Моделирование энергоэффективных инженерных систем. Монография

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.А. Волков, П.Д. Челышков, А.В. Седов

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ

Москва 2014

УДК 681.5 ББК 30.2-5-05

В67

Р е ц е н з е н т ы :

доктор технических наук, профессор А.В. Гинзбург, ФГБОУ ВПО «МГСУ»;

член-корреспондент РАЕН, доктор технических наук Л.А. Широков, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах Института информационных технологий и управления в технических системах Московского государственного индустриального университета

Исследование проведено в рамках Государственного задания, выполняемого ФГБОУ ВПО «МГСУ» по проекту «Методология представлений, проектирования и верификации энергоэффективных инженерных систем условно абстрактных объектов (на формальных моделях зданий)»

Волков, А.А.

В67 Моделирование энергоэффективных инженерных систем : монография / А.А. Волков, П.Д. Челышков, А.В. Седов ; М-во образования и науки Российской Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. Москва : МГСУ, 2014. 64 с.

ISBN 978-5-7264-0925-2

Монография посвящена вопросам разработки математических и компьютерных моделей инженерных систем условно абстрактных объектов (на формальных моделях зданий). Приведен анализ зданий и комплексов как объектов энергопотребления, рассмотрены инженерные системы и предложен оригинальный метод сценарной верификации энергетического баланса.

Для специалистов в области систем автоматизированного проектирования в строительстве.

УДК 681.5 ББК 30.2-5-05

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время более 40 % производимой энергии потребляется инженерными системами жилых и административных зданий. В условиях постоянного ввода в эксплуатацию жилых домов остро встает вопрос дефицита энергоресурсов. Алгоритмы автоматического управления инженерными системами зданий и комплексов должны быть разработаны таким образом, чтобы продолжать реализовывать функцию жизнеобеспечения в условиях возможной нехватки ресурсов [8]. Нехватка ресурсов может возникать вследствие чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, незапланированного роста нагрузки на инженерные системы, технических и/или экономических ограничений потребления ресурсов по любым причинам и проч. При этом ресурсы между инженерными системами должны распределяться в режиме автоматического управления по заранее составленным алгоритмам таким образом, чтобы минимизировать ущерб от дефицита ресурсов для людей, конструкций и функций зданий [16].

Очевидно, что разработка таких алгоритмов должна быть инициирована и завершена до ввода здания в эксплуатацию. Следовательно, исключена возможность использования реальных данных об уровне энергопотребления здания в различных режимах эксплуатации, под воздействием различных внешних условий. Единственным доступным средством является аналитическая оценка. При этом необходимо учитывать неоднородность внешних условий, невозможность описания всех вероятных режимов эксплуатации объекта одним набором параметров [24]. Энергопотребление зданий зависит не только от материалов ограждающих конструкций, архитектурных решений и привязки в плане, но и во многом от режима эксплуатации, характеристиками которого являются, например, тип и количество техники и различного оборудования, число людей и характер их работы. Оценка перечисленных и ряда других факторов позволит уже на стадии проектирования выявить достаточно близкую к реальным условиям картину энергопотребления конкретного здания. Сценарное моделирование позволяет рассмотреть динамическое воздействие различных комбинаций внешних факторов на объект. Недостатком такого подхода является трудоемкость аналитических расчетов [13].

4

Глава 1

АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ЗДАНИЙ

ИКОМПЛЕКСОВ

1.1.Анализ нормативных и регламентирующих документов

В мировой практике существуют различные подходы к классификации энергопотребления зданий и комплексов и, соответственно, к методам автоматизированного проектирования применительно к оценке энергопотребления зданий и комплексов.

Так, в Европейском союзе требования к энергетическим характеристикам зданий сформулированы в двух основных стандартах: EN 15603 «Энергоэффективность зданий. Общее потребление энергии и определение номинальных энергетических характеристик» и EN 15217 «Энергоэффективность зданий. Методы выражения энергетических характеристик зданий и сертификация энергопотребления зданий».

Европейский стандарт EN 15603 «Энергоэффективность зданий. Общее потребление энергии и определение номинальных энергетических характеристик»

Директива EPBD требует наличия единой структуры и методики расчета комплексных энергетических характеристик зданий.

Энергетические характеристики здания представляют собой суммарное значение расчетной или фактической энергии, покрывающей потребности различных энергетических процессов. Это значение будет отражаться в одном или нескольких числовых показателях, принимающих во внимание тепловую защиту и проектные характеристики инженерных систем.

EN 15603 задает общую структуру оценки общего энергопотребления в здании, а также методику, которую следует использовать при определении номинальных энергетических характеристик. Данный документ перечисляет энергетические процессы, номинальные значения эффективности которых должны определяться как для существующих, так и для проектируемых зданий следующими способами:

•оценкой общего энергопотребления в здании;

•расчетом общих номинальных энергетических характеристик (первичная энергия, выбросы CO2, стоимость энергии).

6

В данном стандарте сравниваются значения других стандартов, которые задают расчет энергопотребления в здании. Он учитывает энергию, производимую в самом здании, часть которой может отводиться для использования на ином объекте. В стандарте приводится сводная таблица для общего энергопотребления в здании,

атакже определяются те виды использования энергии, которые необходимо принять во внимание при задании номинальных значений энергоэффективности для новых и существующих зданий,

атакже методики:

•вычисления стандартной расчетной номинальной энергетической характеристики при стандартном способе энергопотребления, не учитывая поведение людей в помещении, фактические погодные условия и прочие реальные факторы;

•оценки фактических (измеряемых) номинальных энергетических характеристик на основании поставляемой и отводимой энергии;

•повышения достоверности расчетной модели здания путем сравнения с фактическим энергопотреблением;

•оценки энергоэффективности при возможной модернизации.

Европейский стандарт EN 15217 «Энергоэффективность зданий.

Методы выражения энергетических характеристик зданий и сертификация энергопотребления зданий»

Данный стандарт проясняет различные возможные подходы к сертификации и определяет:

•общие индикаторы выражения энергетических характеристик всего здания, включая системы отопления, вентиляции, кондиционирования, горячего водоснабжения для бытовых нужд, а также осветительные системы. Сюда относятся различные возможные показатели, а также методы их стандартизации:

— способы выражения энергетических характеристик здания для проектирования новых зданий или реконструкции существующих;

— процедуры, определяющие справочные значения и ориентировочные показатели;

— способы разработки схем сертификации энергопотребления.

ВСША разработан и применяется стандарт ANSI/ASHRAE/ IESNA 90.1, который устанавливает минимальные требования к эффективности использования энергии при проектировании и возведении новых зданий и внутренних систем зданий, новых частей

7

зданий и их систем, а также новых систем и оборудования уже существующих зданий. Данный документ также предоставляет подробные критерии для подтверждения соответствия этим требованиям. Разработка проектов в рамках стандарта ANSI/ASHRAE/ IESNA 90.1 предполагает создание и применение при проектировании математической модели инженерных систем зданий для моделирования суточного и сезонного теплового режима здания.

В Российской Федерации требования к энергетической эффективности зданий в части ограждающих конструкций сформулированы в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». Согласно данному стандарту, зданиям присваивается класс энергетической эффективности A, B, C, D или E. Присвоение классов D, Е на стадии проектирования не допускается. Классы А, В устанавливают для вновь возводимых и реконструируемых зданий на стадии разработки проекта и впоследствии их уточняют по результатам эксплуатации. Для достижения классов А, В органам администраций субъектов Российской Федерации рекомендуется применять меры по экономическому стимулированию участников проектирования и строительства. Класс С устанавливают при эксплуатации вновь возведенных и реконструированных зданий. Классы D, Е устанавливают при эксплуатации возведенных до 2000 г. зданий с целью разработки органами администраций субъектов Российской Федерации очередности и мероприятий по реконструкции этих зданий.

Назначение определенного класса энергетической эффективности для конкретного здания зависит от величины отклонения потребления тепла на отопление здания от нормативного значения. Параметры инженерных систем зданий, влияющих на потребление энергии, но не относящиеся к ограждающим конструкциям, описаны в СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование». Часть из них включена в энергетический паспорт зданий, согласно Приказу Министерства энергетики Российской Федерации от 19 апреля 2010 г. № 182.

1.2. Здания и комплексы как объекты энергетического исследования

В современных зданиях и комплексах существуют десятки инженерных систем. Их можно классифицировать по различным критериям: энергоемкости, числу обслуживаемых помещений, типу потребляемых ресурсов, сезонности и проч. В рамках решения за-

8

дачи верификации энергетического баланса зданий и комплексов представляется обоснованным рассматривать энергоемкость инженерных систем. По данным исследований энергопотребления в зданиях более 70 % энергии затрачивается на поддержание микроклимата. Следовательно, для решения задачи верификации энергетического баланса важнейшей областью исследования являются инженерные системы, направленные на поддержание микроклимата в здании.

Предлагаемый метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов рассматривает потребление инженерными системами зданий электрической и тепловой энергии для поддержания заданных параметров микроклимата в различных типах помещений. Рассмотрены следующие инженерные системы:

•радиаторного отопления;

•естественной вытяжной вентиляции;

•приточной вентиляции;

•приточно-вытяжной вентиляции;

•воздушного отопления;

•пароувлажнения воздуха;

•увлажнения приточного воздуха в оросительной камере;

•кондиционирования воздуха (охлаждение в теплый период). Помимо инженерных систем, потребляющих ресурсы на под-

держание заданных параметров микроклимата, в рамках предлагаемого метода рассмотрены инженерные системы, выполняющие функции энергосбережения:

•система рекуперации энергии удаляемого воздуха;

•система рециркуляции воздуха.

Вкаждой из перечисленных инженерных систем происходит потребление энергетических ресурсов. Это может быть тепловая или электрическая энергия или и то, и другое. Для упрощения автоматизации процесса верификации энергетического баланса необходимо провести декомпозицию неупотребления рассматриваемыми инженерными системами зданий и комплексов. В табл. 1.1 для каждой из рассматриваемых инженерных систем приведены виды потребляемой энергии и цели потребления данных видов энергии.

Для упрощения процесса автоматизации верификации энергетического баланса также необходимо провести декомпозицию потоков энергии в системах энергосбережения. Такая декомпозиция приведена в табл. 1.2.

9

Таблица 1.1

Декомпозиция энергопотребления рассматриваемыми инженерными системами зданий и комплексов

10