ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЗДАНИЯ

INCREASE OF ENERGY EFFICIENCY AND PERFORMANCE OF THE BUILDING

Ainur Tukhtamisheva

doctoral student, assis. prof., International Educational Corporation (Kazakh leading academy of architecture and civil engineering)

Kazakhstan, Almaty

Raimondas Bliūdžius

doctor, Kaunas University of Technology, K. Donelaicio, 73

The Republic of Lithuania, Kaunas,

Dinar Adilova

Candidate of Science, acad. prof., International Educational Corporation (Kazakh leading academy of architecture and civil engineering)

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

Мы не можем говорить об устойчивом зеленом строительстве, не принимая во внимание энергоэффективное строительство. Существует широкий спектр инструментов расчета и моделирования зданий, некоторые из которых имеют несколько уровней применения, в то время как другие предназначены для определенных областей анализа. В этой статье мы очень кратко рассмотрим основные методы расчета тепловых характеристик и более подробно остановимся на функциональности и удобстве использования одного конкретного энергетического инструмента.

ABSTRACT

We can not talk about sustainable green construction, not taking into account energy-efficient construction. There is a wide range of tools for calculating and modeling buildings, some of which have several levels of application and others designed for specific areas of analysis. In this article, we will very briefly review the basic methods for calculating the thermal characteristics and consider in more detail the functionality and usability of a particular energy tool.

Ключевые слова: эффективность, энергоэффективность, экологические ресурсы, механизм моделирования, энергетические затраты.

Keywords: efficiency, energy efficiency, environmental resources, the modeling mechanism, energy costs.

Прогресс в области науки, техники и промышленности, а также растущее осознание необходимости уважения и сохранения экологических ресурсов способствовали разработке инструментов, которые вычисляют, моделируют различные аспекты эффективности строительства. Департамент энергетики европейских стран на своем веб-сайте предлагает каталог [1], в котором подчеркивается постоянно расширяющийся список программного обеспечения для повышения производительности здания. В настоящее время 332 инструмента на сайте варьируются с теми, которые относятся ко всему строительному уровню, а также с теми, которые анализируют конкретные материалы, компоненты, оборудование и системы. Программы различаются по уровню точности, требуемым усилиям и стоимости. Они также часто имеют дело с различными этапами процесса проектирования. Ключом к успеху конечных пользователей в поиске соответствующей программы является их способность сопоставлять инструмент с задачей. Категоризация по тематике и краткий обзор каждой программы помогают пользователю определить, соответствует ли программа их конкретным потребностям, уровню знаний и бюджету. Чем больше знаний у пользователя по данным факторам, тем, несомненно, больше их опыт навигации по альтернативам.

Рассматривая энергоэффективность на всем уровне здания, основное внимание в этой статье мы все же уделяем тепловым характеристикам. Тепловая характеристика обычно рассчитывается либо с целью определения размера и выбора механического оборудования, либо с целью прогнозирования годового потребления энергии в структуре. Архитекторы, инженеры и механические подрядчики полагаются при расчете на программы калибровки, часто основанные на процедурах и алгоритмах, установленных ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), пиковых нагрузках на нагрев и охлаждение, которые определяют необходимое оборудование для HVAC (ОВКВ). Рассматривая эффективность, дизайнеры и инженеры все чаще используют энергетические программы, которые моделируют и прогнозируют годовое потребление энергии в зданиях с точки зрения энергоблоков (например, BTU(БТЕ)), финансовых затрат или воздействия на окружающую среду. Эти два типа вычислений не являются взаимоисключающими. Например, определение годового потребления энергии требует знания сезонных строительных нагрузок. Однако большинство этих программ подчеркивают одно или другое за счет различных упрощений. Важно иметь базовое представление о том, как работают программы тепловой производительности, чтобы определить затраты и выгоды по каждой из них.

Очень простая схема шагов, связанных с вычислением годовой стоимости энергии, представлена в блок-схеме последовательности операций, показанной на рисунке 1 (найдена на веб-сайте Whole Building Design Guide) [2]:

Рисунок 1. Блок-схема для определения затрат энергии

Здание представляет собой сложную систему с несколькими одновременно взаимодействующими физическими процессами. В тех случаях, когда эти процессы действуют для получения аналогичных тепловых требований, область обозначается термической «зоной». Количество зон в здании определяется различными факторами, включая размер здания, форму, ориентацию, использование и графики занятости. Эти факторы также влияют на источники и поглотители энергии, которые могут входить в расчет нагрузки каждой зоны, требуемую почасовую скорость теплоотвода (или подачи), чтобы сохранить здание комфортным. Схема на рисунке 2 освещает эти источники и стоки, где Q представляет скорость передачи тепла или потока. В зависимости от пиковых часовых нагрузок нагрева и охлаждения для каждой зоны, а также сложности программы выбираются взаимодействия между зонами, механическое оборудование здания. Вычисляется количество энергии, требуемой выбранным оборудованием для поддержки строительных нагрузок, после чего с учетом местной информации об электроэнергетике и топливе почасовые затраты рассчитываются и, наконец, суммируются через год, чтобы дать показатели годовой производительности [2; 3].

Рисунок 2. Схематический энергетический баланс здания

Среди программ и внутри них существует сложность переменных на всех уровнях процесса. Некоторые программы предусматривают только один или два шага. Другие обращаются ко всем. Некоторые программы используют упрощенные методы корреляции, а другие используют детальное и динамическое почасовое моделирование. Опять же выбор программы будет в значительной степени зависеть от типа исследуемого проекта и вопросов, а также от простоты его использования. Сильные и слабые стороны некоторых из наиболее широко используемых программ приведены в таблице 1.

Чтобы получить представление о практическом опыте использования одного из этих инструментов, несколько простых симуляций были выполнены со свободно загружаемой программой eQUEST [4]. eQUEST представляет собой инструмент Быстрого Средства Моделирования Энергии, использует расширенную версию механизма моделирования в DOE-2 – широко распространенном и проверенном отраслевом стандарте для детального моделирования всего здания, а также использует мастера и графику, чтобы сделать опыт более удобным для пользователей и специально для начинающих. Представляется настолько интуитивным, что «любой член команды разработчиков может использовать его на любой стадии проектирования». eQUEST следует тому же основному описанию шагов процесса на рисунке 1 в графической среде, что и Windows. Вся информация о конкретном проекте вводится через мастер. Мастер создания зданий помогает пользователю создать модель здания на основе планов и спецификаций зданий на схематическом или подробном уровне, а мастер энергоэффективных мер позволяет пользователю назначить до десяти вариантов дизайна для «базового» здания (несколько вариантов параметрического проектирования также доступно для тех, кто работает через дополнительный подробный интерфейс). По завершении моделирования с помощью ряда автоматически генерируемых индивидуальных и сравнительных графиков данные о потреблении коммунальных услуг и экономии затрат для мер эффективности могут «использоваться для определения простой окупаемости, стоимости жизненного цикла и, в конечном счете, определить наилучшую комбинацию альтернатив» [5].

Таблица 1.

Сильные и слабые стороны широко используемых инструментов анализа энергии здания

Одним из особенно полезных предложений eQUEST для возможностей DOE-2 является внедрение динамических интеллектуальных значений по умолчанию. Каждая входная спецификация имеет стандартное значение по умолчанию, которое динамически определяется на основе предыдущих записей пользователя.

Независимо от того, изучаете ли вы проект, для которого определенные параметры еще не определены или пользователь просто не знает о них, интеллектуальная система eQUEST по умолчанию повышает удобство использования, делая установку моделирования более быстрой и независимой от уровня знаний.

Моделирование образцов, выполненное с использованием eQUEST, основывалось на воображаемом простом прямоугольном офисном здании в регионе Сакраменто. Основные характеристики базовой конструкции здания и кумулятивные альтернативные конструкции приведены в таблице 2.

Чтобы дать представление о диапазоне альтернатив энергоэффективности, доступных в eQUEST, варианты, предлагаемые для этого базового здания, приведены в таблице 3. Примеры графических представлений, сравнивающих дизайн, альтернативные результаты также показаны на рисунках 3-5. Исходя из этих результатов и аналогичных полезных графических выходов, пользователи могут взвешивать энергетические и финансовые издержки и преимущества своих проектов. 

При исследовании рисунка 3 становится ясно, что изменения освещения и окна уменьшали потребление электроэнергии в течение года, в то время как контроль дневного освещения и снижение плотности мощности освещения увеличивали потребление газа в зимние месяцы. С другой стороны, внедрение тройных окон с низким уровнем E резко сократило потребление газа в те же месяцы. На рисунке 4 показано, что ежемесячные счета за коммунальные услуги остаются неизменно ниже с изменениями освещения и окна, а на рисунке 5 показано, что совокупная экономия времени наибольшая с альтернативой проектирования плотности освещения.

Таблица 2.

Описание альтернативных образцов базовой линии и энергоэффективности, используемых при моделировании образцов eQUEST. Показатели энергоэффективности накапливаются в списке

Боковое дневное освещение

Таблица 3.

Категории вариантов проектирования энергоэффективности для моделирования образцов в eQUEST

В то время как моделирование, рассмотренное здесь, было ограничено простой моделью здания, проанализированной в одном конкретном программном инструменте, с новой и не экспертной точки зрения пользователя, опыт был удивительно безболезненным и обнадеживающим. Люди со средним знакомством с компьютером смогут легко перемещаться по программе. Однако актуальное знание будет определять их способность его использования. Хотя кардинальное правило выбора программы по-прежнему соответствует инструменту этой задачи, а благодаря растущей доступности гибких и удобных программ все больше и больше людей по всему миру будут готовы и смогут использовать их для повышения энергоэффективности, улучшения финансовых затрат и воздействия на окружающую среду их зданий и домов.

Рисунок 3. Примеры графических представлений, сравнивающих дизайн и альтернативные результаты энергоэффективности

               Рисунок 4. Примеры графических представлений, сравнивающих дизайн и альтернативные результаты энергоэффективности

Рисунок 5. Примеры графических представлений, сравнивающих дизайн и альтернативные результаты энергоэффективности

Список литературы:

1. Department of Energy Building Tools Directory: 
http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/
2. Whole Building Design Guide: 
http://www.wbdg.org/design/energyanalysis.php?r=minimize_consumption
3. Calculation Methods to Predict Energy Savings in Residential Buildings, Swedish Council for Building Research. http://www.ecbcs.org/docs/annex_03_calculation_methods.pdf
4. eQUEST: 
http://www.doe2.com/equest/
5. eQUEST Introductory Tutorial: 
http://www.doe2.com/download/equest/eQUESTv3-40_Tutorial.exe