Вентиляция в Стране Чудес

Создание экоустойчивого офисного здания не ограничивается проектированием, строительством и вводом в эксплуатацию.
Башня «Банка Америки», возведённая у Брайант-Парка в Нью-Йорке, наглядно демонстрирует сложность оптимизации энергопотребления, характерную для современных высотных офисных зданий.

Building sustainable office towers doesn’t end with design, construction and commissioning. Building sustainably represents an ongoing commitment to learning how buildings function in an everyday sense. Tenants change, use demands continuously evolve, and it is up to the building team to adapt to these increasingly nuanced conditions. The Bank of America Tower at One Bryant Park demonstrates the complexities of sustainable design and ongoing efforts to improve energy efficiency in a modern office tower.

 
^{Освещение входной группы работает постоянно, поскольку в здании круглосуточно трудятся 10 000 сотрудников финансовых организаций}

Настоящей экоустойчивости можно добиться только при условии постоянного мониторинга эксплуатационных показателей здания. Высотное здание «Банка Америки», расположенное в самом центре Манхэттена, – центр деловой активности Нью-Йорка и один из самых загруженных офисных комплексов мира.

Арендаторы офисов периодически сменяются, а вместе с этим изменяется и нагрузка на инженерные системы. В этих условиях инженерная служба здания должна быть в состоянии перенастроить систему под новые требования.
Общая площадь здания составляет 200 000 м², ежедневно башню посещает более 10 000 сотрудников. Здание эксплуатируется беспрерывно.

Годовое удельное потребление энергии составляет 670 кВт•ч/м², что довольно много и, пожалуй, является своеобразным антирекордом для зданий аналогичного назначения схожей площади в Нью-Йорке. Но можно ли судить об энергетической эффективности инженерных систем здания только по значению годового удельного потребления энергии? В данном проекте своеобразной «кроличьей норой» стала система вентиляции и кондиционирования воздуха.

Падение в «кроличью нору» вентиляции

В 2011 году, через три года после введения здания в эксплуатацию, инженеры службы эксплуатации провели комплексный анализ зависимости качества воздуха в помещении от кратности воздухообмена и оценили влияние настроек системы на энергопотребление здания.

Фактическое энергопотребление здания на 12,7 % ниже прогнозируемого в проекте значения. Проект предусматривал использование энергетически эффективных инженерных систем, в том числе для вентиляции и кондиционирования воздуха. Во всех офисных помещениях осуществляется постоянный мониторинг качества воздуха, что даёт возможность изменять кратность воздухообмена по фактической потребности. В проекте предусмотрена когенерация: для выработки тепловой и электрической энергии применяется газовая турбина мощностью 4,6 МВт, фактический КПД которой равен 67,1 %.

Холодоснабжение здания осуществляется от абсорбционного чиллера и от аккумулятора холода (генерация льда в ночное время). Решение о применении абсорбционного чиллера связано с наличием в проекте когенерационной установки и необходимостью утилизации тепловой энергии от неё в летнее время. Суммарно в этой системе на 1 кВт холодильной мощности требуется 0,22 кВт электроэнергии (без учёта потребления электроэнергии абсорбционным чиллером).

Несмотря на это, служба эксплуатации прекрасно осознавала, что энергопотребление здания сверхвысокое. Для того чтобы исправить эту ситуацию к работе в проекте был привлечён агент по пусконаладке и вводу в эксплуатацию системы вентиляции и кондиционирования воздуха.

В определённый момент пришло понимание того, что попытки оптимизировать систему вентиляции и кондиционирования воздуха напоминают падение в «кроличью нору», а именно путешествие, в котором на пути постоянно возникают непредвиденные сложности. Решение одной задачи зачастую порождает следующую, но по мере этого «падения» специалисты всё больше понимали просчёты, допущенные при проектировании, и смогли учесть это при составлении технических заданий для новых зданий.

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ФИНАНСОВЫ КОМПАНИЙ

Несмотря на то что энергозатраты на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха арендуемых помещений составляют значительную долю общего потребления энергии, их индивидуальный учёт по арендаторам не ведётся. В ежемесячный счёт арендатора попадают только данные по электропотреблению арендуемых помещений.

Электропотребление офисных помещений в зависимости от сферы деятельности арендатора показано на рис. 2. Данные получены на основе анализа энергопотребления офисов класса А общей площадью 600 000 м², которые расположены на Манхэттене и принадлежат компании Durst Organization.

Анализ позволяет сделать вывод о том, что электро- и энергопотребление климатической системы во многом зависят от количества сотрудников арендатора и графика их работы. По показателю годового удельного потребления энергии финансовый сектор лидирует с солидным отрывом.

Арендаторы из финансового сектора предпочитают новые здания с большими офисами открытой планировки, которые изначально соответствуют сложившемуся архетипу торговых залов. В таком помещении легко разместить максимальное количество рабочих мест (стул, стол, компьютер с тремя и более мониторами).

В случае если в подобном офисе открытой планировки отсутствует возможность зонального контроля микроклимата и уровня освещённости, огромные энергопотери неизбежны. В финансовом секторе сотрудники работают в круглосуточном режиме. При отсутствии возможности зонального контроля в ночное время из-за нескольких сотрудников все системы на этаже вынуждены будут работать в полном режиме.

Именно такие арендаторы составляют большинство в здании «Банка Америки». Средний уровень годового потребления электроэнергии составляет 206 кВт•ч/м² арендуемой площади. Индивидуальный учёт полного энергопотребления не ведётся, но очевидно, что график работы сотрудников арендатора аналогичным образом влияет и на эти показатели.

Факторы, приведшие к переразмеренности системы вентиляции

Больше года ушло на то, чтобы разобраться в причинах и внести корректировки в проект. Система вентиляции здания создавалась с учётом необходимости получения баллов за «передовой уровень вентиляции» по пилотной версии рейтинга LEED Core&Shell (под чистовую отделку). Поскольку во время регистрации проекта рейтинговая система только разрабатывалась, требования по сути копировали аналогичные из рейтинговой системы New Construction (вновь возводимые здания) в части необходимости значительного превышения рекомендаций стандарта ASHRAE 62.1–2001.

В результате проектирование велось из расчёта того, что расход наружного воздуха на одного сотрудника (включая постоянных и временно пребывающих в здании) составляет 51 м³/ч при плотности рассаживания сотрудников в стационарных офисах один человек на 15,75 м². Всё это привело к тому, что система вентиляции получилась довольно громоздкой.

 
^{С л е в а. Несмотря на относительно большой срок окупаемости, в проекте внедрены меры по снижению водопотребления.
С п р а в а. Решение о привлечении специалистов службы эксплуатации здания к проведению пусконаладочных работ было непростым, но абсолютно правильным. С последующей оптимизацией и перенастройкой системы в процессе эксплуатации удалось справиться во многом благодаря этому решению}

Уже на стадии проектирования стало очевидно, что энергопотребление будет довольно высоким.
Для адаптации расхода воздуха по фактической потребности в процессе эксплуатации здания были предусмотрены дросселя переменного расхода воздуха. К сожалению, локальные строительные нормы не позволяли адаптировать и изменять рабочий проект при монтаже в сторону снижения расхода воздуха относительно изначальных проектных значений.

Желание получить наивысшую оценку (уровень «Платиновый») по сертификации LEED в сочетании с завышенными вводными данными по количеству людей в здании привели к ещё большему переразмериванию системы вентиляции.

ЭНЕРГОРЕСУРСЫ

Муниципальный закон Нью-Йорка № 84 устанавливает определённые требования в области энергопотребления зданий, в частности максимальные показатели энергопотребления. Кроме того, согласно этому закону, собственники обязаны предоставлять для открытой публикации данные об энергопотреблении каждого здания. Здание «Банка Америки» держит своеобразный антирекорд, т. к. имеет самый высокий уровень годового удельного потребления энергии среди всех зданий аналогичного назначения в Нью-Йорке – 670 кВт•ч/м². В то же время показатель годового потребления первичной энергии здания «Банка Америки» находится на среднем уровне и составляет 1,1 МВт•ч/м².

Американское агентство по защите окружающей среды рекомендует использовать при анализе именно показатель годового потребления первичной энергии, поскольку он лучше характеризует итоговое влияние здания на окружающую среду. В случае со зданием «Банка Америки» наличие в проекте газовой установки когенерации тепловой и электрической энергии отражается при расчёте показателя потребления первичной энергии и делает его средним по отрасли. Такая установка позволяет получать тепловую и электрическую энергию с меньшими затратами первичной энергии, по сравнению с вариантом подключения к городским сетям.

РИС. 1. ГОДОВОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В ПЕРИОД С ФЕВРАЛЯ 2013 ГОДА ПО ЯНВАРЬ 2014 ГОДА

^{Остекление от пола до потолка обеспечивает максимальное поступление естественного света и панорамный вид из окон. Система вентиляции автоматически регулируется на основе мониторинга качества воздуха в помещении. Параметры системы постоянно корректируются и поддерживают комфорт в арендуемых помещениях, что повышает производительность труда работников}

Система мониторинга качества воздуха в помещениях небоскрёба в реальном времени отслеживает данные по содержанию в воздухе
углекислого и угарного газа, а также летучих органических соединений (ЛОС). Система автоматики обрабатывает эти данные и поэтажно регулирует расход наружного воздуха.

При строительстве, пусконаладке и вводе в эксплуатацию были соблюдены все требования проекта.
Как решить эти нестандартные задачи в рамках стандартных отраслевых практик, понимания на тот момент ни у кого не было.

РИС. 2. ГОДОВОЕ УДЕЛЬНОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПО ТИПАМ АРЕНДАТОРОВ

РИС. 3. СООТНОШЕНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ АРЕНДАТОРАМИ И НА ОБЩИЕ НУЖДЫ ЗДАНИЯ В ПЕРИОД С ФЕВРАЛЯ 2013 ГОДА ПО ЯНВАРЬ 2014 ГОДА

При этом значительное увеличение расхода наружного воздуха не приводило к столь же значительному повышению качества воздуха в помещении.

Размер эксплуатационных расходов не стал неожиданностью для собственника, поскольку такие значения были близки к проектным. Но инженеры не предполагали, насколько большой запас был заложен в эту систему.

ПРЕВОСХОДЯ ОЖИДАНИЯ

Моделирование энергопотребления здания «Банка Америки» на этапе проектирования показало, что годовое потребление первичной энергии должно соответствовать показателю 1,353 МВт•ч/м². В первый год эксплуатации (до полного введения в эксплуатацию установки когенерации) фактический показатель составил 1,157 МВт•ч/м². В 2012 году этот показатель был снижен до 1,1 МВт•ч/м².

По уровню годового потребления первичной энергии зданием результаты превзошли ожидания команды проекта. Но вопрос о том, насколько корректно эти ожидания рассчитываются и принимаются, остаётся открытым, особенно в свете нарастающей критики к рейтинговой системе LEED и её рекомендациям.

Американский совет по зелёным зданиям и система сертификации LEED, продвигаемая им, значительно завысила ожидания общественности об энергоэффективности зелёных зданий. Как результат, мы находимся в ситуации, когда экономический и социальный климат требует особого внимания застройщика и собственника здания к его показателям экологической устойчивости. Но стоит понимать, что бессмысленно восхвалять показатели экологической устойчивости, выраженные в будущем снижении потребления ресурсов и выбросов парниковых газов, если фактически значительного снижения энергопотребления зданий не наблюдается.

Определение эффективности:

Эффективность здания = 1 – Фактическое энергопотребление / Базовое энергопотребление.

Все меры по улучшению качества воздуха и климатического комфорта персонала, как правило, ведут к увеличению энергопотребления относительно базовой модели некого несуществующего в реальности здания. И фактический уровень энергопотребления понятен уже на стадии проектирования, при использовании компьютерного моделирования.

Важно понимать, что повышенные показатели комфорта сотрудников в помещении, помимо увеличения энергопотребления, означают и повышенные арендные ставки, благодаря которым во многом и появляется возможность применения в проекте дорогостоящих экологически устойчивых материалов и оборудования.

Без пересмотра арендаторами своих требований к уровню комфорта пребывания человека в помещении добиться серьёзного снижения энергопотребления не удастся, несмотря на применение самого эффективного оборудования и материалов.

Оптимизация системы вентиляции

Оптимизация системы вентиляции с целью снижения эксплуатационных расходов стала первоочередной задачей после ввода здания в эксплуатацию. Вначале задача казалась очень простой, ведь уровень автоматизации системы вентиляции был довольно высок. Предполагалось, что всё можно решить простым нажатием клавиш. И вот тут возникли непредвиденные сложности.

Сначала инженеры службы эксплуатации снизили расход наружного воздуха на 30 % до базовых значений стандарта ASHRAE 62.1–2001. 

^{С л е в а. Музыкальный театр Стивена Сондхейма на 1 055 зрительских мест был реконструирован в рамках проекта строительства здания «Банка Америки». При этом был сохранён исторический фасад 1918 года постройки. Здание структурно и акустически отделено от выставки, но потребляет энергию и воду от системы жизнеобеспечения здания «Банка Америки»
С п р а в а. Операционные залы биржевой торговли работают круглосуточно}

Но данные системы мониторинга качества воздуха показали, что между качеством наружного воздуха и воздуха в помещении практически нет разницы, что означало лишь одно – система всё ещё переразмерена и работает со значительным запасом.

Проведя подробный анализ фактического количества людей на рабочих местах и на торговых площадках (специфика здания с торговыми площадками такова, что циркуляция персонала и посетителей происходит постоянно), инженеры службы эксплуатации выяснили, что даже в час пик количество людей составляет всего 50 % от проектных значений. Поэтому вполне логично было продолжить снижать расход наружного воздуха в системе вентиляции.

В качестве мер по повышению экологической устойчивости в здании предусмотрены сбор, очистка и использование ливневых стоков, зелёная кровля, когенерация тепловой и электрической энергии, многоэлементный анализ качества воздуха в помещениях, вытесняющая вентиляция с переменным расходом воздуха

К сожалению, сделать это с помощью системы автоматизации оказалось невозможно, поскольку VAV-клапаны (заслонки с приводами для регулирования переменного расхода воздуха) вышли на свой минимальный предел по расходу воздуха:

• система рассчитана на количество сотрудников, в 2 раза превышающее фактическое значение;
• проектом предусмотрено превышение минимального расхода воздуха на 30 % для получения дополнительных баллов по LEED;
• учитывался дополнительный запас производительности для получения баллов за «вентиляцию по потребности».

ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ И КОЛИЧЕСТВА СОТРУДНИКОВ

Показатели годового удельного потребления воды и годового потребления первичной энергии не учитывают количество сотрудников, работающих в здании, и плотность их размещения. Вполне очевидно, что здание с 1 000 сотрудников менее эффективно, чем здание с 10 000 сотрудников, которое имеет схожий показатель годового потребления первичной энергии в кВт•ч/м². Из-за отсутствия в открытом доступе достоверных данных о количестве сотрудников каждого офисного здания в Нью-Йорке полноценное сравнение их уровня экологической устойчивости невозможно. Более того, для большей объективности такого сравнения необходимо учитывать и финальный экономический эффект от деятельности офисных сотрудников, а это представляется ещё более сложной задачей.

Компания Buro Happold провела масштабное исследование в этой области, сопоставив самую большую в мире документально подтверждённую базу данных по энергопотреблению зданий и базу арендаторов коммерческих помещений (CO₂: Linking NYC Energy Database to Tenant Contribution to Economy). Выводы исследования показывают связь между энергопотреблением, влиянием арендаторов на глобальную экономику и сферой деятельности арендаторов.

Дальнейшее снижение расхода воздуха требовало более серьёзного вмешательства. Только перенастройка VAV-боксов и установка дополнительного оборудования помогли преодолеть эту сложность.

Поскольку переразмеренность системы была очевидна, а ресурс по снижению расхода воздуха был ограничен и фактически исчерпан,
инженеры принялись за настройки рециркуляции вытяжного воздуха.

Для высококачественной настройки пришлось учесть различные режимы работы приточных установок (нагрев, охлаждение, необработанный воздух) и режимы использования помещений на каждом этаже. Решив, что задача выполнена, специалисты поспешили проверить данные по энергопотреблению системы в новом режиме, но новые сложности не заставили себя ждать.

Абсорбционный чиллер позволяет работать с максимальным КПД при любых проектных нагрузках. Генерация льда в аккумуляторе холода в ночное время происходит по сниженному ночному тарифу. Аккумулятор холода смог покрыть потребности здания на охлаждение в период с октября 2013 года по апрель 2014 года. После проведения оптимизации инженерных систем здания электропотребление в 2013 году снизилось на 5 % по отношению к 2012 году

Новые сложности

Первым звоночком стало постоянное срабатывание датчика обмерзания в теплообменниках приточных установок, расход на которых был значительно снижен. В целом режим работы систем тепло- и холодоснабжения приточно-вытяжных установок вызывал множество вопросов.

Например, номинальный расход стандартных приточно-вытяжных установок составлял 149 600 м³/ч. Теплообменники в установках были рассчитаны на охлаждение/нагрев номинального расхода воздуха до 13 °C. После перенастройки системы под фактическую потребность в вентиляции приточно-вытяжные установки работали со средним расходом 51 000 м³/ч. Минимальный же расход воздуха составлял 40 800 м³/ч.

Самые большие проблемы с системой холодоснабжения возникали в межсезонье, когда нагрузка являлась минимальной.

В течение года пиковая мощность (525 кВт) секции охлаждения в приточно-вытяжной установке необходима менее 5 ч, в то время как более 700 ч требуется мощность всего 24,5 кВт. В таких условиях возможны изменения (минимум или максимум) расхода холодоносителя на клапане в пропорции 1:88.

При таком режиме эксплуатации клапан на секции охлаждения быстро выходил из строя и переставал обеспечивать полное закрытие сечения, что приводило к сбоям в системе автоматики холодоснабжения, т. к. температура обратной воды резко изменялась.

Схожие проблемы возникли и с секциями нагрева воздуха в приточных установках.

Стандартная секция парового нагревателя состоит из шести параллельных теплообменников, которыми управляют шесть клапанов, их открытие и закрытие должны происходить строго согласованно, в унисон.

Секции охлаждения, напротив, управляются одним клапаном расхода воды. В межсезонье воздух в приточной установке должен нагреваться с 7 до 10 °C. В условиях значительно уменьшенного расхода наружного воздуха клапан должен встать в положение, обеспечивающее расход пара в 3 % от пикового, что создаёт очередную проблему. В таком случае вместо плавного управления клапаны просто переходили от полностью открытого к полностью закрытому положению. В сочетании с ламинарным потоком в теплообменнике из-за значительного снижения фактического расхода воздуха относительно номинального (на который подобран теплообменник при проектировании) постоянное открытие и закрытие клапана останавливало процесс нагрева воздуха, что приводило к срабатыванию датчика обмерзания.

Для устранения этих проблем инженеры службы эксплуатации предприняли следующие шаги:

• клапаны на теплообменниках секций охлаждения были заменены на новые с интервалом регулирования расхода 1:300;
• в настройки системы автоматикибыла добавлена «мёртвая» зона для режимов отопления и охлаждения в межсезонье. Отопление включалось при температуре наружного воздуха ниже 4,5 °C. Охлаждение запускалось только при температуре наружного воздуха выше 17,2 °C.

^{Здание «Банка Америки» (в центре, со шпилем) и здание Four Times Square (левее, со шпилем) принадлежат одному собственнику – Durst Organization. Строительство Four Times Square завершилось 15 лет назад, опыт эксплуатации этого здания учли при возведении здания «Банка Америки». Вызывали определённые вопросы при эксплуатации такие решения, как абсорбционный чиллер с газовой котельной, фотоэлектрические модули и топливные водородные элементы. В здании «Банка Америки», как и в Four Times Square, используется инновационная многоэлементная система анализа качества воздуха}

В данной статье раскрываются далеко не все проблемы, с которыми столкнулась команда инженеров службы эксплуатации. Она даёт лишь общее представление о сложности значительных перенастроек системы после монтажа и запуска в эксплуатацию.

Время для проведения работы по исследованию и перенастройке системы в здании было выбрано крайне удачно, учитывая, что согласно законам Нью-Йорка энергоаудит объекта не потребуется ранее 2025 года. Промедление же могло привести к значительным потерям на эксплуатационных расходах.

Полученный опыт

Не стоит бояться исследовать эффективность системы вентиляции на действующем объекте при переразмеренности системы, что случается часто. Достаточно разумно перенастроить её с целью снижения эксплуатационных затрат. Но стоит помнить о том, что в функционирующем и эксплуатируемом здании инженеры подчас не всесильны и не смогут решить все проблемы, не создавая новые. Серьёзная перенастройка системы может потребовать значительных людских и материальных ресурсов. 

ПОЛЕЗНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Опыт здания «Банка Америки» демонстрирует, что только квалифицированная команда инженеров, располагающая требуемыми материально-техническими ресурсами и достаточным временем для глубокого погружения в суть проблемы, может провести работу, необходимую для заметного снижения энергопотребления инженерных систем эксплуатируемого здания.

^{С п р а в а.  Вестибюль здания, светлый и просторный, отделан натуральными материалами (иерусалимский камень на стене, кожаные вставки в интерьере и дубовые ручки на дверях)
С л е в а. Для уменьшения теплопоступлений через остекление вследствие воздействия солнечной радиации применено фриттованное стекло, которое изнутри практически незаметно}

Выводы

В результате проведённых мероприятий существенно изменились показатели энергопотребления для здания «Банка Америки». В то время как годовое удельное энергопотребление выросло на 73 кВт•ч/м² в год, энергопотребление первичной энергии снизилось на 92 кВт•ч/м². Практика показала, что работа по оптимизации энергопотребления должна проводиться постоянно, и при оценке уровня экологической устойчивости здания недостаточно рассматривать и ориентироваться только на один показатель. ● 

Перевод и техническое редактирование выполнены Владимиром Устиновым.

СТАТЬИ ПО ТЕМЕ:

Прямое испарительное охлаждение в офисе. Возрождение в Фениксе

Неувядающий оптимизм. Штаб-квартира фонда Билла и Мелинды Гейтс

Зелёный «Бриллиант» Малайзии

Проектирование по принципу ВЫКЛ.

Ветрогенераторы на крыше здания