Энергоэффективное здание:
оптимизация теплозащиты и систем ОВК

(Технологическая премия ASHRAE)

Sheila J. Hayter, член ASHRAE;

Paul A. Torcellini, Ph. D., член ASHRAE;

Ron Judkoff, член ASHRAE

Сведения об авторах

Sheila J. Hayter - участвует в качестве инженера-исследователя в проекте по разработке энергоэффективных зданий Национальной лаборатории энергосбережения в Голдене, Колорадо. Возглавляет Технический комитет (TC) 1.10 ASHRAE "Энергоресурсы", а также является членом постоянной Комиссии по исследовательской работе ASHRAE.

Paul A. Torcellini, Ph. D. - возглавляет проект по разработке энергоэффективных зданий.

Ron Judkoff - директор Центра зданий и инженерных систем Национальной лаборатории энергосбережения. Возглавляет Комитет 140 ASHRAE по разработке стандартов и компьютерных программ для тестирования энергопотребления в зданиях. Входит в состав экспертной комиссии 865 ASHRAE по исследовательским работам и является членом-корреспондентом Технического комитета 4.7 "Энергетические расчеты"

Проектирование и строительство зданий с использованием энергосберегающих мероприятий, предусматривающих оптимальное сочетание технических решений по ограждающим конструкциям и инженерным системам, позволяет экономить от 30 до 75% энергозатрат. Стоимость строительства таких зданий не отличается (или незначительно отличается) от обычной, а уровень комфортности и функциональность систем при этом не снижается. Это достигается, в первую очередь, постановкой задачи энергосбережения перед группой проектировщиков. В дальнейшем используется компьютерное моделирование для анализа влияния тех или иных решений на затраты энергии зданием. Тщательная проверка на этапе приемки здания в эксплуатацию и обучение обслуживающего персонала являются завершающим этапом создания энергоэкономичного здания.

Такой энергосберегающий проект был реализован при строительстве Термо-экспериментального Здания (TTF), построенного при Национальной Лаборатории Энергосбережения (NREL), подведомственной Государственному Департаменту Энергетики. Здание TTF общей площадью 10 000 кв. футов (929 м²), включающее офисные помещения и лабораторию, было построено в 1996 г. в Голдене, штат Колорадо. Данные по фактическим энергозатратам, полученные на основе наблюдений длительностью более года, показывают, что потребление энергии снизилось на 63% по сравнению с аналогичным зданием, построенным с соблюдением Стандарта 90.1 ASHRAE/IESNA "Нормы расхода энергии для зданий (кроме малоэтажных жилых зданий)".

Процесс проектирования

При разработке энергоэкономичного здания необходимо, чтобы группа проектировщиков, состоящая из владельца здания, архитекторов и инженеров, поставила энергосбережение главной задачей. Для успешного решения этой задачи требуется координация работы членов группы в течение всего процесса проектирования и строительства. Энергосберегающие мероприятия не определяются интуитивно. Потребление энергии зданием зависит от взаимодействия комплекса параметров, влияние которых может быть оценено только путем моделирования суточного и сезонного теплового режима здания. Поэтому необходимо, чтобы в состав группы входил консультант по энергопотреблению. Его задачей является выбор наиболее экономичных проектных решений путем компьютерного моделирования режима энергопотребления.

В табл. 1 приведены предварительные (базовые) и окончательные (экономичные) теплотехнические показатели для здания TTF. Базовые решения соответствуют Государственному энергетическому стандарту 10CFR435, который, в свою очередь, основан на Стандарте 90.1 ASHRAE/IESNA.

Стратегия технических решений по естественному освещению

Предпроектный анализ базового варианта здания TTF показывает, что основные затраты энергии связаны с освещением (рис. 1). Поэтому в большинстве помещений здания предусматривается возможность естественного освещения. Использование естественного дневного света и эффективные средства искусственного освещения позволяют экономить до 75% энергии по сравнению с базовым вариантом (рис. 2). В здании не предусматривается дежурное освещение. Внутреннее освещение включается в том случае, если датчики, реагирующие на передвижение в помещениях, обнаруживают присутствие людей. При этом нет необходимости в круглосуточном дежурном освещении. Расчеты показывают, что сокращение на 10% круглосуточного освещения позволяет экономить 2 630 кВт·ч/год.

Рисунок 1. Сравнение структуры энергозатрат в базовом варианте и в здании TTF

Здание TTF оборудовано люминeсцентными светильниками типа Т-8 и компактного типа. Датчики естественной освещенности/наличия людей управляют всей системой освещения. В зонах устойчивого дневного освещения двухпозиционная система регулирования: светильники могут быть включены или выключены. Рабочие места в теневой зоне требуют более гибкого режима регулирования, но без чрезмерно частой смены интенсивности (в облачные дни); однако фото-сенсорное регулирование пока остается слабым местом в системах с естественным освещением. Хотя постоянное реостатное регулирование освещения позволяет дополнительно сократить расход энергии на 6%, в период разработки проекта (1994 г.) это не было экономически оправдано.

Рисунок 2. Сравнение стоимости освещения по месяцам года

Энергоэффективные ограждающие конструкции здания

Теплотехнические свойства ограждающих конструкций здания TTF обеспечивают хорошую теплозащиту и, вместе с тем, не препятствуют естественному освещению (табл. 1). Козырьки над верхним рядом окон спроектированы таким образом, что они предохраняют от прямого солнечного света в жаркий период года, однако не затеняют помещение в зимнее время. Козырьки и боковые ребра у окон первого этажа препятствуют солнечному облучению большую часть года, что обеспечивает тепловой комфорт на рабочих местах около окон. Окна, выходящие на восток и на запад, делаются меньших размеров для предотвращения перегрева помещений солнцем. Размер окон северного фасада определен так, чтобы преимущества дневного освещения превосходили недостатки от теплопотерь. Уступчатая кровля предусматривает возможность размещения зенитных фонарей на двух уровнях для освещения внутренних помещений и солнечного обогрева в зимнее время. Козырьки зенитных фонарей выполнены таким образом, чтобы направлять солнечный свет в помещения в зимнее время. Был выполнен анализ существующих типов остекления с целью выбора наиболее высоких коэффициентов пропускания дневного света при наличии хороших теплозащитных свойств.

Тепловые нагрузки и управление системами ОВК

В то время, как теплопоступления от электрического освещения снижают тепловую нагрузку на системы ОВК в зимнее время, в теплый период года этот фактор является неблагоприятным и увеличивает потребность в охлаждении здания. При наличии дневного света теплопоступления от искусственного освещения снижаются. Снижение теплопоступлений от освещения в здании TTF приводит к увеличению затрат на обогрев на 5% по сравнению с базовым вариантом, несмотря на большое солнечное облучение в зимнее время, а в теплый период года нагрузка на систему охлаждения снижается на 43%. Корректное оформление наружных солнцезащитных козырьков и ребер и уменьшение оконных проемов на западном и восточном фасадах здания также вносят существенный вклад в снижение нагрузки на системы ОВК. Типоразмеры оборудования для систем ОВК при этом соответственно уменьшались за счет вышеупомянутых факторов - эффективного использования дневного света и высоких теплозащитных свойств ограждающих конструкций.

В здании TTF потребность в обогреве существует только в утренние часы для компенсации ночного снижения температуры. Хотя в ночное время температура в здании по графику регулирования должна опускаться до 13°С (55°F), фактическое снижение температуры не столь значительно. Во время утреннего обогрева температура повышается до 21°С (70°F). После этого теплопотери здания компенсируются, в основном, внутренними тепловыделениями и теплопоступлениями от солнечной радиации.

Потребление энергии установкой кондиционирования воздуха было уменьшено за счет использования системы двухступенчатого испарительного охлаждения вместо традиционной системы централизованного или местного холодоснабжения с парокомпрессионной холодильной машиной. В сухом климате Денвера косвенная ступень установки испарительного охлаждения позволяет снизить температуру воздуха (соответственно, по сухому и смоченному термометру) до 21°С/9°С (70°F/49°F) при расчетных значениях параметров наружного воздуха 35°С/15°С (95°F/59°F). Дальнейшее снижение температуры воздуха на этапе прямого испарительного охлаждения возможно до 13°С/9°С (56°F/49°F).

Альтернативным источником холода для здания является охлажденная вода, подаваемая в систему от холодильной станции. Поскольку эта система не использовалась, водяные насосы не были установлены. Общее снижение потребления энергии насосами составило 73% по сравнению с базовым вариантом, при этом в системе остались только насосы для перекачки горячей воды.

Потребность в электроэнергии для привода вентиляторов увеличилась в связи с использованием установки испарительного охлаждения взамен традиционной системы холодоснабжения. Однако экономия энергозатрат за счет применения такого технического решения намного более существенна.

В здании TTF использованы и другие новые элементы и решения по системам ОВК. Короткие воздуховоды позволяют уменьшить аэродинамические потери и снизить расход энергии циркуляционными вентиляторами. В помещениях установлены потолочные вентиляторы, регулируемые термостатами, обеспечивающие равномерное распределение температуры воздуха по высоте. Используются также воздуховоздушные рекуператоры и местные воздухонагреватели с переменным расходом подаваемого воздуха, которые во многих случаях позволяют не включать систему центрального кондиционирования. Установлена единая система управления энергоснабжением для искусственного освещения и ОВК.

На рис. 3 показаны эксплуатационные затраты по месяцам для здания TTF и базового варианта системы ОВК. На графике прослеживаются следующие тенденции:

1. Стоимость холодоснабжения снижается за счет использования системы испарительного охлаждения, ограничения внутренних тепловыделений и защиты от солнечного облучения.
2. Потребление энергии насосами уменьшилось, так как нет необходимости в подаче воды от холодильной станции.
3. Общая потребность тепла на обогрев здания несколько возросла, поскольку уменьшились тепловыделения от искусственного освещения.
4. Наибольшие преимущества от технических решений по использованию солнечного освещения достигаются в декабре и январе.

Рисунок 3. Сравнение затрат на системы ОВК по месяцам года

Этапы разработки энергоэффективного здания

1. Создание базовой модели здания для количественной оценки энергопотребления и соответствующих затрат. Базовая модель является нейтральной по отношению к солнечному облучению (одинаковое остекление по всем фасадам) и соответствует требованиям по энергозатратам Стандартов 90.1 и 90.2 ASHRAE.
2. Выполнение параметрического анализа теплового режима базового здания по всем составляющим тепловой нагрузки. Последовательное уменьшение в базовом варианте трансмиссионного теплообмена через ограждающие конструкции, теплопоступлений от искусственного освещения и солнечной радиации, расхода электроэнергии на привод оборудования.
3. Предварительный этап проектирования. Обсуждение участниками работы различных технических решений по снижению нагрузок на системы обогрева и охлаждения, эффективному использованию солнечного облучения.
4. Включение энергоэкономичных технических решений в математическую модель здания. Влияние изменяемых параметров на общие затраты энергии, в т. ч. в стоимостном выражении, определяется путем сравнения вариантов друг с другом и с базовой моделью. Наиболее предпочтительные решения включаются в проект.
5. Разработка предварительного варианта строительных чертежей здания с учетом технических решений, принятых в п. 4.
6. Подбор оборудования и компоновка системы ОВК, обеспечивающей заданную тепло- и холодопроизводительность. Предусматривается работа системы с максимальной эффективностью в конкретных условиях наружного климата в здании с заданными теплотехническими характеристиками ограждающих конструкций. При этом типоразмеры оборудования ОВК часто оказываются меньше, чем в базовом варианте.
7. Разработка окончательного варианта чертежей и спецификаций, проверка полноты и корректности технической документации. Окончательный вариант проекта включает все наиболее эффективные технические решения. Рассмотренная методика проектирования позволяет в ряде случаев обеспечить экономию энергоресурсов более 50% по сравнению с базовым вариантом.
8. Все изменения, вносимые в проект в период строительства, предварительно анализируются с использованием компьютерной модели. При этом не допускается снижение энергетической эффективности здания и системы ОВК.
9. Сдача в эксплуатацию и проверка оборудования. Обучение эксплуатационного персонала здания. Без тщательного контроля на стадии приемки инженерные системы здания не всегда могут обеспечить высокую эффективность. Понимание обслуживающим персоналом своих задач также играет немаловажную роль в этом процессе.

Выводы

Снижение эксплуатационных расходов в здании TTF на 63% по сравнению с базовым вариантом, соответствующим стандарту, достигается за счет поиска энергоэффективных технических решений на всех этапах проектирования и строительства - от выработки концепции до приемки здания в эксплуатацию. Взаимодействие между участниками рабочей группы проектировщиков и строителей позволяет разработать ограждающие конструкции здания и инженерные системы как единый комплекс теплозащиты.

Хотя здание TTF проектировалось как лабораторное, предложенная технология проектирования может быть распространена на другие типы зданий - торговые, офисные, складские. Такая технология является в настоящее время наиболее передовой в строительной индустрии Соединенных Штатов. При этом каждый этап технологии является неотъемлемой частью всего процесса и не может быть опущен без ущерба для всего проекта.

Примечание

Проведенные расчеты и анализ энергопотребления входят в состав Проекта исследований энергоэкономичности зданий, проводимого Национальной лабораторией энергосбережения Соединенных Штатов. Финансирование проекта осуществляется Государственным Департаментом Энергетики (DOE) - отделы строительства, коммунальных программ, исследований общественных и промышленных зданий. С дополнительной информацией можно ознакомиться на интернет-странице www.nrel.gov/build-ings/highperformance . Информация DOE размещается по адресу www.eren.doe.gov . Авторы выражают благодарность коллегам, участие которых способствовало успеху работы: Mary-Margaret Jenior, Jim Copeland, Charles Fountain, Bruse Field, Michael S. Ketcham, Otto van Geet, Stepen Ternoey.

Технологическая премия ASHRAE является наиболее престижной наградой за эффективное использование энергии в зданиях и системах микроклимата. Хотя присуждение премии не является средством, удостоверяющим квалификацию специалиста, оно свидетельствует о выдающихся достижениях в исследовательской работе и успешном внедрении полученных результатов.

Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE, декабрь, 1999.

Перевод с английского О.П. Булычевой.