Главная >  Потенциал энергии 

 

Научные основы проектированияэнергоэффективных зданий. Академии архитектуры истроительных наук;

 

Ю.А.Табунщиков, президент АВОК, член-корр.Российской

 

Московскийархитектурный институт

 

М.М.Бродач, вице-президент АВОК, к.т.н.,

 

Мировой энергетический кризис 70-х годовпривел, в частности, к появлению новогонаучно-экспериментального направления встроительстве, связанного с понятием зданиес эффективным использованием энергии .Первое такое здание было построено в 1974году в г. Манчестере (штат Нью-Хэмпшир, США).Цель строительства этого здания, как,впрочем, и всех, последовавших за ним врамках нового направления, заключалась ввыявлении суммарного эффектаэнергосбережения от использованияархитектурных и инженерных решений,направленных на экономию энергетическихресурсов. В последние годы значительноувеличился объем строительства зданийразличного технологического назначения сэффективным использованием энергии, иполучили развитие в международной практикестандарты, правила и другие нормативныедокументы по проектированию и оценкеэнергоэффективности таких зданий (см.журнал АВОК, 1997, №№ 2, 4, . В России в рамкахмеждународной программы Европейскойэкономической комиссии ООН Энергетическаяэффективность-2000 осуществляютсяпроекты по строительству демонстрационныхзон высокой энергетической эффективности.

 

Введение

 

Авторами предлагается использовать двапонятия: энергоэффективные здания иэнергоэкономичные здания. Дадим следующиеопределения. Энергоэффективное зданиевключает в себя совокупность архитектурныхи инженерных решений, наилучшим образомотвечающих целям минимизации расходованияэнергии на обеспечение микроклимата впомещениях здания. Энергоэкономичноездание включает в себя отдельные решенияили систему решений, направленных наснижение расхода энергии на обеспечениемикроклимата в помещениях здания. Изприведенных определений ясно различиемежду энергоэффективным иэнергоэкономичным зданиями. Первое естьрезультат выбора определенными научнымиметодами совокупности технических решений,наилучшим образом отвечающих поставленнойцели. Второе есть результат суммированияряда энергосберегающих решений в одномобъекте.

 

Вместе с тем ощущается явная нехваткаинформации о научных методах, на основекоторых осуществляется проектированиезданий. Не менее остро ощущается также инеобходимость уточнения терминологии.

 

Исследование операций включает в себя триглавных направления:

 

С точки зрения современной науки, задачапроектирования энергоэффективных зданийотносится к так называемым задачам системногоанализа или задачам исследованияопераций , поиск решения которых связан свыбором альтернативы и требует анализасложной информации различной физическойприроды [1, 2]. Цель методов системногоанализа или исследования операций -предварительное количественноеобоснование оптимальных решений.Оптимальными здесь называются решения,которые по тем или иным признакампредпочтительнее всех других.

 

-выбор целевой функции. Это исследованиевключает в себя определение ограничивающихусловий и формулирование оптимизационнойзадачи;

 

-построение математической модели, то естьописание процесса на языке математики;

 

Заметим, что принятие окончательногорешения выходит за рамки исследованияопераций и относится к компетенцииответственного лица (чаще группы лиц),которому предоставлено правоокончательного выбора и на котороговозложена ответственность за этот выбор.Делая выбор, он может учитывать наряду срекомендациями, вытекающими изматематического расчета, еще рядсоображений количественного икачественного характера, которые в этихрасчетах не были учтены.

 

-решение поставленной оптимизационнойзадачи.

 

Математическаямодель и целевая функция дляэнергоэффективного здания

 

Основнаячасть

 

-математической моделитеплоэнергетического воздействиянаружного климата на здание;

 

В соответствии с методологией системногоанализа математическую модель тепловогорежима здания как единойтеплоэнергетической системы целесообразнопредставить в виде трех взаимосвязанныхмоделей, более удобных для изучения [3, 4, 5]:

 

-математической моделитеплоэнергетического баланса помещенийздания.

 

-математической моделитеплоаккумуляционных характеристикоболочки здания;

 

Оптимизационная задача дляэнергоэффективного здания имеет следующеесодержание: определить показателиархитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающихминимизацию расхода энергии на созданиемикроклимата в помещениях здания. Вобобщенном математическом виде целевуюфункцию для энергоэффективного зданияможно записать так:

 

Подробное описание математических моделейотдельных элементов здания и здания какединой энергетической системы дано в [3, 4, 5].

 

гдеQmin - минимальный расход энергии на созданиемикроклимата в помещениях здания;

 

Qmin= F (ai),

 

При реальном проектированииэнергоэффективное здание в большинствеслучаев не будет реализовано из-за рядаограничений, вытекающих из конкретнойстроительной ситуации или из-за рядасоображений количественного иликачественного характера, которые не былиучтены при математическом моделировании. Вэтом случае целесообразно ввестипоказатель, характеризующий степеньотличия реализованного решения отоптимального. В других случаях этот жепоказатель может служить критерием оценкиискусства проектировщика. Назовем этувеличину показателемтеплоэнергетической эффективностипроектного решения и обозначим h, так чтопо определению

 

ai- показатели архитектурных и инженерныхрешений здания, обеспечивающих минимизациюрасхода энергии.

 

гдеQэф - расход энергии на созданиемикроклимата в помещенияхэнергоэффективного здания;

 

h= Qэф/Qпр,

 

С учетом принятого разделенияматематической модели теплового режимаздания как единой теплоэнергетическойсистемы на три взаимосвязанных подмоделиможно записать

 

Qпр- расход энергии на создание микроклимата впомещениях здания, принятого кпроектированию.

 

гдеh1 - показатель теплоэнергетическойэффективности оптимального учетавоздействия наружного климата на здание; h2 -показатель теплоэнергетическойэффективности оптимального выбора тепло- исолнцезащитных характеристик наружныхограждающих конструкций; h3 - показательтеплоэнергетической эффективностиоптимального выбора систем обеспечениямикроклимата.

 

h= h1•h2•h3 ,

 

Теплоэнергетическое воздействие наружногоклимата на тепловой баланс здания можетбыть оптимизировано за счет выбора формыздания (для зданий прямоугольной формыпринимаются в расчет такие параметры, какего размеры и ориентация), расположения иплощадей заполнения световыхпроемов, регулирования фильтрационныхпотоков. Например, удачный выбор ориентациии размеров здания прямоугольной формы даетвозможность в теплый период года уменьшитьвоздействие солнечной радиации на оболочкуздания и, следовательно, снизить затраты наего охлаждение, а в холодный период -увеличить воздействие солнечной радиациина оболочку здания и уменьшить затраты наотопление. Аналогичные результаты будутполучены при удачном выборе ориентации иразмеров здания по отношению к воздействиюветра на его тепловой баланс.

 

Оптимизациятеплоэнергетического воздействиянаружного климата на тепловой балансздания

 

-для наиболее холодной пятидневки - снижениеустановочной мощности системы отопления;

 

Методология проектирования системотопления, вентиляции, кондиционированияоснована на расчетах тепловых и воздушныхбалансов здания для характерных периодовгода. Например, для России этими периодамигода являются: наиболее холоднаяпятидневка, отопительный период, самыйжаркий месяц, период охлаждения, расчетныйгод. В этом случае оптимизациятеплоэнергетического воздействиянаружного климата на тепловой балансздания за счет выбора его формы иориентации даст следующие результаты:

 

-для самого жаркого месяца - снижениеустановочной мощности системыкондиционирования воздуха;

 

-для отопительного периода - снижение затраттеплоты на отопление;

 

-для расчетного года - снижение затратэнергии на обогрев и охлаждение здания.

 

-для периода охлаждения - снижение затратэнергии на охлаждение здания;

 

Важно отметить следующее: изменение формыздания или его размеров и ориентации сцелью оптимизации влияния наружногоклимата на его тепловой баланс не требуетизменения площадей или объема здания - онисохраняются фиксированными.

 

В общем случае оптимизироватьтеплоэнергетическое воздействие наружногоклимата на тепловой баланс здания можно длялюбого характерного периода времени.

 

На рис. 1 приведен пример изменения формыздания с целью оптимизациитеплоэнергетического воздействия климатана его тепловой баланс в зависимости отхарактерного периода года.

 

Решение задачи по выбору оптимальной формыздания приведено в [7], а решение задачи повыбору оптимальных размеров и ориентацииздания прямоугольной формы, а такжезначения показателя тепловойэффективности проектного решенияприведены в [8].

 

На рис. 2 показано современноепредставление архитекторов о влиянииориентации и формы здания на еготеплопотребление [9].

 

Авторами были проведены исследованиявлияния теплоэнергетического воздействиянаружного климата на тепловой балансздания за счет выбора оптимальных значенийего размеров и ориентации. Расчетыпроводились для климатических условийМосквы (560 с. ш.) и Ростова-на-Дону (480 с. ш.).Исходная ориентация принималась широтной,меридиональной и диагональной. В качествеобъекта исследований принималось зданиепрямоугольной в плане формы, общей полезнойплощадью 1440 м В качестве целевойфункции принята минимизация затрат энергиина обогрев здания в холодный период или наохлаждение здания в теплый период. Цельисследований - выявить, как количественноувеличивается показательтеплоэнергетической эффективности зданияза счет оптимального учета воздействиянаружного климата на тепловой балансздания. Результаты исследований приведеныв табл. 1.

 

В традиционном понимании оптимизациятеплозащиты наружных ограждающихконструкций зданий - это метод вычислениятолщины теплоизоляции конструкции поминимуму приведенных затрат .Математическая модель приведенных затрат вобщем случае включает в себя два показателя:затраты на производство конструкций (единовременныезатраты) и затраты на их использование (эксплуатационныезатраты). Расчет теплоизоляции поминимуму приведенных затрат являетсяобъективным методом, признанным во всеммире, но содержит в своей сущности скрытуюопасность, отражающую объективнуюреальность существующей в странеэкономической ситуации, которая можетявиться непреодолимым препятствиемреализации метода на практике. Это связанос использованием в методе показателейстоимости энергии и материалов. Многимспециалистам памятна история со СНиП II-3-79 Строительная теплотехника , которыйбыл разработан по заданию высшихправительственных органов с цельюсущественного ужесточения требований кэкономии топливно-энергетических ресурсовпри эксплуатации зданий. Ожидалось, чтоглавным достоинством этого документаявится введение в него метода приведенныхзатрат для выбора оптимальной теплозащитыограждающих конструкций. При этомтеплозащита ограждающих конструкций,включая заполнение световых проемов,должна была приниматься как наибольшая издвух величин, определяемых по санитарно-гигиеническимусловиям и по минимуму приведенных затрат.Безусловно, предполагалось, что методприведенных затрат даст большее значениетеплозащиты, и это явится решением проблемыэкономии топливно-энергетических ресурсов.Но... экономическая реальность складываласьтаким образом, что энергия стоила дешевлегазированной воды, и проектировщики прирасчетах получили, что теплозащита посанитарно-гигиеническим требованиямпревосходит величину, определенную поминимуму приведенных затрат. Встроительном комплексе сложиласьдраматическая ситуация, котораяусугублялась тем обстоятельством, чтонельзя было выявить виновных. Метод былвыбран правильно, но нельзя же былопризнать, что экономика социализманесостоятельна! Сегодня использованиеметода приведенных затрат сталкивается сдругой, пока непреодолимой трудностью.Отсутствуют надежные, прогнозируемые наближайшие 20-30 лет показатели стоимостиэнергии и материалов.

 

Оптимизациятеплозащиты ограждающих конструкций

 

Возможность решения этой проблемы в еесовременном понимании исовременными методами показана в рядеработ [3, 4, 6]. Современное понимание означает,что будет достигнуто решение, которое сучетом принятых ограничений являетсянаиболее предпочтительным. Современныеметоды - это методы исследования операций.Рассмотрим это более подробно.

 

Вышеизложенное относится к проблемеэкономической оптимизации теплозащитыограждающих конструкций здания. Цельнастоящей статьи - поиск решения проблемытеплоэнергетической оптимизацииограждающих конструкций.

 

Безусловно, при проектировании стремятсяудовлетворить, в первую очередь, главнымтребованиям. Практика показывает, чтоколичество таких требований, как правило,не более двух. В первую очередь, этотеплозащита и теплоустойчивость. Здесьоткрываются большие возможности дляоптимизации. Сущность ее состоит в том, чтонадо сконструировать методом исследованияопераций ограждающую конструкцию, котораяоптимальным образом удовлетворяла бытребуемым (нормативным) значениямтеплозащиты и теплоустойчивости.

 

К наружным ограждающим конструкциямпредъявляется в общем случае достаточнобольшое количество требований. Высокийуровень теплозащиты в холодный период вусловиях теплопередачи, близкой кстационарному режиму, высокий уровеньтеплоустойчивости в теплый и холодныйпериоды в условиях теплопередачи, близкой кпериодическому режиму, низкаяэнергоемкость внутренних слоев приколебаниях теплового потока внутрипомещения, высокая степеньвоздухонепроницаемости, низкаявлагоемкость и т.д. и т.п.

 

В [3] решена задача подбора материала длямногослойной ограждающей конструкциизаданной фиксированной толщины,обеспечивающей наибольшее затуханиенаружных тепловых воздействий. Полученорешение: наибольшее затухание обеспечиваетматериал, имеющий меньшую теплопроводностьи большую объемную теплоемкость. Следствиерешения: для районов с жарким климатомцелесообразно выбирать конструкцию сменьшими значениями теплопроводностиматериалов, а для районов с холоднымклиматом - с большими значениямикоэффициентов теплоусвоения материалов.

 

В [6] решена задача определения оптимальногорасположения слоев материалов вмногослойной ограждающей конструкции. Даноподробное решение задачи и показано, что взависимости от порядка расположения слоевматериала величина теплоустойчивостиконструкции может меняться в три раза.

 

-теплозащита ограждающих конструкций невлияет на температурный режим помещенияпри определенных значениях солнцезащитыокон и кратности воздухообмена;

 

В [4] решена задача определения предельныхзначений теплозащиты наружных ограждающихконструкций помещения при заданномзначении солнцезащиты окон и заданнойкратности воздухообмена. Помещение необорудовано установкой кондиционирования.В результате решения получены следующиеинтересные выводы:

 

Последний результат требует особойвнимательности от проектировщиков, которыеиспользуют наружные ограждающиеконструкции с эффективной теплоизоляциейдля зданий, проектируемых длястроительства в теплом климате.

 

-увеличение теплозащиты наружныхограждающих конструкций приводит кухудшению теплового режима помещения, еслитеплозащита окон недостаточна и кратностьвоздухообмена невелика.

 

Оптимизациятепловой нагрузки на систему климатизациипомещений здания

 

В [3] содержится ряд интересных решений пооптимизации теплозащиты наружныхограждающих конструкций зданий скондиционированием воздуха, для окон степлоотражающей пленкой, для зданий спериодическим отоплением и т.д.

 

I= Q(t) dt

 

Специалисту, занимающемусяпроектированием и расчетом системотопления, вентиляции и кондиционированиявоздуха, очевидно, что задачейпроектирования и расчета являетсяопределение двух взаимосвязанныхпоказателей: количества энергии и способаее распределения (раздачи). По существу,речь идет о том, чтобы рассчитать изапроектировать такую систему управлениярасходом и распределением энергии, чтобыобеспечить при использовании ееминимальный расход. Таким образом, задачаоптимизации теплоэнергетической нагрузкина систему обеспечения теплового режимаздания будет относиться к так называемымзадачам на оптимальное управление иполучит следующее содержание: найти такоеуправление расходом энергии Q(t) на обогревпомещения, удовлетворяющее уравнениютеплового баланса помещения исоответствующим начальным и конечнымтепловым условиям, для которого расходэнергии

 

Управление Q(t), дающее решение поставленнойзадачи, называется оптимальным управлением,а соответствующая траектория изменениятемпературы внутреннего воздуханазывается оптимальной траекторией.

 

имеетнаименьшее возможное значение.

 

Суть решения: время разогрева помещениядолжно быть минимизировано.

 

Решение задачи получено авторами иприведено в [5].

 

Правильность этого решения получилаподтверждение во время обсуждения докладаавторов по данной теме в Датскомтехническом университете. Датскиеспециалисты сообщили, что во времяреставрации католического собора смассивными каменными креслами для прихожанс целью экономии энергии на обогрев собора,используя понижение температурывнутреннего воздуха в ночное время, имибыло принято решение разогрев собораначинать с разогрева электрическимиподогревателями массивных каменных кресел.Экономия энергии составила 30-35%.

 

Если иметь в виду, что реальное помещениеесть совокупность теплоемких ограждающихконструкций и теплоемкого внутреннегооборудования (мебели), то процесс нагревапредполагает повышение температуры всейсовокупности элементов помещения, то естьограждающих конструкций и оборудования.Элементы высокой тепловой аккумуляциипотребуют большего времени на разогрев.Следовательно, минимизация времениразогрева помещения достигаетсяминимизацией времени разогрева элементоввысокой тепловой аккумуляции. Можно сразууказать два простых случая: время разогревапомещения будет стремиться к минимуму, есливнутренние поверхности ограждающихконструкций имеют низкие значениякоэффициента теплоусвоения материалов, атакже если имеет место высокаяинтенсивность конвективного теплообменамежду внутренним воздухом и внутреннимиповерхностями ограждающих конструкций.Оптимальный результат достигается, еслисовпадают оба случая.

 

-кирпичная кладка толщиной 0,56 м, коэффициенттеплоусвоения 8,02 Вт/(м2•С);

 

Авторы статьи проделали численные расчетырасхода энергии для помещения площадью 24 м2и объемом 72 м3 с двумя наружнымиограждающими конструкциями и окном сдвойным остеклением площадью 3 м2.Рассмотрены три варианта наружныхограждающих конструкций:

 

-панель типа сэндвич с утеплителем изплиточного пенопласта с обшивкой с двухсторон металлическими листами, толщинапанели 0,052 м, коэффициент теплоусвоения 0,77Вт/(м2•С).

 

-керамзитобетонная панель толщиной 0,23 м,коэффициент теплоусвоения 3,36 т/(м2•С);

 

Начальные условия: температура внутреннеговоздуха 100С, температура внутреннихповерхностей ограждающих конструкций 100С.

 

Для сопоставления результатов расчетовограждающие конструкции имеют одинаковоетермическое сопротивление. Кратностьвоздухообмена принята 3 1/ч. Температуранаружного воздуха -50С.

 

Рис.3Пример разогрева помещения настилающимисяструями.

 

Конечные условия: температуравнутреннего воздуха 220С, температуравнутренних поверхностей ограждающихконструкций 140С.

 

Результатырасчетов представлены в табл. 2.

 

Чтобы обеспечить минимизацию времениразогрева, было принято, что разогревосуществляется конвективными тепловымиструями, настилающимися на внутренниеповерхности ограждающих конструкций (рис. . Интенсивность конвективного теплообменасоответствовала следующим трем значениям коэффициентов конвективноготеплообмена: a1=3,5 Вт/(м2•С); a2=10,5 Вт/(м2•С);a3= 21 Вт/(м2•С).

 

Получен невероятный с точки зрения здравогосмысла результат: максимальное значениеэкономии энергии при разогреве помещенияпри стремлении минимизировать времяразогрева достигает 97%.

 

В табл. 2 использованы условные обозначения:Q - затраты энергии на разогрев, включаятеплопотери через окна и за счетвоздухообмена; Э1 - экономия энергии за счетповышения интенсивности конвективноготеплообмена при одной и той же ограждающейконструкции; Э2 - экономия энергии за счетуменьшения теплоаккумуляционныхпоказателей ограждающей конструкции (уменьшениекоэффициента теплоусвоения).

 

Рассмотрение табл. 2 позволяет сделатьследующие выводы:

 

Такой результат был обеспечен выборомоптимальной стратегии распределениярасходуемой энергии в помещениях, то естьнагрев начинался с разогрева теплоемкихограждающих конструкций. Практическуюобоснованность такого подходаподтверждает использование потолочныхтеплоизлучателей FRICOAB , производимых в Швеции (см. ИБ Энергосбережение ,1996, № . Принципиальное отличиеобогревателей FRICOAB состоит в том, что лучистое теплонаправлено на нагрев пола помещения, азатем косвенным путем идет нагрев воздухапомещения. Применение потолочныхтеплоизлучателей FRICOAB обеспечивает экономию энергии до 50% по сравнению сконвективными методами обогрева.

 

-экономия энергии при разогреве помещенияпри уменьшении теплоаккумуляционныхпоказателей ограждающей конструкции (уменьшениекоэффициента теплоусвоения) в 2,4 разадостигает 40%, а в 10,4 раза - достигает 55-62%. Приэтом время разогрева уменьшается в среднемсоответственно в 3,8 и 16 раз.

 

-экономия энергии при разогреве помещенияза счет увеличения интенсивностиконвективного теплообмена в 3 разадостигает 64-70%, а при увеличении в 6 раз - 88%.При этом время разогрева уменьшается всреднем в 3 раза;

 

Авторы настоящей статьи не ставили своейцелью подробное изложение методологии иматематических методов для проектированияэнергоэффективных зданий. Созданиепрактически реализуемых в проектнойпрактике методов проектированияэнергоэффективных зданий требуетдополнительной значительной работы иусилий коллектива специалистов.

 

Заключение

 

Литература:

 

Цель настоящей статьи - продемонстрироватьзаинтересованным специалистам, что внастоящее время существуют основы научныхметодов проектирования энергоэффективныхзданий и попытаться дать имтерминологическое определение. Авторы вполной мере отдают себе отчет, что рядопределений кому-то из коллег можетпоказаться спорным и что отдельныеположения нуждаются в дополнительномразъяснении. Поэтому мы с благодарностьюпримем пожелания и выслушаем всеконструктивные замечания. Учитываяважность затронутых в статье вопросов длярешения актуальных задач энергосбережения,мы готовы организовать встречу всехзаинтересованных лиц для дальнейшейдискуссии. Если статья вызвала успециалистов интерес и натолкнула кого-тоиз них на некоторые раздумья, авторы будутсчитать, что достигли поставленной цели.

 

2.Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи,принципы, методология. - М.:Наука, 1988.

 

1.Моисеев Н.Н. Математические задачисистемного анализа. - М.: Наука, 1981.

 

4.Табунщиков Ю.А., Хромец Д.Ю., Матросов Ю.А.Тепловая защита ограждающих конструкцийзданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1986.

 

3.Табунщиков Ю.А. Основы математическогомоделирования теплового режима здания какединой теплоэнергетической системы.Докторская диссертация. - М.: НИИСФ, 1983.

 

6.Jurobic S.A. An investigation of the minimization of building energy loadthrough optimization techniques. Los Angeles scientific center, IMB Corporation,Los Angeles, California.

 

5.Tabunschikov Y. Mathematical models of thermal conditions in buildings, CRCPress, USA 1993.

 

8.Бродач М.М. Энергетический паспорт зданий /АВОК, 1993, № 1/2.

 

7.Бродач М.М. Изопериметрическая оптимизациясолнечной энергоактивности зданий. -Гелиотехника 2, Ташкент, 1990.

 

 

9.Klaus Daniels, The Technology of Ecological Building ,Birkhauser-Verlag fur Arhitektur, Basel, 1997.

 



 

От чего будут зависеть цены на н. Энергетический баланс региона. Глава 12. Предисловие главного редактора. Опыт Германии для Украины .

 

Главная >  Потенциал энергии 

0.0181