Разработка технико-экономических алгоритмов расчета для калькуляторов инженерных систем

УДК 697
ББК 38.762
          М47

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ

Рецензенты:
доктор технических наук М.Н. Чекардовский, профессор кафедры  
теплогазоснабжения и вентиляции Тюменского индустриального университета;
кандидат технических наук С.А. Тихомиров,  
доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции Национального исследовательского 
Московского государственного строительного университета (НИУ МГСУ)

Монография рекомендована к публикации научно-техническим советом НИУ МГСУ

Мелехин, А.А.

М47  
Разработка технико-экономических алгоритмов расчета для калькуляторов 

инженерных систем [Электронный ресурс] : монография / А.А. Мелехин ; Министерство 
науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный 
исследовательский Московский государственный строительный университет, 
кафедра теплогазоснабжения и вентиляции. — Электрон. дан. и прогр. 
(8,5 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2021. (Библиотека научных 
разработок и проектов НИУ МГСУ). — Режим доступа: http://lib.mgsu.ru/. — 
Загл. с титул. экрана. 

ISBN 978-5-7264-2920-5 (сетевое)
ISBN 978-5-7264-2921-2 (локальное)

В монографии рассмотрены технико-экономические алгоритмы расчета для калькуляторов 
инженерных систем, в том числе расчета теплового потока на отопление здания 
по укрупненным параметрам объекта, расчета удельных характеристик по тепловой защите 
здания, определения класса энергоэффективности здания, экономического расчета обоснования 
строительных материалов для тепловой защиты здания, рекомендаций по развитию 
системы энергоресурсов и автоматизации энергобалансов. 
Для специалистов, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией 
зданий и сооружений, аспирантов и магистрантов высших учебных заведений.
 

Научное электронное издание

 
©  ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2021

Редактор Е.Б. Махиянова
Корректор Л.В. Светличная
Компьютерная правка и верстка О.Г. Горюновой
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного

Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesignCS5.5, ПО Adobe Acrobat

Подписано к использованию 19.10.2021. Объем данных 8,5 Мб.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.

Издательство МИСИ – МГСУ. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

Оглавление

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ .................................................................................. 5

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................... 6

Глава 1. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО ПОТОКА НА ОТОПЛЕНИЕ  
ЗДАНИЙ ПО УКРУПНЕННЫМ ПАРАМЕТРАМ ОБЪЕКТА ...................................... 7

Глава 2. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА УДЕЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСХОДА  
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЮ ЖИЛЫХ  
И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ .................................................................................. 13
2.1. Расчет удельной теплозащитной характеристики здания ....................................... 13
2.2. Расчет удельной вентиляционной характеристики здания ..................................... 16
2.3. Расчет удельной характеристики бытовых тепловыделений здания ...................... 21
2.4. Расчет удельной характеристики теплопоступлений  
в здание от солнечной радиации ............................................................................... 23
2.5. Расчет удельной характеристики расхода тепловой энергии  
на отопление и вентиляцию здания .......................................................................... 31
2.6. Определение класса энергосбережения жилых и общественных зданий ............... 35

Глава 3.  АЛГОРИТМ ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ОБОСНОВАНИЯ  
ПРИМЕНЕНИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ............................................. 38

Глава 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗВИТИЮ СИСТЕМЫ УЧЕТА  
ЭНЕРГОРЕСУРСОВ, АВТОМАТИЗАЦИИ ЭНЕРГОБАЛАНСОВ ............................ 46
4.1. Уровни детализации установки приборов учета ...................................................... 47
4.2. Требования к выбору энергоресурсов для включения в систему учета ................... 48
4.3. Требования к определению предельных максимальных затрат на АСТУЭР .......... 49
4.4. Требования к определению измеряемых показателей и параметров ...................... 51
4.5. Требования к выбору мест установки приборов или узлов учета  
энергоресурсов ........................................................................................................... 51
4.6. Требования к определению количества устанавливаемых приборов  
или узлов учета энергоресурсов ................................................................................ 53
4.7. Документирование обоснования архитектуры приборного учета  
энергоресурсов ........................................................................................................... 53
4.8. Технические требования к приборам и узлам учета энергоресурсов ...................... 53
4.9. Требования к точности измерений ........................................................................... 54
4.10. Требования к условиям эксплуатации .................................................................... 54
4.11. Требования к программному комплексу для технического учета  
энергоресурсов ........................................................................................................... 55
4.12. Исходные данные для расчета экономической эффективности  
внедрения АСТУЭР ................................................................................................... 59
4.13. Алгоритм расчета экономической эффективности от внедрения АСТУЭР ......... 59

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................................. 61

Библиографический cписок  .............................................................................................. 62

ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................................. 63

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

DHTML 
— язык программирования для создания и публикации веб-страниц 

в интернете

АСТУЭР 
— автоматизированная система технического учета энергетических 

ресурсов

NPV 
— срок окупаемости

IRR 
— дисконтированный срок окупаемости

СИ  
— система измерений

ИП 
— индивидуальный прибор учета

АСУ ТП 
— автоматизированная система управления технологическим про-

цессом

АРМ 
— автоматизированное место ручного ввода

ИСУ 
— информационные серверы учета

OPC  
— общий резервный сервер

МСПД 
— мультисервисная сеть передачи данных

VLAN 
— протокол для визуализации каналов

ETHERNET 
— внутренняя сеть передачи данных предприятия

RSR485, RS232 — способ подключения приборов учета к компьютеру
SNMP 
— протокол мониторинга

АСУ ТОиР 
— система технического учета в автоматизированной системе тех-

нического обслуживания и ремонтов 

ТЭР 
— топливно-энергетические ресурсы

ФОТ 
— фонд оплаты труда

ЕСН 
— единая система налогообложения

var. 
— параметр, который задается на инженерном калькуляторе поль-

зователем произвольно

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы этой монографии обусловлена развитием цифровых технологий 

с целью их использования для решения инженерных задач, в том числе в строительной области. 
В настоящее время разработано много нормативной документации: сводов правил, 
ГОСТов и других нормативных актов. Данная документация постоянно обновляется  
с течением времени. Проблемой является отсутствие адаптации данной нормативной документации 
для рядового пользователя. Для решения задач подбора ограждающих конструкций, 
расчета тепловой нагрузки, подбора инженерного оборудования и технико-экономического 
обоснования расчета может использоваться инженерный калькулятор. 
Данный инженерный калькулятор реализуется в программном комплексе с введением в 
него технико-экономических алгоритмов расчета на базе нормативной документации. 

Автором разработаны алгоритмы технико-экономического расчета для инженерных 

калькуляторов на основе нормативной документации по тепловой защите зданий [1] и по 
методике определения теплового потока по укрупненным параметрам объекта [4, 6]. Приведены 
примеры расчетов теплового потока на общественное здание по укрупненным параметрам 
объекта и ограждающих конструкций с экономическим обоснованием применения 
различных типов таких конструкций. Алгоритмы расчета реализованы в 
программном продукте c помощью DHTML-программирования. В главе 4 приведены рекомендации 
по развитию системы учета энергоресурсов, автоматизации энергобалансов 
для создания базы данных, разработан алгоритм расчета экономической эффективности 
от внедрения автоматизированной системы учета энергетических ресурсов.

Глава 1 

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО ПОТОКА НА ОТОПЛЕНИЕ  

ЗДАНИЙ ПО УКРУПНЕННЫМ ПАРАМЕТРАМ ОБЪЕКТА

В основу алгоритма расчета теплового потока на отопление зданий по укрупненным 

параметрам объекта заложена методика определения количества тепловой энергии по 
укрупненным параметрам объекта [4, 6]. 

Укрупненным расчетом на отопление зданий занимались многие авторы, например 

И.Г. Староверов (1975) [8] приводит формулу для расчета расхода тепла на отопление по 
укрупненным измерителям. Ориентировочные тепловые потери здания определяются как 
произведение поправочного коэффициента, удельной тепловой характеристики, наружного 
отапливаемого объема и разницы температур внутреннего и наружного воздуха. Удельная 
тепловая характеристика рассчитывается по формуле Н.С. Ермолаева. В этой формуле 
учитываются периметр, площадь и высота здания, коэффициент остекления, 
коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций.

В методических указаниях [4, 6] приводится формула для определения теплового по-

тока по укрупненным параметрам объекта. Тепловой поток также определяется как произведение 
поправочного коэффициента, учитывающего район строительства, удельную 
отопительную характеристику здания, его объем по наружному обмеру, разности температур 
внутри помещения и наружного воздуха для наиболее холодной пятидневки, повышающего 
коэффициента для учета потерь теплоты теплопроводами.

Проведен систематический анализ тепловых нагрузок на отопление зданий в РФ по 

данным типовых проектов зданий Минстроя России [9]. С учетом этого рассчитаны новые 
коэффициенты a, n для определения удельной отопительной характеристики здания 
для вновь строящихся зданий. Коэффициенты рассчитаны методом статистического подбора 
среднего значения. В статистическом обзоре проанализированы данные тепловых 
нагрузок на отопление из проектов более 100 зданий различного назначения в разных климатических 
зонах РФ. 

На рис. 1 приведено сравнение удельного теплового потока на отопление жилых зда-

ний до 1958 г., от 1958 до 2000 гг. постройки и от 2000 г. до нашего времени [4]. Графики 
построены по данным удельного теплового потока согласно методике определения количества 
тепловой энергии по укрупненным параметрам объекта [4], за исключением графика 
для зданий, возведенных после 2000 г., который построен по формуле (2) с учетом 
эмпирических коэффициентов a, n.

Колебания удельного теплового потока на отопление зданий во времени составляют 

до 30 %. Причем значение удельного теплового потока для зданий, построенных после 
2000 г., меньше на 15 %, чем для зданий, построенных до 1958 г., а для зданий до 1958 г. постройки 
меньше на 15 %, чем для зданий, построенных в период от 1958 до 2000 г. Разность 
удельных значений теплового потока на отопление по временным интервалам объясняется 
внедрением новых типовых проектов глобального строительства комплекса жилых зданий 
в стране в каждый из этих периодов.

До 1958 г. строительство жилых зданий велось из кирпича, шлакоблоков (за исклю-

чением деревянных домов, в том числе с отделкой из цементной штукатурки) с увеличенной 
толщиной стен, что позволяло обеспечивать хорошее требуемое сопротивление теплопередаче 
ограждающих конструкций зданий. 

В 1950–1960 гг. для обеспечения быстровозводимого жилья для населения внедряет-

ся строительство так называемых «хрущовок» с низкими коэффициентами сопротивления 
теплопередаче стен и соответственно для компенсации комфортных температур в жилых 
помещениях — увеличенным расходом теплового потока на отопление.

Рис. 1. Диаграмма зависимости удельного теплового потока на отопление зданий по данным 
нормативной документации [4] и новым данным с учетом коэффициентов a, n для зданий,  

построенных после 2000 г.

После 2000 г. внедряется строительство здания из многослойных ограждающих кон-

струкций из новых строительных материалов с пониженными коэффициентами сопротивления 
теплопередаче (вентилируемые фасады и др.), внедрение оконных стеклопакетов, 
индивидуальных тепловых пунктов, автоматизации систем отопления, что позволило 
снизить удельный тепловой поток на отопление.

В настоящее время данная методика [4] повсеместно в РФ не используется, хотя в 

некоторых теплоснабжающих организациях она применялась и применяется для заключения 
договоров с потребителями и расчета за тепловую энергию при отсутствии тепловых 
счетчиков или во время их нерабочего состояния, отсутствия проектной документации 
раздела отопления и вентиляции. Применение данных значений возможно в 
различных временных интервалах в зависимости от материалов ограждающих конструкций. 
Это требуется учитывать при выборе удельных значений теплового потока на отопление 
зданий.

Проведен анализ удельного потребления тепловой энергии на отопление зданий по 

данным действующей нормативной документации. Согласно данным табл. 14 раздела 10 
[1], удельный тепловой поток на отопление зданий для различного назначения определяется 
по этажности зданий или, согласно данным табл. 13, — по площади зданий. На рис. 
2 приведена диаграмма зависимости удельного теплового потока на отопление здания от 
числа этажей здания различного назначения, построенная по данным табл. 14 [1].

В основу алгоритма расчета принята методика определения количества тепловой 

энергии по укрупненным параметрам объекта [4]. Недостатком данной методики являются 
завышенные удельные отопительные характеристики, в результате чего тепловые потоки 
на отопление зданий из проектов [1] значительно отличались от значений, принятых 
в соответствии с методикой расчета по укрупненным параметрам объекта [4]. Это обосновано 
внедрением новых строительных материалов для тепловой защиты зданий, применением 
автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов, новых отопительных 

приборов с более высокими коэффициентами теплопередачи, применением новых материалов 
тепловой защиты трубопроводов, вследствие чего произошло уменьшение потребления 
тепловой энергии на отопление зданий и снижение удельной отопительной характеристики 
зданий.

Рис. 2. Диаграмма зависимости удельного теплового потока на отопление зданий от числа  

этажей, составленная по данным свода правил по тепловой защите зданий [1]

Для решения данной проблемы проведен систематический анализ тепловых нагру-

зок на отопление зданий, построенных после 2000 г. в России по данным реализуемых проектов 
в различных климатических зонах. В результате скорректированы коэффициенты 
a, n для расчета удельного теплового потока в формуле (4) [4]. Новые коэффициенты a, n 
получены эмпирически, в том числе для зданий различного назначения (жилых и иного 
назначения).

Алгоритм расчета теплового потока на здание, реализуемый в инженерном кальку-

ляторе, описан ниже.

Тепловой поток на отопление здания (часовой) определяется по следующей форму-

ле [4]:

 
Qo = aVqo(tв – tн)(1 + Kи), 
(1)

где a — поправочный коэффициент (принимается в соответствии с табл. 1 [4]);

V — строительный отапливаемый объем, м3;
qо — удельный тепловой поток на отопление здания, Вт/м3 · °C;
tв — температура воздуха в отапливаемом помещении в соответствии с [2];
tн — температура наружного воздуха для проектирования отопления в соответствии 

со строительной климатологией [3], °С;

Kи — коэффициент инфильтрации воздуха на отопление зданий.
Удельный тепловой поток на отопление здания qо (Вт/м3 · °C), определяется по фор-

муле:

 

o
,
n
a
q
V
=
 
(2)

где a, n — коэффициенты, для зданий после 2000 года постройки принимаются следующие 
значения: для жилых зданий — a = 1, n = 7; для зданий иного назначения — a = 1, 
n = 5; для зданий до 2000 г. постройки — по данным [4];

V — отапливаемый строительный объем, м3.
Коэффициент инфильтрации воздуха на отопление зданий определяется по формуле: 

 

2
н
и
в

273
0,01 2
1
2 3
,
7
t
K
gL
t



+
=
−
+ ω


+



 
(3)

где g — ускорение свободного падения, м/с2; 

L — высота здания, м; 
ω — средняя скорость ветра в отопительный период по данным [3], м/с.
Для создания инженерного калькулятора теплофизические характеристики пере-

водятся в математические (R1, R2, R5, B, O, P, F, L, N, M, I, J). В качестве реализации 
 алгоритма расчета может быть использовано DHTML-программирование [7]. Формулы (
1)–(3) дают алгоритм расчета теплового потока энергии для отопления жилых и других 
зданий. Данный алгоритм расчета может быть использован при разработке компьютерных 
программ.

Исходные данные для расчета:
B — поправочный коэффициент a (принимается в соответствии с температурой на-

ружного воздуха для проектирования системы отопления [4]);

O — строительный отапливаемый объем здания (принимается по данным паспорта 

БТИ или расчетным способом по наружным размерам), м3;

I — высота здания, м;
F — коэффициент n (для зданий после 2000 года постройки принимаются следую-

щие значения: для жилых зданий — a = 1, n = 7; для зданий иного назначения — a = 1, 
n = 5; для зданий до 2000 г. постройки — по данным [4]);

M — температура воздуха в отапливаемом помещении (принимается согласно ГОСТ 

30494–2011 [2]), °С;

L — температура наружного воздуха для проектирования отопления здания (прини-

мается согласно СП 131.13330.2012 [3]), °С;

J — средняя скорость ветра в отопительный период (принимается согласно СП 

131.13330.2012 [3]), м/с;

Ниже приводится алгоритм расчета теплового потока для отопления здания по укруп-

ненным параметрам объекта. На инженерном калькуляторе определяются:

R1 — тепловой поток на здание, кВт;
R2 — удельный тепловой поток на отопление здания, °С;
R5 — коэффициент инфильтрации воздуха на отопление здания.
Алгоритм расчета.
1. Определяем коэффициент инфильтрации воздуха:

 
R5 = ((2 · 9,81I(1 – (273 + L)/(273 + M)) + J · J) : 0,5) 0,01, 
(4)

где J — средняя скорость ветра в отопительный период, м/с; 

R1 — тепловой поток на одно здание, кВт; 
M — температура воздуха в отапливаемом помещении, °С; 
L — температура наружного воздуха на проектирование отопления здания, °С.
2. Определяем удельный тепловой поток:

 
R2 = 1/(O) : (1/F), 
(5)

где F — коэффициент n; 

O — строительный отапливаемый объем здания, м3.

3. Определяем часовой тепловой поток:

 
R1 = B O R2(M – L)(1+R5)/1000, 
(6)

где B — поправочный коэффициент a; 

O — строительный отапливаемый объем здания, м3; 
R2 — удельный тепловой поток на отопление здания, °С; 
M — температура воздуха в отапливаемом помещении, °С; 
L — температура наружного воздуха на проектирование отопления здания, °С;
R5 — коэффициент инфильтрации воздуха на отопление здания.
В Приложении 2 приведен расчет теплового потока на отопление жилого здания в 

г. Москве на инженерном калькуляторе согласно описанному алгоритму. Расхождение значений 
теплового потока при расчете на инженерном калькуляторе с проектными данными 
составило менее 10 %.

Анализ сходимости расчетов. Проведено сравнение расчетов тепловых потоков на ото-

пление по данным проектов зданий и на инженерном калькуляторе. В Приложении 2 приведены 
расчеты тепловой нагрузки на отопление по данным проектов и на инженерном 
калькуляторе. Разность между расчетами по проекту и на инженерном калькуляторе составила 
от 6 до 30 %.

В табл. 1 приведены данные для расчета на инженерном калькуляторе проектов жи-

лых и общественных зданий в Российской Федерации. Отапливаемый объем зданий изменяется 
в пределах от 546 до 23 030 м3; высота здания — от 6 до 43 м. Температура наружного 
воздуха при проектировании системы отопления колеблется от –15 до –41 °С; скорость 
ветра — от 2 до 4,5 м/с; температура воздуха в помещениях зданий — от 12 до 20 °С. Коэффициент 
а для температуры наружного воздуха изменяется от 0,89 до 1,15; коэффициент 
n — от 5 до 7.

Таблица 1

Принятые параметры для строительных расчетов на инженерном калькуляторе

№
Название проекта

Строительный 

отапливаемый 

объем, м3

Скорость ветра  

в отопительный 

период, м/с

a
n

Высота здания, 

м

Температура  

помещений, °С

Наружная  

температура 

воздуха, °С

1
Трехэтажный 36-квартирный жилой 
дом в Астраханской области
8593
3,8
1,15
7
13
20
–21

2
12-этажное жилое здание в Новосибирской 
области
2899
3,6
1,08 То же
9
То же
–25

3
72-квартирное жилое здание в г. Сим- 
ферополь
16 867
4,5
1,29
«
31
«
–15

4
Жилой дом в г. Саратов
546
3,3
1,08
«
9
«
–25

5
Административное здание в Челябинской 
области
2263
2,3
0,98
«
12
«
–32

6
Дом культуры в Красноярском крае
12 825
2,5
0,89
5
14,5
18
–41

7
12-этажное здание в Московской области

48 545
2
1,08
7
43
20
–25

8
Здание промышленного назначения 
в Пермском крае
2654
3
0,95
5
6
12
–35

9
Детский сад на 280 мест в г. Нижний 
Новгород
23 030
4,4
0,97
5
8,2
20
–33

Рис. 3. Тренды теплового потока для отопления зданий

На рис. 3 показаны тенденции изменения стоимости отопления зданий по проекту 

и после расчетов на инженерном калькуляторе. Теплопотребление проекта колеблется от 
24 до 615 кВт. Потребление тепла при расчете в инженерном калькуляторе составляет от 
25,8 до 563,4 кВт. Разница между проектными данными и расчетами в инженерном калькуляторе 
составляет от 6,2 до 30,1 %. Возможно, разность результатов расчетов по проекту 
и на инженерном калькуляторе может быть связана с неправильным расчетом тепловых 
потерь от ограждающих конструкций зданий. Расчет теплового потока на инженерном 
калькуляторе может быть использован для предварительной оценки и выбора системы 
отопления.