Энергетический баланс здания

Не нуждается в доказательствах утверждение, что снижение энергопотребления возможно только при условии строгого контроля и регулирования поступления и расхода энергии в зданиях, которые определяются необходимостью создания и поддержания требуемых микроклиматических параметров в различных помещениях в зависимости от условий внешней среды. Поэтому, центральное место в процессе проектирования энергоэффективных зданий (в т.ч. в условиях реконструкции) занимает оценка и регулирование энергетического баланса, т.е. структуры и величины энергопоступлений от различных источников и фактических энергозатрат, как в целом по зданию, так и в отдельных его помещениях].

Такие обстоятельства, как местоположение объекта, архитектурный облик, географическая ориентация и конструктивные особенности здания оказывают существенное влияние на энергопотребление и должны рассматриваться коллективом проектировщиков во всей полноте с учетом долгосрочной перспективы.

В общем виде структура энергетического баланса любого здания (помещения) выглядит следующим образом.

Понятно, что доли (удельные значения) того или иного вида энергозатрат меняются в зависимости от типа здания, природно-климатических условий, эффективности систем инженерного обеспечения и эксплуатационных качеств конструкций. Однако, данные исследователей большинства государств, озабоченных проблемами энергосбережения в строительстве, показывают, что наибольшие энергозатраты приходятся, как правило, на:

отопление и покрытие энергопотерь при отоплении (европейские страны и Россия: основные статьи энергозатрат жилых зданий, составляющие до 60% от общего объема энергопотребления);

охлаждение, т.е. кондиционирование воздуха (США, Япония: на системы кондиционирования воздуха во многих случаях приходится до 50% от общих энергозатрат на инженерное обеспечение зданий [13], что стало одной из причин наметившейся в последние годы в строительстве западных стран тенденции к отказу от использования механических СКВ в зданиях, вследствие внедрения более эффективных решений по использованию естественных - природных и конструктивных - средств регулирования микроклимата);

искусственное освещение, затраты на которое в балансе энергопотребления крупных административных зданий и больниц могут составлять до 50% от общей суммы.

Необходимость проектировать здания, сооружения и обслуживающие системы климатизации с учетом их экологичности возникла именно как следствие такого положения, и Киотский протокол, подписанный всеми крупными промышленными государствами (за исключением США), явился определяющим фактором в практическом применении данной концепции.

Обычное проектирование не может считаться экологически безопасным, поскольку целиком и полностью сводится к одному лишь поиску энергоэффективных инженерных систем, пусть даже с высокими стоимостными показателями. Между тем именно взаимосвязь здания с местными климатическими условиями с учетом предусматриваемых инженерных решений должно решить задачу его «экологической» привязки.

Задачи эти в первую очередь связаны с Киотским протоколом, а именно со стремлением сократить выбросы в атмосферу веществ, способствующих созданию парникового эффекта и перегреву планеты.

Энергетические показатели секции жилого здания по серии П3-1/16.

Параметр

Обозначение, формула

Ед. изм.

Значение

Площадь остекления

Fок

м2

699

Площадь наружных стен (без окон)

Fнс

м2

3157

Площадь покрытия

Fпт

м2

354

Площадь перекрытия над техподпольем

Fпл

м2

354

Коэффициент остекления

Ко

-

0.181

Отапливаемая площадь

Fот

м2

4352

Жилая площадь

Fжил

м2

2655

Число жителей

Nчел = Fот/18

Чел

242

Число квартир

Nкв

-

4·17 = 68

Отапливаемый объем

V

м3

11533

Средняя температура внутреннего воздуха

tв

оС

+20

Средняя температура нар. воздуха за от. период

tоп

оС

-3.1

Продолжительность отопительного периода

Zоп

сут

214

Характеристика отопительного периода

М = 0.024·(tв - tоп)·Zоп

тыс.К∙час

118.6

Сопротивление теплопередаче стен

Rнс

м2∙К/Вт

1.35

То же, чердачного перекрытия (эквивалентное)

Rпт

м2∙К/Вт

4,5

То же, перекрытия над техподпольем

Rпл

м2∙К/Вт

1,8

Сопротивление теплопередаче окон

Rок

м2∙К/Вт

0.39

Суммарная площадь наружных ограждений

Fобщ

м2

4564

Коэффициент n наружной стены

nнс

-

1

То же, покрытия

nпт

-

0.9

То же, перекрытия над техподпольем

nпл

-

0.6

То же, окон

nок

-

1

Коэффициент компактности

Ккомп=Fобщ/Vзд

м-1

0.396

Коэффициенты добавочных теплопотерь

β1,β2

-

1.1, 1.13

Трансмиссионные теплопотери

Q1= β1·β2·М·Σ(niFi/Ri)·10-3

МВт·ч/год

643

Расчетный воздухообмен (по проекту)

Lрасч = Nкв·140

м3

9520

Коэффициент увеличения воздухообмена

КL

-

1.38

Средний воздухообмен за отопительный период

Lср = КL· Lрасч

м3

13121

Кратность воздухообмена

Крраб = Lср/V

ч-1

1.14

Коэффициент учета встречного теплового потока

k

-

1

Энергозатраты на подогрев воздуха для вентиляции

Q2=0.33·М·Lср·k·10-3

МВт·ч/год

514

Норма расхода горячей воды в средние сутки

qhu,m

л/сут

27830=115·Nчел

Перепад температур в системе ГВС

Δt

К

55

Коэффициент снижения расхода горячей воды

kh

-

1

Энергозатраты на ГВС

Q3=qhu,m·1.163·10-6·Δt·Zоп·kh

МВт·ч/год

381

Удельное потребление электроэнергии

q5

МВт·ч/чел

0.379

Поправочный коэффициент

β5

-

1

Электропотребление здания

Q5=q5·β5·Zоп/365·10-3

МВт·ч/год

54

Суммарные энергозатраты

ΣQ=Q1+Q2+Q3+Q5

МВт·ч/год

1620

Суммарное удельное энергопотребление

q=ΣQ/Fот·103

кВт·ч/(м2· г)

365

Доля трансмиссионных потерь

Q1/ΣQ·100

Q1/ΣQ1-3·100

%

40.4

41.8

Доля вентиляционных (инфильтрационных) затрат

Q2/ΣQ·100

Q2/ΣQ1-3·100

%

32.3

33.4

Доля энергозатрат на ГВС

Q3/ΣQ·100

Q3/ΣQ1-3·100

%

23.9

24.8

Доля электропотребления

Q5/ΣQ·100

-

%

3.4

-

Программой строительных технологий департамента энергетики США (Department of Energy, DOE) определена исследовательская задача, заключающаяся в том, чтобы к 2025 году поставить на коммерческую основу сооружение зданий нулевой энергии (Zero-Energy Buildings, ZEBs) [1]. Концептуально ZEB предполагает снижение энергетических нагрузок до такого уровня, что остаточные потребности полностью покрываются за счет возобновляемых энергетических ресурсов. В связи с этим возникают следующие вопросы: «Это выходит далеко за рамки существующих технологий строительства - возможно ли подобное в принципе?»; «Существуют ли примеры реализации, которым удалось бы приблизиться к решению поставленной задачи?»

Энергоаудит зданий является достаточно сложным процессом, состоящим из нескольких этапов. На первом определяются цели аудита и его процедура, устанавливается порядок проведения работ, а также объём и периодичность измерений.

Использование тепла солнечной радиации.

Широчайший опыт, накопленный в области солнечных технологий в странах с различными географическими и климатическими условиями, вполне самодостаточен и не требует комментариев. Указанные системы в экологически безопасном строительстве представляют собой очевидную альтернативу традиционным технологиям, хотя и требуют специфического специализированного обслуживания на этапе эксплуатации.

Теплонаносные системы.

Как и в случае систем использования тепла солнечной радиации, накопленный опыт и видовое разнообразие здесь самые широкие. Из последних новинок выделим системы использования низкопотенциального тепла грунта, отбираемого посредством геотермальных скважин или горизонтальных грунтовых теплообменников неглубокого залегания. Теплонасосные системы использования низкопотенциального тепла грунта, а также системы, использующие водоносные горизонты, обеспечивают высокий КПД, что делает их очень перспективными.

Абсорбционные системы.

Являются на сегодня, пожалуй, единственными, обеспечивающими полное кондиционирование с использованием, главным образом, тепловой энергии или природного газа с минимальной долей затрат электроэнергии. В модификации с тепловым насосом обеспечивают эффективное отопление объекта в зимний период. Помимо всех прочих, основным их преимуществом на сегодня считается тот факт, что они требуют минимального потребления электрической энергии, с которой Италия в последнее время испытывает серьезные проблемы.

Системы с регенерацией тепла.

Под это определение подпадают различные технологии, существенно отличающиеся друг от друга, такие как теплонаносные водяные системы закрытого типа, системы на основе холодильных машин с регенерацией тепла, VRF-системы с регенерацией тепла. Общим для всех указанных технологий является принцип передачи тепла из зоны, где оно избыточно, в зону, требующую подогрева. Передача или интеграция недостающего тепла либо нейтрализация избыточного тепла осуществляются разными способами в зависимости от типа установленного оборудования. Все такие системы весьма эффективно используют энергоресурсы и обеспечивают довольно высокий КПД. Надежность и эффективность систем подтверждена многолетним опытом.

Автономная выработка электрической энергии.

Фотоэлектрические системы (солнечные батареи) все чаще применяются для нейтрализации дефицита электричества в административных зданиях. Энергия вырабатывается непосредственно на объекте, излишки передаются в городскую электросеть. Фотоэлектричество считается ныне вполне состоявшейся технологией, эффективность которой растет год от года, хотя используемая чаще всего установленная мощность устройств не превышает 50 кВт.

Топливные элементы.

Остаются в настоящий момент еще технологически «сырыми» и проходят экс-плуатационные испытания. Реально их появление можно ожидать на рынке в среднесрочной перспективе, если подтвердятся ожидания в части эффективности, и будет снижена их немалая стоимость [Подробнее о топливных элементах см. статью: Бродач М. М., Шилкин Н. В. Использование топливных элементов для энергоснабжения зданий // АВОК. – 2004. –№2, 3.].

Системы комбинированного про-изводства тепловой и электрической энергии с микротурбинами.

Отличаются очень высокой эффективностью в части использования первичной энергии и могут рекомендоваться для малых и средних систем.

И, наконец, комбинированные системы, осуществляющие одновременное производство электроэнергии, тепла и холода (если существует реальная потребность такого комбинирования) также обеспечивают эффективное преобразование первичной энергии.

Холодильные системы накопительного типа.

Для этих технологий (известных и широко используемых не один десяток лет) наиболее интересным на сегодня представляется смещение пикового разбора электроэнергии оборудованием климатизации с дневного на ночной период. Это значительно снижает риски критической перегрузки электросети, и даже если происходит отключение, система продолжает работать от резервных электрогенераторов, мощности которых для питания одних только насосов вентиляторов вполне достаточно. Кроме того, накопительные системы позволяют снизить установленную электрическую и холодильную мощность по сравнению с обычными системами и, как следствие, существенно сократить фиксированную затратную часть, идущую на оплату услуг энергетической компании. Справедливости ради отметим, однако, что такие системы создают дополнительные сложности в части конфигурации гидравлических контуров, а также выделения площадей и эксплуатации накопительных резервуаров.