Статья: Многокритериальное оценивание и анализ системной энергоэффективности малоэтажной жилой застройки

Многокритериальное оценивание и анализ системной энергоэффективности малоэтажной жилой застройки

В.И. Немченко,

М.В. Посашков Немченко Владимир Иванович - к.т.н., доцент.

Посашков Михаил Викторович - аспирант.

Аннотация

Предложен индикаторный подход к оценке энергетической эффективности домов различного назначения. Представлены результаты системного анализа теплофизических характеристик домов. По результатам проведенного математического анализа энергетической эффективности малоэтажной жилой застройки даны рекомендации по повышению теплозащитных свойств жилых домов. Проведена оценка сравнительной эффективности домов по интегральному энергопотреблению.

Ключевые слова: системный анализ, энергетический паспорт здания, удельный расход тепловой энергии на отопление дома, DEA-методика, математическая модель, весовой коэффициент, сравнительная эффективность. дом энергетический теплофизический

Значительный потенциал энергосбережения сосредоточен в жилищном фонде, и его величина составляет до четверти энергоемкости ВВП РФ [1]. Эксплуатационное энергопотребление существующих жилых и общественных зданий в России в несколько раз превышает аналогичные показатели в европейских странах со сходными природно-климатическими характеристиками. Ежегодный прирост энергоэффективных жилых и производственных зданий за счет нового строительства не превышает 1% от существующих площадей [1], поэтому основной потенциал энергосбережения содержится в эксплуатационной сфере и может быть реализован посредством реконструкции и санации действующих основных фондов.

В зависимости от соотношения удельного расчетного расхода тепловой энергии на отопление и удельного нормативного расхода тепловой энергии дома по энергоэффективности подразделяются на пять классов. Нормативные значения удельных расходов тепловой энергии строящихся и реконструируемых домов содержатся в федеральных и территориальных правилах: СНиП 22-02-2003 "Тепловая защита зданий" [2] и ТСН 23-349-2003 "Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий" [3]. Разработка раздела рабочего проекта "Энергоэффективность" и его составной части "Энергетический паспорт" и установление класса по энергоэффективности на стадии проектирования новых и капитального ремонта жилых домов являются обязательными. Классы энергоэффективности домов, находящихся в эксплуатации, следует устанавливать по данным измерения энергопотребления за отопительный период согласно ГОСТ 31168-2003 "Здания жилые. Метод определения удельного потребления тепловой энергии на отопление" [4]. Большинство домов, особенно старой постройки, не имеют энергетических паспортов. Паспортизация эксплуатируемых домов требует выполнения теплотехнических расчетов, подготовка которых требует значительных временных и финансовых затрат. С другой стороны, экспериментальное определение удельного расхода тепловой энергии практически возможно, но связано с необходимостью организации и проведения значительного объёма натурных измерений на больших временных интервалах (от двух недель до трех месяцев) [4].

В настоящей работе поставлена задача разработки инженерной методики оперативной оценки энергоэффективности домов, на основе которой возможно проведение ранжирования объектов по классам энергоэффективности, определение очередности и объемов реконструкции объектов массового жилищно-гражданского строительства. Решение поставленной задачи рассмотрим на примере малоэтажной застройки комплекса жилых и хозяйственных зданий, состоящего из пятнадцати домов. Отопление домов осуществляется индивидуальными газовыми котлами, бытовое газоснабжение - газовыми плитами. Применим индикаторный подход к оценке сравнительной эффективности домов по потреблению тепловой энергии на отопление.

На первом этапе проведем анализ энергетических характеристик дома-индикатора с учетом климатических показателей региона. Для принятого архитектурно-планировочного решения здания подбирались ограждающие конструкции отдельных элементов (наружных стен, окон, дверей, чердачного перекрытия, полов и подвалов), у которых приведенное сопротивление теплопередаче было бы равно или выше нормативного для данного типа конструкции в соответствии с рекомендациями [2,3].

Расчет потребности в тепловой энергии на отопление дома-индикатора (в табл. 1 - Дом 1) за отопительный период проводился по соотношению [4]

(1)

где Qh = 141 289 МДж - общие теплопотери дома через наружные ограждающие конструкции; Qint = 51 016 МДж - бытовые теплопоступления в течение отопительного периода; Qs = 34 620 МДж - теплопоступления через окна и фонари от солнечной радиации в течение отопительного периода; v = 0,8 - коэффициент снижения теплопоступлений за счет тепловой инерции ограждающих конструкций дома; = 1 - коэффициент эффективности авторегулирования подачи теплоты в системах отопления для однотрубной системы отопления с термостатами и с авторегулированием; h = 1,05 - коэффициент для зданий с квартирными генераторами тепла, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления, связанное с дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, их дополнительными теплопотерями через зарадиаторные участки ограждений, повышенной температурой воздуха в угловых помещениях.

Согласно [4] удельные расходы тепловой энергии на отопление многоэтажных жилых домов на квадратный метр qhdes, кДж/(м 2С сут) и на кубический метр qhvdes, кДж/(м 2С сут) определяются зависимостями:

(2)

(3)

где Ah - отапливаемая площадь, м 2; Vh - отапливаемый объем, м 3; Dd = 5126 °C·cут - градусо-сутки отопительного периода [3].

Расчетное значение удельного расхода тепловой энергии для дома-индикатора, вычисленное по формуле (2), составляет qhdes = 86 кДж/(м 2С сут). Нормативное значение удельного расхода тепловой энергии для зданий малоэтажной застройки (до 4-х этажей) [4] равно qhreq = 126 кДж/(м 2С сут) [4]. Отклонение расчетного значения удельного расхода тепловой энергии дома от нормативного составляет минус 32%, и согласно [4] дом-индикатор относится к зданиям с высоким классом энергоэффективности - класс B.

На втором этапе проводился сбор данных по пятнадцати домам (Дом 2 - Дом 16) малоэтажной жилой застройки. Исходные данные представлены в табл. 1.

Таблица 1

Объемно-планировочные и энергетические характеристики домов

На третьем этапе для проведения оценки сравнительной энергоэффективности группы зданий (Дом 2 - Дом 16) по сравнению с домом-индикатором (Дом 1) применялся метод многокритериального оценивания сравнительной эффективности - Data Envelopment Analysis (DEA) [5]. Для этого была построена модель энергоэффективности отопления дома в виде структурной схемы, представленной на рис. 1, а. В качестве входного параметра принята тепловая энергия на отопление X11, а в качестве выходных параметров взяты отапливаемая площадь Y10; жилая площадь Y11 и отапливаемый объем Y12.

С учетом входных (X11) и выходных характеристик (Y10, Y11, Y12) целевая функция максимизируемого функционала энергоэффективности отопления для этой модели сконструирована в виде:

(4)

где u10n, u11n, u12n - положительные весовые коэффициенты выходных параметров;

v11n - положительные весовые коэффициенты входных параметров; n = 1, 2…, 16.

аб

Рис. 1. Структурные модели энергоэффективности дома:

а - отопления; б - интегрального энергопотребления;

X1 - расход газа; X2 - расход холодной воды; X3 - расход электроэнергии; X11 - тепловая энергия на отопление; Y2 - число жильцов; Y10 - отапливаемая площадь; Y11 - жилая площадь; Y12 - отапливаемый объем

Значения величин показателей эффективности в методе DEA отыскиваем для каждого объекта путем максимизации искомого показателя на множестве значений весов входных и выходных показателей, принадлежащих области определения G [5]. Область G определяется следующей системой ограничений на весовые коэффициенты u10n, u11n, u12n, v11n; n = 1, 2…, 16:

(5)

Определение DEA-оценок сводится к решению оптимизационных задач нелинейного программирования (4), (5). На рис. 2 приведены рассчитанные по (4), (5) показатели сравнительной эффективности отопления домов. Максимальное значение относительной энергоэффективности в соответствии с примененным методом многокритериального оценивания равно 1.

Видно, что наибольшую энергоэффективность по удельному расходу тепловой энергии на кв. м отапливаемой площади и по многокритериальному оцениванию по четырем показателям по DEA-методике имеют дом-индикатор (Дом 1), а также один из группы рассматриваемых пятнадцати домов (Дом 2). Отметим также, что по удельному расходу энергии на куб. м отапливаемого объема Дом 2 также является наилучшим среди пятнадцати домов проанализированной группы, но он хуже по этому показателю, чем дом-индикатор (Дом 1). В целом проведенное многокритериальное оценивание по DEA-методологии показывает, что обобщенные DEA-оценки достаточно близки с традиционно применяемыми показателями энергоэффективности - относительными удельными расходами тепловой энергии на отопление на квадратный метр qhdes и на кубический метр qhvdes. Для четырех домов (Дома 1, 3, 7, 14) все три показателя энергоэффективности совпадают между собой, для других 12 домов обобщенные DEA-оценки fn являются средневзвешенными по отношению к этим показателям. Отметим, что в российских стандартах [3, 4] оценку энергоэффективности многоэтажной застройки рекомендуется проводить по показателю qhdes, а в европейском нормативе PN-91/B-02020 "Тепловая защита зданий" - по показателям qhdes и qhvdes одновременно. Поэтому предложенная методика может быть использована обоснованием применения показателей qhdes и qhvdes для оценки сравнительной энергоэффективности домов малоэтажной застройки.

Рис. 2. Оценка сравнительной энергоэффективности отопления домов:

1 - по удельному расходу тепловой энергии на кв. м; 2 - по удельному расходу тепловой энергии на куб. м; 3 - по показателю f отопления DEA-методики

В табл. 2 представлены результаты анализа домов малоэтажной застройки по показателю сравнительной энергоэффективности отопления. Предложена классификация домов по показателю энергоэффективности отопления. Для каждой группы сформулированы рекомендации по повышению уровня энергоэффективности.

Применим индикаторный подход к оценке сравнительной энергоэффективности малоэтажной застройки по интегральному энергопотреблению домов. Модель энергоэффективности интегрального энергопотребления дома представлена в виде структурной схемы (рис. 1, б). В качестве входных параметров рассматривались: расход газа X1, расход холодной воды X2, расход электроэнергии X3, а в качестве выходных параметров - отапливаемая площадь Y10; число жителей Y2. В качестве исходных значений использовались данные табл. 1.

Таблица 2

Результаты оценки энергоэффективности малоэтажной застройки

Расчет сравнительной энергоэффективности проведен по алгоритму, рассмотренному выше. На рис. 3 представлены результаты оценки сравнительной энергоэффективности зданий по показателю f отопления и показателю f интегрального энергопотребления. Видно, что численные значения показателей энергоэффективности для соответствующих домов различны для разных моделей. Вторая модель дает более полное представление о энергоэффективности дома и актуальна в условиях рыночной экономики.