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	F_ок		м²	699
Площадь наружных стен (без окон)	F_нс		м²	3157
Площадь покрытия	F_пт		м²	354
Площадь перекрытия над техподпольем	F_пл		м²	354
Коэффициент остекления	К_о		-	0.181
Отапливаемая площадь	F_от		м²	4352
Жилая площадь	F_жил		м²	2655
Число жителей	N_чел = F_от/18		Чел	242
Число квартир	N_кв		-	4·17 = 68
Отапливаемый объем	V		м³	11533
Средняя температура внутреннего воздуха	t_в		^оС	+20
Средняя температура нар. воздуха за от. период	t_оп		^оС	-3.1
Продолжительность отопительного периода	Z_оп		сут	214
Характеристика отопительного периода	М = 0.024·(t_в - t_оп)·Z_оп		тыс.К∙час	118.6
Сопротивление теплопередаче стен	R_нс		м²∙К/Вт	1.35
То же, чердачного перекрытия (эквивалентное)	R_пт		м²∙К/Вт	4,5
То же, перекрытия над техподпольем	R_пл		м²∙К/Вт	1,8
Сопротивление теплопередаче окон	R_ок		м²∙К/Вт	0.39
Суммарная площадь наружных ограждений	F_общ		м²	4564
Коэффициент n наружной стены	n_нс		-	1
То же, покрытия	n_пт		-	0.9
То же, перекрытия над техподпольем	n_пл		-	0.6
То же, окон	n_ок		-	1
Коэффициент компактности	К_комп=F_общ/V_зд		м^-1	0.396
Коэффициенты добавочных теплопотерь	β₁,β₂		-	1.1, 1.13
Трансмиссионные теплопотери	Q₁= β₁·β₂·М·Σ(n_iF_i/R_i)·10^-3		МВт·ч/год	643
Расчетный воздухообмен (по проекту)	L_расч= N_кв·140		м³/ч	9520
Коэффициент увеличения воздухообмена	К_L		-	1.38
Средний воздухообмен за отопительный период	L_ср = К_L· L_расч		м³/ч	13121
Кратность воздухообмена	Кр_раб = L_ср/V		ч^-1	1.14
Коэффициент учета встречного теплового потока	k		-	1
Энергозатраты на подогрев воздуха для вентиляции	Q₂=0.33·М·L_ср·k·10^-3		МВт·ч/год	514
Норма расхода горячей воды в средние сутки	q^h_u,m		л/сут	27830=115·N_чел
Перепад температур в системе ГВС	Δt		К	55
Коэффициент снижения расхода горячей воды	k_h		-	1
Энергозатраты на ГВС	Q₃=q^h_u,m·1.163·10^-6·Δt·Z_оп·k_h		МВт·ч/год	381
Удельное потребление электроэнергии	q₅		МВт·ч/чел	0.379
Поправочный коэффициент	β₅		-	1
Электропотребление здания	Q₅=q₅·β₅·Z_оп/365·10^-3		МВт·ч/год	54
Суммарные энергозатраты	ΣQ=Q₁+Q₂+Q₃+Q₅		МВт·ч/год	1620
Суммарное удельное энергопотребление	q=ΣQ/F_от·10³		кВт·ч/(м²· г)	365
Доля трансмиссионных потерь	Q₁/ΣQ·100	Q₁/ΣQ_1-3·100	%	40.4	41.8
Доля вентиляционных (инфильтрационных) затрат	Q₂/ΣQ·100	Q₂/ΣQ_1-3·100	%	32.3	33.4
Доля энергозатрат на ГВС	Q₃/ΣQ·100	Q₃/ΣQ_1-3·100	%	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.

Также читайте в данном разделе:

Саманный дом. Лисья нора

Альтернативные источники энергии

Дом в виде купола

Соломенные и глинобитные дома