Математическое моделирование энергопотребления зданий. Нидерланды

Большая доля спроса на энергию в Нидерландах приходится на архитектурно-строительную отрасль.

В этой отрасли необходимы меры по снижению энергопотребления, связанного в первую очередь с коммунальными услугами. В то же время необходимо гарантировать здоровую и комфортную среду в помещениях.

Актуальные задачи архитектурно-строительной отрасли

В настоящее время в мировой практике проектирования энергоэффективных зданий следуют принципам Trias Energetica* [1]:

• уменьшение энергозатрат посредством снижения потерь энергии и применения мер по энергосбережению;

•применение возобновляемых источников (энергия ветра, солнца, воды и земли);

• эффективное использование энергии в тех случаях, когда возобновляемые источники недоступны.

В дополнение необходимо стараться возместить ущерб, причиняемый окружающей среде. К примеру, посадить дерево.

В настоящее время снижение энергопотребления является одной из главных задач. Её можно достаточно просто решить, допустим, применением эффективной теплоизоляции. Однако среда, в которой находится человек, должна обеспечивать условия, стимулирующие работу и отдых (в зависимости от назначения зданий).

Строительная инфраструктура отличается сложностью, что обусловлено множеством различных типов зданий и сооружений, к которым предъявляются высокие требования к исполнению и эксплуатации. Можно выделить три основные задачи в области строительного проектирования:

• рассматривать комплексные инженерные системы зданий в расчётах;

• учитывать интересы общества и окружающей среды при расчёте эффективности затрат;

* Trias Energetica – принятая за рубежом концепция экономии энергии, уменьшения зависимости от ископаемых видов топлива и сохране­ния окружающей среды, основанная на трёх простых правилах:

• сокращение энергопотребления за счёт устранения избыточного расхода энергии и реализации энергосберегающих мероприятий;

• использование возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, солнца и т. д.;

• использование ископаемого топлива как можно более эффективно и только тогда, когда недоступны возобновляемые источники.

• осуществить междисциплинарное взаимодействие с целью применения инноваций из различных областей.

Традиционные инженерные средства не пригодны для выполнения таких задач в связи с их монодисциплинарностью, ограниченностью и ориентированностью на конкретные решения. Они предполагают статические граничные условия (в большей части экстремальные), базирование на аналитических методах, предоставляющих точные решения для упрощённых моделей [3].

Здания. Моделирование энергоэффективности и эксплуатационных характеристик

Комплексное моделирование способно решить вышеприведённые задачи и рассчитывать эксплуата­ционные характеристики зданий в зависимости от климата, архитектурной концепции и требуемого микроклимата в помещении, а именно:

• теплообмен и влагоперенос в зданиях;

• дневной свет и искусственное освещение;

• эффективность вентиляции;

• шумоизоляционные характеристики;

• энергопотребление.

Важно также иметь инструменты для проектирования автоматизированных систем управления зданиями. Таким образом возможно предварительно, на стадии проектирования, оценить и оптимизировать энергопотребление зданий с учётом качества воздуха в помещениях, теплового, визуального и акустического комфорта.

Существует множество программ для моделирования, функции которых частично совпадают. Примеры программ, применяемых при решении определённых задач, приведены в табл. 1.

Пример: климатические стратегии будущего*

В данном исследовании [4] использовался программный вычислительный комплекс VABI Elements, впервые разработанный в 1972 году в Нидерландах с участием инженерных, строительных, научных, правительственных организаций, а также технических университетов. Комплекс даёт возможность моделировать жилые, общественные и промышленные здания и их системы (отопление, вентиляция и кондиционирование; системы с использованием возобновляемых источников энергии), а также проводить сертификацию зданий по энергостандартам. На основе 3D-модели здания, данных о его конструкции, применяемых инженерных системах, местонахождении объекта и климатических данных региона программный комплекс рассчитывает энергопотребление зданий при комфортных условиях в помещениях.

Применение климатических сценариев при проектировании зданий

Метеорологический институт королевства Нидерланды (KNMI) составил сценарии изменения климата во всём мире. Сценарии для Нидерландов: повышение температуры на 1 °C (сценарий умеренного климата G) или 2 °C (сценарий тёплого климата W) в период с 1990 до 2050 года. Для каждого сценария возможны варианты с изменением и без изменения воздушного потока (дополнительный знак «+» в индексе). В результате из­менения воздушного потока зима становится мягче и характеризуется повышением влажности воздуха, а летний период – теплее и суше. На данный момент невозможно с точностью определить, какой из сценариев наиболее вероятен. В данном примере рассмотрены все возможные варианты.

В результате сотрудничества Технического университета Эйндховена с Vabi Software климатические сценарии применены к справочным данным о климате NEN 5060:2008 «Eigenschappen Van Gebouwen – Referentieklimaatgegevens», которые разработаны на основе данных статистики за 1986–2005 годы. В результате получены шесть климатических сценариев: один – за прошедший период (на основе климатических показателей 1960‑х годов); другой – в настоящее время (на основе данных NEN 5060:2008), четыре сценария – спустя 30 лет (что соответствует срокам службы инженерного оборудования в зданиях).

Оценка климатических сценариев для здания La Tour

Для анализа изменений эксплуатационных характеристик в зависимости от сценария был выбран один из промежуточных этажей офисного здания La Tour в Апелдорне (Нидерланды). Высота этажа – 3,4 м, размеры в плане – 23,8 × 38,2 м. Для упрощения модели входы в помещения не учитывались. Структурное ядро здания и несущие стены состоят из железобетона (200 мм) и теплоизоляции (минеральная вата) (100 мм), 20 % поверхности фасада выполнено из стекла с низким фактором проникновения солнечной ра­диации (внутрь помещений проникает 30 % солнечной теплоты). Максималь­но допустимая температура в помеще­ниях – 24 °C.

Для офисных зданий в Нидерландах характерен расход бóльшей части энергии на охлаждение воздуха. В данном примере сравнивались три метода кондиционирования воздуха в помещениях (рис. 3):

• «пиковое» охлаждение, при ко­тором приточный воздух, подаваемый центральным кондиционером, имеет температуру ниже наружной на 2 °C (разница в температуре не превышает 10 °C). В данном случае воздух поступает при температуре 18 °C (при температуре наружного воздуха 24 °C). При достижении температуры наружного воздуха 28 °C температура повышается. Следует отметить, что при применении этой стратегии влажность воздуха не регулируется, центральный кондиционер работает только как охлаждающий агент, что уменьшает возможности (мощность) охлаждения;

• охлаждение посредством вентиляторного доводчика с четырёхтрубной системой (фэнкойл) – традиционный способ кондиционирования в офисах. По теплообменнику внутри доводчика проходит охлаждённая жидкость (6 °C), которая понижает температуру воздуха, циркулирующего через доводчик;

• охлаждение с помощью трубной системы, интегрированной в пол (холодный пол). Во встроенных в пол трубках циркулирует вода, охлаждённая до 17 °C.

Подача свежего воздуха во всех случаях осуществляется при помощи автономной механической вентиляции, гарантирующей четырёхкратный воздухообмен.

Эксплуатационные характеристики помещений при применении вышеприведённых концепций были спрогнозированы с помощью программного комплекса VABI (версия VA114). Для сравнительной оценки климатических сценариев выбран показатель температурного комфорта. Мощность системы кондиционирования воздуха и её нагрузки рассчитаны для обеспечения удовлетворительных показателей микроклимата в помещениях.

Результаты

Данное исследование преследовало две цели:

• оценить энергоэффективность и температурный комфорт трёх систем кондиционирования воздуха (рис. 3) для различных сценариев в течение летнего периода (с 1 апреля по 31 октября);
• определить важность использования актуальных климатических данных при оценке энергопотребления и теплового комфорта в офисном здании в тёплый период.

Температурный комфорт оценивается на основе показателя превышения адаптивной температуры. Первые стандарты по тепловому комфорту в Нидерландах были раз­работаны в 1970‑x годах на основе работы П. О. Фангера [5]. По данным лабораторных исследований он установил следующие температурные лимиты (стандарты): превышение температуры в 25 °C в течение не более 100 раб. ч в год, превышение температуры в 28 °C – не более 20 раб. ч в год.

Спустя некоторое время было отмечено, что тепловой дискомфорт наиболее характерен для зданий с низкой тепловой массой (из лёгких конструкций). Для этого был введён показатель взвешенных градусо-часов, который учитывает не только количество часов превышенной температуры воздуха в помещении, но и величину этого пре­вышения. Критерием комфортного микроклимата является показатель в 150 °С•ч.

На основе работы [6] установлен новый критерий комфорта – адаптивная температура. Данный параметр учитывает психологический фактор в поведении человека, к примеру – открытие окон, снятие одежды. Более того, учитывается факт, что в течение продолжительного периода с повышенной температурой наружного воздуха человек приспосабливается к более высокой температуре в помещении (рис. 4).

Классы микроклимата A, B, C удовлетворяют общепринятым условиям комфорта соответственно 90, 80, 65 % от всех пользователей в тече­ние всего срока эксплуатации. Класс B используется для нового строительства. Это означает, что условия комфорта удовлетворяют 80 % пользователей здания за время эксплуатации. Критерии комфорта различны для зданий с естественной вентиляцией и возможностью открыть окна («альфа») и с механической вентиляцией («бета»). Таким образом учитывается человеческий фактор. В данном исследовании здание имеет тип «бета» и класс микроклимата B.

Результаты превышения адаптивной температуры (в часах) и энергопотребления (в процентах от показательного года) для трёх методов кондиционирования и шести климатических сценариев приведены на рис. 5 и 6. При сравнительной оценке имеет значение разброс результатов для определённого метода кондиционирования в зависи­мости от климатического сценария. Так, небольшой разброс в результатах говорит о стабильности микро­климата в здании.

Центральный кондиционер – это наименее стабильный вариант по результатам оценки превышения адаптивной температуры и энергопотребления. Это связано с ограничением скорости и минимальной температуры подаваемого воздуха (во избежание сквозняков и дискомфорта). Вентиляторный доводчик легко адаптируется к перепадам температуры с помощью дополни­тельных модулей, что, однако, негативно сказывается на энергопотреблении. Холодный пол является наиболее стабильной системой, что очень важно в плане обеспечения теплового комфорта, т. к. возможность изменить мощность системы ограничена в связи с её расположением в конструкции пола здания. Температуру жидкости также нежелательно понижать в связи с риском выпадения конденсата и неравномерного распределения воздуха в помещении.

Выводы

Результаты показывают, что при проектировании зданий необходимо учитывать возможные изме­нения климатических показателей (можно сравнить результаты, по­лученные на основе De Bilt и NEN 5060:2008). Нельзя с точностью предсказать климатическую обстановку через 30–50 лет, но можно применять инженерные решения, обладающие стабильностью и гибкостью (оптимизацией в процессе эксплуатации). В данном случае система холодного пола гарантирует стабильность теплового комфорта в офисных помещениях в тёплое время и обладает невысоким энергопотреблением.

Пример иллюстрирует возможности программных комплексов для моделирования зданий: оценку энер­гопотребления и эксплуатационных показателей, которую можно произвести как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации и реконструкции зданий.

Литература

1. Infoblad: Trias Energetica en energieneutraal bouwen / Agentschap NL. 2013.

2. Worldwide Trends in Energy Use and Efficiency: Key Insights from IEA Indicator Analysis / IEA. 2008.

3. Hensen J., Lamberts R. Introduction to Building Performance Simulation // Building Performance Simulation for Design and Operation. New York: Spon Press, 2011.

4. Klimatiseringsconcepten voor de toekomst / J. E. J. Verkerk-Evers // TVVL magazine. 2010. № 7–8.

5. Fanger P. O. Thermal Comfort Analyses and Applications in Environmental Engineering. London; New York: McGraw-Hill, 1970.

6. Dear R. J. de, Brager G. S. Thermal Comfort in Naturally Ventilated Buildings: revisions to ASHRAE Standard 55 // Energy and Buildings. 2002. 34 (6).

7. Adaptive Temperature Limits: A New Guideline in The Netherlands. A New Approach for the Assessment of Building Performance with Respect to Thermal Indoor Climate / A. C. Linden A. C. et al. // Energy and Buildings. 2006. Vol. 38.

8. Banks J., Gibson R. R. Don't Simulate When… 10 Rules for Determining when Simulation is Not Appropriate // IIE Solutions. 1997. Sept.

9. Thermische Behaaglijkheid – Eisen Voor De Binnentemperatuur In Gebouwen: ISSO Publicatie 74 / ISSO. 2004. ●

Источник: сайт http://zvt.abok.ru