Введение
Национальная стратегия экономии ресурсов заработала в Германии не два года назад, когда стоимость природного газа побила на бирже все рекорды и поднялась до €3000 за 1000 м³ (примерно 30 евроцентов за 1 кВт·ч, а сейчас, в октябре 2023 года, газ стоит 3 евроцента за 1 кВт·ч). И даже не в 2011 году, когда после катастрофы на японской атомной станции «Фукусима» правительство ФРГ приняло решение о выходе страны из атомной энергетики и прекращении работы всех немецких АЭС к 2022 году (это действительно было реализовано в 2022-м).
Начало стратегии энергетического перехода (Energiewende) было положено в далёком 1991 году, когда правительство Гельмута Коля приняло закон «О подаче тока в электросети» (Stromeinspeisungsgesetz, StrEG), в котором впервые были узаконены обязательства крупных энергокомпаний по получению электроэнергии из возобновляемых источников (энергия воды, ветра, солнечная энергия, свалочный газ, очищенный газ или биомасса). Таким образом, уже как минимум 40 лет ФРГ движется по пути отказа от ископаемых источников энергии и планирует к 2045 году практически полный переход на безуглеродную энергетику.
Важная роль в энергопереходе Германии отводится и современным зданиям, которые могут играть роль не только потребителей тепловой и электрической энергии, но также могут быть оснащены генераторами электроэнергии и системами аккумуляции солнечной энергии. Всё чаще в Германии строятся «здания с нулевым потреблением энергии» (Nullenergiehaus), когда собственная выработка энергии домом равна или больше его годового энергопотребления. Но львиная доля домов в Германии — это существующие здания, построенные по старым нормативам 30, 50 или даже 100 лет назад. Поэтому для реального энергетического перехода необходима реконструкция этих зданий и приведение их к современным требованиям по энергопотреблению.
Автор в процессе своей деятельности в Германии столкнулся с реконструкцией зданий больниц и на страницах журнала СОК хочет поделиться методиками энергетического анализа нежилых зданий, применяемыми в Германии.
Нормативная документация
1. Закон об энергопотреблении зданий. Gebäudeenergiegesetz (GEG) — основной закон Германии для оценки, строительства и реконструкции зданий с точки зрения энергопотребления. Он нормирует:
- энергоэффективность новых и реконструируемых зданий;
- анализ и рекомендации для инженерных систем зданий (системы отопления, ГВС, вентиляция и холодоснабжения);
- оформление энергетических паспортов зданий;
- финансовую поддержку государства при использовании мероприятий для снижения энергопотребления;
- требования к необычным и историческим зданиям.
2. Рекомендации по энергетической оценке инженерных систем зданий DIN 18599. Рекомендации Немецкого института по стандартизации (DIN) по энергетической оценке инженерных систем новых и реконструируемых зданий. Расчёт энергопотребления систем отопления, охлаждения, вентиляции, холодного и горячего водоснабжения и освещения.
3. Энергетический анализ по DIN 16247. Рекомендации Немецкого института по стандартизации по энергетическому аудиту зданий, процессов и транспорта.
4. Система энергетического менеджмента DIN EN ISO 50001:2018. В основе DIN EN ISO 50001:2018 лежит модель непрерывного совершенствования системы управления, которая также используется при разработке других известных стандартов, таких как ISO 9001 или ISO 14001. Данный механизм упрощает интеграцию мер энергоэффективности при управлении качеством и мониторинге окружающей среды.
5. Закон об энергетических услугах. Закон Energiedienstleistungsgesetz (EDL-G) устанавливает сроки и процессы энергетического аудита для больших компаний, в частности, клиник. Большие клиники должны проводить энергетический аудит каждые четыре года с помощью внешних аудиторов и выяснять потенциал энергосбережения. Внедрение собственной сертифицированной системы энергетического менеджмента может заменить внешнего аудитора.
Этапы энергетического анализа зданий клиник
Этап 1. Укрупнённый анализ энергопотребления зданием
На данном этапе проводится оценка энергопотребления здания без привязки к конкретным системам или потребителям. Рассчитываются удельные показатели энергопотребления — на один квадратный метр здания или на одну кровать. Сравниваются с аналогичными по назначению зданиями Германии. Даются рекомендации по дальнейшему исследованию здания и наиболее важным направлениям для энергосбережения.
Этап 2. Анализ строительных конструкций здания
Теплопотери здания в значительной степени происходят через наружные ограждающие конструкции, а именно: стены, окна, кровлю, светопрозрачные ограждения, двери и т. д. Особая роль в расчёте теплопотерь отводится инфильтрации и расчёту тепловых мостов. С использованием технологий интеллектуального проектирования создаётся трёхмерная модель ограждающих конструкций здания, с помощью которой можно, во-первых, рассчитать существующие теплопотери здания (Ist Zustand), во-вторых, на модели легко заменить ограждающие конструкции или изоляцию на требуемые и создать новую модель энергоэффективного здания (Soll Zustand).
Этап 3. Анализ инженерных систем здания и процессов
Современное здание клиники содержит множество энергопотребляющего оборудования. Это не только стандартные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, но и определённое количество специализированных систем, а именно: парогенераторы, генераторы сжатого воздуха, водоочистка, стерилизаторы, другое медицинское оборудование. Анализ и оптимизация технологических процессов позволяет значительно сэкономить потребляемую энергию.
Этап 4. Анализ поставщиков и систем генерации энергии
Как правило, современные здания клиник в Германии уже имеют собственные источники электрической и тепловой энергии. Это газотурбинные электрогенераторы (KraftWärmeKoplung, KWK), солнечные панели, ветрогенераторы, геотермальные источники энергии и т. д. Но насколько этих систем достаточно не только с точки зрения стоимости, но и с точки зрения надёжности и резервирования? Данный пункт анализа отвечает на этот вопрос. Кроме систем генерации энергии, рассматривается стоимость и надёжность использования внешних источников энергоснабжения.
Этап 5. Государственная поддержка и рекомендации
Этот пункт сводит воедино всё исследование на основе: с одной стороны, характеристик здания, с другой — нормативных требований законодательства Германии, с третьей стороны — возможной финансовой поддержке государства и банков. Выдаются рекомендации о реконструкции здания.
Этап 1. Укрупнённый анализ энергопотребления объекта
Фото 1. Исследуемая группа зданий клиники в Баварии
Исследуемое здание
Рассмотрим все этапы энергетического анализа на примере конкретного здания клиники в Германии, а именно в Баварии недалеко от города Нюрнберг. Это здание, а точнее группу зданий, я обследовал в августе 2023 года. Я не буду озвучивать наименование объекта, поскольку для нашего исследования это неважно, а мой договор с работодателем содержит пункт о неразглашении.
Фото 2. Интерьер и реабилитационный бассейн исследуемой группы зданий
Итак, клиника (фото 1 и 2, табл. 1) находится в живописном месте, в предгорьях Баварских Альп. Рядом лежит туристический городок на 3000 жителей. Основные направления для туризма — пешие походы по ближайшим небольшим горам (высотой 500–700 м над уровнем моря) и кайякинг по горной реке, протекающей через город. На вершине горы находится старинный замок XIII века — основная достопримечательность этого городка.
Инженерные системы
Тестируемое здание имеет инженерные системы, которые мы подробно рассмотрим в третьей части энергетического обследования. Сегодня мы только отметим принципиальные решения (табл. 2 и 3).
Отопление зданий осуществляется с помощью радиаторов (двухтрубная разводка). Источником тепла служат два газовых котла. Также выработка тепла происходит в двух газотурбинных электрогенераторах.
Системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла обслуживают помещения операционных, палат интенсивной терапии, помещений приготовления пищи, столовых и т. д. Приточные установки содержат водяные теплообменники для охлаждения воздуха в тёплый период. Системы вытяжной вентиляции обслуживают помещения санузлов, складских помещений, коридоров, комнат приёма пищи, душевых, процедурных кабинетов и т. д. Системы холодоснабжения выполнены нестандартно. Основным источником холода служат две скважины с естественно охлаждаемым циркулирующим холодоносителем. При нехватке холода в пиковую жару подключаются две моноблочные холодильные машины.
Кроме систем обеспечения микроклимата здание клиники содержит специальные устройства, а именно: три парогенератора, компрессионную установку сжатого воздуха, две вакуумные установки, систему очистки питьевой воды, системы водоподготовки для бассейна, аварийный дизельный генератор электроэнергии и т. д.
Эмиссия углекислого газа
Следует сказать несколько слов о планах по сокращению эмиссии углекислого газа в Германии и России. Парижское соглашение в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата было принято в 2015 году и с тех пор ратифицировано более чем 110 государствами, в том числе как ФРГ, так и РФ. Оно вступило в силу 4 ноября 2016 года и является основным документом, который должен регулировать вопросы глобального изменения климата после 2020 года. Вследствие этого Закон Германии об энергосбережении в зданиях (GEG 2020) предусматривает не только сокращение энергопотребления зданий, но и уменьшение выбросов углекислого газа (CO2) в атмосферу. DIN EN ISO 50001:2018 также содержит требования к экологическому аудиту и менеджменту компаний.
Поэтому, кроме цели сокращения энергопотребления зданий в Германии, энергетический анализ также предусматривает цель сокращения углеродного следа зданий и процессов.
Здесь необходимо отметить, что современные здания образуют углеродный след не только при непосредственном сжигании природного газа или угля. Потребляя горячую воду для отопления зданий, которая была получена где-то из газового котла, здание тоже увеличивает свой углеродный след. Медицинские учреждения потребляют медикаменты, которые, в свою очередь, были также выработаны с углеродным следом. И даже использование продуктов для приготовления пищи имеет свой углеродный след. Но согласно GEG 2020 нас интересует только потребление зданием горючих материалов или энергоносителей, которые пойдут на обеспечение поддержание микроклимата в этом здании (табл. 4).
Федеральный закон Германии требует достижения климатической нейтральности к 2045 году. Для достижения этой цели все промышленные и экономические секторы должны резко сократить выбросы парниковых газов. Больницы от этого не освобождаются, так как относятся к числу ресурсоёмких крупных потребителей. Вместе с реабилитационными клиниками, врачебными кабинетами и другими медицинскими учреждениями они являются причиной выбросов около 5,2% парниковых газов в год по всей стране. Это соответствует почти 60 млн тонн CO2-эквивалента [1].
Для уменьшения экологической нагрузки зданиям больниц необходимо как экономить энергию, так и заменять ископаемое топливо возобновляемыми источниками энергии.
Итак, наш рассматриваемый объект выбрасывает 1060698 условных кг углекислого газа в год.
Сравнение с аналогичными зданиями клиник
Мы с вами подошли к самому интересному — сравнению энергетических показателей нашего здания с аналогичными зданиями клиник в Германии (Benchmarking). Для корректности сравниваются (табл. 5) удельные значения на 1 м² общей площади и на одну кровать (больничную койку) при следующих условиях:
- здания с одинаковым назначением;
- здания похожей площади;
- здания с близким количеством коек.
После того как мы определили удельные затраты тепловой и электрической энергии на 1 м² здания, мы можем сравнить эти цифры не только с аналогичными зданиями, но и с нормативными требованиями удельного расхода энергии (табл. 6).
Хотя табл. 6 используется главным образом для определения классов энергоэффективности жилых зданий, соответствующие классы энергоэффективности используются также для определения энергоэффективности зданий больниц. Несмотря на то, что клиники насыщены энергопотребляющим оборудованием, существуют реальные здания клиник в Германии, которые потребляют ещё меньше энергии, чем для класса А+.
Фото 3. Новое здание клиники во Франкфурте-на-Майне, получившее статус «пассивного дома»
Например, открытая в 2022 году во Франкфурте-на-Майне (федеральная земля Гессен) новая клиника (фото 3) потребляет менее 15 кВт·ч/м² энергии на нужды систем обеспечения микроклимата в год. Для сравнения: установленный законом об энергетике зданий (табл. 6) минимальный стандарт А+ превышает эту величину вдвое. Здания с потреблением менее 15 кВт·ч/м² в год подпадают под классификацию «пассивного дома». Летом 2022 года новая клиническая часть стала первым больничным корпусом в мире, получившим статус сертифицированного «пассивного дома» и энергетически образцового строительства. Высокоэффективное здание, оснащённое новейшими медицинскими технологиями, обошлось в €260 млн. На общей площади 79 тыс. м² располагаются 675 коек и 40 мест в дневной клинике. Дополнительные инвестиционные затраты на строительство такого «пассивного дома» составили около 6% от общих инвестиционных затрат. Это соответствует примерно €15,6 млн, подсчитал Бертольд Кауфманн из Дармштадтского Института пассивного дома (Passivhaus Institut), который сопровождал процесс строительства с 2011 года.
Анализ и рекомендации
Результаты энергообследования объекта представлены в табл. 7 и на рис. 1. Были сделаны следующие рекомендации:
1. Удельное потребление тепловой энергии зданием составляет 155 кВт·ч на 1 м² и 12946 кВт·ч на одну кровать в год, что выше среднего медианного значения среди других похожих клиник. Это может происходить из-за многих факторов, например, плохой теплоизоляции стен, старых окон, отсутствия или неэффективности теплоутилизаторов в системах вентиляции и т. д.
Для исследования путей потерь тепловой энергии зданием согласно параграфам 46–51 Федерального закона GEG рекомендуется проведение второго (анализ строительных конструкций) и третьего (анализ инженерных систем) этапов энергообследования здания. Потенциал энергосбережения: высокий.
2. Удельное потребление электроэнергии зданием составляет 52 кВт·ч на 1 м² и 4369 кВт·ч на одну кровать в год, что ниже медианного значения. Это означает, что здание обладает достаточно эффективными электропотребляющими устройствами. Например, бóльшую часть летнего периода системы холодоснабжения не используют компрессионные машины чиллеров, поскольку естественного холода грунта, передаваемого через циркулирующий теплоноситель, достаточно для охлаждения. Также не стоит забывать о собственной генерации электроэнергии с помощью двух газотурбинных установок. Это дополнительно снижает внешнее электропотребление здания.
Для дальнейшего снижения электропотребления зданием рекомендуется проведение третьего этапа энергетического обследования здания (анализ инженерных систем) согласно параграфам 57–78 GEG. Потенциал энергосбережения: средний.
3. Удельное потребление воды зданием составляет 0,83 м³ на 1 м² и 69 м³ на одну кровать в год, и это выше медианного значения. Объяснить этот факт можно, во-первых, наличием бассейна для реабилитации выздоравливающих. Во-вторых, клиника использует собственные машины для стирки и сушки белья.
Для снижения потребления воды зданием рекомендуется проведение третьего (анализ инженерных систем) этапа обследования здания согласно DIN 18599. Потенциал сбережения воды: высокий.
4. Углеродный след здания — 66,57 кг/м² и 5553 кг/кровать в год. Это меньше, чем медианное значение, однако правительство Германии стремится свести его вообще к нулю. Для снижения углеродного следа здания рекомендуется проведение третьего этапа обследования здания согласно DIN 16247. Потенциал оптимизации: высокий.
5. Удельная стоимость электроэнергии, потребляемой зданием, составляет €15,46 на 1 м² и €1289 на одну кровать в год. Это меньше медианного значения, но примерно в два раза превышает затраты на стоимость газа для здания. Поэтому потенциал экономии текущих финансовых затрат именно в электроснабжении очень высокий.
Для снижения финансовых затрат на покупку электроэнергии рекомендуется проведение третьего этапа исследования (анализ инженерных систем), четвёртого этапа исследования (анализ поставщиков и систем генерации энергии). Потенциал оптимизации: высокий.
6. Удельная стоимость газа, потребляемого инженерными системами здания, составляет €7,87 на 1 м² в год и €656 на одну кровать в год. Это больше, чем медианное значение. Необходимо рассмотреть варианты снижения и отказа от потребления природного газа по двум причинам: стоимость газа в Германии обладает высокой волатильностью; газ на этом объекте даёт максимальный вклад в углеродный след здания.
Для снижения финансовых затрат на покупку природного газа рекомендуется проведение второго этапа исследования (анализ строительных конструкций), третьего этапа (анализ инженерных систем) и четвёртого этапа (анализ поставщиков и систем генерации энергии). Потенциал оптимизации: высокий.
7. Надёжность энергоснабжения здания. На объекте присутствуют только два независимых источника энергоснабжения — это природный газ и сетевой электрический ток. Есть генерация электроэнергии с помощью газовых электрогенераторов, но в случае отключения газа они функционировать не будут. Поэтому для повышения надёжности энергоснабжения здания рекомендуется проведение четвёртого этапа исследований (анализ поставщиков и систем генерации энергии). Потенциал оптимизации: высокий.
8. Система энергетического менеджмента здания. Согласно DIN EN ISO 50001:2018, на предприятии может быть внедрена система энергетического и экологического менеджмента либо каждые четыре года должны проводиться независимые энергетические обследования внешними экспертами. Потенциал оптимизации: высокий.
Рис. 1. Графическая форма оценки тестируемого здания
Второй этап энергетического обследования здания (анализ строительных конструкций здания) мы рассмотрим в следующем номере журнала СОК.
