Стандарт Minergie©: теория и практика
Мартин БисмаркПрофессор доктор Хиршберг из Аахенского университета, проводя в 2011 году мониторинг и аудит, отметил высокую энергоэффективность здания и его инженерных систем. Это же подтверждает система энергетического менеджмента (EMS)*, которая используется на предприятии: внедренные технические решения и сейчас обеспечивают уровень энергопотребления, превышающий самые оптимистичные прогнозы.
An office and production-warehouse building was commissioned in Basel (Switzerland) at the end of 2010 with energy consumption below 40 kWh/m2 per year. This value meets the strictest norms of Swiss Minergie© standard for non-residential buildings. Professor Dr. Hirshberg from Aachen University conducted monitoring and audit in 2011 and noticed high energy efficiency of the building and its engineering systems. This is also confirmed by the Environmental management System (EMS)* used at the enterprise: even now the implemented technical concepts provide the energy consumption level that exceeds the most optimistic forecasts.
* О системе энергетического менеджмента (ЕМS) как об инструменте измерения и повышения энергоэффективности зданий мы напишем более подробно в одном из последующих выпусков журнала «Здания высоких технологий».
Вход в здание (вверху) и офисы на третьем этаже (внизу)
Считается, что около 40 % мирового потребления энергии приходится на здания. Поэтому вопрос, как сделать здания энергоэффективными, чрезвычайно актуален. Однако пока в мире не существует единых стандартов, определяющих, что такое «энергетически эффективное здание». В разных странах разработаны свои стандарты (в частности, KfW-Effizienzhaus 55, KlimaHaus A, 3‑Liter-Haus, Minergie©, Minergie-P, Minergie-P‑eco, LEED, Klimaschutzhaus, Green Building, Passivhaus и т. д.) и используются различные термины. В Германии, например, введены такие понятия, как Null-Energiehaus (здание с нулевым потреблением энергии), Positiv-Haus (здание, которое производит больше энергии, чем потребляет), Passiv Haus (здание с высокими показателями теплозащиты, в котором не требуются системы активного отопления и охлаждения) и др.
В Швейцарии для строительства зданий с низким энергопотреблением разработан и запатентован стандарт Minergie©. При этом суммарное потребление энергии является эталоном, чтобы квантифицировать требуемое качество строительства. Берется в расчет только «конечная» энергия, которая подводится в здание.
Стандарт вводит понятие Minergie Haus, обозначающее здания, в которых энергопотребление на отопление и охлаждение не превышает 40 кВт•ч/м2 в год, что соответствует 4 л дизельного топлива на 1 м2 площади здания в год. Следует заметить, что на сегодняшний день в Швейцарии среднее значение этого показателя составляет около 170 кВт•ч/м2 (17 л) в год.
|
СТАНДАРТ MINERGIE© |
|
Minergie© – энергетический стандарт добровольного применения, разработанный и введенный в действие в Швейцарии, который распространяется на строительство новых и реконструкцию существующих зданий. В настоящее время он используется также и в других странах.Основное внимание в стандарте уделено качеству микроклимата в помещениях, высокий уровень которого обеспечивают современные ограждающие конструкции здания и правильный воздухообмен. Отдельно рассмотрен вопрос защиты окружающей среды. Главной целью является строительство зданий, наносящих минимальный вред окружающей среде. Эти здания характеризуются повышенным уровнем комфорта среды обитания, безопасностью для здоровья человека, высокими показателями энергоэффективности, минимальным использованием невозобновляемых источников энергии (нефть, газ, уголь) и низкими расходами на строительство и эксплуатацию здания. При этом цель формулируется как предельная величина энергопотребления.В стандарте выделяются различные категории зданий: жилые (коттеджи и многоквартирные дома) и нежилые здания (офисы, школы, предприятия торговли, рестораны, лечебные учреждения и т. д.). Так, в зданиях категории В (нежилые) годовое энергопотребление систем отопления, горячего водоснабжения и механической вентиляции должно составлять:
В нормативах Minergie© учтены энергозатраты на климатизацию помещений (охлаждение, увлажнение или осушение), а также на освещение согласно швейцарскому стандарту SIA 380–4, который определяет требования к светоотдаче и схеме освещения. |
Энергоэффективное здание в Базеле – это 1‑й корпус комплекса зданий фирмы «Саутер», уже более 100 лет занимающейся производством и установкой приборов и систем автоматизации и диспетчеризации инженерного оборудования зданий. В нем находятся производственные, складские и офисные помещения. Здание оценивалось по трем соответствующим категориям Minergie©.
| ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ |
| Наименование: энергоэффективный дом. Расположение: Базель (Швейцария). Владелец: компания Fr. Sauter AG («Саутер»). Архитектор: Vischer Architekten (Базель). Инженер: Jobst Willers Engineering AG. Основное назначение: офисное и производственно-складское здание. Типы помещений: офисные, производственные и складские. Высота – 6 этажей (включая 2 подземных). Общая площадь – 9 700 м2. Площадь кондиционируемых помещений – 9 700 м2. Энергетический стандарт: Minergie©. Завершение основных строительных работ: 2010 год. |
Основой систем отопления и охлаждения является установка, вырабатывающая энергию из грунтовых вод. Следует заметить, что здание имеет удачное расположение: непосредственно под ним проходит течение между реками Рейн и Визе.
Для использования энергии грунтовых вод была построена система из двух колодцев для забора грунтовых вод и одного колодца для их отдачи, образующая закрытый контур.
Колодцы находятся на расстоянии больше 100 м друг от друга, что предотвращает «короткое замыкание». Глубина колодцев – 19 м, при этом забор воды осуществляется тепловым насосом с фильтром с глубины 17 м. Максимальная мощность такого насоса составляет 11,5 л/с. Нормальный уровень грунтовых вод в этой местности колеблется от 11 до 16 м.
Теплопередача из контура грунтовых вод в контуры инженерных систем здания осуществляется через пластинчатый теплообменник, поэтому вода возвращается в подземное течение такой же чистой, какой была взята из него, т. е. грунтовая вода не используется в прямом смысле этого слова.
Администрация города взимает налог за подсоединение к грунтовым водам, а также ставит жесткие требования по перепаду температур, что сказывается на расчетах окупаемости.
Кроме того, на крыше здания установлены солнечные батареи, которые вырабатывают электроэнергию для теплового насоса, вентиляторов и т. д.
Общая мощность системы составляет 70 кВт•пик, ожидаемая энергоотдача – 52 083 кВт•ч (рис. 1).
|
|
Центральным элементом системы отопления является тепловой насос. Весь год температура грунтовых вод составляет около 14 °C. Зимой через пластинчатый теплообменник у грунтовых вод в систему отопления забирается до 4 °C (ΔT = 4 °C). В обратный колодец вода возвращается с температурой не менее 10 °C. Фактические значения, представленные на рис. 2а, показывают, что перепад температуры практически всегда ниже допустимого значения.
В единую систему интегрировано газовое отопление. Однако до настоящего времени оно ни разу не использовалось. Превышение самых оптимистических ожиданий было обусловлено наличием внутренних теплопоступлений (от людей, оргтехники и т. д.), теплопоступлений от солнечной радиации через большие по площади окна, автоматическим управлением шторами, а также грамотным обслуживанием систем.
В теплое время года никаких дополнительных расходов на охлаждение не требуется (тепловой насос не используется), т. е. система охлаждения является «энергосберегающей».
В пластинчатом теплообменнике температура грунтовых вод поднимается на 4 °C (ΔT = 4 °C). В обратный колодец вода возвращается при температуре около 18 °C. Чтобы максимально эффективно использовать эту воду для охлаждения, в помещениях с большим количеством людей и, следовательно, высокими тепловыделениями установлены охлаждающие потолки.
|
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, ПОСРЕДСТВОМ КОТОРЫХ ДОСТИГАЕТСЯ НИЗКОЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ (31,31 кВт•ч/м2, ПО ДАННЫМ ПРОФЕССОРА ХИРШБЕРГА ЗА 2010 ГОД) |
|
Остекление. Применены окна (профиль из дерева и металла) с тройным теплоизоляционным остеклением (k‑величина (коэффициент теплопропускания) – 0,7) и с автоматически управляемыми шторами. Окна располагаются выше фальшпотолка, что позволяет зимой получать как можно больше лучей относительно низкостоящего солнца, а летом – предотвратить поступление лучей высокостоящего солнца в середине дня. Вентиляция. Хорошая теплоизоляция и низкая воздухопроницаемость требуют применения механической (принудительной) вентиляции с рекуперацией теплоты отработанного воздуха с помощью вращающегося колеса. Автоматизация. Система вентиляции работает только по потребности (переменный расход воздуха в зависимости от содержания СО2 в помещении). Современные датчики СО2, работающие по принципу «два луча – две частоты» (благодаря чему они не нуждаются в автоматической калибровке для предотвращения дрифта), внесли весомый вклад в общее энергосбережение здания. Такие датчики фиксируют, сколько людей находится в помещении, и плавно адаптируют воздушный поток. Эмпирические испытания показали, что уменьшение воздушного потока на 20 % приведет к 50 %-му снижению энергопотребления вентилятором и расхода теплоты (холода). Для офиса открытой планировки с непостоянным пребыванием людей (в течение дня на рабочих местах находятся в среднем 40 % сотрудников) экономия энергии на отопление и охлаждение оценивается в 20–30 %. При средней стоимости энергии в 1 евро/м2 в месяц и общей площади офиса 15 000 м2 снижение расходов составляет 36 000–54 000 евро в год. Наряду с энергосбережением наблюдаются также повышение комфортности для сотрудников и увеличение производительности труда. Альтернативные источники энергии. Теплоснабжение покрывается на 85 % за счет использования грунтовых вод и теплового насоса «вода – вода» (без учета электроэнергии, требуемой для работы этих насосов). Отопление внутри помещений осуществляется посредством вентиляции (управление воздушным потоком), а также радиаторами. Согласно расчетам, дополнительные источники теплоты (газовая котельная) необходимо подключать только при температуре наружного воздуха ниже –2 °C. Холодоснабжение помещений и IT-установок покрывается полностью за счет грунтовых вод и теплового насоса «вода – вода» (без учета электроэнергии, требуемой для работы этих насосов). |
 Линия автоматической сборки термических приводов |
Характерными особенностями системы вентиляции являются:
Система автоматизации и диспетчеризации здания выполнена на базе системы EY-modulo 5, которая была удостоена наград GebäudeEffizienz Award в 2009 и 2010 годах, а также KMU Award IWB в 2013 году.
Система работает на базе BACnet-контроллеров (BACnet/IP и на сегодняшний день является единственным признанным во всем мире стандартом открытого протокола для обмена данными в области автоматизации зданий), которые реализуют все алгоритмы по снижению энергопотребления, а именно:
К SCADA novaPro Open подключена система энергетического менеджмента, которая обрабатывает все данные по потреблению и подготавливает отчеты для мониторинга. Эта система является также мощным инструментом для оптимизации алгоритмов и проверки их работоспособности и эффективности в реальном времени.
Уменьшению выбросов СО2 в атмосферу было уделено особое внимание в проекте. Если бы здание построено с использованием традиционных систем отопления и охлаждения, то при 100 %-й работе газовой котельной и чиллеров выбросы составляли бы 77 т СО2 (соответственно 53 и 24 т СО2). Ввиду того что газовое отопление в первые годы вообще не использовалось, а тепловой насос потребляет 204 000 кВт•ч в год (примерно 10 т СО2), то вклад в защиту окружающей среды можно назвать внушительным.
Результаты энергетического мониторинга, проведенного в 2010 году, показали, что данное здание потребляет около 32 кВт•ч/м2 в год первичной энергии. Это существенно меньше, чем требуется, например, в соответствии с требованиями EnEV 2009 (предельная величина – 100 кВт•ч/м2 в год, средняя – 150 кВт•ч/м2 в год).
Высокая эффективность инженерных систем стала возможной благодаря применению оптимальной стратегии регулирования, которая позволила рационально использовать энергию грунтовых вод и солнца, а также достичь высокого КПД теплового насоса. ●
| ОБ АВТОРЕ |
| Мартин Бисмарк – директор дочерней компании Sauter Building Control International GmbH. Начал работать в фирме в 1992 году в качестве инженера-программиста по системам автоматизации инженерного оборудования зданий и АСУ. В 1994 году назначен маркет-менеджером по России. С 1999 года заместитель директора, а с 2004‑го – директор компании. |
