Пересмотр стратегии создания внутренней среды зданий для нейтрализации углерода

Чжоу Инсинь, кафедра строительных технологий, Школа архитектуры, Университет Цинхуа, Пекин (Китай)

В целом существует две стратегии снижения углеродных выбросов от эксплуатации зданий. Одна из них подразумевает снижение углеродных выбросов со стороны систем энергоснабжения, включая повышение энергоэффективности систем ОВК и использование безуглеродной энергетики. Вторая направлена на снижение углеродных выбросов за счет энергопотребления зданий.

Взаимосвязь качества микроклимата и энергопотребления зданий

Изобретенная Уиллисом Кэрриером для типографии в 1902 году система кондиционирования воздуха нацелена на контроль температуры и влажности воздуха, и последующие системы ОВК также придерживаются этого принципа. Действующие национальные стандарты различных стран, регулирующие внутреннюю тепловую среду, и международный стандарт ISO 7730 действуют в жестких пределах. Фактически этот традиционный подход является основным фактором, обуславливающим высокое энергопотребление зданий.

Например, в международном стандарте EN ISO 7730 тепловая среда помещения классифицируется по категориям A, B и C, и требуемые критерии составляют PMV (индекс комфортности по Фангеру) соответственно ±0,2, ±0,5 и ±0,7. Согласно теории профессора П. О. Фангера, чем меньше диапазон изменения PMV, тем меньше PPD (ожидаемый процент неудовлетворенности) пользователей. То есть PPD, соответствующий категориям A, B и C, будет соответственно меньше, чем 6, 10 и 15 %. Стандарты искусственной среды в большинстве стран мира, такие как CEN EN15251 в Европе и стандарт ASHRAE 55 в США, следуют этому принципу на практике.

Расход энергии на эксплуатацию зданий в Китае в 2020 году составил около 21 % от общего национального энергопотребления. Правительство Китая поставило задачу выйти на пиковые углеродные выбросы к 2030 году и достичь углеродной нейтральности к 2060 году. Стратегия Китая по снижению углеродных выбросов от эксплуатации зданий включает: strong>1. Реформу систем энергоснабжения: • Здание полностью электрифицировано и использует источники постоянного тока для полной замены прямого сжигания ископаемого топлива; установка фотоэлектрических панелей, где это возможно, интеграция с электрической сетью постоянного тока и использование различных элементов здания для хранения энергии. • Обеспечение зданий безуглеродной энергией, такой как безуглеродное электричество, возобновляемая энергия, сбросное тепло от промышленности, геотермальная энергия, энергия от биомассы, природная энергия и т. д. • Повышение энергоэффективности климатических систем, например за счет использования тепловых насосов для отопления помещений и горячего водоснабжения, разработки водоохладителей и тепловых насосов с высоким КПД и снижения энергопотребления на транспортировку воздуха и охлажденной/горячей воды в системах ОВК и т. д. 2. Оптимизацию энергопотребления зданий: • Архитектор должен тесно сотрудничать с инженерами-энергетиками и инженерами-экологами. При строительстве новых здании и реконструкции существующих инженеры по энергетике и экологии привлекаются уже на этапе планирования проекта для разработки проекта здания с низким пассивным энергопотреблением для эффективного уменьшения потерь холода/тепла в этом здании. • При снижении углеродных выбросов качество внутренней среды не должно снижаться; наоборот, оно должно быть комплексно улучшено. Следовательно, первым делом необходимо узнать, какое качество внутренней среды является комфортным и здоровым для пользователей. Затем, согласно этой концепции, необходимо создать внутреннюю среду, разработать подходящую технологию и оборудование для контроля внутренней среды.

Положения этих стандартов подразумевают, что чем меньше диапазон варьирования параметров микроклимата, тем выше его качество. За последнее десятилетие на рынке недвижимости Китая появились жилые здания высокого класса. Одна из причин их высокой стоимости заключается в том, что система управления микроклиматом использует централизованную систему ОВК, поддерживающую заданную температуру и влажность в течение всего года, и даже естественная вентиляция с использованием окон ограничена. Такие жилые здания многие считают продуктом передовых технологий, способных обеспечивать более высокое качество внутренней среды. Результаты натурных обследований показали, что годовое энергопотребление таких климатических систем жилых зданий значительно выше, чем в традиционных жилых зданиях. Особенно это касается расхода электричества на охлаждение в летний период, который в 7~10 раз выше, чем в традиционных жилых зданиях.

Нет никаких сомнений, что внутренняя тепловая среда с постоянным контролем температуры и влажности воздуха не только дорого стоит, но и потребляет больше энергии. Но действительно ли она обеспечивает бОльшую удовлетворенность пользователя?

Специалисты из США, Великобритании и Австралии провели совместное исследование уровня удовлетворенности тепловой средой среди пользователей некоторых офисных зданий категорий A, B и C, расположенных в разных странах. Результаты показали, что в этих трех классах зданий нет никаких различий по уровню удовлетворенности микроклиматом; уровень удовлетворенности везде такой же, что и для категории C, порядка 80 %. Получается, что значительные капиталовложения и энергопотребление, обеспечивающие «высокое качество» микроклимата (постоянство заданной температуры и влажности), на самом деле не принесли пользователям дополнительного комфорта.

Постараемся более детально изучить, какое качество микроклимата является действительно комфортным и здоровым для пользователей.

Является ли стабильная и нейтральная тепловая среда комфортным микроклиматом?

Если спросить, какой тип внутренней тепловой среды комфортен, многие ответят, что это стабильная нейтральная тепловая среда. В нейтральной тепловой среде автономной системе терморегуляции тела не приходится работать, поэтому тепловой стресс отсутствует, человек чувствует себя расслабленным. В холодных или жарких условиях терморегуляторной системе тела приходится работать, заставляя человека потеть или даже дрожать. Если диапазон регулирования относительно большой и время относительно длительное, люди будут уставать и чувствовать дискомфорт.

Однако в научной среде есть и другое мнение, согласно которому комфорт – это временное удовольствие, которое человек испытывает при устранении дискомфорта. Идея заключается в том, что человеческое тело не может чувствовать себя «комфортно», находясь в стабильном состоянии (ни жарко, ни холодно). Человек, изнывающий от жары летом, может почувствовать себя комфортно, когда искупается в бассейне, но фактически он ощутит прохладу, а не тепловую нейтральность. Когда люди страдают от дискомфорта, вызванного внешними раздражителями, они, естественно, будут думать, что устранение таких раздражителей принесет им комфорт, поэтому начнут ошибочно считать раздражитель без дискомфорта наиболее комфортным. Но после устранения причины дискомфорта исчезнет и комфорт.

Существование этих двух разных взглядов на комфорт делает это понятие философским вопросом.

Измерения, проведенные в офисном здании субтропического Шэньчжэньского института строительных исследований, выявили некоторые интересные эффекты. Несмотря на то, что температура воздуха на открытой веранде находится в диапазоне 29~31 °C, а влажность – в диапазоне 60~80 %, сотрудники все равно предпочитают проводить рабочие совещания на ней (рис. 1), а не перемещаться в переговорную комнату с кондиционированным воздухом внутри здания. Хотя в опроснике они указали, что помещение с кондиционированием воздуха «температурно-нейтрально», а открытая веранда «слегка теплая» или «теплая», большинство из них также указали, что открытая веранда комфортнее, чем помещение с кондиционированием воздуха. В числе преимуществ отмечены естественный ветерок, дневное освещение, красивый вид и наличие зелени.

Рисунок 1 Открытая веранда Шэньчжэньского института строительных исследований и результаты TSV/TCV [4]

Важной особенностью человеческого тела является то, что естественный ветер воспринимается намного лучше, чем механический ветер той же температуры, влажности и средней скорости. Естественный ветер, особенно в теплом и жарком климате, часто приносит людям комфорт и удовольствие, они начинают воспринимать высокую температуру как комфортную. Скорость естественного ветра представляет собой нерегулярную переменную с относительно низкой частотой, которая очень сильно отличается от высокочастотных флуктуаций механического ветра, который ближе к белому шуму. Результаты исследований ученых из Университета Цинхуа за последние 20 лет подтвердили это мнение и выделили ряд характерных параметров флуктуации скорости ветра (рис. 2). Экспериментальные результаты эмулятора естественного ветра подтвердили, что с ним люди способны чувствовать себя комфортно при температуре в помещении 30 °C.

Рисунок 2 Открытая веранда Шэньчжэньского института строительных исследований и результаты TSV/TCV [4]

Как упоминалось выше, комфорт – это удовольствие, возникающее в результате устранения дискомфорта, и при низкой скорости естественного ветра люди будут ощущать легкое тепло, но при увеличении скорости ветра это ощущение исчезнет. Поскольку скорость естественного ветра непрерывно меняется, люди будут многократно ощущать удовольствие от устранения легкого дискомфорта, то есть чувствовать непрерывный комфорт, вызванный постоянными изменениями.

Для здоровых пользователей необходимо создать динамическую внутреннюю тепловую среду, которая даст им не только комфортную тепловую среду, близкую к природной, но и достигнет цели экономии энергии за счет увеличения температуры внутри помещения в летнее время и уменьшения времени работы системы охлаждения. Внутренняя тепловая среда с постоянной температурой и влажностью необходима только пациентам, людям со слабым здоровьем и другим особым группам населения.

Влияние психологических факторов на тепловой комфорт

«Комфорт» также часто означает ожидания: если ситуация лучше, чем ожидалось, или если люди уверены, что неблагоприятные события, которые могут произойти, находятся под их контролем, они будут игнорировать неблагоприятные стимулы и чувствовать себя комфортно. Здесь важна роль воспринимаемого контроля. Таким образом, комфорт – это не только внешние физические факторы, но и психологические.

Группа ученых Университета Цинхуа исследовала комнатную температуру и удовлетворенность обитателей зданий с центральным и автономным отоплением в Пекине и Шанхае [6] . У жителей квартир с системами центрального отопления (группа BJ-A) нет возможности непосредственно управлять температурой в помещении; это означает, что они вынуждены пассивно принимать свою тепловую среду. Жители зданий с автономными системами отопления (группа BJ-B) могли контролировать температуру в помещении при помощи устройств автономного отопления. Разница в тепловом комфорте у этих двух групп в одном и том же регионе при одной и той же комнатной температуре довольно велика. Группа BJ-B ощущала, что ей более тепло, и термонейтральная (не холодно и не жарко) температура для нее была на 2,6 °C ниже, чем для группы BJ-A (рис. 3). Другими словами, наличие возможности независимого регулирования температуры позволяет пользователям чувствовать себя лучше и более удовлетворенными при той же комнатной температуре.

Рисунок 3 Результаты опроса о температурном ощущении жителей домов с центральным и с автономным отоплением [6]

Команда ученых Университета Цинхуа также провела ряд экспериментов по климатической психологии в климатической камере, и все эти эксперименты подтвердили, что при наличии у субъектов воспринимаемого комфорта переносимость внутренней тепловой среды увеличилась, так же как и уровень удовлетворенности [7, 8].

Таким образом, наличие у пользователей возможности независимого контроля тепловой среды, включая систему кондиционирования воздуха и окна для проветривания, не только способствует поведенческой экономии энергии, но и может существенно повысить удовлетворенность пользователей внутренней тепловой средой. При возможности независимого контроля температуры, даже если пользователь ее не задействует, его субъективные ощущения значительно улучшаются. Полностью автоматическая система управления, исключающая вмешательство пользователей, такого эффекта добиться не может.

Какая внутренняя среда благоприятна для здоровья?

Даже если люди считают, что им комфортно находиться длительное время в стабильной и термонейтральной среде без температурного стресса, может ли это дать здоровье и стоит ли такой комфорт затраченной на него энергии и нанесенного экологии вреда?

В 2000 и 2001 годах на юго-востоке Китая в ряде городов было проведено исследование с целью определить, насколько высок дискомфорт в зданиях с синдромом «больного здания». Участники опроса отбирались случайным образом из числа сотрудников предприятий, гостиниц и ресторанов региона. В общей сложности опросники заполнили 2 595 человек. Они были поделены на группы в зависимости от наличия систем кондиционирования воздуха в местах их проживания и работы. Рассматривалось 12 категорий признаков SBS.

Была выявлена значимая положительная связь между длительным нахождением в кондиционируемой среде и 10 из 12 категорий признаков SBS; исключениями стали категория 2 (сухость носа, зуд, заложенность, выделения или кровотечение) и категория 6 (сухость кожи с систематическим или местным зудом). Результаты показали, что дискомфорт выражался в физиологических реакциях, которые затрагивали нервную, пищеварительную и дыхательную системы, а также в раздражении кожи и слизистых оболочек в результате воздействия кондиционированного воздуха. Частота проявления дискомфорта была выше среди индивидуумов, которые привыкли находиться в кондиционируемых помещениях. Таким образом, кондиционирование воздуха может быть причиной дискомфорта и отрицательно влиять на здоровье людей.

Эксперимент по сравнению, проведенный командой ученых Университета Цинхуа в климатической камере, выявил, что, в сравнении с субъектами, находившимися в кондиционируемой среде менее 2 ч в день (группа NV), группа AC, на протяжении всего дня находившаяся в течение лета в среде с кондиционированием воздуха, не только плохо переносила жару (36 °C) и испытывала при этом сильный дискомфорт, но и имела более замедленную терморегуляцию кожи и меньше потела, что вызывало трудности с рассеиванием метаболических тепловыделений тела. Количество белков теплового шока (HSP70), которые отвечают за терморегуляцию и тепловую адаптацию человеческого тела, в крови субъектов из группы AC составляло менее 2/3 от количества у группы NV (рис. 4). Другими словами, эффективность системы терморегуляции их тела была частично нарушена длительным нахождением в среде с кондиционированием воздуха. Результаты этого эксперимента подтверждают, что длительное отсутствие обучающего стимулирования тепловым шоком неблагоприятно влияет на человеческий организм.

Рисунок 4 РУровень белков теплового шока 70 (HSP70) до и после теплового шока [10]. На оси X показаны серийные номера субъектов

Результаты долгосрочных исследований, проведенных группой профессора ван Маркена Лихтенбелта, показывают, что частое воздействие умеренного холода, без доведения до дрожи, полезно для активации бурой жировой ткани человека (BAT), увеличения метаболического образования тепла и повышения способности противостоять простуде [11]. 10-дневная акклиматизация к холоду (14–15 °C) повысила периферическую инсулиновосприимчивость у 8 человек с диабетом 2-го типа на ~43 %. Такое закаливание может стать потенциальной терапией диабета за счет увеличения массы и активности бурой жировой ткани (BAT) [12].

Таким образом, автор пришел к следующим выводам: отсутствие времени, проведенного вне термонейтральной зоны, следует считать дополнительной угрозой здоровью, а регулярное воздействие умеренного холода, наряду с физическими упражнениями и снижением веса, является фактором образа жизни, способным стимулировать здоровье.

Создание системы персонального комфорта

Как уже было сказано, более узкий диапазон PMV (индекса комфортности по Фангеру) не означает увеличения комфорта. Условие PMV = 0 является статистическим средним для нейтральной тепловой среды, полученным в результате эксперимента с участием большого числа субъектов. Однако тепловые потребности пользователей различны, и даже тепловые потребности одного и того же человека при изменении некоторых факторов изменятся. Таким образом, PMV = 0 не означает, что каждый присутствующий будет испытывать тепловую нейтральность. Как отмечалось, уровень удовлетворенности для офисов класса A и B аналогичен уровню для офисов класса C. Одной из причин является разнообразие тепловых потребностей людей. Учитывая ограничения развития существующих технологий ОВК, тепловые параметры всего помещения приходится регулировать на одном и том же уровне. Поэтому неизбежно, что одни пользователи будут ощущать дискомфорт от холода, а другие – от жары. В результате часть энергии тратится впустую и невозможно эффективно повысить общий уровень удовлетворенности пользователей.

Идеальная стратегия управления микроклиматом должна предусматривать предоставление персональных тепловых услуг для всех объектов внутри помещения и одновременно давать пользователям возможность контролировать свой собственный микроклимат, чтобы эффективно повысить качество внутреннего микроклимата. Новой концепцией оборудования ОВК в будущем станет система персонального комфорта (PCS), которая способна создавать для людей персонализированный микроклимат. Исходя из этой новой концепции, централизованная система ОВК будет создавать окружающую тепловую среду с относительно свободными требованиями, такими как поддержание комнатной температуры в диапазоне 16~18 ° C зимой и 28~30 °C летом. Если окружающая тепловая среда не в состоянии удовлетворить требования пользователей, они могут использовать PCS для поддержания подходящего личного микроклимата. Это способно эффективно уменьшить длительность работы отопления и охлаждения, что снизит энергопотребление климатических систем.

Развитие оборудования PCS, основанного на теории локального теплового комфорта человека, за последние годы стало популярной темой для исследований в области теплового комфорта. На данный момент ведется ряд исследований и разработок в области PCS, включая обогревающие/охлаждающие кресла и одежду, подогреватели для рук/ног, нашейные охладители и т. д. Настольные вентиляторы с переменной скоростью вращения также относятся к оборудованию PCS.

Ватанабэ разработал охлаждающее кресло с вентилятором внутри обивки еще в 2009 году. Экспериментальные результаты показали, что термонейтральную комнатную температуру можно поддерживать на уровне 28 °C [13]. Команда из Калифорнийского университета в Беркли разработала кресло с электрическим подогревом и вентилятором охлаждения для сиденья и спины, который способен удовлетворять 92 % требований к тепловому комфорту при температуре 18~29 °C [14]. Вместо использования вентилятора для усиления конвекции для охлаждения группа ученых Университета Цинхуа разработала охлаждающее кресло, которое использует контактную передачу тепла. Охлаждающая энергия, генерируемая охлаждающей тканью с эффектом Пельтье, равномерно передается через плоскую теплообменную трубку и силикагелевую пластину на сиденье и спинку кресла, что дает возможность независимого регулирования разных компонентов охлаждения. Она способна поддерживать общую тепловую нейтральность субъекта при температуре окружающей среды 30 °С [15]. В сравнении с предыдущими креслами с вентиляторным охлаждением кресла с контактным охлаждением способны дополнительно повысить комфортную температуру окружающей среды до 30 °С. Поскольку поток тепла при контактной теплопередаче между человеческим телом и холодной поверхностью больше, тепловой комфорт человеческого тела можно поддерживать при температуре охлажденной поверхности 26~27 °С и температуре окружающей среды 30 °С, поэтому данный способ индивидуального охлаждения более эффективен.

Сейчас системы PCS для обогрева разрабатываются относительно быстро, и некоторые уже даже нашли практическое применение. Это обусловлено тем, что добиться локального подогрева с использованием электрического нагрева достаточно легко, но исследования и разработка PCS для охлаждения продвигаются медленно, так как охлаждающая способность вентиляторов ограничена температурой окружающего воздуха, а при существующей холодильной технологии сложно выполнить требования к охлаждающим PCS. Хотя традиционная технология компрессорного охлаждения добилась существенной миниатюризации, она все еще не способна на малые температурные дифференциалы, малую охлаждающую способность и малые тепловые потоки, требуемые для PCS. Кроме того, КПД охлаждения с использованием эффекта Пельтье слишком низкий, удельный тепловой поток на единицу площади слишком большой и температура с нижней части температурного диапазона слишком низкая, поэтому непосредственный контакт с телом человека исключен. Так как контактные системы PCS требуют только охлажденной поверхности при температуре 26~27 °С, если получится реализовать тепловой насос, работающий по циклу с малой температурной разницей, между охлажденной поверхностью и окружающим воздухом, КПД обратного цикла Карно может достичь 21,4, что намного выше, чем КПД обратного цикла Карно в традиционном охладителе при нормальной температурной разнице.

Для дальнейшего стимулирования разработки PCS необходимо сфокусироваться как минимум на следующих направлениях:

• стимулировать исследования реакции на локальное тепловое воздействие и физиологические характеристики для создания соответствующих теоретических обоснований для совершенствования оборудования PCS и динамического контроля температуры. Даже для наиболее технологически целесообразных PCS с электрическим нагревом необходимы дальнейшие исследования того, где и как осуществлять нагрев для достижения наилучшего эффекта с минимальным потреблением электричества, чтобы аккумуляторы переносных PCS могли обеспечивать питание в течение максимального времени. В случае охлаждающих PCS крайне важно избегать возможных проблем со здоровьем пользователей;
• интегрировать последние достижения в области исследования новых материалов и новых технологий. Помимо исследований холодильных технологий с малой температурной разницей и малой холодильной мощностью, также необходимо использовать технологии искусственного интеллекта для правильной идентификации теплового восприятия и тепловых потребностей пользователей, так как PCS работает в контакте с человеческим телом, что требует большей безопасности и защиты здоровья, а также соответствует физиологическим характеристикам и привычкам человеческого тела. Для достижения этих целей требуется технологический прогресс и междисциплинарное взаимодействие.

Планы на будущее

Можно ожидать, что технологии создания микроклимата в будущем разовьются до такого уровня, что смогут:

• воспроизводить естественную окружающую среду внутри помещения, в результате чего можно будет наслаждаться комфортным морским, лесным или луговым климатом у себя дома;
• предоставлять «персональные тепловые услуги», которые удовлетворят разнообразные индивидуальные потребности, и предлагать персонализированное и носимое оборудование для индивидуального теплового комфорта;
• помогать пользователям проводить активную закалку холодом/теплом в соответствии с потребностями их здоровья, повышать терморегуляторную способность человеческого тела и улучшать состояние здоровья.

Реализовав это в будущем, мы сможем создать более комфортную и здоровую внутреннюю среду при эффективном снижении энергопотребления зданий, внося свой вклад в достижение углеродной нейтральности в строительной отрасли.