Модельные подходы и параметры оценки энергетической эффективности здания

В настоящее время многие страны в мире идут по пути перехода к устойчивой энергетической системе, повышая энергетическую эффективность (ЭЭ) и оптимизируя способы удовлетворения спроса на энергию [1]. Такой подход оправдывается рядом факторов и проблем, в числе которых — повышение энергетической эффективности для сектора зданий. Так, например, согласно данным по странам Европейской экономической комиссии ООН (ЕЭК ООН), в 2018 году около трети всего энергопотребления и около 40% выбросов CO₂ приходилось на сектор зданий [2]. В первую очередь это обусловлено необходимостью поддержания в зданиях комфортных условий для проживающих или работающих в них людей за счёт отопления помещений, нагрева воды, работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха, электроснабжения для освещения помещений и обеспечения функционирования бытовой техники.

Проблема потребления большого количества энергии зданиями может быть решена практически за счёт реконструкции зданий, повышения требований к энергоэффективности для вновь возводимых зданий, создания инструментария (например, программных средств) для моделирования энергетических характеристик зданий, прежде всего на стадии их проектирования или реконструкции, с учётом различных факторов (например, местоположения, ориентации, планировки, используемых строительных материалов и оборудования и т. д.).

Соответственно, для снижения потребления энергии зданиями при сохранении максимального теплового комфорта и их эксплуатационной безопасности необходимо искать и применять новые технологические решения при проектировании или реконструкции зданий, находить комплексные решения посредством применения эффективных материалов и передовых практик.

К числу эффективных технологических решений, позволяющих снизить потребление энергии зданиями при их проектировании или реконструкции, можно отнести следующие:

• теплозащиту зданий;
• снижение тепловых потерь в зданиях;
• модернизацию внутренних систем теплоснабжения в зданиях и оптимизацию их характеристик;
• обеспечение оптимального потребления электроэнергии зданиями.
• Рассмотрим некоторые параметры, влияющие на энергоэффективность зданий.

На показатели энергетической эффективности зданий наибольшее влияние оказывают их ограждающие конструкции [3]. При этом обеспечение термоизоляции, герметичности и исключение мостиков холода крайне важно для всех зданий вне зависимости от климата. На этапе проектирования здания необходимо правильно выбрать толщины теплоизоляционных слоёв, учитывая различные параметры, в том числе требования строительных и нормативных норм, климатические условия и т. д.

Как при реконструкции уже существующих зданий, так и при возведении новых зданий важно провести оценку эффективности отопления помещений (ЭОП) [4]. Для этого могут быть использованы коэффициенты эффективности, рассчитываемые как отношение тепловых потерь в идеальном случае к тепловым потерям в реальном случае. В идеальном случае теплопотери минимальны и возникают при установке идеального локального управления, способного «эффективно» использовать энергию.

Это означает, что температуру в помещении можно считать постоянной в рассматриваемом временном интервале, то есть свободное тепло от тепловых источников используется в помещении эффективно. В реальном случае приходится учитывать потери тепла путём установки локального регулятора на отопление помещения, который не способен «эффективно» использовать тепловую энергию, поступающую от теплопритоков. Таким образом, значения коэффициентов эффективности, более или менее близкие к единице, будут означать, что энергия используется «эффективно», а близкие к нулю значения коэффициентов эффективности будут означать, что бóльшая часть энергии теряется во внешнюю среду [4, 5].

Следующим важным показателем является тепловая масса здания, влияющая на энергопотребление, потребление электроэнергии и комфорт. Тепловая масса здания способна аккумулировать тепло, поступающее от внешних источников. При этом не всегда вся тепловая масса здания участвует в тепловом обмене. В связи с этим выделяют «активный слой» или «активную тепловую массу», представляющую собой ограниченную часть здания, участвующую в тепловом обмене. Активная тепловая масса показывает, сколько энергии тело может сохранить на каждый градус. С точки зрения вычислений, тепловая масса здания рассматривается как модель единичной теплоёмкости. Для неё характерно то, что внутри каждой тепловой ёмкости не существует градиента температуры. Предполагается, что градиент температуры существует только между тепловыми ёмкостями. Тяжёлая тепловая масса уменьшает колебания температуры в помещении по сравнению с лёгкой тепловой массой.

Изоляционный слой способен задерживать (временная задержка) и уменьшать (коэффициент декремента) тепловую волну, исходящую от синусоидального внешнего колебания наружной температуры. При этом важное значение имеют расположение и толщина изоляционного слоя. На коэффициент декремента и время задержки тепловой волны различные материалы влияют по-разному, что позволяет судить о реакции тепловой массы здания на наружную температуру.

На сохранение тепла зданием влияет его тепловое поведение, определяемое как скорость изменения температуры поверхностей здания и воздуха в течение определённого периода времени. Данный параметр весьма важен при поиске решения по установке комнатного регулятора для регулирования количества тепла, подаваемого в управляемый объём помещения. Основная трудность выбора модели для управления тепловым поведением здания заключается в оценке поведения внутренней температуры в управляемом объёме помещения. В целом подобные модели строятся с помощью методов конечных разностей и позволяют анализировать переходное тепловое поведение отдельной зоны, стен или компонентов систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Применение этих моделей сопряжено со сложностью и продолжительностью вычислений. В связи с этим можно считать, что вопрос разработки модели помещения, учитывающей тепловые потоки, обусловленные вентиляцией, инфильтрацией воздуха, притоком тепла, остаётся открытым. Сама модель должна учитывать поведение нагревателей, многослойность стен, наружный климат и т. д. — все факторы, объединённые для имитации теплового поведения тепловой зоны.

Следующими важными параметрами, используемыми для оценки энергетической эффективности зданий, являются скорости теплообмена между отопительными приборами и помещениями здания (первое) и между помещениями здания и наружным воздухом (второе) [6].

Оптимизировать значения этих параметров можно за счёт снижения эффективного коэффициента теплоотдачи через наружные стены и соблюдение индивидуального температурного графика для здания. При этом теплоснабжение здания должно обеспечивать комфортные для человека условия, а общие затраты и потери энергии на участке между источником и потребителем тепла должны быть минимальными. Если эти условия выполняются, то можно говорить о энергоэффективности здания. В качестве математической модели, позволяющей выбрать оптимальные условия, обеспечивающие энергетическую эффективность здания, может быть использован подход, основанный на минимизации суммы функций, определяющих затраты электроэнергии и потери тепловой энергии при транспортировке и распределении тепла, а также в случае аварийных ситуаций [6].

Более узкий подход предполагает решение этой задачи только с учётом транспортировки и распределения тепла через наружные стены, что позволяет определить конкретные меры для снижения потерь энергии в здании. Более общий подход учитывает всю систему теплоснабжения, включая систему регулирования теплового режима в здании и линии подачи тепловой энергии в него.

Рассмотрим пример обеспечения энергетической эффективности здания для конкретной практической задачи. Необходимо быстро и экономично прогреть холодное неотапливаемое помещение, температура в котором значительно меньше 0°C, для размещения в нём людей или оборудования. При этом необходимо обеспечить в здании комфортные тепловые условия для людей и соответствующие эксплуатационным нормам тепловые условия для содержания техники (tкомф). Задача прогрева будет включать две подзадачи: первая — прогрев воздуха помещения до tкомф и вторая — прогрев стен помещения до tкомф.

Рассмотрим первую подзадачу — прогрев воздуха помещения (температура стен может оставаться значительно ниже температуры помещения).

Быстро прогреть воздух в помещении лучше всего при помощи тепловой пушки. Тепловая пушка — это мощный, скоростной нагреватель, в который входит холодный воздух помещения, а выходит тёплый воздух с заранее известной температурой, которую можно регулировать.

Предлагаемая модель для решения этой задачи должна учитывать влияние на процесс прогрева воздуха в помещении характеристик стен помещения (например, материала, из которого изготовлены стены, многослойность стены и т. д.), температуру выходящего из нагревателя воздуха, размещение нагревателя. Рассмотрим результаты реализации предлагаемой модели для случая, когда нагреватель расположен снизу у одной из стен прогреваемого помещения, а начальная температура воздуха в помещении равна tнач (рис. 1).

Рис. 1. Цикл прохождения воздуха в помещении: от нагревателя до возращения в него

Горячий воздух выходит из нагревателя и поднимается вверх. При этом происходит взаимодействие потока поднимающегося горячего воздуха с холодной стеной помещения. В результате такого взаимодействия часть тепловой энергии из горячего воздуха переходит в холодную стену (температура потока горячего воздуха понижается, температура холодной стены повышается, однако стену прогреть достаточно трудно, так как она имеет большую теплоёмкость и значительную массу). Скорость «сброса» энергии из потока горячего воздуха в холодную стену в основном зависит от поверхности материала стен (коэффициент теплоотдачи α): чем больше коэффициент теплоотдачи, тем больше энергии «уходит» в стену.

Рассмотрим весь цикл прохождения воздуха в помещении: от нагревателя до возращения в него (рис. 1). Горячий воздух, исходящий от нагревателя, движется вверх вдоль стены А и холодного потолка, теряя при этом тепловую энергию. Важно отметить, что потери энергии при движении вдоль потолка будут меньше, чем при движении вдоль стены А, так как поток горячего воздуха уже стал холоднее, а количество передаваемой энергии зависит от разности температур между объектами взаимодействия. Достигнув стены В, потерявший определённую температуру поток воздуха начинает опускаться вниз по спирали (температура потока воздуха, вышедшего из нагревателя, при этом всё ещё значительно выше температуры холодного воздуха под ним). При контакте потока воздуха со стеной В также происходит потеря тепловой энергии, и температура потока воздуха будет продолжать снижаться. Достигнув пола, поток воздуха опять поступает в нагреватель.

Для каждого последующего цикла прохождения воздуха в помещении (из нагревателя до возвращения в него) температура воздуха, поступающего в нагреватель после прохождения всего помещения, будет выше, чем в предыдущем цикле. В результате с течением времени воздух в помещении будет прогрет.

Предложенная нами модель позволяет понять, как влияют параметры помещения и нагревателя на скорость прогрева воздуха в помещении.

Выводы

По результатам проведённых расчётов можно констатировать, что:

1. Проведённые расчёты позволили установить зависимость времени прогревания воздуха в помещении от коэффициента теплоотдачи стен помещения. Так, например, при использовании нагревателей одинаковой мощности в идентичных по геометрическим размерам помещениях, но отличающихся значениями коэффициентов теплоотдачи стен, обнаружено, что прогрев воздуха идёт быстрее в помещении, где стены имеют меньший коэффициент теплоотдачи. В частности, для помещений с кирпичными стенами (коэффициент теплоотдачи кирпичной стены равен 5,6) скорость прогрева воздуха до одной и той же температуры в 4,1 раза выше, чем для помещений с бетонными стенами (коэффициент теплоотдачи бетонной стены равен 8,0) [7]. Полученный результат имеет практическое значение и должен учитываться при выборе оптимальных характеристик помещения, обеспечивающих быстрый прогрев воздуха до необходимой температуры для размещения людей, оборудования, продуктов и т. д. В случае, если в помещении внутренние стены имеют высокий коэффициент теплоотдачи, то на них можно нанести покрытие, снижающее коэффициент теплоотдачи (например, нанести слой штукатурки).

2. Установлено, что неэкономично производить прогрев помещения потоком воздуха, температура которого значительно превышает температуру холодного уличного воздуха (температуру холодных стен прогреваемого помещения). Это связано с тем, что при таких условиях сильно увеличивается «сброс» энергии в холодные стены. Например, при температуре уличного воздуха −25°C время прогрева воздуха в помещении при подаче тёплого воздуха с температурой +80°C возрастёт в два раза по сравнению с прогревом помещения потоком воздуха с начальной температурой +40°C [7]. Этот результат показывает, что, прогревая помещение, необходимо учитывать оптимальную разницу между температурой холодных стен и температурой подаваемого для нагрева воздуха. Например, для начальной температуры помещения −25°C данная разница (между начальной температурой холодных стен и температурой подаваемого для нагрева воздуха) лежит в пределах 65–75°C.