Способ оценки общей энергоэффективности систем жизнеобеспечения здания или группы зданий

СПОСОБ ОЦЕНКИ ОБЩЕЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗДАНИЯ ИЛИ ГРУППЫ ЗДАНИЙ Изобретение относится к области энергосбережения при использовании всех видов энергоресурсов(электричество, тепло, газ, вода, иные энергоносители), получаемых системой жизнеобеспечения здания или группы зданий из централизованных распределительных систем или от других внешних источников, и направлено на более полный учет потерь при производстве, транспортировке и использовании потребителями всех энергоносителей при оценке общей энергоэффективности систем жизнеобеспечения здания или группы зданий. Способ заключается в определении характеристик источников различных видов энергии, систем ее доставки к потребителям и внутридомового потребления различных видов энергии, в установлении суммарных количеств энергии, затраченных на преобразование ее при производстве, на потери при транспортировке и при потреблении всех видов энергии (электричество, тепло, газ, вода), используемой для жизнеобеспечения здания (тепло-газо-электро и водоснабжение), полученной из наружных распределительных сетей, причем полученное общее суммарное количество потребляемой энергии, отнесенной к 1 м 2 общей площади здания, приводят к исходному расходу топлива(кг.у.т) или эквивалентному ему расходу энергии топлива (кВт), затраченному на выработку использованной в здании энергии, приходящейся на 1 м 2 общей площади здания, которые затем сравнивают с действующими нормативами.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: РЕСПУБЛИКАНСКОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ИНСТИТУТ ЖИЛИЩА - НИПТИС ИМ. АТАЕВА С.С." (BY) Изобретение относится к области энергосбережения при использовании всех видов энергоресурсов(электричество, тепло, газ, вода, иные энергоносители), получаемых системой жизнеобеспечения здания из централизованных распределительных систем или от других внешних источников. При этом получаемые энергоресурсы характеризуются разными свойствами и стоимостью. Известно много работ [1, 2 и др.], в которых рассматриваются различные вопросы энергосбережения в различных отдельно взятых зданиях. Однако даже для отдельного здания комплексного учета взаимодействия всех видов энергии с целью обеспечения энергоэффективности системы жизнеобеспечения не приведено. Известно предложение [3, с. 163-167] по расчету теплового баланса жилого массива энергоэффективной эксплуатации, в котором учитывается расход тепла на отопление и вентиляцию реконструированного (модернизированного) здания, а также расход тепла на горячее водоснабжение и потери тепла в модернизированных тепловых сетях. Это предложение принято за прототип. К недостаткам прототипа можно отнести отсутствие учета других носителей энергии (электричество, газ) и потери при их производстве, транспортировке и использовании потребителями. Задачами предлагаемого изобретения являются оценка расхода энергоносителей, затрачиваемых на выработку различных видов энергии, используемой для обеспечения системы жизнеобеспечения здания; учет потерь при получении и транспортировке различных видов энергии к потребителям. Поставленные задачи решаются достижением технического результата посредством предлагаемого способа оценки общей эффективности систем жизнеобеспечения здания или группы зданий, характеризующегося тем, что учитывают все источники разных видов энергии, потребляемой зданием, определяют количества энергии, полученные от каждого из источников энергии для всех видов энергоносителей, получаемых зданием из соответствующих наружных распределительных сетей, и суммарное количество энергии, кВт/м 2, получаемой от всех источников энергии всеми видами потребителей здания из наружных распределительных сетей, отнесенной к 1 м 2 общей площади здания; определяют потери и затраты энергии на транспортировку каждого вида энергоносителя от источника его получения до потребителей в здании, на основании которых определяют суммарное количество транспортных потерь энергии, кВт/м 2, получаемой всеми видами потребителей на 1 м 2 общей площади здания от всех видов энергоносителей, осуществляющих жизнеобеспечение здания; определяют количество потерь энергии на источниках преобразования энергии, соответствующих каждому из ее видов, и, далее, отнесенное к 1 м 2 общей площади здания суммарное количество потерь энергии, кВт/м 2, на источниках преобразования всех видов потребляемой энергии для всех потребителей здания; далее вычисляют общее суммарное количество Qo потребляемой на 1 м 2 общей площади здания энергии по формуле- суммарное количество энергии, получаемое всеми видами потребителей здания от всех видов энергоносителей из наружных распределительных сетей для нормативных условий жизнеобеспечения, приведенное к 1 м 2, кВтч/м 2;- суммарное количество транспортных потерь энергии, получаемой всеми видами потребителей здания от всех видов энергоносителей, приведенное к 1 м 2, кВтч/м 2;- суммарное количество потерь энергии на источниках преобразования всех видов 2 энергии для всех потребителей здания, приведенная к 1 м , кВтч/м 2;i = 1 n (n - количество видов энергоносителей или источников энергии, осуществляющих жизнеобеспечение здания);QГ - потребление энергии природного газа, кВтч/м 2; затем общее суммарное количество потребляемой зданием энергии Qo приводят к эквивалентному расходу исходного количества топлива, затраченного всеми источниками энергии на 1 м 2 общей площади здания, и, сравнивая с действующими нормативами, осуществляют оценку общей энергоэффективности систем жизнеобеспечения здания. Применительно к группе зданий по данному способу общее суммарное количество потребляемой энергии определяют в границах группы зданий (жилого массива) или района с общими источниками энергии и, приводя к эквивалентному расходу исходного количества топлива, затраченного всеми источниками энергии на энергоснабжение данной группы зданий, сравнивают с действующими нормативами и осуществляют оценку общей энергоэффективности систем жизнеобеспечения жилого массива. Достижение технического результата посредством предлагаемого способа оценки энергоэффективности системы жизнеобеспечения внутри здания, включающего характеристики источников различных видов энергии, систем ее доставки к потребителям и внутридомового потребления различных видов энергии и заключающийся в том, что потребление всех видов энергии (электричество, тепло, газ, вода),используемой для жизнеобеспечения здания (тепло-газо-электро и водоснабжение), полученной из наружных распределительных сетей приводят к исходному расходу топлива (кг.у.т) или эквивалентному ему расходу энергии топлива (кВт), затраченному на выработку использованной в здании энергии, приходящейся на 1 м 2 общей площади здания, которые затем сравнивают с действующими нормативами. Повсеместное использование в научно-технической литературе особенно за последние 10-15 лет слова "энергоэффективность" требует уточнения этого понятия, так как пока в справочной литературе приведены только общие фразы для характеристики этого понятия. Только в [3, с. 165] приведена конкретная характеристика энергоэффективной эксплуатации жилого массива, при которой "потребление тепловой энергии на отопление жилых домов и объектов соцкультбыта не превышает величин, установленных нормативами". Здесь учитывается только тепловая энергия на отопление, которая для жилых зданий обычно составляет менее половины годового потребления всех видов энергии в средних широтах(г. Минск, Беларусь). Поэтому предложение, приведенное в [3, с. 165], можно принять с учетом распространения его смысла на суммарный годовой расход всех видов энергии. В свою очередь "энергоэффективные нормативы" должны устанавливаться на базе техникоэкономического анализа расходов на строительство и эксплуатацию зданий, обеспечивающих энергоэффективную эксплуатацию. Поэтому такие нормативы должны постоянно отслеживаться и оперативно изменяться в зависимости от климатологических, ценовых и других факторов для конкретных регионов. В связи с уменьшением нормативов на потребление энергии многие относительно новые здания, построенные даже 5-10 лет назад, могут оказаться неэнергоэффективными, что должно расцениваться как нормальное явление. Однако энергоэффективность здания следует рассматривать как конечный элемент общей системы энергоснабжения, в которую включены магистральные и распределительные сети для доставки различных видов энергии к потребителю, а также производители всех видов потребляемой энергии - все производители энергии (котельные, ТЭЦ, электростанции и т.п.), а также сети для доставки всех видов энергии к потребителям. Следует учитывать, что производители энергии и сети для доставки всех видов энергии к потребителям функционируют с определенными к.п.д., от которых в существенной, а иногда решающей степени зависит общая энергоэффективность всей системы жизнеобеспечения жилых зданий. На необходимость учета коэффициентов, учитывающих потери тепла в тепловых сетях и эффективность систем вентиляции указано в [3, с. 166]. Здесь также необходимо добавить расход электроэнергии на прокачку теплоносителя в тепловых сетях и воздуха в квартирных теплообменникахрекуператорах воздух-воздух. Следует указать, что расход тепловой энергии необходимо расценивать гораздо ниже такого же расхода электрической энергии, которая вырабатывается с коэффициентом преобразования около 0,3 от топлива по сравнению с 0,8-0,9 для тепловой энергии. Также необходимо учитывать расход электроэнергии на очистку, создание давления и доставку водопроводной воды. В настоящее время наиболее употребимым показателем эффективности расхода тепла на отопление здания является его годовой расход, приведенный к 1 м 2 общей площади здания в кВтч/м 2. В соответствии с данным изобретением этот показатель следует применять и для всех видов энергоносителей при переводе их характеристик в соответствующую размерность. Если учесть зависимость энергоэффективности общей системы жизнеобеспечения здания от источников энергоснабжения, то в качестве показателя можно использовать килограмм условного топлива (кг.у.т.), соответствующего в старых технических единицах 7000 ккал, что эквивалентно 8,14 кВтч. Поэтому общим показателем энергоэффективности системы жизнеобеспечения в зданиях может служить расход исходного энергоносителя, называемого топливом, в кВтч/м 2 год или кг.у.т/м 2 год. Рассмотрим применение предлагаемого авторами способа оценки общей энергоэффективности систем жизнеобеспечения зданий через показатели энергоэффективности общей системы жизнеобеспечения на численном примере. Необходимо определить расход исходных энергоносителей, затрачиваемых на здания, включенные в жилой массив района. Вначале производят первичную оценку энергопотребления (энергоэффективности) здания раздельно по каждому из видов энергоносителей. Для этого определяют количества энергии QП.1, QП.2,QП.i в соответствии с каждым из ее видов или источников, где i = 1n - число видов энергии (электроэнергия,-2 024411 тепло, водопроводная вода, горючий газ и др.), получаемых зданием из соответствующих наружных распределительных сетей - электросети, тепловые сети, водопровод и газораспределительные сети. В случае бытового использования природного газа, который является готовым топливом, его приготовление и доставку можно не учитывать, так как они осуществляются за пределами общей системы жизнеобеспечения рассматриваемых объектов. Затем осуществляют количественную оценку энергоэффективности здания по суммарному количеству энергии, получаемой от всех видов энергоносителей (электричество, тепло, горючий газ, вода и др.) всеми видами потребителей здания из наружных распределительных сетей для нормативных условий жизнеобеспечения. Далее учитывают потери и затраты энергии QT.i на транспортировку каждого вида энергоносителя от источника его получения до потребителей в здании, на основании которых определяют- сумму транспортных потерь энергии, получаемой всеми видами потребителей здания от всех видов энергоносителей, где i = 1n - число видов энергоносителей или источников энергии (электроэнергия, тепло, водопроводная вода, горючий газ и др.), осуществляющих жизнеобеспечение здания. Последним действием является учет энергетического коэффициента преобразования энергии топлива в энергию применяемого для жизнеобеспечения здания теплоносителя. Часто этот коэффициент преобразования называют коэффициентом полезного действия. Для этого определяют количество потерь энергии QИ.i на каждом источнике преобразования энергии, соответствующем каждому из ее видов и,далее - сумму потерь энергии на источниках преобразования всех видов энергии для всех потребителей здания, где i = 1n - число источников преобразования энергии в соответствии с видами энергоносителей (электроэнергия, тепло, водопроводная вода, горючий газ и др.), необходимых для жизнеобеспечения здания. Каждую из величин приводят к 1 м 2 общей площади здания путем деления на ее величину. В целом, исходя из наличия основных видов энергообеспечения здания и соответствующих им источников - электроэнергия, тепло, водопроводная вода, горючий газ, количество энергии, потребляемой зданием из внешних распределительных энергосетей за год, отнесенное к 1 м 2 общей площади здания,определяется из выражения где QП.1 - годовое потребление электрической энергии бытовыми приборами (холодильник, телевизор, освещение, электроника и т.п.), квартирными и общедомовыми источниками расхода (квартирные и домовые вентиляторы теплообменников-рекуператоров воздух-воздух, насосы для обеспечения циркуляции теплоносителя в независимой системе отопления и т.п.), отнесенное к 1 м 2 общей площади,кВтч/м 2;QП.2 - годовое потребление тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение, отнесенное к 1 м 2 общей площади, кВтч/м 2;QП.3 - годовое потребление электрической энергии на водоснабжение, отнесенное к 1 м 2 общей площади, кВтч/м 2;QП.4 - годовое потребление энергии газа, отнесенной к 1 м 2 общей площади, кВтч/м 2. Здесь необходимо отметить, что возврат любого вида энергии за счет ресурсов самого здания (бытовые тепловыделения, рекуперация тепла отработанного воздуха, фотоэлементы для получения электротока, предварительный подогрев горячей воды теплыми стоками, использование дождевой воды и т.п.) уменьшает потребление энергии из наружных распределительных сетей. Однако в выражении (1) совершенно не учитывается различие в расходе природных энергоресурсов, затраченных на получение и транспортировку электричества и тепла к потребителю, а эта разница весьма существенна. Так, коэффициент преобразования на конденсационных электростанциях или ТЭЦ, работающих в этом режиме, составляет 1.10,25-0,30. Самые современные парогазовые электроагрегаты имеют 1.20,35-0,40. К ним приближаются относительно небольшие газо-поршневые электроустановки, которые обладают малой тепловой инерцией, что делает их удобное использование в качестве маневровых. При работе ТЭЦ в теплофикационном режиме коэффициент преобразования для теплоносителя си-3 024411 стемы централизованного теплоснабжения составляет 20,95-1,0. Коэффициент преобразования твердого топлива в энергию теплоносителя для малых котельных составляет примерно 2.10,75-0,85, для крупных районных котельных 2.20,85-0,9, а для котельных,работающих на газе, 2.20,9-0,95. Следует отметить, что современные квартирные отопители в оптимальном режиме дают коэффициент преобразования 2.30,9. Здесь не рассматриваются теплогенерирующие установки с 1 за счет частичного использования высшей теплоты сгорания (конденсация водяных паров, образующихся при сгорании углеводородов). Транспортные потери электроэнергии при доставке к потребителям составляют 2-3%, что соответствует коэффициенту полезного действия 10,97-0,98. Транспортные потери тепловой энергии при доставке потребителям по старым тепловым сетям достигали 15-20% и соответствовали коэффициенту полезного действия 20,8-0,85. При использовании современных предварительно изолированных труб к.п.д. транспортировки может составлять 30,93-0,96 в зависимости от ее протяженности. Транспортные потери электроэнергии для водопроводной воды при работе электроприводов насосов составляют около (1-2) кВтч/м 3 в зависимости от дальности транспортировки. В качестве примера для расчета общего энергопотребления и оценки общей энергоэффективности систем жизнеобеспечения примем двухкомнатную квартиру общей площадью S = 60 м 2, в которой проживает 3 человека, что примерно соответствует нынешней средней площади в 20 м 2 на 1 человека. Для расчета энергоемкости водопроводного водоснабжения принимаем суточный расход холодной воды 140 литров и горячей воды - 70 л, что, в общем, соответствует 210 л в сутки и примерно соответствует среднему потреблению. Энергоемкость 1 м 3 воды, доставленной потребителю, как правило, составляет (1-2) кВтч/м 3. Нагревание 210 л воды в сутки для трех человек примерно на 60 С требует затраты 14,62 кВтч на квартиру или 0,2442 кВтч/м 2, что за год составляет 89 кВтч/м 2. Годовой удельный расход энергии для подачи водопроводной воды при минимальной энергоемкости в 1 кВтч/м 3 составляет минимум 4 кВтч/м 2. Общебытовой (освещение, холодильник, телевизор и т.п.) расход электроэнергии легко определить по показаниям электросчетчиков, установленных во всех квартирах. Оказывается, при проживании в квартире 1 человека среднемесячный расход электроэнергии составляет примерно 80 кВтч, 2 человека 140 кВтч и 3 человека - 180 кВтч. Тогда среднегодовой удельный расход электроэнергии в расчетной квартире составляет примерно 36 кВтч/м 2. В случае применения теплообменников-рекуператоров, оборудованных двумя вентиляторами с электродвигателями по 20 Вт годовой удельный расход электроэнергии составляет около 5 кВтч/м 2. Средний удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию в старых зданиях,построенных по действующим до 2000 г. техническим нормативам, составляет около 100-120 кВтч/м 2. При строительстве по новым техническим условиям [4] среднегодовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию сокращен в 2 раза и не должен превышать 60 кВтч/м 2. В настоящее время среднегодовой расход природного газа на пищеприготовление по сравнению с былыми временами уменьшился примерно в 2 раза и составляет около 48 нм на 1 человека, что соответствует удельному расходу энергии при наличии 3 человек примерно 24 кВтч/м 2. Количество потерь энергии при транспортировке от источников производимой энергии в соответствии с видами энергоносителей (электроэнергия, тепло, водопроводная вода, горючий газ и др.) к потребителю, отнесенное к началу распределительной сети, определяют из выраженияi = 1 n (n - количество источников энергии в соответствии с видами энергоносителей). Аналогичным образом определяют потери энергии на источниках преобразования в процессе преобразования энергии топлива в необходимый вид энергии для жизнеобеспечения внутри здания где QП.i - количество преобразованной энергии i-м источником преобразования энергии;i - коэффициент преобразования энергии топлива в необходимый вид энергии;i = 1 n (n - количество источников преобразования энергии в соответствии с видами энергоносителей). Общее суммарное количество потребляемой энергии зданием, определяющее его энергоэффективность, определяют выражением- суммарное количество энергии, получаемое всеми видами потребителей здания от всех видов энергоносителей из наружных распределительных сетей для нормативных условий жизнеобеспечения, приведенное к 1 м 2, кВтч/м 2;- суммарное количество транспортных потерь энергии, получаемой всеми видами потребителей здания от всех видов энергоносителей, приведенное к 1 м 2, кВтч/м 2;- суммарное количество потерь энергии на источниках преобразования всех видов энергии для всех потребителей здания, приведенная к 1 м 2, кВтч/м 2;i = 1 n (n - количество видов энергоносителей или источников энергии, осуществляющих жизнеобеспечение здания);Qr - потребление энергии природного газа, кВтч/м 2. В таблице представлены результаты расчетов энергопотребления и оценки энергоэффекивности в упомянутой двухкомнатной квартире и потерь энергии при транспортировке и получении в наиболее используемых и современных генераторах электроэнергии и тепла. Примечание: здесь и далее в числителе средние годовые удельные расходы тепла в старых зданиях и наружных тепловых сетях старого типа в хорошем техническом состоянии; в знаменателе - то же после модернизации.в числителе средние годовые удельные расходы энергии. Потребление энергии природного газа для приготовления пищи учитывается отдельно вследствие его доставки без потерь системой газоснабжения. В случае использования кондиционера для охлаждения воздуха в летнее время необходимо учитывать дополнительный расход электрической энергии. Хотя в таблице приведены результаты расчетов ограниченного набора вариантов энергоснабжения жилой квартиры, но она позволяет сделать определенные выводы. Так, очевидно, энергопотребление для жизнеобеспечения в старой квартире является лишь частью(60%) затрат природных ресурсов, доля которых для новых, так называемых "энергоэффективных" квартир, источников энергии и транспортных систем несколько возрастает (65%). Реальная экономия энергоресурсов при нынешнем переходе к "энергоэффективным" зданиям пока составляет 13-14%, что явно недостаточно и указывает на необходимость экономии природной энергии по всем направлениям. В принятое в последнее время понятие "пассивный" дом, т.е. в среднегодовом исчислении не потребляющий энергии извне, необходимо включить учет всех видов потребляемой энергии. При этом ве-5 024411 дущую роль должны играть экономические факторы. Предлагаемое изобретение позволяет производить реальную оценку энергоэффективности зданий с учетом потерь во всей системе энергоснабжения и выбирать наиболее эффективные мероприятия для энергосбережения. Источники информации 1. Прохоров, В. И. Проблема единства технологической эффективности, энергосбережения и экологической чистоты в инженерных системах жизнеобеспечения / В. И. Прохоров // Сборник докладов IV научно-практической конференции "Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях". М.: НИИСФ, 1999. С. 11-36. 2. Табунщиков, Ю. А. Энергоэффективные здания / Ю. А. Табунщиков, М. М. Бродач, Н. В. Шилкин. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003. 200 с. 3. Пилипенко, В. М. Комплексная реконструкция индустриальной жилой застройки / В. М. Пилипенко. Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2007. 280 с. 4. Миненков, А. В. Республиканская программа энергосбережения на 2011-2015 годы / А. В. Миненков // Материалы конференции "Энергоэффективное строительство в Республике Беларусь: Современные технологии энергосбережения". Мн., 2011. С. 1-6. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ оценки общей эффективности систем жизнеобеспечения здания или группы зданий, характеризующийся тем, что учитывают все источники разных видов энергии, потребляемой зданием, определяют количества энергии, полученные от каждого из источников энергии для всех видов энергоносителей, получаемых зданием из соответствующих наружных распределительных сетей, и суммарное количество энергии, кВтч/м 2, получаемой от всех источников энергии всеми видами потребителей здания из наружных распределительных сетей, отнесенной к 1 м 2 общей площади здания; определяют потери и затраты энергии на транспортировку каждого вида энергоносителя от источника его получения до потребителей в здании, на основании которых определяют суммарное количество, кВтч/м 2, получаемой всеми видами потребителей на 1 м 2 общей транспортных потерь энергии площади здания от всех видов энергоносителей, осуществляющих жизнеобеспечение здания; определяют количество потерь энергии на источниках преобразования энергии, соответствующих каждому из ее видов, и, далее, отнесенное к 1 м 2 общей площади здания суммарное количество потерь энергии, кВт/м 2, на источниках преобразования всех видов потребляемой энергии для всех потребителей здания; далее вычисляют общее суммарное количество QO потребляемой на 1 м 2 общей площади здания энергии по формуле- суммарное количество энергии, получаемое всеми видами потребителей здания от всех видов энергоносителей из наружных распределительных сетей для нормативных условий жизнеобеспечения, приведенное к 1 м 2, кВтч/м 2;- суммарное количество транспортных потерь энергии, получаемой всеми видами потребителей здания от всех видов энергоносителей, приведенное к 1 м 2, кВтч/м 2;- суммарное количество потерь энергии на источниках преобразования всех видов энергии для всех потребителей здания, приведенное к 1 м 2, кВтч/м 2;i = 1, , n (n - количество видов энергоносителей или источников энергии, осуществляющих жизнеобеспечение здания);QГ - потребление энергии природного газа, кВтч/м 2; затем общее суммарное количество потребляемой зданием энергии QO приводят к эквивалентному расходу исходного количества топлива, затраченного всеми источниками энергии на 1 м 2 общей площади здания, и, сравнивая с действующими нормативами, осуществляют оценку общей энергоэффективности систем жизнеобеспечения здания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что общее суммарное количество потребляемой энергии определяют в границах группы зданий (жилого массива) или района с общими источниками энергии и, при-6 024411 водя к эквивалентному расходу исходного количества топлива, затраченного всеми источниками энергии на энергоснабжение данной группы зданий, сравнивают с действующими нормативами и осуществляют оценку общей энергоэффективности систем жизнеобеспечения жилого массива.