветром). Отметим, что минимальные теплопотери слабо зависят от числа градусосуток отопительного периода.

Оценка минимальных теплопотерь объясняет, помимо прочего, почему тeпло зимой в палатке: тепловой мощности тела даже спящего человека (около 100 Вт) вполне достаточно для обогрева объема палатки. Оценить мощность тела взрослого человека нетрудно: 2600 килокалорий питания в день эквивалентны мощности двигателя в 126,1 ватта.

Однако, как показал анализ обширной фактической информации, на практике на отопление расходуется в два-три раза больше энергии - 200-300 кВт х час/м2 х год и более. Пересчет данных, приведенных в вышеуказанной статье В.А. Ильичева, указывает на расход в среднем по стране 425 кВт х час/м2 х год.

Важнейшим потребителем тепловой энергии в нашем жилище является вентиляция.

Масштаб расхода энергии на вентиляцию был оценен в первой статье: в среднем за год около 300 Вт на жителя. Но при этом не была учтена влажность воздуха. Относительная влажность воздуха жилого помещения должна быть не менее 60%, то есть при температуре около 20 °С воздух помещения должен содержать в 1 кубическом метре не менее 10,4 грамма водяного пара. Но в воздухе уличной атмосферы, который мы закачиваем с улицы, содержится, при характерной для московского отопительного периода температуре -5°С, около 3,5 г водяного пара в каждом кубометре. Следовательно, надо добавлять 6,9 грамма водяного пара на каждый кубометр воздуха помещения.

Испарять воду - энергетически дорогой процесс. При комнатной температуре (20 °С, атмосферное давление) теплота испарения 1 грамма воды составляет около 582 калорий (точность определения теплоты испарения невелика) или 2440 Дж. Испарение грамма воды при комнатной температуре эквивалентно нагреву до температуры кипения (то есть на 80 градусов выше комнатной) более 7 г воды. Даже при температуре кипения (100 °С при атм. давлении) теплота испарения 1 грамма воды равна 539 ккал или 2260 Дж. Теплота паробразования становится равной нулю при критической температуре (374 °С для воды).

При коэффициенте воздухообмена, который часто принимают равным 1,0 в час (а международные нормы не позволяют иметь в жилых помещениях воздухообмен менее 0,5 (см. Компедиум ЕЭК..., 1992), требуется около 3 м3 нового воздуха на 1 м2 жилой площади в час, или каждый час в поступающий холодный уличный воздух мало добавлять 3 х 6,9 = 20,7 грамма водяного пара на кв. метр площади помещения, что обойдется в 50478,6 Дж. В пересчете на удельную мощность это 14,0 Вт/м2. Приведем такое сравнение: для обеспечения комфортной влажности в комнате площадью 10 м2 с поступлением совершенно сухого воздуха каждый час надо испарять кипячением стакан (207 г) воды. Присутствующий в помещении человек благодаря дыханию и испарению влаги с поверхности тела вносит в атмосферу помещения менее 1 г влаги на куб. м воздуха в час, таким вкладом можно пренебречь.

Подведем итог: отопление помещения без вентиляции требует в среднем за год не менее 10 Вт/м2 тепловой энергии, а расход энергии на вентиляцию состоит из двух практически равных компонент на единицу площади помещения: 1) нагрев воздуха - 14,8 Вт/м2, 2) обеспечение комфортной влажности - 14,0 Вт/м2. Надо понимать, что расходы на отопление неявно включают расходы на вентиляцию, однако среди работников ЖКХ бытует мнение, что отопление - это один расход энергии, а вентиляция - другой. Но энергетические оценки физических процессов показывают нам, что главная задача отопления - нагревать и насыщать водяным паром воздух помещения. Причем в формировании режима влажности в помещении участвует также система горячего водоснабжения, что требует специального анализа.

Учитывая, что жилое здание является открытой системой (требующей обмена воздухом с внешней средой), легко видеть, что лимитирующим фактором в системе отопления является вентиляция. Вентилирование помещения уличным воздухом требует расхода энергии (на подогрев и обеспечение влажности) порядка 30 Вт/м2, добавим к этому минимальный расход энергии на обогрев конструкции здания и получим 40 Вт/м2, или расход 350,64 кВт х час/м2 х год тепловой энергии. На VII Научно-практической конференции НИИСФ (2002 г.) специалистами отрасли приводилась цифра - 363 кВт х час/м2 х год (см. стр. 39-40 трудов Конференции). Приведенные выше данные Ильичева В.А. указывает на более высокое значение расходов тепла. На семинаре АО "Максмир" 20 марта 2001 г. в докладе Матросова Ю.А., Бутовского И.Н. было приведено как минимальное для многоквартирных жилых домов значение 350 кВт х час/м2 х год. Близость полученных разными методами результатов указывает на корректность анализа во всех случаях.

Полученная оценка имеет существенное значение для дискуссии о масштабах расхода тепловой энергии на отопление в России. Для страны в целом (располагающей 3 миллиардами кв.м жилой площади - 20 кв.м на жителя) можно принять подобную величину расхода в качестве обоснованной оценки (или оценки первого приближения), что эквивалентно расходованию 40 Вт/м2 х 20 м2 = 800 Вт (а реально, на практике - целого киловатта) тепловой мощности на каждого (включая детей и стариков) жителя России.

Правило "три по сто"

Полезно суммировать изложенное в виде простого для запоминания правила для климатических условий Москвы и Московской области (обладающих близкими климатическими параметрами - около 5000 ГСОП).

ИТАК:

  • около 100 кВт х час/м2 х год тепловой энергии требуется для обогрева конструкции здания, чтобы компенсировать кондуктивные теплопотери с поверхности ограждающих конструкций (контакт стен с холодным воздухом и ветровой унос тепла);

  • столько же требуется на нагрев воздуха, закачиваемого в отапливаемые помещения здания;

  • столько же требуется для увлажнения наружного воздуха при его закачивании в объем помещения.

Причем здесь уже нет упомянутой выше взаимозависимости при учете расходов энергии на отопление и вентиляцию, а последовательно рассматриваются стадии процесса отопления: обогрев конструкции здания, нагрев воздуха с малой влажностью и увлажнение теплого воздуха в помещении. Свой вклад в обеспечение влажности вносит также система горячего водоснабжения.

В результате:

Отопление стен и кондиционирование воздуха жилого помещения требует три по сто киловатт-часов энергии на каждый квадратный метр в среднем за год, что условно можно назвать так: "ПРАВИЛО "ТРИ ПО СТО". В других единицах - три раза по 11,4 ватта на каждый квадратный метр площади отапливаемого помещения в среднем за год.

Парадокс солнечной радиации

Очевидно, что регионы стараются совершенствовать нормы учета отопления в направлении энергосбережения. Детальный разбор приемов расчета форм расчета потребности жилого здания в тепловой энергии выполнен в статье Котина В.Я. "О нормах тепловой защиты зданий", опубликованной в журнале "Стены и фасады", № 3, 2001. Автор получает (в качестве первого приближения) цифры удельного расхода тепловой энергии порядка 130 кВт х час/м2 х год, но за вычетом теплопотерь на естественную вентиляцию и с учетом "бытовых теплопоступлений" и "теплопоступления от солнечной радиации". Если поступления тепла от тела самого жителя и бытовой техники поддаются оценке, то вопрос о солнечной радиации требует специального анализа.

Учет поступления в здание тепла за счет солнечной радиации предусмотрен СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий" (пункт 28 типового "Энергетического паспорта здания"). Неудивительно, что аналогичный подход применяется в региональных документах. Например, в МГСН 2.01-99 имеется таблица 3.5, в которой утверждается, что интенсивность суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, при действительных условиях облачности за отопительный период составляет 288 кВт х час/м2, или 32,9 Вт/м2.

Откуда могла взяться подобная цифра и насколько она обоснованна?

Роль солнечной радиации в теплосодержании поверхностного слоя грунтов и почв давно является предметом серьезной научной дискуссии.

В статье "Тепловой баланс Земли" БСЭ (т. 25, 1976) утверждается, что для широт 50-60° северного полушария радиационный баланс, или разность между поглощенной коротковолновой солнечной радиацией и длинноволновым эффективным излучением земной поверхности, составляет +29 ккал/см2 х год или +38,4 Вт/м2, где знак + означает перевес нагрева над охлаждением. Очевидно, из подобного подхода и из близких цифр исходили авторы МГСН 2.01-99.

В основу цитированной статьи в БСЭ положена методика Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (главного научного учреждения СССР в области метеорологии), но именно эта методика в 1970-е годы была поставлена под сомнение.

В книге Плахотника А.Ф. "Физическая океанология" (М., Недра, 1973) можно прочесть, что еще в 1970-е годы известный советский океанолог, ныне академик РАН, А. С. Монин подверг серьезной критике и саму теоретическую основу расчетов теплового баланса по методике ГГО. Его главным аргументом явилось то, что уравнение теплового баланса на земной поверхности само по себе не дает возможности рассчитывать температуру (воды, воздуха или почвы), а служит лишь краевым условием для уравнения переноса тепла, с помощью которого в принципе эта температура может быть рассчитана. По мнению А.С. Монина, "методы расчетов теплового баланса, принятые в ГГО, могут рассматриваться лишь как временный паллиатив при отсутствии количественной теории климата".

Сегодняшние данные геофизики и. климатологии позволяют считать, что использование в теплотехнических расчетах солнечной радиации в той форме, в какой это предлагается в документе МГСН 2.01-99 не имеет достаточного физического обоснования и не может быть положено в основу при расчете фактических затрат тепловой энергии для отопления жильце зданий.

Нормативные документы в строительстве и техническое регулирование

С 1 июля 2003 г. в стране вступил в силу закон № 184-ФЗ "О техническом регулировании". До 2010 г. должны быть написаны и приняты технические регламенты для всех отраслей, в том числе и для строительства. Климатическая безопасность зданий и сооружений должна быть включена в систему технического регулирования. В то же время конкретные теплофизические параметры элементов конструкций не могут быть предметам технического регулирования, здание должно оцениваться по энергоэффективности в целом. Только интегральная оценка здания укажет домовладельцу на необходимость реальных шагов в направлении энергосбережения и позволит понять, какие действия нужно осуществить.

Другая сторона, требующая контроля обеспечения безопасности - воздействия со стороны особых климатических ситуаций и геофизической среды: экстремальные значения температур, объема осадков, скорости ветра, контроль устойчивости грунтов: Свои требования по безопасности зданий также имеются у пожарных служб и органов санэпиднадзора.

Работа по анализу уже накопленных данных и выработке пригодных и устраивающих большинство нормативов по безопасности жилых зданий предстоит огромная и непростая.

ВЫВОДЫ:

  1. ЖКХ настойчиво требует реального энергосбережения - переход к 100% оплате стоимости тепловой энергии вызовет неприемлемый рост расходов населения. Расход 1 кВт тепловой мощности на жителя в год в пересчете на стоимость электроэнергии около 1 руб. за кВт-час (декабрь 2004) равносилен 8766 руб. в год на человека или 313 долл. США на каждого жителя, что для страны в целом (около ^145 млн. населения) дает 45 млрд. долл. США только на оплату тепловой энергии в ЖКХ (напоминаем - в пересчете на цены электроэнергии). Это - почти половина госбюджета страны! Учтите, что сколько-нибудь ощутимое решение жилищной проблемы в России (даже без роста численности населения) возможно только при удвоении площади жилого фонда.

  2. Энергосбережение в ЖКХ - перспективный и лакомый кусок для регионов, так как это позволит региону (фактически, губернаторам) контролировать огромные финансовые потоки. Масштаб возможного энергосбережения - порядка 1/3 стоимости энергии, или около 15 млрд. долл. США в год.

  3. Энергосбережение невозможно без учета и контроля расходования тепловой энергии. Однако пока не видно "хозяйствующего субъекта", которому такие учет и контроль были бы выгодны.

  4. В наших климатических условиях основной расход тепловой энергии - нагрев и кондиционирование воздуха для вентиляции помещений. Самое "дорогое" и неэффективное в наших жилищах - "форточная вентиляция" и дверные щели (негерметичность оконных и дверных проемов).

А.Н. ЗЕМЦОВ, канд. геол.-мин. наук, Институт истории естествознания и техники Российской академии наук
/газета "Строительство и Бизнес", №1 (53), январь 2005 г. /