Проблемы строительства энергоэффективного дома
Идея строительства энергоэффективных домов с минимально возможным потреблением энергии «витала в воздухе» ещё в 1980-х годах. Впервые расчёты дома без отопления были представлены Вольфгангом Файстом и Бо Адамсоном в климатических условиях Германии в 1988 году [1–4], в дальнейшем данный замысел стал называться концепцией «пассивного» дома. В России интерес к этой теме активно развивается последнее десятилетие, были опубликованы работы по исследованию и разработке концепций «домов с нулевым энергопотреблением» [5–9].
Основными критериями «пассивного» дома являются [1–3]: удельный расход тепловой энергии на отопление не более 15 кВт·ч/(м²·год); кратность воздухообмена при разности давлений 50 Па наружного и внутреннего воздуха n50 ≤ 0,6 ч–1; общий расход первичной энергии не более 120 кВт·ч/(м²·год); удельная отопительная нагрузка не выше 10 Вт/м².
Однако в России климат более суровый, чем в Германии, поэтому в нашей стране пока нет объектов, которые по всем критериям удовлетворяли бы стандарту «пассивного» дома. Однако уже есть «активные» здания, которые компенсируют более высокое потребление энергоресурсов за счёт использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [10].
Относительно легкодоступных запасов природного газа в России остаётся чуть более чем на 50 лет [11]. В этих условиях строить здания на сотню лет, ориентируясь только на отопление природным газом, было бы не совсем разумно. Перефразируя слова Д. И. Менделеева, ещё в XIX веке сказавшего, что «сжигать нефть — всё равно что топить ассигнациями», то же самое в XXI веке можно сказать о природном газе. Природный газ есть достояние нынешнего и будущих поколений.
Ситуация усугубляется также и тем, что, согласно испытаниям [12], термическое сопротивление стен современных зданий (99 % панельных и более 90 % зданий с вентилируемым фасадом) не соответствует проекту и нормативным требованиям. Большинство этих зданий имеет высокие тепловые потери через ограждающую оболочку. Теплоснабжение значительной части из них осуществляется от котельных, которые недостаточно эффективно используют такой ценный вид топлива, как природный газ. В ближайшие десятилетия потребуются огромные капитальные вложения на реконструкцию жилых зданий, поэтому принятие правильных решений при строительстве и реконструкции — это вопрос энергетической безопасности страны. Использование старых технологий в современном строительстве может привести к коллапсу энергетической системы в будущем, так как ресурсы природного газа в отдалённой перспективе будут ограничены, и его сжигание станет чрезвычайно дорогим.
В связи с этим необходимо найти обоснованные решения строительства энергоэффективных зданий, которые бы решали задачи комфортного проживания граждан страны, эффективного использования ресурсов, внедрения передовых технологий с использованием альтернативных источников энергии.
В книге [13] излагается концепция Третьей промышленной революции, которая основывалась бы на пяти столпах: «переход на возобновляемые источники энергии; превращение всех зданий в миниэлектростанции, вырабатывающие электроэнергию в месте её потребления; использование технологий в каждом здании для аккумулирования периодически генерируемой энергии; использование интернеттехнологий для превращения энергосистемы каждого континента в интеллектуальную электросеть; перевод автомобильного парка на электромобили, которые могут получать энергию от интеллектуальной континентальной электросети и отдавать избытки в сеть». Данная концепция представляется вполне разумной для XXI века.
Цель работы заключается в построении энергоэффективного здания с минимальным потреблением энергии в течение жизненного цикла «от колыбели до могилы» (From the Cradle to the Grave), исчисляемого как минимум в 100 лет.
В 2014 году Национальным объединением проектировщиков была разработана методика расчёта жизненного цикла жилого здания [14], согласно которой можно было бы объективно сравнивать строительство энергоэффективных зданий с традиционными.
В работе [15] показано, что применение технологии информационного моделирования здания Building Information Modeling (BIM) позволяет быстро проектировать и строить энергоэффективные дома, затем их эффективно эксплуатировать, а демонтировать и утилизировать в конце установленного жизненного цикла.
Основные проектные решения для применения BIM-технологии
Форма дома спроектирована по внешним размерам, близким к кубу, для снижения теплопотерь здания через наружную поверхность дома: длина здания 12 м, ширина — 11 м, высота конька крыши над уровнем земли — 10 м.
Крыша двускатная, площадь крыши с южной стороны составляет 130 м² для размещения солнечных коллекторов и солнечных батарей. Веранда под крышей с южной стороны имеет размеры 12 × 3 м = 36 м². Летом навес над верандой защищает здание от солнечного перегрева, а в зимний период при низком солнце солнечные лучи свободно проникают внутрь дома через окно и стеклянную дверь. Обустройство веранды с навесом с южной стороны отличает данное рассматриваемое здание от традиционных «пассивных» домов, у которых большинство окон обращено на юг для увеличения теплопритока через них зимой, однако при отсутствии решений по защите дома от перегрева возникают сложности с охлаждением его летом.
Утепление крыши выполнено древесным волокном Steico Zell толщиной 30 см (с высокой теплоёмкостью для поддержания комфортных температур в летний период), а также негорючим и экологичным материалом URSA PureOne толщиной 15 см (стекловолокном с акриловым связующим, имеющим сертификат для использования в детских и медицинских учреждениях). Расчётный коэффициент термического сопротивления крыши составил 12 м²·К/Вт [16].
Окна являются наиболее слабым звеном в оболочке здания, поэтому выбор окон осуществлялся путём анализа характеристик стеклопакета и профиля.
Окна и стеклянные двери выбирались на основе тендера из более чем десяти вариантов. В результате были выбраны ПВХокна фирмы Deckeunink с утеплённым профилем Eforte и двухкамерным стеклопакетом, заполненным аргоном. Стёкла этих окон имеют два напыления: энергосберегающее и мультифункциональное (для защиты от перегрева летом и утепления зимой). Коэффициент термического сопротивления стеклопакетов составил 1,67 м²·К/Вт, а профиля — 1,05 м²·К/Вт, что в два-три раза лучше обычных окон.
Для утепления внешних стен был выбран минерально-ватный утеплитель с вентилируемым фасадом, который позволяет равномерно со всех сторон удалять влагу из здания через воздушный зазор. В качестве внешней защиты стен здания были выбраны фиброцементные панели KMEW толщиной 16 и 18 мм, срок службы которых составляет более 50 лет. Для их крепления применялась металлическая вертикальная Т-образная подсистема креплений «Альт-фасад».
Расчёты показали, что срок окупаемости тепловой изоляции составляет около девяти лет. Согласно [17], при сроке эксплуатации 100 лет срок окупаемости теплоизоляции в 10–20 лет считается вполне приемлемым и выгодным.
Не следует путать данные показатели с критериями, которыми оперируют некоторые предприниматели, рассчитывающие на значительно более короткие сроки (до пяти лет), так как они сами не знают, будет ли существовать их фирма более этого срока. Человек строит энергоэффективный дом и намеревается прожить в нём гораздо больше пятилетнего срока, поэтому процесс проектирования для создания таких зданий должен учитывать весь жизненный цикл.
Применение BIM-технологии
Комплексное проектирование здания включает в себя все этапы создания пространственной модели здания с оптимальными характеристиками его оболочки и эффективным энергопотреблением, а также наблюдение результатов эксплуатации после строительства объекта, то есть охватывает все этапы жизненного цикла здания. Именно связка технологий BIM и энергомоделирования зданий BEM (Building Energy Modeling) в проектировании позволяет продумать все процессы внутри смоделированного пространства и внедрить их на практике. Программный комплекс ArchiCAD позволяет структурировать все элементы модели в определённые группы, анализировать их в отдельности и совместно, исключая коллизии, одновременно прорабатывая пространственные элементы всех разделов рабочей документации в одной системе.
BIM-модель экспериментального энергоэффективного дома была создана в программе ArchiCAD. На первом этапе были разработаны планировочно-пространственные решения с учётом предварительного размещения оборудования и мебели, при этом были учтены потребности в жилых и технических пространствах, продумано расположение зон относительно друг друга с целью минимизации времени перехода из одного помещения в другое, учтены входные группы относительно участка, дорожек соседних домов и основной дороги, учтено расположение сторон света. При проектировании гармоничного и энергоэффективного пространства требования получаются разнонаправленными и порой взаимоконфликтными [18, 19], поэтому стояла задача уравновесить все требования в одной модели посредством диалога специалистов разных направлений, объединённых в одну команду. Технико-экономические показатели здания приведены в табл. 1.
Концепция планировочно-пространственных решений стала основой для дальнейшей разработки рабочей документации и дизайн-проекта. Последовательность и взаимосвязь этапов проектирования отражена на рис. 1, где задачи выбора архитектуры и дизайна здания, его конструкции, а также инженерной системы решаются и уточняются в итерационном процессе.
На базе архитектурного проекта спроектированы конструктивный и инженерный разделы дома согласно выбранным параметрам тепловой оболочки и инженерного оборудования. В ходе проектных работ выбиралось наиболее удобное расположение инженерного оборудования и трасс отопления, вентиляции, подачи и отвода воды и хозяйственно-бытовых стоков. В программном комплексе ArchiCAD все элементы структурированы согласно слоям, детализация элементов составила LOD 300.
Все конструктивные элементы и отделочные материалы, которые применялись в BIM-модели, приведены в табл. 2. В исходной модели было расставлено оборудование и произведена разводка трасс оптимальным способом (рис. 2).
Источник тепла для отопления и подогрева ГВС — геотермальный тепловой насос и солнечные коллектора. Для работы оборудования используется электричество от распределительной электросети напряжением 380 В.
Система отопления: радиаторы в подвальном помещении, тёплый пол на первом этаже и поверхностное потолочное отопление на втором этаже, которое зимой служит для отопления, а летом — для охлаждения помещений.
Состав инженерного оборудования BIMмодели таков:
1. Тепловой насос Buderus — модель Logatherm WPS 11.
2. Солнечные коллекторы модели Яsolar (четыре штуки).
3. Теплоаккумулятор JÄSPI модели GTV Teknik RD.
4. Теплоаккумулирующий камин Tulikivi модели KTU 1010/92 с КПД = 91 %. Теплотехнические испытания камина показали, что для достижения заданного КПД требуется закладывать не две порции по 4 кг дров (в этом случае температура уходящих газов превышает величину 200 °C и КПД снижается до 70 %), а четыре закладки древесных брикетов по 2 кг, при этом температура уходящих газов остаётся на уровне 100 °C, тогда КПД находится на уровне 90 % и более. Кроме того, достигается экологический эффект — снижается образование NOХ и CO, а также сжигание древесных брикетов позволяет иметь практически нулевой баланс по выбросам парниковых газов.
5. Приточно-вытяжная установка (ПВУ) с рекуперацией тепла Turkov Zenit 550 HECO с КПД, равным 79 %.
6. Низкотемпературная система отопления первого этажа, тёплый пол с улучшенными характеристиками. Работа в температурном диапазоне теплоносителя от 22 до 30 °C.
7. Система потолочного отопления и охлаждения второго этажа.
8. Система подогрева воздуха после рекуператора системы вентиляции.
9. Все системы объединены в гибридную систему и работают на получение максимального эффекта по энергетической эффективности.
Применение BEM-технологии
Применение BEM-технологии основывалось на расчётах энергопотребления здания с помощью программ Passive House Planning Package (PHPP) и Design PH.
Программы PHPP и Design PH позволяют моделировать все составляющие системы энергоснабжения. С помощью этого инструмента проектирования можно задавать параметры оборудования, а также климатические условия, режимы эксплуатации здания, характеристики оболочки и прочие параметры, и рассчитывать как потребление энергии оборудованием, так и её выработку.
Выбор толщины дополнительной теплоизоляции под вентилируемым фасадом определялся на основе вычислений по программе PHPP. Расчёты показали, что для того, чтобы термическое сопротивление стен составило 10 м²·К/Вт (что и требуется для «пассивного» дома), необходимо иметь теплоизоляцию из базальтового волокна толщиной 25 см, что было применено для данного дома. Для крепления теплоизоляции было использовано примерно 4000 стеклопластиковых дюбелей, которые не являются «мостиками холода» в стенах, в отличие от металлических.
В работе сравнивались пять вариантов состава оборудования: грунтовый тепловой насос, воздушный тепловой насос и газовый котёл. Для воздушного теплового насоса рассматривались два источника низкопотенциальной теплоты: наружный воздух и удаляемый из помещений после рекуператора. Котёл рассматривался при отсутствии ВИЭ и рекуперации в системе вентиляции. Грунтовый тепловой насос рассматривался при шести и при 36 солнечных панелях. Сравнение вариантов проводилось по годовому энергопотреблению системой в целом и основным оборудованием.
Как видно из табл. 3, самой эффективной системой является система с грунтовым тепловым насосом и 36 солнечными панелями [20, 21]. Следует отметить, что с тепловым насосом используются вертикальные зонды. Здесь мы имеем нулевое по балансу энергопотребление всей системы в целом.
Расчёт энергобаланса дома производился для полученного пространства в программном комплексе PHPP (рис. 3).
Рассчитаны теплопотери (через ограждающие конструкции — окна, стены, пол, кровлю) и теплопоступления (от солнечной радиации, людей, освещения и оборудования). По рассчитанной нагрузке на отопление подобрано инженерное оборудование для нескольких вариантов оболочки дома. После нескольких итераций вариантов оболочки и инженерного оборудования нагрузка на отопление была снижена с 42 до 37 кВт·ч/(м²·год).
Для аккумуляции электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, будут использоваться аккумуляторные батареи, для аккумуляции тепловой энергии используется бак-аккумулятор горячей воды. В тёплый период тепловой насос работать не будет, для покрытия нагрузки от системы кондиционирования воздуха будут использоваться грунтовые зонды.
Для достижения нулевого энергопотребления дома требуется 36 солнечных панелей номинальной мощностью 320 Вт и четыре солнечных коллектора площадью 2 м² при соответствующих характеристиках теплоизоляции [20].
Применение CFD-технологии для моделирования системы вентиляции
В связи с тем, что в энергоэффективном доме инфильтрация воздуха через окна и наружные стены сведена к минимуму, остро стоит вопрос вентиляции дома. Тепловые потери на вентиляцию в «пассивных» домах — одна из наибольших составляющих данных потерь [20], поэтому для вентиляции дома была подобрана приточно-вытяжная установка с рекуперацией тепла и влаги Turkov Zenit 550 HECO. Для догрева воздуха после рекуператора (в холодный период) и для его охлаждения (в летний период) в приточный воздуховод установили канальный водяной теплообменник Zilon ZWS-W 400 × 200/3.
Догрев воздуха осуществляется горячей водой из теплоаккумулятора, а охлаждение — холодной водой, которая будет охлаждаться через геотермальный контур теплового насоса.
В табл. 4 приведены расчётные расходы приточного воздуха по помещениям дома. Подача свежего воздуха в жилые помещения первого этажа осуществляется через потолочные анемостаты, а в жилые помещения второго этажа — через напольные решётки, расположенные вдоль внешних стен дома, под окнами. Вытяжка первого и второго этажа организована через санузлы и вытяжные решётки у лестничного холла.
Магистрали вентиляционной сети в BIMмодели энергоэффективного дома выполнены из стальных оцинкованных воздуховодов, ответвления от магистрального воздуховода — гибкими шумопоглощающими воздуховодами.
Применение гибких шумопоглощающих воздуховодов совместно с шумоглушителями на подаче в дом и на выбросе воздуха на улицу позволило снизить шум в вентиляционной сети.
Для анализа температурных полей и полей скорости по помещениям дома BIM-модель экспортировалась в пакет вычислительной гидродинамики Computational Fluid Dynamics (CFD) — ANSYS Fluent. Численное моделирование в CFD решает дифференциальные уравнения аэродинамики и теплофизики в частных производных методом конечных элементов [25, 26]. Суть метода конечных элементов заключается в разбиении расчётной модели на дискретные ячейки, в которых производятся расчёты.
В созданной математической модели для описания физических процессов (выход турбулентного потока воздуха из воздухораспределителей, взаимодействие потока приточного воздуха с воздухом рабочей зоны) и элементарных способов переноса теплоты были использованы следующие дифференциальные уравнения гидродинамики и теплообмена:
- уравнения движения или неизотермического течения вязкого газа в декартовых координатах (k–ε-модель турбулентности);
- уравнение неразрывности (сохранения массы);
- уравнение энергии (переноса тепла) в прямоугольных декартовых координатах.
Сетка конечных элементов уплотняется в местах выхода воздуха из воздухораспределителей, в местах удаления воздуха через вытяжные отверстия, у радиаторов в подвале. В статье проведено моделирование вентиляции подвала. Были заданы определённые граничные условия: скорость воздуха на выходе из приточных воздуховодов, температура приточного воздуха, температуры нагретых поверхностей (радиаторы, котельное оборудование), температура оконного проёма.
Граничное условие на вытяжке задано через давление.
На рис. 4 приведено изображение линий тока в подвальном помещении.
На рис. 5 приведено изображение температурных потоков в объёме подвального помещения. Анализ результатов расчёта позволяет оценить эффективность вентиляции, выбрать наиболее оптимальные точки распределения и удаления воздуха. По результатам CFD-моделирования вентиляции подвала было принято решение о переносе точки притока в кладовке в край помещения.
В ходе эксплуатации дома производится измерение фактических параметров для сравнения с расчётными данными и управлением микроклиматом.
Измеряемые показатели: температура внутреннего воздуха на разной высоте в разных помещениях, расходы теплоносителей в контурах отопительного оборудования, температуры поверхностей, расходы и температуры жидкостей на входе и выходе инженерного оборудования, расход воздуха в вентиляционной системы, температуры воздуха на входе и выходе из рекуператора.
Эксплуатация здания
За первый отопительный сезон, когда происходила сушка подвала и стен здания, расход электроэнергии составил 4,9 тыс. кВт·ч, и затраты на покупку электроэнергии для инженерной системы, включая тепловой насос и циркуляционные насосы, составили 17 тыс. руб. В октябре-ноябре работали только три радиаторные батареи в подвале, обогревая весь дом. В декабре залили и высушивали тёплый пол на первом этаже. В январе включили тёплый пол. В феврале установили оптимальный режим отопления с коэффициентом трансформации теплового насоса более 4,0. В апреле подключили солнечные коллектора, которые позволили повысить суммарный коэффициент трансформации до 6,0 и более (рис. 6).
С целью выявления «тепловых мостов» была проведена тепловизионная съёмка объекта. Видимые теплопотери наблюдались на стыке некоторых оконных рам со стенами, также «тепловой мост» существовал на первом этаже на стыке фасада стен и цокольного этажа [20]. Последующие работы позволили устранить эти недостатки. Повторное тепловизионное обследование показало хорошее состояние теплоизоляции фасада здания.
Основным источником теплоснабжения служит грунтовый тепловой насос. В рассматриваемом здании с помощью применения современных теплоизоляционных материалов, энергоэффективных окон и системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха удалось достичь годового потребления тепловой энергии на отопление 7736 кВт·ч. За счёт возобновляемых источников энергии планируется генерация бóльшей части тепловой энергии, требуемой для системы горячего водоснабжения. Для выравнивания температурного градиента в помещении используется система «тёплый пол», что также уменьшает температуру теплоносителя по сравнению с традиционными отопительными приборами.
Следует отметить, что в настоящее время невозможно управлять по оптимальному критерию инженерной системой энергоэффективного дома без современных технологий «умного дома» и интернет-технологий [22, 23].
Мониторинг и управление совместной работой теплового насоса, солнечных коллекторов и аккумуляторных батарей осуществлялся с помощью системы «ТеплоМОНИТОР» от компании «Гидро ЛОГО».
Для сравнения на рис. 6 показано, как работал тепловой насос 10 марта (13 включений) и 11 апреля (три пуска), что было обусловлено эффективной работой солнечных коллекторов в апреле месяце.
Данная система служит прежде всего для управления системой энергоснабжения здания. Для полного сбора данных о температурах воздуха в различных помещениях применяется система ПТК «ПолиТЭР» компании НПП «Политех-Автоматика» [24]. Система, оснащённая беспроводными температурными датчиками, начала работу в июне 2018 года. На первом этаже сохранялась комфортная температура на уровне 23–24 °C, а на втором этаже, несмотря на хорошую теплоизоляцию крыши, температура повышалась до 26 °C, в подвале температура воздуха составляла 17 °C, что было вызвано тем, что солнечные коллектора через теплообменник и зонды нагревали грунт, температура которого поднялась до 12 °C.
В связи с тем, что второй этаж с тремя спальнями перегревался, возник вопрос об охлаждении потолочными капиллярными матами, которые в зимний период будут использоваться для отопления.
Также встал вопрос об использовании ПВУ с рекуперацией тепла в качестве воздушного охладителя в летний период. В летний период капиллярные маты и приточно-вытяжная установка с рекуперацией тепла будут получать холод через теплообменник, связанный с контуром грунтовых зондов, при этом нагревая землю для использования тепловой энергии в зимний период. В зимний период капиллярные маты и ПВУ Turkov Zenit 550 HECO будут нагреваться от теплового насоса через верхнюю часть 500-литрового аккумулятора JÄSPI.
В настоящее время реализуется проект «цифровизации» на основе построения энергетического баланса за различные периоды времени (час, сутки, месяц и т.д.) в рамках расширения системы ПТК «ПолиТЭР» с установкой 15 расходомеров, 20 термопар и шести электросчётчиков для последующего анализа и выбора оптимальных режимов энергоснабжения. Планируемое развитие проекта связано с переходом на автономное существование с нулевым энергопотреблением без вредного воздействия на окружающую среду.
Заключение
Данный проект совместными усилиями студентов, аспирантов и преподавателей используется прежде всего для образовательных целей: проведение энергетического обследования здания, изучение работы инженерного оборудования и его воздействия на окружающую среду. Результаты исследований публикуются в печати, оформляются в виде выпускных и научно-исследовательских работ студентов, а также в виде разделов диссертационных работ.
При проектировании, строительстве и эксплуатации энергоэффективных зданий рекомендуется применять современные методы BIM-, BEMи CFD-моделирования в комплексе.
Последовательность и взаимосвязь этапов проектирования здания или сооружения при BIM-моделировании включает в себя задачи выбора архитектурных и дизайнерских решений, конструкции здания и его инженерных систем с учётом множества факторов.
BEM-моделирование на основе применения программ PHPP и Design PH позволяет по рассчитанной тепловой нагрузке подобрать оборудование инженерных систем.
Применение технологий вычислительной гидродинамики (CFD) для моделирования системы вентиляции позволило рассчитать траекторию течения воздуха и распределения температур с целью поддержания комфортной среды в рассматриваемом помещении.
