Перспективные технологии управления инженерными системами зданий

С. Шовкопляс

На кондиционирование и вентиляцию сейчас расходуется огромное количество энергии, в некоторых случаях превышающее энергозатраты на отопление. Какие технологии в области HVAC, особенно для вентиляции и кондиционирования, станут перспективными в ближайшем будущем и в долгосрочной перспективе?

Технологии строительства развиваются от простого энергосбережения до технологий постройки пассивных домов и далее – до зданий с нулевым потреблением энергии. В пассивных зданиях упор в большей мере сделан на теплоизоляцию и малые теплопотери, и для их отопления достаточно энергии, которую выделяют сами жильцы и бытовая техника. В летнее время теплоизолированное пассивное здание меньше нагревается, и, фактически, не нужно охлаждать его стены и другие конструкции, поэтому затраты энергии на подготовку воздуха для приточной вентиляции и кондиционирование сплит-системами намного меньше, чем в обычных зданиях. Однако, эти затраты все равно очень существенны.

С развитием технологий использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в приложении к строительству появилось множество практичных решений. Это PV-установки, малые ветрогенераторы, тепловые насосы (как для нагрева, так и для охлаждения), геотермальные установки и многое другое. Естественно, что появилась возможность воплотить идею, чтобы инженерные системы здания сами получали бы нужную энергию для своей работы прямо из окружающей среды, так сказать, находились бы на самообеспечении энергией. Так, появились и успешно воплощаются по всему миру ZEH (Zero Energy House – индивидуальные дома с нулевым потреблением энергии) и ZEB (Zero Energy Buildings) – термин, который сейчас чаще применяют для многоэтажных зданий и коммерческой недвижимости.

Идея оказалась вполне реализуемой на уровне нынешнего развития технологий, и даже более того – появились дома «E+» и «E++». Первые сами вырабатывают «зеленой энергии» столько, чтобы за счет выручки от продажи ее излишков полностью покрыть затраты на эксплуатацию дома. Кстати, программа ЕС по широкому внедрению ВИЭ предполагает, что к 2035 г. будут полностью отменены все «зеленые тарифы» и прочие финансовые льготы для имплементации ВИЭ на всех уровнях – от домашних до промышленных станций.

Концепция «E++» предполагает, что здание вырабатывает энергии настолько много, что ее хватает на все потребности домохозяйства и на зарядку одного-двух электромобилей. Более того – продажа излишков энергогенерации от здания «E++» покрывает не только выплаты по коммерческому кредиту на постройку или приобретение дома, но и все затраты на его содержание и ремонты, включая средние и капитальные. А за срок службы (50 лет) здание приносит доход, который сравним со стоимостью постройки такого здания с учетом «будущей стоимости денег» (FV, Future Value). Уже есть такие здания, имеющие такой «финплан».

Климат и энергия

Глядя на то, что происходит с погодой, получая новости о беспрецедентном увеличении числа мощнейших ураганов, только любители теории заговоров продолжают сомневаться, что климатические изменения на планете – выдумка. Разбалансирование привычной погоды для определенных климатических зон и регионов и увеличение числа природных катаклизмов – это результат глобального потепления, вызванного деятельностью человека. На техногенные факторы накладывается и период повышенной активности Солнца.

Научные исследования побудили мировые правительства заключить климатические соглашения, в частности, Парижское соглашение
в декабре 2015 г. Это соглашение по климату впервые в истории объединило усилия всех мировых держав по сдерживанию климатических изменений. Его одобрили 195 стран, что позволило назвать его историческим.

В основу соглашения положены так называемые сценарии 6Ds, 4DS и 2DS. Первый означает, что если ничего не предпринимать, то среднегодовая температура на планете к концу 21-го века вырастет минимум на 6°C, и это будет означать катастрофу и для человека, и для нынешней флоры и фауны планеты.

Сценарий 4DS рассчитан, если сокращать потребление ископаемой энергии и внедрять ВИЭ нынешними темпами, тогда уровень глобальной эмиссии CO2 приведет к повышению среднегодовой температуры на 4°C. Это значит, что катастрофа будет несколько отсрочена. В Париже договорились о значительном повышении совместных усилий по сокращению техногенного влияния, и если общими усилиями это соглашение выполнить, то до конца века неизбежное потепление составит 2°C.

На рис. 1 показаны потребности в энергии для зданий и выбросы CO2 по всему миру по каждому сценарию. Они стали в 2017 г. предметом обсуждения Международного форума по охлаждению Земли (ICEF), в работе которого приняли участие ученые под эгидой Института прикладной энергетики (Institute of Applied Energy, IAE, Япония) и национальных профильных агентств из ведущих стран мира.

Изображение глобальное потребление и парниковые газы Рис. 1. Глобальное потребление энергии и эмиссия парниковых газов зданиями, 2013-2050 гг. Источник: ICEF ZEB/ZEH ROADMAP: IEA

Доля строительства составляла 31% от конечного потребления энергии в 2013 г., и займет не менее 40% растущего мирового спроса на энергию в 2050 г. при условии стабилизации повышения глобальной температуры на уровне 6 градусов (6DS). Большая часть роста приходится на рост в развивающихся регионах. Основные драйверы этого процесса – рост числа домохозяйств, жилых зданий, площадей для коммерческих целей, а также увеличение количества, размера и разнообразия энергопотребляющих устройств и приборов и т. д.

По Парижскому соглашению для достижения целей по замедлению глобального потепления требуется радикально уменьшить эмиссию
СО2. По расчетам IEA, для стабилизации на уровне 2 градусов (сценарий 2DS), нужно снизить эмиссию СО2 на 40% по сравнению с 2013 г. и на 45% по сценарию 6DS. Ученые не видят другой альтернативы для снижения энергопотребления в секторе строительства и связанной с этим эмиссией парниковых газов, кроме как ускоренно продвигать технологии ZEB / ZEH во всех регионах планеты. Была разработана «дорожная карта» внедрения передовых технологий в области HVAC, которые применимы как для ZEB / ZEH, так и в обычных зданиях. В связи с потеплением приоритетную роль играют технологии охлаждения, кондиционирования воздуха и вентиляции, поскольку при потеплении ускоренно растет потребление энергии именно на эти цели, причем больше, чем на отопление.

Перспективные технологии

Достижение целей энергосбережения и внедрения ВИЭ предполагает, что нет какой-то одной, т. н. «прорывной» технологии. Речь идет о глубокой интеграции и взаимовлиянии всех технологий друг на друга. Например, тепловые насосы, кроме повышения своей эффективности (COP > 6), практически полностью станут реверсивными. То есть, они будут повсеместно использоваться как для отопления, так и охлаждения. Причем не только самих конструкций здания (стен, потолков, перекрытий), а и для нагрева, и в еще большей степени – непосредственно воздуха, циркулирующего в здании. Тепловые насосы интегрируются во всю систему
HVAC. То же самое – перспектива для всех устройств.

Пассивные технологии (утепление, солнцезащита, уплотнение от сквозняков и ветрозащита, естественная вентиляция и пр.) становятся базой для применения усовершенствованных и новых решений. Некоторые из них, считающиеся сегодня экзотическими (например, технологии топливных элементов на водороде или на природном (или био-газе), станут массово распространенными.

«Дорожная карта» внедрения новых технологий до 2040 г. (см. рис. 2) опирается на реалистичные прогнозы их развития. Главная
особенность этой «карты» – здесь учтены только те новации, которые уже существуют на уровне готовности к коммерческому использованию. Некоторые технологии (например, конденсационные котлы и бойлеры) уже применяются и продолжат свою экспансию на рынке. На рис. 2 показан вариант «карты» для нашей климатической зоны. Она характеризуется умеренной влажностью (~50%), достаточно большим энергопотреблением как для отопления (>= 1000 и < 2000 дней • 10°C, где 10°C – типичная среднедневная температура в холодное время и межсезонье), но еще больше – для охлаждения помещений (>= 3000 и <5000 дней • 18°C летом). Среднегодовая температура принята меньшей или равной 23°C.

Изображение внедрение новых технологий систем HVAC до 2040 г. Рис. 2. «Дорожная карта» внедрения новых технологий до 2040 г. в приложении для систем HVAC в зданиях с нулевым потреблением энергии. Источник: ICEF ZEB/ZEH ROADMAP: IEA

Различия в применении разных технологий для ZEB и для ZEH состоит в основном в величине капиталовложений, приемлемых для индивидуального жилого дома и для многоэтажной недвижимости, см. рис. 3. То, что по карману девелоперу, не вполне по силам индивидуальному застройщику.

Технологии для ZEH также предполагают, что их можно использовать для модернизации существующих домов, в то время как ZEB-технологии главным образом ориентированы на новое строительство. Но подходы – общие, особенно в смысле интегрального управления потоками энергии с оптимизацией выбора наиболее дешевого энергоресурса в данный момент времени с
приоритетом для ВИЭ.

Изображение систем ZEB / ZEH в приложении для систем HVAC Рис. 3. Основные системы ZEB / ZEH в приложении для систем HVAC. Источник: ICEF ZEB/ZEH ROADMAP: IEA

Потоки энергии ZEH распределяются в т. н. HEMS (Home energy management system) – системой управления энергии в доме. Для ZEB может применяться более укрупненная система управления энергией – для группы зданий, объединенной в локальную систему на энергетическом и информационном уровне (BEMS, Building energy management system).

Интегральная оптимизация

«Дорожная карта» показывает технологии, которые в средне- и долгосрочной перспективе будут развиваться ускоренными темпами. Но ключевое внимание будет уделяться системной интеграции и информационным технологиям систем управления энергией (EMS), которые будут поддерживать оптимальное управление и распределение между энергопотоками, в том числе и удаленно. Получат особое развитие системы оптимизации по наилучшим алгоритмам, которые будут выбираться на удаленных системах поддержки отдельных устройств (IoT, «Интернет вещей»).

В ZEB / ZEH управление системами HVAC интегрируется вместе с системами выработки энергии, см. рис. 4. Погодозависимое управление получит новый смысл. Системы управления энергией (EMS) будут ориентироваться не только на текущее состояние (температуру, давление и влажность наружного воздуха по сравнению с параметрами внутри помещений). Новое поколение EMS будет работать с учетом прогнозов погоды, а также с учетом неравномерной генерации домашних, локальных и региональных систем ВИЭ, выбирая наилучший источник энергии в данный момент с учетом прогноза их работы. Тем самым, вместе с развитием и доступностью аккумуляторных домашних систем хранения энергии (HESS, House Energy Storage System), будут полностью устранены нынешние противоречия, связанные с неравномерностью генерации от ВИЭ на всех уровнях и небалансов в энергосистеме.

Изображение потребления энергии HVAC с системами генерации энергии в ZEB / ZEH Рис. 4. Интеграция потребления энергии системами HVAC с системами генерации энергии в ZEB / ZEH. Источник: ICEF ZEB/ZEH ROADMAP: IEA

Будущие системы вентиляции и кондиционирования больше нельзя будет отделить от систем HVAC, а сами системы потребления – от систем генерации энергии. Такое интегральное исполнение позволит собрать воедино и сложить вместе экономию энергии от всех подсистем здания, чтобы достичь максимально возможного суммарного КПД и минимизировать эмиссию парниковых газов.

Больше важных статей и новостей в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь!


Вас может заинтересовать:



Оставьте комментарий

Telegram