Текущий выпуск
№3 2016
Главная|Журнал|Зима 2013|Здания c нулевым энергетическим балансом
      

Здания c нулевым энергетическим балансом

Лаура Берретт, Пит Джефферсон

Evie Garrett Dennis Campus – это первая в Денвере школа, состоящая из нескольких зданий, и первый в этом районе проект, в котором реализована идея достижения в зданиях нулевого баланса энергии.

В Школе имени Эви Гарретт Деннис (Evie Garrett Dennis), расположенной на площади более 14 га, учится почти 1 300 учеников с первого по двенадцатый классы. Первая очередь, открывшаяся в 2010 году, состоит из четырех зданий: студенческого клуба, чартерной начальной школы (с подготовительного по второй классы) и чартерной школы с углубленным изучением науки и техники (с шестого по двенадцатый классы), которая занимает два здания. В здании студенческого клуба находятся спортивные залы и столовая; на стадионе – девять беговых дорожек, поле с синтетическим покрытием для проведения соревнований и многоцелевое поле для занятий физкультурой.

Вторая очередь (которая не рассматривается в рамках данной статьи) – это Академия Виста, публичная старшая школа, открытая в 2012 году. Третья очередь предусматривает строительство здания для общественных программ, таких как дошкольное образование, атлетические программы для младших классов и социальная поддержка.

При проектировании использовались энергоэффективные технологии, позволившие добиться годового энергопотребления в размере 105 кВт•ч/м2. Прежде всего этого удалось достичь благодаря применению тепловых насосов и геотермальных полей (что устраняет необходимость использования котлов и охладителей), герметичных ограждающих конструкций здания и естественного освещения. Фотоэлектрические панели, размещенные на крыше студенческого клуба, производят достаточно энергии для снабжения двух зданий школы.

Проектирование

На всех этапах работы над проектом использовалось программное обеспечение для трехмерного проектирования зданий. Дополнительные усилия, связанные с разработкой трехмерной модели, дали положительные результаты. У участников проектной группы было меньше сложностей и возникало меньше вопросов, чем при традиционном двухмерном проектировании.

Общая информация
Наименование: Школа имени Эви Гарретт Деннис, первая очередь.

Расположение: Грин Вэлли Ранч, Денвер, штат Колорадо (США).

Владелец: Публичные школы города Денвера.

Основное назначение: школа д ля учеников с подготовительного по старшие классы.

Количество постоянных сотрудников / учащихся и посетителей – 90 / 1 278.

Занятость – 100 %.

Общая площадь здания – 17 323 м2.

Площадь кондиционируемых помещений – 100 %.

Площадь территории школы – 14 га.

• 2009 год – «Золотой» сертификат LEED д ля школ.
• 2010 год – Excellence in Achievement Award. Tilt-up Concrete Association.
Участник Challenge-2030.

Общая стоимость – 36 млн долл. США.

Стоимость квадратного фута – 89 долл. США.

Завершение основных строительных работ: август 2010 года.

 

Нулевой энергетический баланс и фотоэлектрические технологии

Основной задачей при проектировании Школы имени Эви Гарретт Деннис было создание зданий с нулевым энергетическим балансом. После рассмотрения альтернативных определений «нулевого энергетического баланса» команда проектировщиком решила, что наилучшее определение дает ASHRAE. В конечном итоге команда посчитала, что здание с нулевым энергетическим балансом следует спроектировать так, чтобы количество энергии, генерируемой непосредственно на месте из возобновляемых источников, превышало количество энергии, потребляемое зданием (включая газ и электроэнергию) на протяжении календарного года.

А. Столовая, расположенная в здании студенческого клуба, имеет оригинальные архитектурные элементы и окрашена в яркие цвета. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также освещения были запроектированы на начальной стадии работы над проектом

Б. У каждого здания свое архитектурно-композиционное решение и своя цветовая гамма. На верхнем рисунке показан вестибюль чартерной школы (средние классы), на нижнем – начальной чартерной школы. Эти помещения имеют достаточное естественное освещение, при этом там, где необходимо, присутствует и электрическое. Все элементы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха встроены в конструкцию стены

Первоначальный бюджет проекта не включал достаточные средства для закупки системы выработки возобновляемой энергии, поэтому здания и территория вокруг них были спроектированы таким образом, чтобы источники возобновляемой энергии, такие как фотоэлектрические панели, можно было добавить в будущем без прекращения работы зданий. В качестве места размещения фотоэлектрических панелей была выбрана кровля здания, также была разработана система передачи электричества от панелей во внутренние помещения. Размещение всех элементов системы было зафиксировано в проектной документации.

Заранее предусмотренная возможность использования солнечных коллекторов оказалась верным решением, поскольку владелец здания, Публичные школы Денвера, заключил договор на покупку энергии до завершения строительства. По этому договору сторонний поставщик оплатил и установил на площадке фотоэлектрическую систему на 288 кВт. Энергетическая компания Xcel Energy оплатила прокладку кабелей и проводки для облегчения установки системы и предоставила ряд льгот.

Электричество, производимое системой, закупается школой по фиксированной цене (2,07 долл. США/(кВт•ч)), которая корректируется ежегодно на 3 %. Через 20 лет школа станет полноправным владельцем системы, но она может выкупить систему и раньше.

Геотермальное поле расположено к северу от зданий ниже бейсбольного поля

Водоснабжение

Территория вокруг школы была спроектирована с учетом водосбережения. Была выбрана устойчивая к засухам растительность, минимизирована площадь асфальтового покрытия для повышения инфильтрации снега и дождевой воды, а также снижения загрязнения от ливневых вод.

Водонепроницаемая площадь составляет около 50 % от общей площади территории. С северной стороны расположены специальные устройства для удержания и контроля качества воды.

Дополнительные водосберегающие мероприятия включают использование сантехнического оборудования с низким расходом воды и туалеты с двумя режимами слива. Сбор дождевой воды не предусмотрен, т. к. он запрещен в штате Колорадо. Ожидаемая общая экономия воды составит почти 35 % сверх базового уровня LEED.

Энергопотребление

Ограждающие конструкции здания

В процессе проектирования с использованием методов математического моделирования энергопотребления здания было проанализировано большое число вариантов конструктивного решения ограждающих конструкций для выбора решения, минимизирующего образование мостиков холода и инфильтрацию воздуха, а также соответствующего бюджету и графику реализации проекта. Команда проектировщиков изначально выбрала решения, использующие в основном напыляемую теплоизоляцию.

Ограждающие конструкции
Кровля:
• Тип: стальной настил, изоляция из белого термопластичного полиолефина.
• Значение R – R-30.
Стены:
• Тип: оштукатуренные/изолированные железобетонные сэндвич-панели/сборные железобетонные стеновые панели.
• Значение R – R-22–R-25 во всех зонах.
• Остекление – 21,3 %.

Подвал/фундамент:
• Подвальные стены: 200 мм бетона, без теплоизоляции ниже уровня земли; 50-милиметровая жесткая теплоизоляция на наружных подвальных стенах от уровня 1,2 м и ниже.

Окна:
• Тип: алюминиевые окна с двухслойным остеклением с низкоэмиссионными стеклами.
• Коэффициент теплопередачи U-Factor – 0,36 Вт/(м2•°С).
• Коэффициент теплопропускания заполнения светового проема – 0,31.

Местоположение:
• Широта – 39°.
• Ориентация: по оси восток-запад.

 

Тем не менее для большей части зданий была выбрана конструкция из сборных железобетонных стеновых панелей с изоляцией, имеющей значение R-20. Напыляемая теплоизоляция наносилась на все стыки, швы и оконные проемы. Помещения большего объема, такие как спортивные залы, смонтированы из сборных железобетонных панелей с изоляцией R-25.

Кровля представляет собой стальной настил с изолирующим покрытием из белого термопластичного полиолефина (ТПО) с минимальным значением R-30. Были смоделированы и более высокие уровни теплоизоляции крыши, но они дали худшую окупаемость инвестиций.

Отношение площади окон к площади стен составляет 21,3 %. Окна «настраиваются», т. е. их свойства изменяются в зависимости от их ориентации (характеристики северных окон отличаются от восточных/южных/западных). Окна различаются по функциям: естественное освещение или обзор.

Механические элементы

Проектировщиками были разработаны стратегии для снижения энергопотребления и минимизации затрат на охлаждение и отопление школы. В Школе имени Эви Гарретт Деннис применяется множество энергоэффективных решений в системах отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, включая геотермальные теплообменники для отопления и охлаждения, которые работают в условиях температуры почвы, практически постоянной в течение года.

Система геотермальных тепловых насосов состоит из километров герметичных труб, закопанных на глубине 3,7 м под спортивными полями. На горизонтальном геотермальном поле уложено 365 отдельных 305-метровых змеевиков. Подключение геотермальных теплообменников к системе теплохолодоснабжения осуществляется в тепловом пункте, расположенном в помещении студенческого клуба, а оттуда теплоноситель посредством двухтрубных систем распределяется по потребителям. Такая организация системы позволяет специалистам проводить техническое обслуживание централизованно, не прерывая учебный процесс. Вентиляторы с рекуперацией теплоты экономят энергию за счет подачи наружного воздуха в помещения по сигналу датчиков СО2 и датчиков присутствия. Высокоэффективные двухступенчатые водно-водяные тепловые насосы обеспечивают отопление и охлаждение помещений. Вентиляторы с рекуперацией теплоты используют прямое/косвенное испарительное охлаждение для предварительного охлаждения наружного воздуха. Это снижает нагрузку по охлаждению на тепловые насосы и геотермальное поле при работе в режиме охлаждения. Бóльшая часть установок тепловых насосов и вентиляторов располагается на мансардных этажах зданий, а не над потолками или в технических шкафах, размещенных по всему зданию. В процессе проектирования школьное управление направило своих представителей для осмотра существующих зданий, использующих различные способы размещения оборудования инженерных систем. Подобный подход к решению вопроса помог обслуживающему персоналу школы выработать свои предпочтения к проекту систем.

Нагрев воды для нужд бытового горячего водоснабжения обеспечивают высокоэффективные газовые водонагреватели. Выбор именно этого решения взамен использования водо-водяных тепловых насосов обусловлен тем, что планировка школы потребовала более рассредоточенный подход к горячему водоснабжению. Расчеты показали низкую окупаемость инвестиций при горячем водоснабжении с использованием тепловых насосов из-за слишком высоких капитальных затрат.

Возобновляемые источники энергии

Фотоэлектрическая система на кровле здания студенческого клуба производит достаточно энергии для компенсации электропотребления двух зданий школы. Система мощностью 288 кВт, состоящая из 2 787 м2 панелей, была установлена и начала работать через шесть месяцев после открытия первой очереди школы. Для достижения нулевого энергетического баланса всех зданий школы необходимо установить фотоэлектрические панели на остальных кровлях, где это возможно, а также на выделенных местах на прилегающей территории.

Сравнение смоделированного и фактического сценария интенсивности исп ользования энергии (Energy Use Intensity, EUI)

Расчетное (прогнозируемое) энергопотребление по результатам математического моделирования составило 88 кВт•ч/м2 в год. Фактическое энергопотребление на протяжении первого года составило 105 кВт•ч/м2 в год, что на 11 % превышает ожидаемое значение. Разница между прогнозируемым и фактическим энергопотреблением может быть вызвана разными графиками потребления, конечными нагрузками, уставками температуры и особенностями работы системы автоматизации и управления. Согласование фактического потребления с прогнозируемым является непрерывным процессом и крайне важно для фактического достижения нулевого энергетического баланса.

 

В каждом из двух спортивных залов используются трубчатые устройства дневного освещения (tubular daylight devices, TDD) (круглые цилиндры
слева). Система освещения включает высокоэффективные флуоресцентные светильники с трехступенчатым регулированием освещения. Система управления снижает интенсивность электрического освещения в три этапа в зависимости от интенсивности естественного освещения.
При этом зачастую естественного освещения оказывается достаточно и искусственное освещение полностью отключается

Спортивный зал, находящийся в здании студенческого клуба, виден из многих мест, в том числе из Зала чемпионов. Потолочные светодиодные
светильники Зала чемпионов имеют низкое энергопотребление

Освещение

Освещение осуществляется за счет комбинации естественных и искусственных источников. Высокие боковые окна вместе с системами управления в классах и помещениях общего пользования снижают энергопотребление системы. В спортивных залах трубчатые устройства дневного освещения оснащены датчиками контроля естественного освещения, в классах организована двухуровневая система контроля естественного освещения. Все здания школы расположены по оси восток-запад, следующей траектории Солнца. Окна классов пропускают солнечный свет с северной и южной сторон каждого здания. Школа, состоящая из нескольких зданий, позволяет лучше собирать солнечный свет и обеспечивает лучший обзор для каждого класса. Во всех зданиях школы используются лампы с низким содержанием ртути, что дает дополнительные баллы для сертификации по LEED.

Партнерство ускоряет строительство

В районе Грин Вэлли Ранч Денвера возникла необходимость в увеличении числа школ. К северо-востоку от столицы штата Колорадо, в Грин Вэлли Ранч, активно увеличилось строительство жилых домов и соответственно возник недостаток в образовательных учреждениях. Сотрудничая с обществом и членами Городского совета, Публичные школы Денвера предложили решение этой проблемы совместно с крупнейшим застройщиком района – компанией Oakwood Homes. Была поставлена задача проектирования и строительства новой школы, которая была названа в честь Эви Гарретт Деннис. В ноябре 2008 года были выделены средства на строительство, и уже в августе 2010 года школа открылась – 21 месяц от финансирования до завершения проекта. Строительство длилось всего 14 месяцев. Такое стало возможным благодаря высокой квалификации застройщика, который занимался вопросами проектирования и строительства, и генерального подрядчика, который организовал работу команды проектировщиков. С бюджетом в размере 45 млн долл. США проект был завершен вовремя и без превышения бюджета (из-за более низкой стоимости строительства в результате экономического кризиса). Это позволило району построить Академию Виста. Проект финансировался за счет облигаций на 454 млн долл. США, самой большой строительной облигации в истории Колорадо.

Материалы

В проекте используется множество местных строительных материалов, повторно используемых материалов и материалов с низким уровнем выбросов. Речь идет о таких материалах, как бетон, кирпич, стальные каркасы, остекление, гипсокартон и бóльшая часть материалов для внутренней отделки: потолочные плиты, ковровые покрытия, керамическая плитка, пробковые материалы, ткани и мебель.

Повторно используемые материалы собираются и хранятся на территории школы, что снижает объем производимых отходов. Их можно будет использовать в будущих проектах.

Измерения и проверка

Представители местной энергетической и газовой компании Xcel Energy в ходе проверки выявили ряд систем, которые не функционировали настолько эффективно, насколько возможно, даже после завершения ввода здания в эксплуатацию. Некоторые из принятых корректирующих мер, включая повторное балансирование нескольких тепловых насосов для решения проблем с вентиляцией и дополнительную калибровку датчиков присутствия. Команда проектировщиков и технического персонала отметила некоторые недочеты в работе системы управления освещением, требующие исправления для дополнительного снижения энергопотребления.

Процесс измерения и проверки был предусмотрен как часть программы по возврату средств компании Xcel Energy. В итоге школе была выплачена 51 363 долл. США за внедрение 55 отмеченных и проверенных энергоэффективных решений.

Практическое обучение
Проектирование школьных зданий, выполняющих практическую учебную функцию, является ключевым компонентом, стимулирующим учеников ценить энергоэффективные мероприятия. Простые конструктивные элементы позволяют ученикам визуально познакомиться с инженерными системами здания. Специальные окошки в с тенах демонстрируют трубы и теплоизоляцию, которые обычно скрыты внутри стен. Информационные знаки, развешенные по всему комплексу, указывают на высокоэффективные компоненты зданий. Информационные стенды описывают влияние естественного ландшафта и объясняют причины выбора экологичных материалов. Каждый семестр в школе проводятся недели экологической устойчивости (три раза в год), включающие школьные конкурсы, посвященные энергопотреблению каждого здания. Учителя используют информационные стенды в качестве учебных материалов для демонстрации высокоэффективных строительных концепций.

Практический опыт
Определите показатели эффективности систем дневного освещения и с осторожностью отлаживайте систему до намеченных показателей. В данном проекте система управления освещением потребовала больше усилий при вводе в эксплуатацию, чем любая другая система. Хотя в традиционных системах управления освещением подбор оборудования определяется требуемой функциональностью системы, параметры эффективности также необходимо задать для систем управления естественным освещением. Данные о заданных уровнях освещения, о точках включения и выключения, а также точках измерения необходимо передать подрядчику и/или агенту по вводу в эксплуатацию. Однако из-за различий используемых систем управления освещением может оказаться трудно подготовить открытую спецификацию, которая  функционировала бы определенным образом, но не исключала с лишком много изделий. В зданиях школы системы запроектированы стрехуровневым режимом освещения (шестиламповые флуоресцентные светильники), ступенчато изменяющим интенсивность
освещения в зависимости от уровня естественного освещения, измеряемого датчиком. Однако изначально установленное оборудование не предусматривало возможности ступенчатого восстановления освещения с заходом Солнца. Представители производителя системы управления освещением, подрядной организации и архитектурно-проектного бюро потратили дополнительное время во время ввода в эксплуатацию для разработки необходимого решения. Этой ситуации можно было бы избежать, если бы система управления освещением была задана более подробно.

Введите требуемое значение вентиляционного воздухообмена. В этом случае обычно приемлемый допуск при испытании и наладке ниже требований стандарта ASHRAE 62.1–2007. Для того чтобы все зоны были приведены в соответствие с требованиями, понадобилась повторная
балансировка. График регулирования вентиляционного воздухообмена должен включать в себя коэффициент безопасности, если спецификации предлагают подрядчику диапазон допустимой балансировки. Рекомендуется использовать системы освещения, объединенные в сеть.

Традиционные системы управления освещением бывает трудно сконфигурировать, поскольку требования к эффективности становятся все более сложными (сбор естественного света, средства управления датчиками присутствия, ручное управление, многоуровневое переключение,
работа по графику и т. д.). Системы освещения, объединенные в сеть, имеют большую гибкость для соответствия этим новым требованиям к производительности.

Практический опыт публичных школ Денвера
Пригласите инженера, отвечающего за обслуживание зданий, на строительную площадку до завершения всех этапов работ, чтобы он мог научиться эксплуатировать систему. Пригласите управляющего школой в штат как минимум за шесть месяцев до официального открытия.
Герметик с низким уровнем выброса летучих компонентов, используемый на полах спортивного зала, отслаивается. Полы спортивного зала придется зачистить и обработать лучшим средством. Хотя использованный продукт оказался не совсем удачен, материалы с низким уровнем выброса летучих компонентов выгодны для пользователей. Для выбора наилучшего материала потребуется провести тщательные исследования. Лампы для интерактивных белых досок следует выбирать исходя из возможностей естественного освещения. В данном проекте конструкция окон, используемых для естественного освещения, затрудняет считывание информации с белой интерактивной доски. В определенные периоды года естественный свет затрудняет отображение информации. Для решения этой проблемы следовало выбрать
более яркие лампы.

Заключение

Школа имени Эви Гарретт Деннис – это первый проект, построенный Публичными школами Денвера, делающий шаги на пути к достижению нулевого баланса энергии. Немного необычно, что инфраструктура, подготовленная для использования солнечной энергетики, была фактически внедрена в первый год эксплуатации здания.

Эта концепция потребовала больше планирования на этапе проектирования, но она может значительно повысить обоснованность установки систем выработки энергии из возобновляемых источников на более поздних стадиях. Такой подход позволит владельцам зданий размещать подобные системы по мере доступности средств.

 

Об авторах
Лаура Берретт – аккредитованный специалист по системе LEED (LEED AP), аналитик в области устойчивого строительства.
Пит Джефферсон – инженер, компания M.E. GROUP (Денвер, США).



© ASHRAE. Перепечатано и переведено с разрешения журнала High Performing Buildings (весна, 2012).
Ознакомиться с этой и другими статьями на английском языке вы можете на сайте www.hpbmagazine.org.


ЭнергосбережениеФотоэлектрические панели