Рис. 1. Порядок действий по выполнению аудита
Рис. 2. Принципиальная диаграмма количества энергии здания
Рис. 3. Результаты измерения параметров ограждений кабинета № 2415
B коммуникате Европейской комиссии 19.10.2006 «План эффективного потребления энергии: использовать потенциал» говорится, что Европа вынуждена решать сегодня беспрецедентные проблемы энергетических источников, которые связаны с зависимостью Европейского союза от импорта энергетических источников, с заботой о снабжении ископаемого топлива и очевидным изменением климата.
Однако независимо от этих проблем Европа зря расходует около 20 % энергии. Поэтому на всех уровнях управления и энергопотребления необходимо показать, как можно повысить эффективность использования энергии. Одной из мер является энергетический аудит, который включает детальную проверку состояния объекта и оценку полученных результатов с точки зрения эффективного использования энергии, а также предложения по внедрению экономически и экологически обоснованных, социально приемлемых организационных и технических мер с целью снижения объектом энергетических затрат.
Кафедра энергетики зданий Вильнюсского технического университета имени Гедиминаса (Vilnius Gediminas Technical University, далее ВГТУ) участвует в международном Европейском научном проекте USE efficiency [7], который выполняется с июня 2009 года до января 2012 года. Сотрудники и студенты ВГТУ активно присоединились к популяризации все чаще применяемого и совершенствуемого энергетического аудита зданий, который был проведен для шести зданий ВГТУ руководствуясь «Методикой выполнения всестороннего аудита потребления энергии, энергетических ресурсов и холодной воды в зданиях общественного пользования», утвержденной 29.04.2008 приказом №4-184 Министра хозяйства Литовской Республики [5].
В связи с тем, что проект USE efficiency был ориентирован на молодых исследователей и на внедрение мер по эффективному потреблению энергии в университетах, предлагалось как можно детальнее и всестороннее исследовать конкретные объекты и таким образом получить опыт по проведению аудита общественных зданий. Поэтому большое внимание уделялось установлению реальных параметров, правильному выбору, какие параметры и характеристики измерять, установить места измерения, какие методы применять, как выбрать время суток, в которое собирать данные, и др.
Ставилась задача не только серьезно отнестись на первый взгляд к довольно легко выполнимому энергетическому аудиту, но и глубже проанализировать энергетические характеристики университетских зданий, выявить проблемные места и оценить масштаб проблем. Для осуществления поставленной задачи было привлечено новое мобильное измерительное оборудование недавно созданного Научного центра гражданской инженерии ВГТУ, которое состояло из комплекта приборов, предназначенных для синхронного исследования энергетических затрат, свойств ограждений, поведения потребителей и условий микроклимата в помещениях реальных зданий (оборудования по учету, сбору, обработке, передаче и анализу данных).
Перед началом аудита были получены статистические данные о потреблении энергии исследуемым зданием в течение последних двух лет, расходы за потребленную энергию и результаты первого уровня аудита по проекту USE efficiency.
Методика проведения аудита
В результате реализации проекта были проведены детальные аналитические потребительские аудиты шести зданий, которые можно охарактеризовать следующим образом [4]. Область применения — в промышленности среднего и широкого объема (включая механические и электрические системы, энергетические процессы, системы снабжения и др.).
Содержание работы: аудит характеризует все названные в указаниях системы по потреблению энергии без учета того, обнаружена экономия энергии или нет; разрешает не учитывать не некоторые области, лишь установив общий энергетический баланс; выявляет все эффективные способы экономии; выполняет детальный расчет экономии энергии и инвестиций; охватывает диагностическую оценку каждой системы, использующей энергию; выполняет детальное распределение потребления; описывает альтернативные способы экономии; описывает объект, производство и потребление энергии, его режимы и балансы.
Продолжительность работы — пять недель и более. При выполнении детальных энергетических аудитов были поставлены и решены следующие задачи: анализ существующего положения здания; сбор характерных данных о здании; измерение энергетических параметров; технический анализ затрат и расхода тепловой энергии, составление баланса затрат тепловой энергии; перерасчет фактических затрат тепловой энергии на обогрев здания на нормированный отопительный сезон; подбор мер по экономии энергии и установление возможной экономии; составление баланса энергетических затрат здания; оценка экономической эффективности мер по сбережению энергии.
Cначала был составлен краткий, однако точный порядок выполнения аудита, показанный на рис. 1. На стадии сбора данных исследователи разными способами собирали информацию о физических характеристиках зданий (высоте, ширине стен, размере окон, длине и ширине помещений и др.), о составных материалах их элементов (стен, полов, крыш и др.).
Были также проведены подробные измерения тепловых характеристик элементов зданий (коэффициентов теплопроводности стен, окон, крыш, перекрытий), исследованы системы вентиляции и др., а также велось наблюдение за условиями микроклимата внутри зданий (температура, относительная влажность, освещение и др.). Результаты измерений на стадии обработки данных анализировались, с помощью компьютерных программ группировались и сравнивались с аналогичными результатами (напр., других помещений).
Результат составили средняя температура в определенное время, относительная влажность, реальные коэффициенты теплопроводности, перенос здания в виртуальное пространство с применением программы AutoCAD. После определения реальных характеристик производился расчет, основной целью которого было составление баланса затрат электроэнергии. На рис. 2 показана принципиальная диаграмма количества энергии здания.
После определения реальных характеристик производился расчет, основной целью которого было составление баланса затрат электроэнергии. При расчетах и составлении баланса основным уравнением считалось уравнение баланса аудита потребления энергии (БАП):
ΣQSV,f = (ΣAiUi + cρΣVjnj) × (Θif – Θef)zf – ΨР(QP,ext + QP,int) – QAEI – ΣΨR,kQNR,k + ΣQNf,k. (1)
В этом уравнении переменными, благодаря вариации которых появляется возможность составить баланс между затратами реально потребленной тепловой энергии и рассчитанными теоретически, являются: Ui — коэффициент передачи энергии, Вт/(м2⋅К); nj — коэффициент воздухообмена, ч–1; Θif — температура внутренних помещений, °C; ΨР — коэффициент притока теплоты; QAEI — энергия из возобновляющихся источников энергии (ВИЭ), кВт⋅ч; ΨR,k — коэффициент тепловозврата.
Окончательные результаты, полученные после составления баланса, анализировались, и выявлялись проблематичные места или системы, а также потенциальные возможности экономии благодаря внедрению соответствующих мер. В самом конце составлялся план действий, в котором представлялись пакеты мер по экономии энергии, начиная с наиболее приоритетных и заканчивая наименее приоритетными.
Устанавливалась возможность экономии в каждом случае, трудности внедрения технических решений, изменение микроклимата здания в результате внедрения названных мер. На этой стадии осуществлялась и экономическая оценка внедрения предложенных мер по экономии с точки зрения простого срока окупаемости и чистой существующей ценности.
Методика проведения измерений
Проведением всестороннего аудита потребления энергии преследовалась цель получить детальные и точные ответы на вопросы, как уменьшить потребление энергии в здании [4]. С этой целью проводилось наибольшее количество измерений физических характеристик здания и его элементов. Аудит проводился с использованием студентами в течение трех недель нового оборудования Научного центра гражданской инженерии ВГТУ: накопителей данных, датчиков температуры, относительной влажности, пластин, фиксирующих поток теплоты, «продуваемых дверей», термометров инфракрасных лучей, лазерных измерителей расстояния, термовизора.
Перед проведением аудита были сделаны термовизорные снимки фасадов всех зданий, по которым можно было установить проблемные места зданий и произвести необходимые измерения. За весь период измерений в шести зданиях были измерены условия микроклимата 24 помещений и тепловые характеристики 18 элементов (всего 80 параметров).
Наиболее популярными были измерения температуры внутренних помещений, относительной влажности (такими удвоенными возможностями располагал накопитель данных), а также коэффициентов теплопередачи отдельных ограждений, которые больше всего варьировались при составлении баланса потоков энергии здания. Реже определялась концентрация CO2 в помещениях, когда прибор в аудитории во время лекции определял, за какой отрезок времени концентрация CO2 вернется к начальной стадии.
Это позволяло рассчитать коэффициент воздухообмена в помещениях и позже использовать его в расчете баланса затрат потребления энергии. При измерении параметров микроклимата помещений учитывалась следующая специфика: накопители данных с внешними и внутренними датчиками оставлялись в лабораториях, аудиториях, кабинетах на три-пять суток, а данные записывались с получасовым интервалом.
В результате чертился график, и устанавливалось среднее преобладающее значение параметра. Накопители данных и датчики во время измерений коэффициентов теплопередачи соединялись по схеме (рис. 3). На этом рисунке знак «+» обозначает параметры измеряемого внутреннего помещения, а знак «–» — внешние параметры. Внутри помещения или здания, в которых велись измерения, оборудовалась пластина, фиксирующая плотность теплового потока ограждения q [Вт/м2] и зонд для измерения температуры внутренней поверхности Q _ ip [°C].
На внешней части поверхности ограждения монтировался зонд для измерения температуры Q _ ep [°C]. Данные отдельно накапливались в специальном накопителе данных и записывались с интервалом в пять минут. Полученные данные каждого измерения анализировались графически за исключением ночного интервала измерений наибольшей достоверности, в котором замечены наименьшие колебания фиксированных значений, так как внутренние и внешние притоки теплоты оказывают большое влияние на изменение теплового потока, особенно это ощущается в дневное время, когда ограждение нагревается от солнца или в помещении постоянно находятся люди.
Поэтому наиболее точные результаты измерения коэффициента теплопередачи получены в темное время суток, когда внешние и внутренние притоки оказывают наименьшее влияние на результаты. После получения промежуточных величин по [2] были рассчитаны фактические коэффициенты теплопередачи.
Результаты
На основании проведенных аудитов шести зданий установлено, что средняя температура помещений в разных зданиях колеблется от 14,9 до 20 °C, а относительная влажность — от 25,2 до 36,3 %. По нормам [3] средняя температура помещений в зданиях общественного пользования в отопительный сезон должна быть 20–22 °C, а относительная влажность — 40–60 %.
Можно утверждать, что практически ни в одном из исследованных зданий эти требования не удовлетворялись. В результате проведения тестов на CO2 и «продуваемых дверей» установлено, что при разнице в 4 Па между воздухом вне помещения и в помещении (условие естественной вентиляции) воздухообмен во всех случаях занимал около 0,2 ч–1. Эта величина довольно невелика, она обусловлена недействующей системой вентиляции в исследованных зданиях, а также наличием новых герметичных пластиковых окон.
Анализ результатов определения коэффициентов теплопередачи выявил, что полученные фактические значения в интервале ± 10 % соответствуют проектным величинам, применявшимся при строительстве зданий, и рассчитанным теоретически по составу материалов известного элемента. Итак, зная измеренные основные параметры, позволяющие без больших проблем составить баланс потоков энергии зданий, можно значительно облегчить расчеты.
Баланс затрат энергии четырех из шести зданий при сравнении фактических данных (по показаниям счетчиков) и рассчитанных не совпал на 7 %, что соответствовало требованиям правового акта [1] (несоответствие должно составить < 10 %). После составления баланса рассчитывались также сравнительные характеристики для каждого здания. Так создавалась возможность сравнивать здания на одной диаграмме, оценивая в целом издержки электроэнергии и теплопотери, приходящиеся на единицу отапливаемой площади.
По этим диаграммам было видно, что в здании SRL-I количество потребленной электроэнергии было относительно большим. Это можно объяснить тем, что в здании преобладают лаборатории, в которых много электроэнергии потребляют старые и неэффективные лабораторные стенды, а также другое оборудование. Следует отметить также два отдельных здания — SRA-I и SRA-II, в которых находятся большие аудитории, занимающие два-три этажа.
По этой причине сравниваемые показатели на единицу отапливаемой площади оказались значительно большими. Для удобства сравнения результатов был составлен график, в котором приведены сравниваемые характеристики, приходящиеся на единицу объема здания. Из представленных сравниваемых характеристик были отобраны два «критических» здания для дальнейших этапов проекта, на которых последует их детальное обследование.
Такими зданиями стали SRL-I и SRK-II. После окончания аудита были предложены пакеты мер по экономии в исследованных ими зданиях определенного количества, как электроэнергии, так и тепловой энергии. Следует обратить внимание на тот факт, что большее внимание уделялось снижению тепловых затрат, чаще всего в качестве меры по снижению энергозатрат предлагалось утеплить внешние ограждения (стены, подвалы, крыши) изоляционными материалами до требуемых значений.
Что касается улучшения микроклимата помещений, исследовались возможности оборудовать новую систему механической вентиляции, которая позволила бы также экономить и немалое количество тепловой энергии. Все предложенные меры по экономии энергии были оценены экономически, время окупаемости проектов колебалось от трех до 12 лет. После проведения всестороннего энергетического аудита шести зданий ВГТУ были установлены проблемные места, фактическое энергопотребление, характеристики элементов, предложены меры по экономии энергии.
Применявшееся измерительное оборудование позволило достаточно точно установить параметры элементов зданий и микроклимата помещений, что облегчило работу на следующих этапах аудита и способствовало получению точных результатов. Было установлено, что температура помещений разных зданий колебалась от 14,9 до 20 °C, а относительная влажность — от 25,2 до 36,3 %. Такие значения не удовлетворяют требований гигиенических норм.
Воздухообмен зданий слишком мал (0,2 вместо 0,7 ч–1), что не соответствует требованиям действующих правовых актов, поэтому в помещениях не обеспечиваются условия микроклимата. Измеренные коэффициенты теплопроводности элементов зданий лишь на приблизительно 10 % отличаются от рассчитанных теоретически для применявшихся материалов, однако их значения не соответствуют требованиям современных строительных регламентов.
В результате определения баланса между теоретическими и фактическими потоками энергии в зданиях и возможной ее экономии было установлено, что время окупаемости предложенных пакетов по экономии энергии составляет от трех до 12 лет.
