Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 107-91-50 ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Могут ли высотные здания иметь околонулевое потребление энергии?

Can high-rise buildings be near zero energy buildings (NZEB)?

Alessandro Sandelewski, Certified Engineer, Honorable Member of CIBSE, ASHRAE, LEED GA Expert, Independent Consultant

Keywords: definition of terms, classification of high-rise buildings, calculation of heat gains and losses

High-rise buildings today are being built all over the place in all big cities of the world. For example, the current laws in EU member states require for all buildings commissioned after 2020 to be near-zero energy buildings. Is it possible to build a high-rise building with near-zero energy use? In order to answer this question we will look at the specifics of HVAC systems design in high-rise buildings and conceptual solutions for utility systems allowing to reach near-zero energy use.

Описание:

В наше время высотные здания строятся повсеместно во всех крупных городах мира. Например, в странах Европейского союза действующие законы требуют, чтобы все здания, вводимые в эксплуатацию после 2020 года, имели околонулевое потребление энергии (NZEB). Возможно ли построить высотное здание с околонулевым потреблением энергии? Чтобы ответить на вопрос, рассмотрим специфику проектирования систем ОВиК высотных зданий и концептуальные решения построения инженерных систем, которые позволяют достичь околонулевого потребления энергии.

МОГУТ ЛИ ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ ИМЕТЬ ОКОЛОНУЛЕВОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ? (ЧАСТЬ 1)

В наше время высотные здания строятся повсеместно во всех крупных городах мира. Например, в странах Европейского союза действующие законы требуют, чтобы все здания, вводимые в эксплуатацию после 2020 года, имели околонулевое потреб­ление энергии (NZEB). Возможно ли построить высотное здание с околонулевым потреблением энергии? Чтобы ответить на вопрос, рассмотрим специфику проектирования систем ОВиК высотных зданий и концептуальные решения построения инженерных систем, которые позволяют достичь околонулевого потребления энергии.

Европейская директива 2010/31/ЕС по энергоэффективности зданий (Directive 2010/31/EU on the energy performance of buildings – EPBD) вводит понятие здания с околонулевым потреблением энергии (Near Zero Energy Buildings – NZEB). Ст. 9 данной директивы вводит следующие требования к государствам – членам ЕС:

  • Все здания, принадлежащие общественным организациям и государственным институтам, вводимые в эксплуатацию после 31 декабря 2018 года, должны иметь околонулевое потребление энергии.
  • После 31 декабря 2020 года все здания, вводимые в эксплуатацию, должны иметь околонулевое потребление энергии.

При этом государства – члены ЕС самостоятельно разрабатывают национальные стандарты и определяют, какие здания можно отнести к NZEB. В Италии, например, в соответствии с декретом от 26 июня 2015 года зданием с околонулевым потреблением энергии может считаться здание, в котором 50 % энергопотребления систем отопления, вентиляции, кондиционирования и ГВС обеспечивается за счет возобновляемых источников энергии.
Оставив в стороне юридические тонкости национальных стандартов, рассмотрим общее значение терминов ZEB, nZEB и NZEB.

ZEB (Zero Energy Building) – здание с нулевым потреблением энергии
Здания с нулевым потреблением энергии полностью покрывают свою потребность в энергии за счет возобновляемых источников. По сути, это утопия, поскольку при существующих технологиях энергия из возобновляемых источников не может быть доступна круглый год в достаточном количестве. Например, солнечная энергия недоступна в ночное время и ограниченно доступна зимой. При этом системы аккумуляции энергии слишком дороги и требуют значительного пространства в здании для размещения.

nZEB (Net Zero Energy Building) – здание с чистым нулевым потреблением энергии
Этот тип зданий подключен к внешним сетям электроснабжения и в случае профицита генерации энергии от возобновляемых источников передает излишки в сеть, а в случае дефицита генерации энергии от возобновляемых источников потребляет энергию из внешних сетей. При этом итоговый годовой баланс потребления энергии из внешних сетей и передачи энергии во внешние сети должен быть равен нулю. В отличие от ZEB, здания с чистым нулевым потреб­лением энергии в периоды дефицита генерации энергии от возобновляемых источников энергии могут потреблять энергию от сжигания ископаемых видов топлива, поскольку в ночное время (наступает одновременно на 2,5 континентах – Европа, Африка и Ближний Восток) только этот вид генерации энергии может обеспечить требуемый уровень потребления. И не стоит забывать о серьезных проблемах с пространством для размещения оборудования для генерации энергии от возобновляемых источников – при дефиците свободных площадей достичь чистого нулевого потребления энергии невозможно. Стоит упомянуть и размер капитальных затрат на реализацию nZEB-решений: достижение нулевого потреб­ления – это асимптотический процесс (закон убывающей отдачи, Шеппард, 1974 год).

Рис.
Закон убывающей отдачи

NZEB (Nearly Zero Energy Building) – здания с околонулевым потреблением энергии
Попытаемся определить, что же именно считать «околонулевым». В Италии для производства 1 000 кВт•ч/год в среднем требуется 6–7 м2 фотоэлектрических панелей. Энергия от возобновляемых источников всегда должна анализироваться в привязке к площади, занимаемой оборудованием для генерации.
Для понимания термина «околонулевое» используем два коэффициента – SFVeq и PtZ.

  1. SFVeq (Equivalent Photovoltaic Surface) – это эквивалентная площадь фотоэлектрических модулей. Другими словами, это площадь фотоэлектрических модулей, необходимая для покрытия энергопотребления здания в годовой перспективе и достижения показателей чистого нулевого потребления энергии. Для того чтобы рассчитать SFVeq здания, необходимо разделить его годовое энергопотребление на энергию, получаемую за год от 1 м2 фотоэлектрического модуля в регионе, где расположено здание. Определить эквивалентную площадь фотоэлектрических модулей для здания, потребляющего только природный газ и энергию от внешней сети электроснабжения, можно по формуле (1) (см. Формулы).
  2. PtZ (Proximity to Zero) – коэффициент близости к нулю. Этот коэффициент показывает отношение площади фактически установленных фотоэлектрических модулей к площади фотоэлектрических модулей, необходимых для достижения чистого нулевого потребления энергии зданием, и позволяет оценить, насколько близко здание к «околонулевому» потреблению (см. формулу (2)).

Энергомоделирование для офисных зданий и отелей стандартной высоты показывает, что в Италии достижение 100 %-ного PtZ на практике невозможно. Если в расчете учитывать все системы здания, потребляющие электроэнергию (лифты, эскалаторы и прочее), то показатель 50–60 % уже можно считать успешным результатом.
В высотных зданиях обеспечить близость к нулевому потреблению еще сложнее в силу специфики инженерных систем, описанной далее по тексту.

Классификация высотных зданий

Высотные здания могут быть классифицированы согласно терминологии ASHRAE как: высотные – выше 100 м; супервысотные – выше 300 м; мегавысотные – выше 600 м; убервысотные (термин не является официальным) – выше 1 000 м.
При проектировании высотных зданий особое внимание нужно уделить, во-первых, расчету теплопоступлений и теплопотерь, во-вторых, эффекту тяги и, в-третьих, проектированию гидравлических систем.

Расчет теплопоступлений и теплопотерь

Температура и влажность наружного воздуха, атмосферное давление и плотность воздуха изменяются по мере увеличения высоты над уровнем моря. Стандартный подход, когда эти данные принимают едиными для всего здания, не проходит в случае высотных зданий. Расчет температуры, атмосферного давления и плотности воздуха выполняют по формулам (3)–(5), где за нулевую высоту принимают высоту над уровнем моря.
В качестве примера приведем распределение показателей для высотного здания в г. Джидда, Саудовская Аравия (высота 0 м над уровнем моря). Согласно данным ASHRAE, температура воздуха для данного региона 41 °C по сухому термометру и 30 °C по влажному термометру (табл. 1).

Таблица 1
Характеристики наружного воздуха на разных высотных отметках, г. Джидда, Саудовская Аравия

Если принять параметры воздуха в помещении 24 °C при относительной влажности 50 %, то в момент времени, когда на отметке уровня моря показатели наружного воздуха (тео­ретически) будут равны показателям воздуха в помещении, отклонения значений температуры и влажности наружного воздуха по высоте здания указаны в табл. 2.

Таблица 2
Разница температуры и влажности воздуха в помещении и наружного воздуха для высотного здания в
г. Джидда, Саудовская Аравия

Очевидно, что стандартный подход, при котором параметры наружного воздуха принимаются без учета их изменений по высоте здания, приведет к тому, что в теплый период года система будет переразмеренной (большой запас мощности), а в холодный период года система будет иметь дефицит мощности.

В следующем номере журнала «Энергосбережение» будет рассмотрено влияние эффекта тяги и гидравлических систем в высотных зданиях, а также дан ответ на вопрос, может ли высотное здание иметь околонулевое потребление энергии.

Перевод и техническая редактура выполнены В. В. Устиновым

 

 

купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №4'2019

PDF pdf версия


Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Сертификационный центр АВОК
Реклама на нашем сайте
KSB
Онлайн-словарь АВОК!