О зданиях с «нулевым» энергетическим балансом и планах «обнуления» за рубежом

Академик Ю. А. Табунщиков: «Энергоэффективное здание есть результат мастерства архитектора и инженера. При проектировании энергоэффективного здания архитектор решает задачу использовать наилучшим образом положительное энергетическое влияние (воздействие) наружного климата и максимально нейтрализовать отрицательное влияние наружного климата на тепловой баланс здания. В это же время инженер решает задачу организовать такую систему климатизации здания, которая с наименьшими затратами энергии обеспечивает требуемые параметры микроклимата в помещениях. Чрезвычайно важно – может быть, это самая главная идея для строительства XXI века – природа – не пассивный фон нашей деятельности: в результате нашей деятельности может быть создана новая природная среда, обладающая более высокими комфортными показателями для градостроительства и являющаяся в то же время энергетическим источником для климатизации зданий».

Написанные в 2001 году, эти слова находят реализацию в сегодняшних амбициозных планах и проектах, что подтверждается высказыванием президента ASHRAE г-на Гордана Холнесса (Gordan V. R. Holness): «Конечной целью нашего стратегического плана «Создать устойчивое будущее на основе переустройства нашего прошлого» является создание зданий с нулевым потреблением энергии (Net Zero Energy Building) и, соответственно, уменьшение нашего влияния на загрязнение окружающей среды».
Невозможно достичь цели создания здания с нулевым потреблением энергии только за счет повышения уровня теплозащиты здания и совершенствования систем отопления и вентиляции. Эта цель может быть достигнута только в результате совместной творческой работы архитектора, инженера, исследователя и самой природы, основанной на оптимизации ориентации и формы здания, использовании дневного освещения и естественной вентиляции, применении тепловых насосов и возобновляемых источников энергии и т. д.

Термин «здание с нулевым энергетическим балансом» (Net Zero Energy Building) широко используется в современном международном сообществе и имеет неоднозначное толкование. Попробуем разобраться, что подразумевается под этим термином – здание с нулевым энергетическим балансом (или «нулевое» здание).

Формирование "нулевого" энергобаланса. Примеры мероприятий

Снижение энергопотребления за счет применения архитектурных и инженерных решений Ориентация и форма здания, дневное освещение, высокоэффективное оборудование ОВК, естественная вентиляция, испарительное охлаждение и т. д.

Использование возобновляемых источников энергии, расположенных в здании
Солнечные батареи, солнечные системы нагрева воды и ветроэнергетические установки, расположенные непосредственно на здании

Использование возобновляемых источников энергии, расположенных на прилегающей к зданию территории

Солнечные батареи, солнечные системы нагрева воды, гидро- и ветроэнергетические установки, расположенные на прилегающей к зданию территории

Использование источников возобновляемой энергии, расположенных за пределами прилегающей к зданию территории

Биомасса, древесные топливные гранулы, этанол или биодизельное топливо

Покупка энергии из сторонних возобновляемых источников

Закупка энергии с солнечных, ветроэнергетических установок сторонних специализированных систем или использование иных «зеленых» схем закупки энергии. Иногда используются гидроэлектрические системы

Продажа или хранение излишков электроэнергии

Излишки электроэнергии экспортируются во внешнюю энергосистему или организуется их локальное хранение

Здания с нулевым энергетическим балансом. Концепция

Концепция здания с нулевым энергетическим балансом основана на идее, что здание может удовлетворить все свои энергетические потребности за счет недорогих, территориально доступных, экологически чистых, возобновляемых источников энергии. При этом количество вырабатываемой возобновляемой энергии должно быть равно или превышать годовое энергопотребление здания.

Если собственная выработка энергии в какой-то период не покрывает энергопотребление здания, используются традиционные источники энергии, такие как электричество и природный газ. В период, когда собственная выработка превышает потребности здания, излишки электроэнергии экспортируются во внешнюю энергосистему или организуется их локальное хранение.

Для здания с нулевым энергетическим балансом доступны различные технологии подачи энергии из возобновляемых источников (солнечные батареи, нагрев воды солнечной энергией, использование энергии ветра, гидроэнергетика и биотопливо), которые, безусловно, предпочтительнее традиционных источников энергии. При этом источники возобновляемой энергии могут быть расположены внутри здания и на прилегающей территории (например, солнечные батареи и системы солнечного нагрева воды, расположенные на крыше здания, и солнечные или ветроэнергетические системы, расположенные на прилегающих к зданию территориях). Основные мероприятия, влияющие на снижение энергопотребления здания и направленные на достижение нулевого энергетического баланса здания, приведены в таблице.

В зависимости от целей, стоящих перед проектировщиком, выделяют несколько типов зданий с нулевым энергетическим балансом. В четырех первых вариантах здание подключено к внешней сети, используется «зеленая» энергия от различных возобновляемых источников энергии:

• «Нулевое» по месту расположения здание. На территории, где находится здание, производится как минимум столько же «зеленой» энергии, сколько здание потребляет в течение года. В периоды, когда собственной энергии от возобновляемых источников не хватает, здание потребляет энергию от сети и при избытке собственной энергии экспортирует ее обратно в сеть. Данный тип можно считать золотым стандартом зданий с нулевым энергетическим балансом. При его проектировании применяют инновационные технологии, все необходимые расчеты производят непосредственно на месте и зависимость от внешних факторов сведена к минимуму. Такой тип здания интересен для владельцев, которые уделяют большое внимание стоимости энергоснабжения.
• «Нулевое» по ресурсам здание. Источник энергии здания производит как минимум столько же исходной энергии, сколько здание потребляет в течение года (рассчитывается для источника). Исходная энергия – это первичная энергия, затрачиваемая на производство и доставку энергии до здания. Для расчета полной исходной энергии здания импортированная и экспортированная энергия умножается на соответствующие коэффициенты преобразования участок-источник. Такой тип здания интересен для государственных структур, которые ставят задачу снижения потребления первичной или ископаемой энергии.

• «Нулевое» по расходам на энергопотребление здание. Денежные средства, которые энергосбытовая компания платит владельцу здания за энергию, экспортируемую зданием в энергосистему, как минимум равны сумме, которую владелец здания платит энергосбытовой компании за энергетические услуги и энергию, используемую в течение года. Такой тип здания интересен для владельцев, заинтересованных в снижении энергопотребления здания с точки зрения требований энергоснабжающих организаций.
• «Нулевое» по выбросам здание. Здание производит как минимум столько энергии из возобновляемых источников без атмосферных выбросов, сколько оно использует из источников с атмосферными выбросами. Такой тип здания интересен для организаций, контролирующих загрязнение окружающей среды и заинтересованных в снижении объема атмосферных выбросов.
• «Нулевое» автономное здание. Здание, производящее, по крайней мере, 75 % необходимой ему энергии из возобновляемых источников. Термин «нулевое» автономное здание используется для тех зданий, которые функционируют вне общей сети и не могут быть отнесены к одному из перечисленных выше видов.

Здание с нулевым энергетическим балансом может одновременно относиться к нескольким типам. К примеру, здание «нулевое» по месту расположения практически всегда является и «нулевым» по выбросам.

Основные характеристики

Все построенные здания с нулевым энергетическим балансом имеют ряд общих черт и характеристик.

Небольшой размер

Одно- или двухэтажные здания площадью менее 1 400 м2. По мнению специалистов, данная тенденция свидетельствует скорее о том, что концепция «нулевого» здания находится еще на стадии разработки, а не о том, что здание данного типа может быть лишь небольшого размера. Однако, вне всяких сомнений, размер и особенно форма здания являются важным фактором достижения нулевого энергетического баланса, так как влияют на степень использования направленного действия наружного климата и на количество необходимого производства энергии из возобновляемых источников.

Энергетическая эффективность

Чем лучше с точки зрения энергопотребления запроектировано здание, тем меньше энергии надо производить или покупать на его нужды. Основными методами достижения максимальной энергоэффективности здания являются следующие:

• Снижение нагрузки. Необходимо снизить до минимума всю нагрузку на энергопотребление и исключить ненужные нагрузки.
• Эффективность систем. Оставшуюся необходимую нагрузку нужно использовать максимально эффективно. Требуется оптимизация как всей системы энергообеспечения здания в целом, так и отдельных ее компонентов.
• Регенеративность систем. Необходимо максимально эффективно использовать энергию отходов (тепло удаляемого вентиляционного воздуха, тепло стоков системы канализации и т. д.).
• Использование возобновляемых источников энергии.

Одним из наиболее значимых для повышения энергоэффективности является тот факт, что параллельно с повышением эффективности систем вентиляции, отопления, кондиционирования и освещения необходимо уделять внимание и снижению потребления электричества бытовыми электроприборами. Поэтому для достижения нулевого энергетического баланса необходим тщательный подбор наиболее энергоэффективных электроприборов.

Проектирование и эксплуатация здания как единой энергетической системы

Создание здания с нулевым энергетическим балансом возможно, только если все участники его строительства и эксплуатации – от подрядчиков, инженеров и архитекторов до владельцев – тесно сотрудничают друг с другом и преследуют общую цель. Более того, даже люди, живущие в здании и пользующиеся его оборудованием и бытовой техникой, должны оказывать активную помощь в достижении поставленной цели.

Выработка энергии из возобновляемых источников непосредственно в здании

Генерация энергии из возобновляемых источников, расположенных в здании, обеспечивает наибольшую стабильность функционирования инженерных систем. При наличии доступных внешних производителей солнечной или ветряной энергии у владельца здания может появиться желание не спешить развивать собственную возобновляемую энергетику и повышать энергоэффективность. Однако покупка энергии с солнечных, ветроэнергетических установок сторонних специализированных систем не приводит к стимулированию энергосбережения. К тому же, у «внешних» электростанций может со временем появиться более выгодный для них клиент.

Объединение с общей энергосетью

Здание с нулевым энергетическим балансом очень выгодны для коммунальных служб, так как они (здания) используют меньшие объемы энергии, снижая таким образом нагрузку, и производят дополнительное электричество в часы пиковых нагрузок. Для владельцев такого здания дешевле и удобнее быть подключенными к сети, чем быть автономными, так как в последнем случае необходимо самостоятельно развивать дорогостоящие технологии аккумулирования энергии.

Необходимость мониторинга и контроля

В здании с нулевым энергетическим балансом необходимо постоянно осуществлять мониторинг и контроль. В основном это нужно для своевременной идентификации и корректировки неполадок в системах. Также владельцы зданий, которые делятся информацией мониторинга, способствуют развитию знаний, предоставляя актуальную информацию. Данная информация помогает снизить будущие риски и ускорить процесс возведения новых «нулевых» зданий.
Интересный факт

В некоторых штатах и городах США приняты правила доступа к солнечной энергии, согласно которым право использовать природный ресурс – солнечную энергию – является имущественным правом. Например, в городе Боулдер, штат Калифорния, правила гарантируют доступ к солнечному свету всем домовладельцам и арендаторам. Это правило защищает право доступа к солнечному свету для существующих зданий, ограничивая тень, которую новые застройки могут откидывать на соседние здания, и сохраняя возможность использования в зданиях систем возобновляемой энергии.

Перспективы строительства "нулевых" зданий

На сегодняшний день в мире действует ряд программ, стимулирующих строительство зданий с нулевым энергетическим балансом. Согласно европейской резолюции от 2009 года, к 2019 году все вновь построенные здания должны будут производить столько же энергии, сколько потребляют. Также в 2009 году Массачусетская группа по исследованию зданий с нулевым сетевым потреблением энергии выпустила отчет, в котором детально прописана стратегия всемирного внедрения технологий «нулевых» зданий к 2030 году. Согласно принятой в сентябре 2008 года Долгосрочной стратегии энергоэффективности штата Калифорния, активно рекомендуется перейти на строительство всех жилых зданий как «нулевых» к 2020 году, а общественных – к 2030 году. Инициатива здания с нулевым энергетическим балансом Департамента энергетики США (Net-Zero Energy Commercial Building Initiative, CBI) направлена на обеспечение коммерческой привлекательности строительства «нулевых» зданий во всех климатических зонах к 2025 году. Более того, раздел 422 Акта об энергетической независимости и безопасности 2007 года дает указание CBI развивать и распространять технологии и нормы с целью обеспечения: строительства всех общественных зданий в США как «нулевых» к 2030 году; функционирования 50 % всего фонда общественных зданий как «нулевых» к 2040 году; функционирования всех общественных зданий как «нулевых» к 2050 году.

При этом необходимо отметить, что, по оценкам европейских экспертов, примерно половина всего энергопотребления в странах Евросоюза приходится на здания. Это и есть цна вопроса и для нас и для европейцев.