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/ч; 9520
  • Коэффициент увеличения воздухообмена; КL; -; 1.38
  • Средний воздухообмен за отопительный период; Lср = КL· Lрасч; м3/ч; 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.