Могут ли высотные здания иметь околонулевое потребление энергии?
Алессандро Сандэлевски
Европейская директива 2010/31/ЕС по энергоэффективности зданий (Directive 2010/31/EU on the energy performance of buildings – EPBD) вводит понятие здания с околонулевым потреблением энергии (Near Zero Energy Buildings – NZEB). Ст. 9 данной директивы вводит следующие требования к государствам – членам ЕС:
Все здания, принадлежащие общественным организациям и государственным институтам, вводимые в эксплуатацию после 31 декабря 2018 года, должны иметь околонулевое потребление энергии.
После 31 декабря 2020 года все здания, вводимые в эксплуатацию, должны иметь околонулевое потребление энергии.
При этом государства – члены ЕС самостоятельно разрабатывают национальные стандарты и определяют, какие здания можно отнести к NZEB. В Италии, например, в соответствии с декретом от 26 июня 2015 года зданием с околонулевым потреблением энергии может считаться здание, в котором 50 % энергопотребления систем отопления, вентиляции, кондиционирования и ГВС обеспечивается за счет возобновляемых источников энергии.
Оставив в стороне юридические тонкости национальных стандартов, рассмотрим общее значение терминов ZEB, nZEB и NZEB.
ZEB (Zero Energy Building) – здание с нулевым потреблением энергии
Здания с нулевым потреблением энергии полностью покрывают свою потребность в энергии за счет возобновляемых источников. По сути, это утопия, поскольку при существующих технологиях энергия из возобновляемых источников не может быть доступна круглый год в достаточном количестве. Например, солнечная энергия недоступна в ночное время и ограниченно доступна зимой. При этом системы аккумуляции энергии слишком дороги и требуют значительного пространства в здании для размещения.
nZEB (Net Zero Energy Building) – здание с чистым нулевым потреблением энергии
Этот тип зданий подключен к внешним сетям электроснабжения и в случае профицита генерации энергии от возобновляемых источников передает излишки в сеть, а в случае дефицита генерации энергии от возобновляемых источников потребляет энергию из внешних сетей. При этом итоговый годовой баланс потребления энергии из внешних сетей и передачи энергии во внешние сети должен быть равен нулю. В отличие от ZEB, здания с чистым нулевым потреб-лением энергии в периоды дефицита генерации энергии от возобновляемых источников энергии могут потреблять энергию от сжигания ископаемых видов топлива, поскольку в ночное время (наступает одновременно на 2,5 континентах – Европа, Африка и Ближний Восток) только этот вид генерации энергии может обеспечить требуемый уровень потребления. И не стоит забывать о серьезных проблемах с пространством для размещения оборудования для генерации энергии от возобновляемых источников – при дефиците свободных площадей достичь чистого нулевого потребления энергии невозможно. Стоит упомянуть и размер капитальных затрат на реализацию nZEB-решений: достижение нулевого потреб-ления – это асимптотический процесс (закон убывающей отдачи, Шеппард, 1974 год).
NZEB (Nearly Zero Energy Building) – здания с околонулевым потреблением энергии
Попытаемся определить, что же именно считать «околонулевым». В Италии для производства 1 000 кВт•ч/год в среднем требуется 6–7 м2 фотоэлектрических панелей. Энергия от возобновляемых источников всегда должна анализироваться в привязке к площади, занимаемой оборудованием для генерации.
Для понимания термина «околонулевое» используем два коэффициента – SFVeq и PtZ.
1. SFVeq (Equivalent Photovoltaic Surface) – это эквивалентная площадь фотоэлектрических модулей. Другими словами, это площадь фотоэлектрических модулей, необходимая для покрытия энергопотребления здания в годовой перспективе и достижения показателей чистого нулевого потребления энергии. Для того чтобы рассчитать SFVeq здания, необходимо разделить его годовое энергопотребление на энергию, получаемую за год от 1 м2 фотоэлектрического модуля в регионе, где расположено здание. Определить эквивалентную площадь фотоэлектрических модулей для здания, потребляющего только природный газ и энергию от внешней сети электроснабжения, можно по формуле (1) (см. Формулы).
2. PtZ (Proximity to Zero) – коэффициент близости к нулю. Этот коэффициент показывает отношение площади фактически установленных фотоэлектрических модулей к площади фотоэлектрических модулей, необходимых для достижения чистого нулевого потребления энергии зданием, и позволяет оценить, насколько близко здание к «околонулевому» потреблению (см. формулу (2)).
Энергомоделирование для офисных зданий и отелей стандартной высоты показывает, что в Италии достижение 100 %-ного PtZ на практике невозможно. Если в расчете учитывать все системы здания, потребляющие электроэнергию (лифты, эскалаторы и прочее), то показатель 50–60 % уже можно считать успешным результатом.
В высотных зданиях обеспечить близость к нулевому потреблению еще сложнее в силу специфики инженерных систем, описанной далее по тексту.
Высотные здания могут быть классифицированы согласно терминологии ASHRAE как: высотные – выше 100 м; супервысотные – выше 300 м; мегавысотные – выше 600 м; убервысотные (термин не является официальным) – выше 1 000 м.
При проектировании высотных зданий особое внимание нужно уделить, во‑первых, расчету теплопоступлений и теплопотерь, во‑вторых, эффекту тяги и, в‑третьих, проектированию гидравлических систем.
Температура и влажность наружного воздуха, атмосферное давление и плотность воздуха изменяются по мере увеличения высоты над уровнем моря. Стандартный подход, когда эти данные принимают едиными для всего здания, не проходит в случае высотных зданий. Расчет температуры, атмосферного давления и плотности воздуха выполняют по формулам (3)–(5), где за нулевую высоту принимают высоту над уровнем моря.
В качестве примера приведем распределение показателей для высотного здания в г. Джидда, Саудовская Аравия (высота 0 м над уровнем моря). Согласно данным ASHRAE, температура воздуха для данного региона 41 °C по сухому термометру и 30 °C по влажному термометру (табл. 1).
Если принять параметры воздуха в помещении 24 °C при относительной влажности 50 %, то в момент времени, когда на отметке уровня моря показатели наружного воздуха (тео-ретически) будут равны показателям воздуха в помещении, отклонения значений температуры и влажности наружного воздуха по высоте здания указаны в табл. 2.
Очевидно, что стандартный подход, при котором параметры наружного воздуха принимаются без учета их изменений по высоте здания, приведет к тому, что в теплый период года система будет переразмеренной (большой запас мощности), а в холодный период года система будет иметь дефицит мощности.
Эффект тяги возникает в высотных зданиях, когда температура воздуха за пределами здания значительно ниже или выше температуры воздуха в нем на соответствующей высотной отметке. Отапливаемые здания в холодную погоду представляют своего рода дымовую трубу – за счет возникновения эффекта тяги воздух проникает в здание через неплотности ограждающих конструкции в его нижней части и, поднимаясь, выходит через неплотности в конструкциях на верхних этажах. Этот эффект вызван разностью плотностей воздуха внутри здания и за его пределами из-за неравенства температуры в помещении и на улице. Разница давлений, создающая тягу, прямо пропорциональна высоте здания и разнице температур теплого внутреннего и холодного наружного воздуха.
В случаях, когда температура воздуха в здании ниже, чем за его пределами, возникает обратный эффект. В условиях жаркого климата воздух будет проникать в здание через неплотности ограждающих конструкций на верхних этажах и выходить через неплотности конструкций на нижних. Такой нисходящий поток в высотных зданиях принято называть «эффект обратной тяги». Его причина, как и у эффекта тяги, – это разница в плотности воздуха внутри здания и за его пределами.
На рис. 1 схематично показана инфильтрация и эксфильтрация в случае холодного климата (эффект тяги) и в случае жаркого климата (обратный эффект тяги) без учета влияния ветрового давления и работы системы вентиляции в здании. Вертикальное движение воздуха в здании будет возникать в лестничных пролетах, шахтах, любых других местах с отверстиями в перекрытиях и там, где перекрытия негерметичны. Рис. 1 также показывает, что уровень инфильтрации и эксфильтрации воздуха увеличивается по мере удаления от уровня нейтрального давления (далее – УНД).
Теоретическое описание эффекта тяги изложено в рекомендациях ASHRAE (2013 ASHRAE Handbook – Fundamentals). В работе приведена методика расчета эффекта тяги (разницы давления на ограждающих конструкциях) для заданной разницы температур воздуха в здании и за его пределами. Особое внимание уделяется УНД – отметке, где уровень инфильтрации и эксфильтрации стремится к нулю вследствие равенства гравитационного давления в помещении и на улице при заданной разнице температур внутреннего и наружного воздуха. Отметка УНД зависит от многих факторов: герметичности ограждающих конструкций, наличия и конфигурации внутренних планировок, планировки лестничных пролетов, лифтовых шахт, шахт инженерных систем.
Помимо этих факторов, на УНД оказывает влияние система вентиляции. Если система вентиляции создает в здании разрежение (объем вытяжного воздуха больше приточного), отметка УНД будет выше, при этом разница давлений и инфильтрация в нижней части здания будут возрастать. Если система вентиляции обеспечивает подпор, то отметка УНД будет опускаться, снижая разницу давлений и инфильтрацию на нижних этажах здания.
Теоретически разницу давлений на ограждающих конструкциях здания можно рассчитать для любой высотной отметки. На рис. 2 показана разница давлений, возникающая на ограждающих конструкциях высотных зданий при заданной разнице температур воздуха в помещении и за его пределами. Важно отметить, что на рис. 2 представлена идеальная модель, не учитывающая такие факторы, как ветровое давление (рис. 3) и режим работы системы вентиляции. Помимо этого, данная модель предполагает, что в здании нет перегородок и перекрытий (то есть движение воздуха в помещении не встречает никакого сопротивления), а герметичность ограждающих конструкций одинакова на всех отметках.
Фактический эффект тяги (разницу давлений на ограждающих конструкциях), как и отметку УНД, рассчитать довольно сложно, а зачастую и вовсе невозможно, поскольку из-за открытия/закрытия входных дверей, дверей лифтов и прочих факторов эффект тяги и отметка УНД будут постоянно меняться. Данные на рис. 2 не стоит принимать как фактические значения при проектировании, но важно понимать порядок цифр, учитывать его при проектировании и за счет проектных решений снижать возможные негативные воздействия эффекта тяги на эксплуатацию здания.
Основные проблемы, связанные с эффектом тяги в высотных зданиях, связаны с возникновением зон с избыточным давлением/разрежением, сложностью организации комфортного отопления на нижних этажах и инфильтрацией/эксфильтрацией воздуха через ограждающие конструкции.
Возникновение зон с избыточным давлением или разрежением приводит, как правило, к проблемам с открытием/закрытием дверей лестничных пролетов и дверей лифтов.
Проблема с отоплением связана с тем, что уровень фактической инфильтрации через входные двери и ограждающие конструкции на нижних этажах может оказаться выше проектного. В лучшем случае это приводит к невозможности поддерживать комфортный уровень температуры воздуха. В некоторых случаях это вызывает заморозку и повреждение систем спринклерного пожаротушения. Как правило, проблема возникает, если проектировщики неверно учитывают инфильтрацию при расчете теплопотерь или в случаях, когда строители не обеспечивают проектную герметичность ограждающих конструкций.
Национальная ассоциация производителей металлических строительных конструкций (The National Association of Architectural Metal Manufacturers) рекомендует обеспечивать герметичность конструкций, допускающую уровень инфильтрации/эксфильтрации в пределах 1,7 м3/ч на 1 м2 стены при разнице давлений 75 Па на ограждающей конструкции (без учета открываемых окон).
Эксфильтрация теплого и влажного воздуха опасна тем, что влага конденсируется на поверхности или в порах ограждающих конструкций и способна серьезно повредить материалы и снизить срок эксплуатации здания.
Для того чтобы минимизировать эффект тяги и проблемы, связанные с его возникновением при проектировании и строительстве, следует предусматривать инженерные и архитектурные решения, направленные на снижение инфильтрации и эксфильтрации воздуха:
- ограждающие конструкции должны обеспечивать максимально возможную герметичность;
- на входной группе желательно использовать двери револьверного типа;
- необходимо предусматривать тамбур-шлюзы для всех входов и выходов из здания, лестничных клеток, желательно с системой подбора воздуха на VAV-клапанах переменного расхода воздуха;
- система общеобменной вентиляции должна иметь опцию контроля давления по зонам помещения за счет переменного расхода и применения VAV-клапанов.
Чтобы избежать проблем с высокими значениями гидравлического сопротивления и статического давления систем, при проектировании гидравлических систем высотных зданий необходимо делить здание на несколько зон высотой 30–45 метров (до 15 этажей) и предусматривать отдельные технические этажи с инженерным оборудованием, обслуживающим одну зону. Альтернативное решение – это применение теплообменников и сложной регулирующей арматуры для каждой зоны. Любой из этих вариантов приводит к увеличению энергопотребления инженерных систем высотного здания в сравнении с обычным, которое может обслуживаться одним техническим помещением.
На рис. 4 приведен пример разбивки по зонам самого высокого небоскреба в мире – Бурдж-Халифа (Дубай).
Как мы уже убедились, специфика построения инженерных систем высотных зданий приводит к тому, что их энергопотребление всегда будет выше, чем у здания аналогичной площади, но меньшей высоты. Если добавить к этому энергопотребление вертикального транспорта высотных зданий, становится очевидным, что обеспечить в этих условиях генерацию энергии от возобновляемых источников в должном объеме довольно затруднительно.
Для того чтобы приблизить здание к околонулевому потреблению энергии, необходимо минимизировать энергопотребление и обеспечить максимально возможную генерацию энергии от возобновляемых источников.
Чтобы минимизировать энергопотребление, следует:
1. С помощью CFD-моделирования и полномасштабных тестов в аэродинамической трубе найти оптимальную с точки зрения энергопотребления архитектурную форму и ориентацию здания по сторонам света.
2. Для ограждающих конструкций применять материалы с лучшими теплотехническими характеристиками, доступными на рынке.
3. Максимально использовать возможности естественной вентиляции и фрикулинга.
4. Применять высокоэффективное оборудование для инженерных систем здания.
Источниками возобновляемой энергии могут быть:
- солнечные коллекторы (тепловая энергия для нужд отопления и ГВС);
- фотоэлектрические модули (электричество);
- ветроэнергетические установки (электричество).
На практике основная проблема генерации энергии от возобновляемых источников в высотном здании – это пространство, необходимое для размещения оборудования.
Где располагать фотоэлектрические модули в высотном здании? Место на кровле, как правило, сильно ограниченно; более того, предпочтение всегда отдается традиционным инженерным системам – вентиляции и холодоснабжению.
Единственное место, где возможно размещение фотоэлектрических модулей в достаточном количестве, – это фасад. Поэтому модули должны быть прозрачными или полупрозрачными, что приводит к значительному удорожанию систем. Тем не менее в настоящее время на рынке доступны такие решения:
- прозрачное монокристаллическое стекло;
- некристаллические микроперфорированные полупрозрачные модули;
- гибкие фотоэлектрические пленки, наносимые на металлические конструкции здания;
- цветные модули, не изменяющие дизайн ограждающих конструкций.
Прозрачные и полупрозрачные решения могут успешно применяться как при новом строительстве, так и при реновации зданий, поверх существующего фасада (рис. 5).
Другим интересным решением может стать применение фотоэлектрических модулей в качестве вентилируемого фасада (рис. 6). Такие модули состоят из двух слоев стекла, между которыми установлена моно- или поликристаллическая фотоэлектрическая пленка и тонкая пленка из PVB (поливинилбутираль – клейкая резиновая пленка, предохраняющая от падения осколков при механическом повреждении стекла).
Ветроэнергетические установки могут служить источником возобновляемой энергии с минимальным влиянием на окружающую среду. Ветроэнергетические установки – отличный пример экоустойчивого оборудования с долгим сроком эксплуатации, они широко применяются для генерации энергии в высотных зданиях по всему миру. Однако при их использовании нужно понимать, что:
1. Существуют ограничения скорости ветра для нормальной работы оборудования: минимум 5 м/с, максимум 20 м/с.
2. Ветер – непредсказуемое и неконтролируемое явление. Точно рассчитать и предсказать годовую генерацию энергии от этого источника не представляется возможным.
3. Оборудование генерирует шум, необходимо проводить акустические расчеты.
4. Оборудование может быть опасным для птиц2.
Удачным примером применения ветроэнергетической установки можно считать комплекс зданий Мирового торгового центра в Бахрейне, г. Манама. Комплекс состоит из двух высотных зданий – 50 этажей, 240 м каждое. Установлено три турбины диаметром 29 м, мощность каждой составляет 225 кВт. Скорость ветра в районе строительства в течение года колеблется от 3 до 25 м/с. Генерация энергии за год составляет 1 100–1 300 МВт•ч, что покрывает 11–15 % энерго-потребления комплекса зданий.
Может ли высотное здание иметь околонулевое потребление энергии? По мнению автора, теоретически это возможно, но технически сложно реализуемо из-за ограниченного пространства для установки достаточного количества фотоэлектрических модулей и другого оборудования для генерации энергии из возобновляемых источников.
Эта цель достижима для зданий высотой до 200–1250 м (см. *)), но практически невыполнима для зданий высотой более 1 000 м. ●
Перевод и техническая редактура выполнены В. В. Устиновым
