Математическое моделирование энергопотребления зданий. Перспективы развития
Ян Хенсен, Яннеке Веркерк-Эверс, Аделя ХайруллинаВ этой отрасли требуются меры по снижению энергопотребления, связанного в первую очередь с коммунальными услугами. В то же время необходимо гарантировать здоровую и комфортную среду в помещениях.
Architecture and construction industry accounts for the biggest share of the energy demand in Netherlands and requires implementation of measures to reduce the energy use. At the same time we have to guarantee healthy and comfortable environment inside.
В настоящее время в мировой практике проектирования энергоэффективных зданий следуют принципам Trias Energetica* [1]:
В дополнение необходимо стараться возместить ущерб, причиняемый окружающей среде. К примеру, посадить дерево.
* Trias Energetica – принятая за рубежом концепция экономии энергии, уменьшения зависимости от ископаемых видов топлива и сохранения окружающей среды, основанная на трёх простых правилах:
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:
Комплексное моделирование способно решить вышеприведённые задачи и рассчитывать эксплуатационные характеристики зданий в зависимости от климата, архитектурной концепции и требуемого микроклимата в помещении, а именно:
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.
ТАБЛ. 1. ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ В ОБЛАСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА | |
Задача | Программный комплекс |
Распределение воздушного потока | Ansys Fluent, OpenFoam, Code Saturn, IES VE |
Определение энергоэффективности здания, эксплуатационных параметров в помещении | IES VE, Energy Plus, ESP-r, VABI Elements |
Моделирование инженерного оборудования зданий | MatLAB Simulink, TRNSYS, IES VE, Energy Plus |
Расчёт инсоляции | IES VE, Energy plus, Radiance |
Подбор параметров искусственного и естественного освещения | Radiance, Dialux |
Расчёт акустических характеристик | DIRAC, Ansys Fluent |
Определение тепло- и влагопередачи, расчёт воздушных потоков, транспорта солей в материалах | Comsol, BSim, Delphin 5, HAMLab |
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.
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).
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):
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.
Данное исследование преследовало две цели:
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).
РИС. 4. ПРИМЕР ВЫВОДА РЕЗУЛЬТАТОВ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ VABI |
Распределение температур воздуха в помещении tв, °С, в зависимости от приведённой температуры наружного воздуха tн.пр, °С, для периода с 1 апреля по 31 октября. Цветовые зоны показывают границы обеспечения комфорта для 65, 80 и 90 % от всего числа пользователей. Тип здания «бета» (вентиляция), класс микроклимата B (условия комфорта удовлетворены для 80 % пользователей за всё время эксплуатации). Приведённая температура наружного воздуха: tн.пр = (tсегодня + 0,8tвчера +0,4t2 дня назад + 0,2t3 дня назад)/2,4. |
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.
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.
ТАБЛ. 2. ОЦЕНКА МЕТОДОВ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА | ||
Метод кондиционирования воздуха | Преимущества | Недостатки |
Охлаждение центральным кондиционером | – | Тепловой дискомфорт, высокое энергопотребление |
Охлаждение вентиляторным доводчиком с четырёхтрубной системой | Легко приспособить к изменениям в климате | Высокое энергопотребление |
Охлаждение холодным полом | Наиболее стабильный тепловой комфорт | Риск выпадения конденсата при низких температурах охлаждающего агента в трубах, значительная тепловая инерция |
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.
СООБЩЕСТВО IBPSA (INTERNATIONAL BUILDING PERFORMANCE SIMULATION ASSOCIATION) |
IBPSA – некоммерческое сообщество научных сотрудников в области моделирования зданий, разработчиков и инженеров, основанное в 1986 году. Миссия IBPSA – способствовать научным исследованиям и практическому применению моделирования зданий и сооружений в целях улучшения архитектуры, проектных решений, строительства, функционирования и техобслуживания новых и существующих зданий во всём мире. IBPSA рассматривает вопросы в области строительной физики (тепло- и влагопередача, распределение воздушных потоков, искусственное и естественное освещение, акустика, распространение дыма); систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха; систем энергоснабжения (в том числе с возобновляемыми источниками энергии и хранилищами тепловой энергии, системы централизованного отопления и кондиционирования воздуха, комбинированного отопления и энергоснабжения); изучает человеческий фактор (в том числе здоровье, производительность, тепловой, визуальный и акустический комфорт, качество воздуха www.ibpsa.org |
ОБ АВТОРАХ |
Ян Хенсен – профессор Технического университета Эйндховена, Нидерланды, кафедра строительной физики и инженерного оборудования зданий. Яннеке Веркерк-Эверс – магистр Технического университета Эйндховена, Нидерланды, по направлению – строительная физика. В 2009 году являлась помощником главного инженера проекта с экспертизой в области строительной физики, акустики и пожаробезопасности в проектном бюро Nieman B. V. С 2013 года продолжила профессиональную деятельность в архитектурно-проектном бюро Scheldebouw B.V. (Херлен, Нидерланды). Аделя Хайруллина – магистр Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ, Башкортостан), инженер-строитель по специальности «промышленное и гражданское строительство». В 2012 году защитила магистерскую диссертацию о потенциале ветровой энергии на территории городской застройки с применением методов математического моделирования CFD. С октября 2012 года студентка Технического университета Эйндховена, Нидерланды, кафедра строительной физики и инженерного оборудования зданий. |
СТАТЬИ ПО ТЕМЕ:
Стандарт Minergie©: теория и практика
Здание с нулевым балансом энергопотребления
Ледовые арены Сочи. Опыт математического моделирования
Математическое моделирование вентиляции завода