Текущий выпуск
№3 2017
Главная|Журнал|Осень 2014|Моделирование зданий для продвижения инноваций через «долину смерти»
      

Моделирование зданий для продвижения инноваций через «долину смерти»

Roel Loonen, Maria Archontiki, Michalis Kanellis

Метафора «долина смерти» характеризует недостаток ресурсов и знаний на начальной стадии проекта.

Данный период, препятствующий продвижению новых идей из этапа разработки к их коммерческой реализации на рынке, также затрудняет использование новых технологий для оптимизации энергопотребления зданий. Почему же и каким образом моделирование зданий способствует устранению этого пробела?


The «Death Valley» is known as a metaphor for the lack of resources and expertise that impedes new ideas in their transition from lab to market. This gap also hinders innovation and adoption of new technologies for improved energy efficiency in buildings. This paper presents why and how building simulation can help close this gap.


Ядром большинства стратегических планов по повышению энергоэффективности зданий и городов является замена материалов ограждающих конструкций, к примеру, в проектах Международного энергетического агентства [1] и Европейской комиссии [2]. Ожидается, что прорыв в развитии фасадных систем внесёт значительный вклад в переход к строительству экономически эффективных зданий, стремящихся к нулевому потреблению энергии (nearly zero energy buildings, NZEB), с высокими показателями качества внутренней среды. Этим многообещающим потенциалом в большей степени обладают здания с приспосабливающимися фасадными системами [3].

Достижения в области материалов открывают растущий спектр возможностей и инновационных решений для ограждающих конструкций. В частности, применение вакуумной изоляции, материалов с изменяемым фазовым состоянием, комплексных оконных систем или улучшенных покрытий для фасадов. Основная доля этих технологических решений начинает своё существование в небольших проектах в научных лабораториях. Обычно группы учёных способны провести эти концепции от стадии замысла до этапа с низким уровнем технологической готовности (technology readiness level, TRL, рис. 1).

Развитие технологий от стадии замысла до товарного продукта или услуги не всегда осуществляется в последовательности, приведённой на рис. 1 [4]. Это происходит по следующим причинам:

  • фундаментальные исследования проводятся в основном при государственном финансировании, а частные инвесторы стремятся участвовать в коммерчески целесообразных проектах;
  • требуются значительные инвестиции, хотя вероятность достижения хороших результатов не так высока, поскольку только некоторые технологические решения увенчаются успехом;
  • дефицит средств, позволяющих на стадиях исследования и разработки решений (стадии технологической готовности 1–5) оценить проблемы интегрирования компонента в здание. Это создаёт дисбаланс между информационной потребностью и доступностью и затрудняет принятие решений;
  • процесс развития технологии требует междисциплинарного подхода. Необходимая комбинация знаний, опыта и квалификации не всегда доступна.

«Долина смерти» иногда используется в качестве аналогии для описания этого разрыва в инновационном процессе (рис. 2). Разработка методов и средств, помогающих воссоединить два региона, разъединённых этой долиной, остро необходима и в связи с этим включена во множество государственных программ, к примеру в рамочную программу Европейского союза по научно-технологическому и инновационному развитию Horizon‑2020.

РИС. 2. ДОСТУПНОСТЬ РЕСУРСОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ПРОДУКТОВ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ГОТОВНОСТИ. ОТРЕЗОК КРИВОЙ
В СЕРЕДИНЕ ГРАФИКА ЧАСТО НАЗЫВАЮТ «ДОЛИНОЙ СМЕРТИ»

Моделирование

За несколько десятилетий математическое моделирование приняло статус вспомогательного инструмента при проектировании зданий и разработке систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Моделирование эксплуатационных характеристик и энергоэффективности зданий (building performance simulation, BPS) успешно используется при проектировании [5], т. к. оно способно учитывать динамические взаимодействия между конфигурацией здания, его конструкциями, системами обслуживания, поведением пользователей и климатической ситуацией. В связи с этим BPS также может способствовать принятию на стадиях исследования и разработки обоснованных решений по применению инновационных компонентов для ограждающих конструкций, хотя эти возможности ещё не вполне изучены [6].

С помощью итеративной оценки нескольких вариантов продукции внедрение моделирования позволяет принять стратегические решения, учитывающие высокопотенциальные направления в процессе разработки. Анализ чувствительности (what if) даёт возможность оценить стабильность эксплуатационных характеристик того или иного инновационного решения при различных сценариях использования и окружающих условиях. Более того, BPS может выступать в роли испытательной платформы для оценки потенциала ещё не существующих материалов с определённым наборов свойств. Эта оценка может производиться на основе важных эксплуатационных показателей, что поможет достичь конкурентного преимущества продукта путём оптимизации его важнейших характеристик и выхода на рынок наиболее рентабельным способом.

«Переключаемые» окна

Умные системы остекления, такие как электро- или термохромные окна,    являются перспективными фасадными технологиями. Такие окна могут  регулировать поступление солнечного света и теплоты путём передачи, поглощения и отражения. Благодаря этому появляется возможность улучшить энергопотребление здания и повысить комфортность помещений. Сравнительно высокие инвестиционные затраты, а также технические трудности (тонирование окон, медленная скорость переключения, необходимость подвода электричества и др.) являются причинами медленного роста продаж данных окон. Для преодоления этих барьеров в настоящее время разрабатываются новые оконные системы, основанные на альтернативных физических принципах. Одной из таких концепций являются «переключаемые» окна (Smart Energy Glass, SEG) (см. подробнее www.peerplus.nl). Технология сочетает в себе жидкокристаллический материал вместе с интегрированными фотоэлектрическими ячейками для создания самообеспечивающегося «переключаемого» окна, способного быстро реагировать на изменения окружающих условий. В данном случае BPS используется на начальной стадии перехода технологии от опытного образца к коммерческому продукту и концентрируется на проблемах интегрирования умных окон в здания.


«Переключаемые» окна (Smart Energy Glass)

Применение BPS началось с ранней стадии технологической готовности (2–3). В то время как технологическое решение было доступно только в виде небольших опытных образцов, BPS использовалось для прогнозирования общего энергопотребления здания и возможности повышения его энергоэффективности, оценки комфорта в помещениях при различных условиях эксплуатации и назначения здания (рис. 3). На основе полученной информации были установлены ориентиры и определены целевые свойства материала, приняты решения о выделении дополнительных ресурсов для проекта.

РИС. 3. ПОКАЗАТЕЛИ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ «ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ» ОКОН
ПО СРАВНЕНИЮ С БАЗОВЫМ СЦЕНАРИЕМ (СТЕКЛОПАКЕТ  С ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫМИ СВОЙСТВАМИ, КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ – 1,31 Вт/(м2 • °С))

А – стеклопакет с энергоэффективными свойствами (с пониженным пропусканием солнечной радиации);
Б – окна всегда в прозрачном состоянии;
В – окна всегда в з атенённом состоянии;
Г – окна затеняются при температуре внутреннего воздуха ≥ 21 °С;
Д – окна затеняются при освещённости рабочего места ≥ 700 лк;
Е – окна затеняются при яркости оконной поверхности ≥ 1 500 кд/м2

На более поздней стадии BPS применялось совместно с анализом чувствительности и параметрическим анализом, благодаря которым появилась возможность оценить большое количество возможных вариаций продукта без необходимости изготовления и исследования прототипов. К примеру, было определено, что визуальные показатели и слепящий дискомфорт являются важными эксплуатационными характеристиками, которые необходимо учитывать при производстве «переключаемых» покрытий. Моделирование также показало, что стоит инвестировать в разработку окон, способных приспосабливаться к требованиям в различных ситуациях. Так, иногда необходимо обеспечить высокую светопроницаемость при максимально прозрачной фазе стекла, в то время как в другой ситуации желательна низкая светопроницаемость при максимально затенённой фазе. Способность приспосабливаться в ответ на требования эксплуатации – ключ к успешному продукту.

На финальном этапе было разработано программное приложение, основанное на результатах моделирования (рис. 4). Эта программа доступна в Сети и способна демонстрировать характеристики ряда стеклопакетов в различных ситуациях. К примеру, можно указать месторасположение здания, ориентацию окон, теплотехнические характеристики ограждающих конструкций и условия эксплуатации помещений. Её удобно использовать при общении с заинтересованными сторонами и потенциальными клиентами, что стимулирует обсуждение и принятие решений.

РИС. 4. ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС ПРИЛОЖЕНИЯ, ДЕМОНСТРИРУЮЩЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ РЯДА СТЕКЛОПАКЕТОВ В РАЗЛИЧНЫХ СИТУАЦИЯХ

Фасадные панели Trespa

Trespa BV (www.trespa.com/nl) является ведущим международным производителем высокоэффективных систем облицовки зданий и фасадных панелей. Компания также располагает собственным исследовательским центром, где активно используют BPS, чтобы разрабатывать инновационные проектные решения.

Ситуация, рассматриваемая в данной статье, касается проблемы сочетания архитектурной гибкости с попыткой достичь снижения энергопотребления на территории с климатом повышенной солнечной радиации. Светоотражающие свойства играют значительную роль в энергетическом балансе здания. Стёкла с высокими отражающими показателями снижают энергопотребление на кондиционирование воздуха, но слепяще-сверкающий внешний вид не всегда желателен. С применением особого спектроселективного покрытия компания Trespa стремится к созданию решения, позволяющего снизить энергопотребление и в то же время позволить архитекторам использовать более тёмные цвета в отделке фасадов (рис. 5). Внедрение BPS внесло значительный вклад в процесс разработки продукта – с ранней стадии до маркетинга и распространения информации.

РИС. 5. СХЕМА ПРИМЕНЕНИЯ ФАСАДОВ СО СПЕКТРОСЕЛЕКТИВНЫМ ПОКРЫТИЕМ (СПРАВА) И БЕЗ НЕГО (СЛЕВА)

 

На ранней стадии разработки BPS использовалось для оценки влияния различных параметров на эксплуатационные показатели панелей, что помогло выбрать наиболее выгодные конфигурации фасадной системы с учётом энергопотребления зданий и рентабельности. Ближе к коммерческому выпуску продукта BPS также сыграло свою роль. Эксплуатационные характеристики базовой конфигурации здания уже изучены в разных странах, с применением и без применения фасадной системы Trespa. На основе полученных результатов было решено начать продажу панелей на территории Среднего Востока и Северной Африки.

Кроме того, был произведён расчёт снижения энергозатрат при применении панелей. Эти расчёты послужили основой финансовой оценки для принятия решения, при каких обстоятельствах выбор спектроселективного покрытия экономически привлекателен. Затем были оценены характеристики, способствующие получению баллов в схемах сертификации зелёного строительства (LEED, Estidama). Информация, представляющая интерес для потребителя, также включена в рекламный материал.

Перспективы

Данная статья демонстрирует, как BPS способствует разработке инновационного фасадного решения как для малых развивающихся компаний, так и для крупных концернов. BPS предоставляет дополнительные возможности в инновационном процессе моделирования зданий:

  • может использоваться при принятии обоснованных решений от ранней стадии исследования и разработки до конечной стадии маркетинга и поддержки продаж;
  • способно раскрыть взаимодействия между комплексными показателями, характеризующими здание в целом, а не только его компоненты (к примеру, не только коэффициенты теплопередачи и светопропускания);
  • рассчитывает показатели, используемые при оценке жизненного цикла или бизнес-планов;
  • позволяет виртуально оценить множество вариаций продукта без существенных затрат.

Авторы статьи утверждают, BPS является полезным средством оценки рисков и неопределённости при разработке инновационного решения, что увеличивает шансы успешного перехода продукта из лаборатории на рынок. BPS вправе занять достойное место в будущих проектах по исследованию и разработке.

Перевод и техническое редактирование выполнены Аделей Хайруллиной.

Adelya Khayrullina (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.


ОБ АВТОРАХ


Jan Hensen (Ян Хенсен)профессор Технического университета Эйндховена, Нидерланды, кафедра строительной физики и инженерного оборудования зданий. Профессор Чешского технического университета в Праге, кафедра моделирования эксплуатационных условий. Его исследовательская и преподавательская деятельность основана на моделировании зданий с целью оптимизации их дизайна и проектных решений, повышения энергоэффективности и улучшения эксплуатационных показателей в помещениях.

В 2013 году награждён званием почётного члена IBPSA. Хенсен – выдающийся член научных сообществ ASHRAE, REHVA; удостоен многочисленных научных и инженерных наград. Член редколлегии журналов Building and Environment, Energy and Buildings, International Journal of Low-Сarbon Technologies, а также основатель и главный редактор Journal of Building Performance Simulation.

Roel Loonen (Рул Лунен)магистр Технического университета Эйндховена, Нидерланды. В 2010 году окончил с отличием магистратуру и продолжил научную деятельность в качестве PhD-студента. Его проект посвящён методам обратного моделирования климатически адаптируемых строительных оболочек. В 2011 году занял почётное первое место в международном конкурсе среди студентов REHVA International Student Competition. С января 2012 года президент сообщества PhD-студентов на факультете Built Environment.

Maria Archontiki (Мария Архонтики)инженер-разработчик, Trespa International B. V., Нидерланды.

Michalis Kanellis (Михалис Канеллис)научный сотрудник со степенью PDEeng по направлению «здания и города с умной энергетикой», Технический университет Эйндховена, Нидерланды.


 Литература

  1. Technology Roadmap – Energy Efficient Building Envelopes / IEA, 2013.
  2. Energy-Efficient Buildings – Multi-Annual Roadmap for the Contractual PPP under Horizon 2020 / EC, 2013.
  3. Climate Adaptive Building Shells: State-of-the-Art and Future Challenges / R. C. G. M. Loonen et al. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2013. Sept. Vol. 25. Pp. 483–493.
  4. Shove E. Gaps, Barriers and Conceptual Chasms: Theories of Technology Transfer and Energy in Buildings. 1999. Vol. 26. № 15. Pp. 1105–1112.
  5. Hensen J. L. M., Lamberts R. Building Performance Simulation for Design and Operation. L.: Spon Press, 2011.
  6. Simulation-Based Support for Product Development of Innovative Building Envelope Components / R. C. G. M. Loonen et al. // Autom. Constr. 2014. Sept. Vol. 45. Pp. 86–95.

 


СТАТЬИ ПО ТЕМЕ:

Биоадаптивная оболочка здания

Математическое моделирование энергопотребления зданий. Перспективы развития

Ледовые арены Сочи. Опыт математического моделирования

Математическое моделирование вентиляции завода


 


ПроектированиеОграждающие конструкцииМатематическое моделирование