Оптимизация энергопотребления индивидуальных жилых зданий

УДК 699.86

Н.Н. Осипова, Н.С. Рогова

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ

ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Представлены результаты технико-экономических исследований по оптимизации энергопотребления индивидуальных жилых зданий при использовании газового топлива (сжиженного углеводородного газа) на коммунально-бытовые нужды. Получены оптимальные значения сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций, доказана целесообразность повышения уровня тепловой защиты, определено энергопотребление зданий в зависимости от вида газоиспользующего оборудования у потребителя и режимов его эксплуатации.

Сжиженный углеводородный газ, сопротивление теплопередаче, энергопотребление

N.N. Osipova, N.S. Rogova OPTIMIZATION OF ENERGY CONSUMPTION OF INDIVIDUAL RESIDENTIAL BUILDINGS

The article presents the results of feasibility studies for optimizing energy consumption of individual residential buildings in use fuel gas (LPG) on public utility needs. Authors obtained the optimum values of resistance are ploperedache-walling, the expediency of raising the level of thermal protection, energy consumption of buildings is determined depending on the type of gas-powered equipment at the consumer and its modes of exploitation.

Liquefied petroleum gas, resistance to heat, power consumption

В настоящее время на территории Российской Федерации имеется значительное количество регионов и областей, не имеющих природного сетевого газа: Алтайский и Красноярский края, Читинская, Амурская и Омская области, республики Карелия и Бурятия и т.д. В значительной степени сложившаяся ситуация обусловлена удаленностью этих регионов от газовых месторождений и магистральных газопроводов, отсутствием крупных промышленных центров и малой плотностью населения. Аналогичная ситуация сохраняется и на обозримую перспективу. Отсутствие сетевого газа и невозможность прокладки магистральных газопроводов в перспективе предопределяют широкое развитие в этих регионах альтернативных сервисных источников топливно-энергетических ресурсов на базе сжиженного углеводородного газа (СУГ). Применение сжиженного углеводородного газа в качестве энергоносителя для технологических установок, а также бытовых и хозяйственных нужд, в полной мере отвечает социальным, экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям потребителей.

Сложившаяся практика газопотребления показывает, что СУГ может использоваться на коммунально-бытовые нужды (пищеприготовление, включая приготовление кормов для домашних животных, горячее водоснабжение и отопление). Вид газоиспользующего оборудования у потребителя и режимы его эксплуатации определяют годовое

энергопотребление здания, при этом большая доля газа используется для покрытия отопительной нагрузки. В свою очередь, отопительную нагрузку определяют габариты зданий, технические характеристики ограждающих конструкций и уровень их теплозащиты, а также климатические условия эксплуатации [1].

Уменьшение последней составляющей энергозатрат для жилых зданий возможно внедрением ряда энергосберегающих мероприятий, главным из которых является повышение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций до уровня, определяемого на основании технико-экономических расчетов. Однако большинство проводимых исследований справедливо для высотных зданий с централизованным снабжением энергетическими ресурсами, в то время как жилые здания сельских населенных пунктов, удаленных от магистралей природного сетевого газа и использующих в качестве источника производства тепловой энергии сжиженный углеводородный газ, остаются без должного внимания [2, 3]. Высокая стоимость сжиженного углеводородного газа, его транспортировки, доставки потребителю и регазификации определяет значительные вложения материальных ресурсов в создание и обеспечение теплового режима помещений [4]. В этой связи оптимизация энергопотребления жилыми зданиями является весьма актуальной задачей.

В качестве целевой функции задачи примем удельные приведенные затраты в систему обеспечения теплового режима помещения (СОТРП) в расчете на 1 м2 ограждающей конструкции здания З, руб/(год-м2) [5]:

З = ЕК + И = min,

где К - капитальные вложения в СОТРП, руб/(год-м2); Е - коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год [6]; И - расходы по эксплуатации СОТРП, руб/(год-м2).

Капитальные вложения в СОТРП в расчете на 1 м2 ограждающей конструкции здания определяются по выражению

Л

- + к,.

п (t -1 ) К = I кКл 5 К, + кут 5 ут +— (в » У

2=1

К, К, ' “ут^ут ' с с

К + I — + — + К»

в 4—^ Л Л »

2=1 1 К,2 1 ут

к ^:

\ прио\ приб в у J

где кк,2, кут - удельные капитальные вложения в сооружение 1-го конструктивного слоя и утепляющего слоя ограждения, руб/м3; 5к,г-, 5ут - толщина 1-го конструктивного слоя и утепляющего слоя ограждения, м; кот, кк - удельные капитальные вложения в нагревательные приборы и в отопительный котел системы отопления соответственно, руб/м2; кприб - коэффициент теплопередачи нагревательных приборов, Вт/(м2-°С); и -расчетная температура наружного воздуха, °С; tв - расчетная температура воздуха в помещении, °С; ириб - средняя температура воды в нагревательных приборах, °С; Кв, К» -сопротивление тепловосприятию (теплоотдаче) внутренней (наружной) поверхности ограждения, (м2°С)/Вт; Хк,г- - теплопроводность материала 1-го конструктивного слоя ограждения, Вт/(м-°С).

Расходы по эксплуатации СОТРП находятся по выражению

С 1

тт тг тг суг от .п\ в ср .от .п / ( Ч |

И = т К + К +------------------у--------- —р----------------------------,

т огр огр т от от о С

(К в + I ^ + 1^ + к »)й»л к

2=1 1 К, 2 1 ут

где фогр, фот - доля годовых отчислений на эксплуатацию ограждения и отопительной системы соответственно, 1/год [4]; ссуг - стоимость сжиженного углеводородного газа, руб/кг [4]; 1 отп - продолжительность отопительного периода, ч/год; tсротп - средняя

температура наружного воздуха за отопительный период, °С; Q» - низшая теплота

сгорания сжиженного углеводородного газа, Вт-ч/кг; лк - коэффициент полезного действия котла.

Преобразование выражений (2 и 3), и последующая подстановка в уравнение (1) определяет исходную целевую функцию задачи, имеющей вид функционала:

З = I

Минимальной величине затрат Зт2п в систему обеспечения теплового режима помещения соответствует оптимальная толщина утеплителя 5°урТ при оптимальном

сопротивлении теплопередаче ограждающей конструкции Я0Р‘.

В целях практической реализации экономико-математической модели (1) - (4) были проведены соответствующие расчеты.

1. В качестве объектов разработки приняты усадебные здания с жилой площадью Е = 81 м2.

2. Влияние климатических условий учитывалось варьированием расчетов по климатическим зонам эксплуатации зданий: умеренно-теплая зона (представительный пункт

- г. Краснодар) и холодная зона (представительный пункт - г. Екатеринбург).

3. Конструкции наружной стены, перекрытия с холодным подвалом и перекрытия с чердаком приняты с утеплителем - минераловатные плиты.

Результаты проведенных расчетов приводятся в табл. 1.

Анализ табл. 1 показывает, что предлагаемое авторами оптимальное сопротивление теплопередаче во всех климатических зонах эксплуатации зданий существенно (в 1,4 - 1,9 раза) превышает нормативные значения. Данное обстоятельство вполне закономерно из-за высокой стоимости используемого энергоресурса (сжиженный углеводородный газ) и вскрывает дополнительные резервы энергосбережения в части энергопотребления жилыми зданиями.

Таблица 1

Значения сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций

Сопротивление теплопередаче ограждений, м2К/Вт Климатическая зона эксплуатации ограждающей конструкции

умеренно-теплая холодная

наружная стена

по условиям энергосбережения, согласно [7] 2,23 3,4

оптимальное Я0У^ 3,53 5,32

перекрытие над холодным подвалом

по условиям энергосбережения, согласно [7] 2,97 4,47

оптимальное рпхп 1к0,орі 4,25 6,72

перекрытие с чердаком

по условиям энергосбережения, согласно [7] 2,97 4,47

оптимальное Я^У^ 5,13 7,03

оконное заполнение

по условиям энергосбережения, согласно [7] 0,33 0,58

оптимальное Я0кур( 0,65 0,8

Для оценки целесообразности предлагаемых решений по повышению тепловой защиты ограждающих конструкций здания определим срок окупаемости дополнительных капитальных вложений в указанные мероприятия при изменении сопротивлений теплопередаче ограждений с требуемого сопротивления по условиям санитарной гигиены, Я0р до значений, рекомендуемых авторами Я0 ( [7]:

АК - КЯтр

I =АК = ^------------------------------------------------^,

АИ ИЯтр - ИЯ

л0 Я0,ург

где К ,К тр - капитальные вложения в СОТРП при соответствующих значениях

Я0,ур1 Я0

сопротивлений теплопередаче ограждений, руб/м2; И , И - расходы по

я0 ,ург я0

эксплуатации СОТРП при тех же условиях, руб/год-м2.

Обозначим через АК1 и АК2 абсолютную погрешность определения капитальных вложений по сравниваемым вариантам ограждений, а через АИ1 и АИ2 - погрешность определения эксплуатационных расходов. Тогда:

1) погрешность определения разности капитальных вложений, руб/м2:

АК = +7АК,2 +АК22 ,

2) погрешность определения разности эксплуатационного расходов, руб/год-м2:

АИ = ±л/аЯ12 + АИ22 ,

Погрешность определения срока окупаемости дополнительных капитальных вложений определяется по формуле

К, - К 2 № = +- 1 2

АК

Л

2

+

АИ

,  • (8) И2 - И,Ч " " ' '

Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений с учетом погрешности исчисления затрат составляет, I ± А1, лет, в том числе:

1) на верхней границе, лет: I = I + А1;

2) на нижней границе, лет: I = I - А1.

Диапазон от I до I характеризует зону экономической неопределенности, внутри которой все значения срока окупаемости равновозможны. Целесообразность реализации варианта с повышенными капитальными вложениями (вариант ограждения с повышенной теплозащитой) отвечает условию I0 > I , где 20 - предельный срок окупаемости капитальных вложений, принимаемый равным, Z0=10 лет.

Согласно выражениям (5) - (8) были проведены соответствующие расчеты по определению срока окупаемости дополнительных капитальных вложений в повышение тепловой защиты ограждающих конструкций здания. Результаты расчетов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений в повышение тепловой защиты ограждающих конструкций здания

2

Климатическая зона эксплуатации ограждающих конструкций Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений I ± А! , лет

на верхней границе затрат 7 +А2 на нижней границе затрат 7-А7

наружная стена

умеренно-теплая 2,12 0,78

холодная 4,12 2,66

перекрытие над холодным подвалом

умеренно-теплая 9,74 5,12

холодная 7,8 5,13

перекрытие с чердаком

умеренно-теплая 4,41 2,79

холодная 3,93 2,85

оконное заполнение

умеренно-теплая 9,88 8,8

холодная 6,88 5,2

Как видно из табл. 2, повышение сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций до значений, рекомендуемых авторами, экономически оправданно. Условие 10 > I + АZ определяет целесообразность реализации варианта с повышенными капитальными вложениями.

Годовое энергопотребление определяется годовым расходом газа, который, в свою очередь, для здания усадебного типа оптимальной конфигурации, кг/год, определяется по формуле [6]:

26,4а(ї - ї )%

’ ' в ср.о.п./ о

. . О ср.о.п.

& год & год,пг & год,гв ^н

бЛ 2о

(0,82Ь 0,18Ь 0,9а2 0,9а2 Л

- + —-----+ —-------+ -

.... ... ........

'^р'\к~от ^ Я0,ор1 Я0,ор1 Я0,ор1 Я),ор1 у

где gгодпг, gгодгв - годовой расход газа на пищеприготовление и горячее водоснабжение здания, соответственно, кг/год [8]; а, Ь - линейные размеры ограждающих конструкций здания, м; 2от - продолжительность периода натопа в сутки, ч; ЯСтор1, Я0*ор, Я^, Я™ор1-

оптимальные сопротивления теплопередаче стены, оконного заполнения, перекрытия с холодным подвалом, перекрытия с чердаком соответственно, Вт/м20С (табл. 1).

Для определения величины годового энергопотребления с учетом р езультатов экономико-математических исследований (табл. 1) были проведены соответствующие расчеты. В качестве исходных предпосылок для расчета использовались следующие данные:

1. Объекты газоснабжения: здания усадебные с жилой площадью Е = 81 м2; коттеджные с жилой площадью Е = 162 м .

2. Сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций приняты: в

соответствии с рекомендациями [7] и в соответствии с рекомендациями авторов, представленных в табл. 1.

3. В качестве газоиспользующих установок приняты: газовые плиты, газовые проточные водонагреватели, газовые отопительные котлы и газовые отопительные печи.

4. Эксплуатация газовых отопительных печей предусмотрена в двух вариантах: в условиях периодического натопа; в условиях непрерывного горения.

Результаты расчетов приводятся в табл. 3.

Таблица 3

Расчет энергопотребления индивидуальными жилыми зданиями

Характеристика объекта газоснабжения Годовой расход газа, &год, кг/ год Годовое энергопотребление, Огод , МВт ч/год

согласно согласно согласно согласно

рекомендац рекомендаци рекомендац рекомендациям

иям [7] ям табл. 1 иям [7] табл.1

Усадебные здания;

газовые плиты и печи 2349,6 1525 31,42 20,39

(котлы) непрерывного действия 1237,1 726 16,54 9,71

Характеристика объекта газоснабжения Годовой расход газа, &год, кг/ год Годовое энергопотребление, Огод , МВт ч/год

согласно рекомендац иям [7] согласно рекомендаци ям табл. 1 согласно рекомендац иям [7] согласно рекомендациям табл.1

Усадебные здания; газовые плиты, газовые печи периодического действия 3133 1644,3 2013 974 41,90 21,99 26,92 13,03

Коттеджные здания, газовые плиты, водонагреватели и газовые отопительные котлы 4050 2102,5 2625 1237 54,17 28,12 35,11 16,54

Примечание к табл. 3: в числителе холодная климатическая зона; в знаменателе -умеренно - теплая климатическая зона.

Вывод

На основе разработанной экономико-математической модели доказано, что адекватное повышение тепловой защиты индивидуальных жилых зданий приводит к значительной экономии газового топлива. Годовое энергопотребление зданий снижается при любом виде газового оборудования и режимах его использования, при этом экономия газа составляет до 70%. Реализация мер по увеличению значений сопротивлений теплопередаче позволит значительно повысить экономичность систем газоснабжения сельских населенных пунктов и обеспечить доступность газового топлива для населения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курицын Б.Н. Технико-экономическое обоснование систем газоснабжения на базе резервуарных установок сжиженного газа / Б.Н. Курицын, Н.Н.Осипова // Вестник гражданских инженеров. СПб.: СПбГАСУ, 2010. №1(22). С. 134-141.

2. Самарин О.Д. Теплофизические и технико-экономические основы теплотехнической безопасности и энергосбережения в здании / О. Д. Самарин. М.: МГСУ, 2007. 158 с.

3. Табунщиков Ю.А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий // Ю.А. Табунщиков, М.М. Бородач. М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. 194 с.

4. Курицын Б.Н.Системы снабжения сжиженным газом: учеб. пособие / Б.Н. Курицын. Саратов: СПИ, 1992. 196 с.

5. Осипова Н.Н. Оптимизация тепловой защиты зданий в условиях динамики

стоимости энергоресурсов / Н.Н. Осипова // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура.

Волгоград: ВГАСУ, 2010. №18(37). С. 98-104.

6. Курицын Б.Н. Технико-экономическая оптимизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха: учеб. пособ. / Б.Н. Курицын, Н.Н. Осипова. Саратов: СГТУ, 2009. 78 с.

7. СП 42-101-2003. Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб. М.: ФГУП ЦПП, 2004. 108 с.

8. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. Введ. 2003-10-01. М.: ФГУП ЦПП, 2003. 23 с.

Осипова Наталия Николаевна -кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета

Рогова Нина Сергеевна -магистрант кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 01.11.10, принята к опубликованию 15.11.10