Учебный центр Zero Net Energy

Местное отделение международного профсоюза электриков (The International Brotherhood of Electrical Workers Local Union 595 – IBEW) совместно с региональным объединением электромонтажных компаний (Northern California Chapter, National Electrical Contractors Association – NECA) реконструировали обычное офисное здание 1980 года постройки в первоклассный учебный центр мирового уровня, где инженеров-электриков обучают самым передовым технологиям. Здание не потребляет энергию из внешних сетей и является наглядным примером здания с чистым нулевым потреблением энергии.

 Учебный центр ZNE (ZNE Center – Zero Net Energy) уже в первый год эксплуатации превзошёл проектные ожидания по энергетической эффективности, произведя энергии на 69 000 кВт•ч больше, чем было заложено в энергомодели. Годовое удельное производство энергии  составило 66,06 кВт•ч/м², а потребление всего 48,52 кВт•ч/м².

 Чистое годовое удельное потребление энергии, таким образом, получилось отрицательным –17, кВт•ч/м² (рис. 1). Этот проект доказал, что даже старое строение можно реконструировать в здание с нулевым потреблением энергии, не увеличивая бюджет проекта. Затраты на реконструкцию учебного центра были сопоставимы со средним бюджетом реновации аналогичных зданий (3 100 долл. США/м²).

Комплексное проектирование

Комплексный подход к проектированию стал основным фактором успеха проекта реновации, поскольку позволил оценивать влияние каждого предлагаемого решения на стоимость и энергопотребление всего проекта, а не на эффективность отдельно взятой системы. Например, идея создания светоаэрационных фонарей на крыше здания на начальном этапе проектирования встретила сопротивление ряда участников проекта, и от неё почти отказались. Но, после комплексного анализа этого решения, стало очевидно, что это очень эффективно как с точки зрения энергетической эффективности, так и в плане комфортного пребывания людей в помещении учебного центра.

Исходя из поставленных целей по энергопотреблению, требований заказчика к характеристикам рабочего пространства и предполагаемого графика работы учебного центра, команда проекта комплексно оценивала множество возможных архитектурных, конструктивных и инженерных решений в разрезе сроков, стоимости строительства и эксплуатационных затрат будущего здания. Например, анализ климатических данных региона строительства показал, что наружная температура воздуха позволит ассимилировать внутренние теплопритоки помещений в течение 70 % времени эксплуатации в году. Энергетическое моделирование показало, что ветровое давление позволит обходиться лишь естественной вентиляцией помещения в течение 30 % времени эксплуатации в году. А для эффективного использования стратегии естественной вентиляции и пассивного охлаждения здания, при реконструкции необходимо улучшить теплоизоляцию юго-восточного фасада здания, что и было сделано.

Значительное влияние на свободу творчества инженеров и архитекторов оказал подход генерального подрядчика к заданию на проектирование – бюджет реконструкции здания не был строго фиксирован на этапе проектирования и допускал отклонение в ±40 % от заявленной величины. Это позволило рассмотреть и оценить с точки зрения соотношения капитальных и эксплуатационных затрат самые разные архитектурные решения и стратегии жизнеобеспечения здания. Совместное участие специалистов разных специальностей (строители, архитекторы, инженеры, консультанты по экоустойчивости) в обсуждении проектных решений на ранних стадиях проектирования дало синергетический эффект.

Использование передовых практик бюджетирования и планирования строительного процесса позволило значительно сократить сроки реконструкции и снизить её стоимость. Довольно интересным фактом стало то, что значительный эффект экономии капитальных и эксплуатационных затрат был достигнут, во многом, благодаря простым и дешёвым решениям – светоаэрационным фонарям и световодам.

Ограждающие конструкции

При первичном концептуальном проектировании были приняты несколько принципиальных решений:

• реконструирована и усилена конструкции кровли для обеспечения требований по сейсмоустойчивости (здание находится в сейсмоопасной зоне);
• однокамерные стеклопакеты заменены на двухкамерные;
• установлены солнечные фотоэлектрические модули на кровле здания и над зоной парковки.

К счастью, заказчик настоял на энергомоделировании и на детальной проработке и оценке предложенных решений. В результате комплексной оценки стало очевидно, что при правильной реализации конструктивных решений по созданию светоаэрационных фонарей и каркаса для установки фотоэлектрических модулей проектировщикам удастся соблюсти требования по сейсмоустойчивости здания.

Подробное энергомоделирование показало, что при существующей тепловой массе здания, с учётом графика работы учебного центра и условий наружного климата, однокамерные стеклопакеты ни в чём не проигрывают двухкамерным в итоговом энергопотреблении, и отказ от их замены позволит существенно сократить сроки строительства и капитальные затраты. Также, энергомоделирование показало, что потребность в энергии здания может быть значительно снижена, и от фотоэлектрических модулей над зоной парковки можно отказаться.

Нулевое потребление энергии

Совокупность инженерных, конструктивных и архитектурных решений позволила снизить энергопотребление учебного центра на 75 % относительно аналогичных по площади зданий в данном регионе (по статистике сайта www.energy.gov). Продолжающаяся программа наладки систем (анализ эксплуатационных показателей и перенастройка, если это требуется) позволяет ещё больше увеличить энергетическую эффективность здания.

Система отопления, вентиляции и кондиционирования

При выборе системы отопления, вентиляции и кондиционирования проектировщики выбирали решение, способное обеспечить комфортный климат в течении всего года и оптимально сочетающееся с использованием естественной вентиляцию в течении продолжительного периода времени эксплуатации.

Выбор пал на двухтрубную систему VRF (рис. 2). По оценке команды проекта система VRF для данного проекта не только имеет лучшие показатели производительности, чем рекомендуемая локальными нормами система центрального кондиционирования, но и значительно выигрывает в стоимости – экономия капитальных затрат около 1 млн долл. США. Помимо прочего, система VRF, в отличие от решения с центральными кондиционерами, не требует размещения на кровле габаритного и тяжёлого оборудования, что во-первых, увеличило бы стоимость реконструкции кровли под дополнительную нагрузку, а во-вторых, сократило бы доступное для установки фотоэлектрических модулей пространство.

В учебном центре реализована гибридная система вентиляции, сочетающая механическую подачу и удаление воздуха с естественной вентиляцией. При этом, большую часть времени эксплуатации механической системы приточно-вытяжной вентиляции подаваемый в помещения воздух не нагревается и не охлаждается в приточной установке.

Архитектурные решения и удачное расположение здания (ветровое давление) позволяют в течение длительного периода времени использовать только естественную вентиляцию. Понимание этого (благодаря моделированию) позволило значительно сократить капитальные и эксплуатационные расходы на систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Открываемые ограждающие конструкции используются для естественной вентиляции и имеют привода, что позволяет регулировать открытие и контролировать интенсивность естественной вентиляции в зависимости от метеоусловий, ветрового давления и реальной потребности в свежем воздухе.

Гибридная система вентиляции и кондиционирования, включая VRF, управляется c помощью BMS (автоматизированная система управления зданием), что, например, позволяет избежать запуска на охлаждение внутренних блоков VRF в помещениях, где для поддержания комфортных условий достаточно использовать естественную вентиляцию при текущих значениях ветрового давления и температуры наружного воздуха.

Аналогично система BMS минимизирует использование естественной вентиляции в помещениях, где внутренние блоки работают на отопление, и ограничивает естественную вентиляцию в том случае, если температура наружного воздуха повышается на 3 °C и более, чем требуется для данного помещения.

Настройки BMS предусматривают интенсивное нахолаживание помещений в ночное время. В системе BMS предусмотрена опция установки датчиков CO₂, что в будущем позволит ещё лучше контролировать качество воздуха и эффективнее управлять системой отопления, вентиляции и кондиционирования. В будущем планируется установка в помещениях учебного центра потолочных вентиляторов, что дополнительно увеличит комфорт и эффективность использования гибридной системы вентиляции.

Система BMS работает по предустановленному графику пребывания персонала на рабочих местах, но при этом оснащена датчиками присутствия. Таким образом, если кто-то приходит в рабочий кабинет раньше, чем это прописано в графике, то освещение включается автоматически по сигналу от датчика присутствия. Однако систему кондиционирования сотрудник сможет включить только вручную (через контроллер в помещении).

Система горячего водоснабжения имеет накопительный бак, воду в котором можно подогревать от трёх источников: солнечного коллектора; за счёт утилизации теплоты от системы VRF; и от резервного электрического нагревательного элемента, который срабатывает, только если первых двух источников не хватает для догрева воды до требуемого уровня. Для увеличения эффективности нахолаживания в ночное время, в некоторых помещениях установлены бочки с водой, которые являются опорами для столов и одновременно аккумуляторами тепловой энергии.

Важно отметить, что в системе BMS, управляющей процессом естественной вентиляции/нахолаживания помещений в ночное время, предусмотрены поверхностные датчики температуры на бетонных полах, стенах и датчики температуры в бочках с водой, что позволяет избежать переохлаждения поверхностей и выпадения конденсата. Персонал службы эксплуатации продолжает донастройку системы нахолаживания помещений в ночное время, с целью дополнительной экономии на эксплуатационных затратах.

Северная стена в помещении отдыха студентов аккумулирует теплопритоки от солнечной радиации через светоаэрационный фонарь. Тёмный цвет способствует лучшему поглощению энергии. Аккумуляция теплоты в течение дня способствует снижению нагрузки на систему отопления во время вечерних занятий

 Освещение

Значительная часть экономии энергопотребления достигается именно благодаря эффективной системе освещения помещений. Максимальное использование естественного освещения в сочетании с эффективными лампами искусственного освещения (с возможностью диммирования) и применением настольных ламп позволило получить отличный результат – здание потребляет на 50 % меньше энергии на освещение помещений, чем аналогичные здания в регионе строительства.

Световоды и светоаэрационные фонари на кровле здания позволяют значительно сократить нагрузку на систему искусственного освещения. Помимо этого, белые панели на стенах и окраска полотка в белый цвет минимизируют блики и способствую проникновению солнечного цвета вглубь помещений, улучшая световой комфорт. В качестве приборов искусственного освещения используются люминесцентные лампы T‑8 (на подвесах регулируемой высоты) и светодиодные светильники c возможностью диммирования.

В процессе эксплуатации уровень освещённости в помещениях для чтения технической литературы и помещениях для практических занятий был установлен в интервале от 540 лк до 800 лк. В классах, где проходят лекции, освещённость поддерживается на уровне 650 лк. В компьютерных классах уровень освещённости значительно ниже – всего 220 лк.

Важно отметить, что применение гибридной системы вентиляции и максимальное использование естественного освещения не отразилось на уровне комфорта пребывания людей в помещениях учебного центра, что подтверждается опросами. Большинство опрошенных отметили значительное улучшение работоспособности и способности восприятия материала, по сравнению со старым зданием учебного центра.

Нагрузка на линии, питающие розетки

Энергомоделирование показало, что замена имеющихся компьютеров на новые компактные и энергоэффективные системные блоки и применение ноутбуков позволит сократить их энергопотребление на 90 %. Анализ жизненного цикла показал, что замена оборудования окупится менее чем за 12 месяцев. Учитывая тот факт, что это решение позволяет, помимо прочего, сократить количество необходимых фотоэлектрических модулей, руководство Учебного центра решилось на полную замену компьютерного парка.

Светоаэрационные фонари

Светоаэрационные фонари выполняют сразу несколько функций и являются важным элементом стратегии повышения энергетической эффективности здания. При проектировании этих элементов специалисты оценивали множество факторов, конструкция фонарей учитывалась практически во всех разделах проекта:

• Энергомодель. Теплотехнические характеристики светоаэрационных фонарей очень важны, поскольку они являются элементом ограждающих конструкций и влияют на тепловой баланс здания.

• Модель естественной вентиляции. Площадь живого сечения и расположение относительно ветровой нагрузки в значительной степени определяли всюконцепцию гибридной системы отопления, вентиляции и кондиционирования.

• Модель естественного освещения помещений. Наряду с окнами и световодами являются элементами, через которые солнечный свет проникает в здание.

• Проект реконструкции и усиления кровли. На светоаэрационных фонарях устанавливались фотоэлектрические модули.

• Сметная стоимость. Прямо и косвенно, стоимость создания светоаэрационных фонарей влияла на все перечисленные выше разделы и эксплуатационные затраты.

В процессе проектирования конструкций светоаэрационных фонарей команда проекта пришла к выводу, что с точки зрения стоимости и эффективности естественного освещения ленточная конструкция фонарей вдоль всего здания менее эффективна, чем точечная, для данного сооружения. Подключение специалистов по фотоэлектрическим модулям к проектированию светоаэрационных фонарей позволило определить оптимальный угол их наклона и сократить затраты на дополнительные конструкции для крепления и установки солнечных батарей. Весь функционал светоаэрационных фонарей – естественное освещение, естественная вентиляция, аккумуляция тепловой энергии, опора для фотоэлектрических модулей показан на рисунке 3.

Возобновляемые источники энергии

В проекте учебного центра были применены:

•  три ветроэлектрические установки, каждая мощностью 4 кВт;
• фотоэлектрическое «дерево» мощностью 11,3 кВт;
• фотоэлектрические модули на кровле здания, суммарной мощностью 154,8 кВт. Общая мощность устройств составила 178,1 кВт, и согласно проектных оценок производство электроэнергии в год должно было составить 251 607 кВт•ч. По факту производство энергии из возобновляемых источников превысило проектный расчёт на 69 071 кВт•ч.

Описанные выше технологии ВИЭ использовались во многом потому, что для инженеров–электриков, обучающихся в учебном центре, именно они представляют наибольший интерес.

Водопотребление

Здание учебного центра ZNE расходует на 30 % меньше воды, чем предписано в локальных нормативных документах. Этого удалось добиться за счёт аккуратной и точной настройки датчиков движения, управляющих сантехническим оборудованием. Учитывая засушливый климат Калифорнии, служба эксплуатации постоянно проводит мониторинг работы системы полива территории и перенастраивает её по мере необходимости. Расход воды на полив территории на 50 % ниже требований местных нормативных документов.

В будущем планируется установка датчиков влажности почвы, для ещё большего снижения расхода воды. Проектное значение годового удельного потребления энергии – 56,77 кВт•ч/м², а фактическое значение составило всего 48,52 кВт•ч/м².

Проект потребляет меньше энергии, чем производит, как этого и хотел заказчик. Во многом такой результат получен благодаря системе BMS, контролирующей все инженерные системы здания. Например, общая интеграция систем в единую систему управления позволяет согласовывать работу VRF и естественной вентиляции по помещениям.

Естественная вентиляция имеет регулируемые характеристики (степень открытия отверстий инфильтрации и эксфильтрации воздуха). Необходимые значения система BMS устанавливает в зависимости от показателей датчиков наружной температуры воздуха, направления ветра, датчиков осадков и уставок на контроллерах в помещениях.

Подводя итог, можно сказать, что здание учебного центра ZNE привлекает студентов со всего мира во многом потому, что на собственном примере показывает, что современные технологии способны превратить любое, даже старое здание, в энергоэффективный комплекс с нулевым потреблением энергии.

Постарайтесь, как можно раньше определиться с составом проектной группы и подключить к    проработке концепции проекта специалистов всех направлений.  Выполните подробный анализ климатических условий участка строительства Выбрать оптимальные, с точки зрения энергетической эффективности, архитектурные и инженерные решения можно только при полном понимании климатических условий в месте строительства. В случае реконструкции учебного центра, чёткое понимание того, что большую часть времени эксплуатации можно использовать естественную вентиляцию и фрикулинг позволило команде проекта выбрать правильную концепцию инженерных систем и разработать подходящие архитектурные решения на ранней стадии проектирования.  Производите комплексную сметную оценку на всех стадиях разработки проекта В проекте учебного центра вопросу стоимостной оценки уделялось повышенное внимание, что позволило значительно оптимизировать финансовый план и достичь нулевого потребления энергии при приемлемых затратах.  Приглашайте к участию в проекте представителей энергоснабжающих организаций Финансовая поддержка проекта со стороны энергоснабжающей организации составила более 100 000 долл. США, т. к. компания была заинтересована в создании здания с отрицательным энергопотреблением (способном продавать часть вырабатываемой электроэнергии) и предложили программу поддержки.  Выстраивайте тесные рабочие отношения с представителями местных властей Это позволит упростить процесс согласований и разрешений на применение в проекте нестандартных решений, направленных на повышение энергетической эффективности. Команде проекта удалось донести до местных властей, что создание учебного центра ZNE положительно повлияет на экономику города и его имидж.  Сочетайте функциональность и дизайн Применение экоустойчивых решений поможет найти правильный баланс между функциональной эффективностью и привлекательным дизайном. Помещение создаётся в первую очередь для комфортного пребывания в нём людей, поэтому необходимо правильно интегрировать инженерные решения в дизайн интерьера. В данном проекте заказчик хотел сохранить и подчеркнуть конструктивные элементы реконструируемого здания. Поэтому потолочные панели белого цвета, применяемые для увеличения эффективности естественного освещения, не полностью закрывали потолок (что ещё больше увеличило бы эффективность проникновения естественного освещения вглубь здания), а укладывались между отреставрированными деревянными балками перекрытия. Аналогичный подход был и к выбору моделей ветроэлектрических установок. Интересный и броский дизайн был выбран для того, чтобы подчеркнуть особый статус здания – нулевое потребление энергии.  Выбор датчиков и сенсоров В процессе эксплуатации стало понятно, что стандартные датчики движения, применяемые для управления системами освещения и ОВиК, очень часто срабатывали без надобности – от движения открываемых окон в режиме ночного нахолаживания и т. п. Установка новых датчиков, адаптированных под такие условия, позволила исключить ложные срабатывания. Систему VRF настроили так, что в не рабочее время она не запускается по сигналу от датчиков, включить её можно только вручную с контроллера в помещении.  Система BMS Интеграция всех систем в BMS позволяет не только отслеживать работу систем и управлять ими в реальном времени, но и значительно повышает эффективность потребления энергии, исключая лишние потери энергии (например, одновременное естественное проветривание помещения и работу VRF системы на отопление).  Открываемые окна Открытие окон происходит автоматически по сигналу от BMS, посредством электроприводов. Важно отметить, что система BMS регулирует интенсивность естественной вентиляции по помещениям, анализируя показания с датчиков наружной температуры и ветрового давления, датчика осадков и датчиков температуры внутри помещения. Однако, в процессе эксплуатации студенты жаловались на то, что кратковременная но частая работа приводов, подстраивающих открытие окон под текущие условия, сильно отвлекает от процесса обучения. Система была перенастроена на плавную работу, с увеличением интервала между командами на закрытие/открытие окна.  Ветроэлектрические установки  Ветроэлектрические установки были применены в проекте больше для учебного процесса, чем для  реального производства энергии. Доля выработки электроэнергии ими в общем балансе производства энергии незначительна. В процессе эксплуатации выяснилось, что они производят меньше энергии, чем показывали проектные расчёты. После изучения проблемы, обнаружилось, что в проекте неверно учли влияние здания на ветровой поток, попадающий на турбины. Решить проблему можно, например, увеличив высоту установок. Но, на это требуется разрешение от городских властей.  Интеграция систем В случае сложного проекта очень важно иметь в команде главного инженера, одинаково хорошо разбирающегося в разных разделах инженерных систем (ОВиК, освещение, ВИЭ), и способного оценить их совместную работу.

Перевод и техническое редактирование выполнены Владимиром Устиновым. ●

СТАТЬИ ПО ТЕМЕ:

Международная школа UWC в Дилижане

Архитектурная форма, изменяющая энергопотребление

Офисное здание с нулевым потреблением энергии

Неувядающий оптимизм. Штаб-квартира фонда Билла и Мелинды Гейтс

Кристалл на берегу Невы