Выбрать страницу

Введение

Современное развитие индустрии строительства во многом связано с требованиями повышения энергетической эффективности зданий с учетом обеспечения оптимальных условий комфортности и экономической целесообразности выполняемого проекта.

Зачастую принятие архитектурных и инженерных решений основывается на опыте проектирования аналогичных зданий, умении работать со стандартными подходами или, что хуже, под влиянием рекламы производителей материалов и оборудования. Результатом такого проектирования является необоснованное применение тех или иных положений, влекущих за собой экономическую и энергетическую несостоятельность, либо отказ от применения новых технологий. Указанные опасения особенно актуальны при строительстве ответственных и уникальных объектов с применением нестандартных и инновационных технологий.

Предлагаемая статья имеет целью ознакомить читателя с возможностями компьютерного моделирования зданий, позволяющего на основе детального анализа эффективности применения тех или иных архитектурных и инженерных решений сделать обоснованный выбор лучшего варианта.

Компьютерное математическое моделирование в строительстве

Современное развитие компьютерной техники и программного обеспечения позволяет решать широкий спектр строительных задач. Среди хорошо известных и широко применимых можно выделить: прочностной анализ конструкций, решение задач механики грунтов, вычислительную гидродинамику (CFD моделирование работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха, см. рис.1), акустические расчеты, расчеты естественного и искусственного освещения. Также существуют системы моделирования более специфических задач: расчет теплопередачи в грунте, при определении тепловых потерь заглубленной части здания [1] или при моделировании работы грунтового теплового насоса, расчет движения людей в здании при обычном режиме и при режиме эвакуации, моделировании работы лифтов и т.д.

WC Swimming poolVelo

Рис.1 CFD моделирование работы систем ОВиК в помещении бассейна.

На рисунке изображены поверхности различных скоростей воздуха.

Применительно к рассматриваемой теме энергоресурсосбережения и комфортности зданий следует выделить три основных области компьютерного моделирования [2]:

— тепловые и энергетические процессы: моделирование теплообмена между оболочкой здания и наружным климатом во взаимодействии с системами поддержания микроклимата помещений и потреблением ими энергии, формирование тепловой среды в помещении, оценка комфортности микроклимата помещений.

— светотехнические процессы: моделирование естественного и искусственного освещения или их комбинации с целью исследования возможности применения энергосберегающих стратегий и оценки уровня комфорта.

— аэродинамические процессы: моделирование работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха, оценка возможности применения естественной вентиляции, оценка комфортности микроклимата помещений.

Следует заметить, что вышеназванные процессы тесно связаны между собой, так, например, увеличение площади остекления повысит долю естественного освещения и снизит энергопотребление системы искусственного освещения, но при этом увеличит нагрузку на системы кондиционирования воздуха и отопления. Взаимосвязь принятых решений еще более усложняется экономическим влиянием на капитальные и эксплуатационные затраты строительства.

В статье сделан акцент на моделирование тепловых и энергетических процессов, обобщаемых термином «энергомоделирование», т.к. эти процессы наиболее тесно связаны с энергоэффективностью и комфортом, в то время как к моделированию освещения и движения воздуха, обращаются при необходимости детального анализа отдельных помещений. Здесь стоит сделать оговорку, что термин ‘энергомоделирование’ не является устоявшимся и является примерным переводом иностранных вариантов “Building Energy Modeling” или “Building Performance Simulation”. Теоретические предпосылки применения математического моделирования теплового режима зданий подробно рассмотрены в [3].

Энергомоделирование

Для того чтобы дать представление об энергомоделировании прибегнем к некоторым обобщениям, упрощениям и аналогиям, т.к. подходы к моделированию варьируются в зависимости от задачи и применяемых инструментов. В общем, создается виртуальная модель здания со всеми необходимыми подробностями и моделируется один календарный год из «жизненного цикл» здания, с шагом по времени порядка одного часа, см. рис. 2.

Vensus

Рис.2 Моделирование одного календарного года из «жизненного цикла» здания

Результат позволяет проанализировать эффективность работы, как всего здания, так и каждого отдельного его компонента. Основные принципы энергомоделирования удобно представить, описав его этапы.

В первую очередь строится трехмерная модель исследуемого здания. Модель в первую очередь служит инструментом задания геометрических характеристик и основой для задания граничных условий теплообмена, а во вторую очередь инструментом для анализа и представления результатов. Здание разбивается на зоны, которые чаще всего представляют собой отдельные помещения, однако могут являться группами помещений или отдельными частями помещений, что определяется целью моделирования. Создание трехмерных моделей при существующем программном обеспечении не вызывает больших трудностей и не требует много времени.

Далее в имеющейся трехмерной модели для каждой зоны задаются характеристики ограждающих конструкций и множество других параметров, описывающих параметры помещений: установочные значения температуры систем отопления и кондиционирования воздуха, воздухообмен помещения, принадлежность к конкретным системам поддержания внутреннего микроклимата, мощность освещения, потребление воды, внутренние теплопоступления, потребление энергии оборудованием и т.д. Все упомянутые параметры задаются с привязкой ко времени, начиная от изменений в течение суток, вплоть до вариаций в течение года.

Следующая стадия выполнения проекта энергомоделирования представляется автору наиболее сложной и трудоемкой – это задание систем отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха с соответствующей автоматикой. Трудность создает огромный выбор различных систем и стратегий поддержания микроклимата, различные принципы их работы, специфические характеристики оборудования, см. рис. 3. На рисунке представлена схема центральной системы кондиционирования с переменным расходом воздуха и соответствующая автоматизация. В зеленой области размещается зональное оборудование, в остальной части – центральное. К центральному оборудованию в приведенном  примере относятся секции: калорифера, охлаждения, рециркуляции, рекуперации, приточного и вытяжного вентиляторов, клапанов приточного (есть возможность байпаса рекуператора) и вытяжного воздуха. В области зонального оборудования расположен калорифер, обслуживаемое помещение, есть возможность задания тепловых потерь в сети воздуховодов, перетока воздуха в смежное помещение и местной вытяжки воздуха. Автоматизация моделируется с помощью датчиков и контроллеров температуры воздуха и контроллеров расхода воздуха, подключаемых к соответствующим точкам схемы. Схема не является фиксированной – доступно удаление и добавление любых элементов, возможно создание схемы «с нуля».

Для получения достоверного результата зачастую нельзя пренебречь подробным описанием работы систем, т.к. это напрямую влияет на эффективность их работы, а рассматриваемые системы являются главными потребителями энергии в здании.


VAV_scheme

Рис.3 Моделирование систем ОВиК на примере модуля ApacheHVAC программного комплекса для моделирования IES Virtual Environment.

Далее следует шаг, являющийся вспомогательным для проекта энергомоделирования, но требующий больших затрат времени, понимания физики процессов и их математического описания. На этом этапе выполняется моделирование в отдельных, наиболее ответственных или репрезентативных помещениях – это может быть моделирование воздухораспределения или освещения. Здесь проверяются комфортные условия, такие как скорость и температура воздуха в каждой точке помещения, уровень освещения и наличие яркого раздражающего света. Такие расчеты обычно выполняются для помещений с высокими или специфическими требованиями к параметрам микроклимата, например, бассейны, чистые помещения и т.д., либо для проверки эффективности работы сложных систем. Примерами могут служить применение комбинации естественной и механической вентиляции, применение диммеров для снижения мощности искусственного освещения и пр. Также на этом шаге моделируется работа оборудования, например, грунтового теплового насоса, детальный расчет которого сложен.

Следующий шаг является ключевым при выполнении такого рода расчетов и заключается в моделировании жизненного цикла здания в конкретных климатических условиях и с заданными характеристиками наружных ограждений и параметрами инженерных систем. Для выполнения такого рода расчетов в качестве климатической базы применяется «типовой» год [4], состоящий из усредненных климатических параметров для места строительства, выбранных на основе статистической обработки климатических параметров за большой промежуток времени. В качестве примера представим упрощенный процесс моделирования работы системы отопления:

 Heat_balance2

Рис.4 Составляющие теплового баланса помещения в течение суток

—теплопотери через наружные конструкции; —теплопотери/теплопоступления через внутренние перегородки; —теплопотери с инфильтрующимся воздухом; —теплопоступления от солнечной радиации; —теплопоступления от системы отопления; теплопоступления от людей, света и оборудования.

— на каждом временном шаге из «типового» года, служащего климатической базой, выбирается значение температуры наружного воздуха, соответствующей конкретному часу и выполняется расчет теплопотерь помещения за счет теплопередачи через ограждающие конструкции рассматриваемого помещения и на нагревание инфильтрационного воздуха. Расчет ведется с учетом тепловой инерции здания, с помощью прямого решения одномерных уравнений нестационарной теплопроводности для каждого слоя каждого (наружного и внутреннего) ограждения;

— согласно графикам присутствия людей, работы оборудования и освещения и их мощностям, теплопоступлений от солнечной радиации рассчитывается тепловой баланс помещения, см. рис.4, с учетом процесса нестационарного теплового режима помещения.  Выполняется пересчет температуры внутреннего воздуха в помещении;

— расчет нагрузки на систему отопления в исследуемом помещении с учетом параметров работы термостата на отопительном приборе;

— сбор нагрузок на систему отопления по всему зданию, происходит аналогично вышеописанному расчету по одному из помещений;

— расчет работы центрального отопительного оборудования: бойлеров (с учетом кривых эффективности работы при различных нагрузках), насосов, теплообменников и остального оборудования, в зависимости от типа системы;

— запись в память результатов работы системы отопления.

PV_3D2

Рис.5 Нагрузка на систему отопления в течение года

После этого происходит переход к следующему временному шагу (например, через 1 час), все перечисленные пункты расчета повторяются. В конце концов, мы получаем детальное представление о работе системы отопления здания, как в целом, так и в каждом помещении; как в течение года, так и в каждый интересующий нас момент, см. рис.5.

Области применения энергомоделирования

Область применения энергомоделирования достаточно широка: с целью обоснованного принятия проектных решений на всех стадиях проектирования, начиная от концепции, заканчивая рабочей документацией; при проверке функционирования здания в различных условиях; при комплексной оценке эффективности здания для сертификации здания по рейтинговым системам оценки, таким как LEED и BREEAM. Отдельно отметим использование результатов энергомоделирования в качестве эксплуатационных показателей при анализе экономической эффективности различных вариантов инвестирования средств.

Для различных участников строительного процесса энергомоделирование может представить следующие возможности.

Архитектор – выбор места строительства и ориентации здания по сторонам света, определение оптимальной формы здания, выбор ограждающих конструкций, количества и типа остекления.

Инженер отопления, вентиляции и кондиционирования – выбор принципиальных решений систем поддержания внутреннего микроклимата помещений, определение стратегий автоматизации и контроля над оборудованием, выбор оборудования, проверка работы систем в различных условиях (наружные климатические условия, условия эксплуатации).

Инженер электроснабжения и освещения – выбор осветительного оборудования, применение датчиков движения и освещенности, применение естественного освещения.

Заказчик – понимание применения архитектурных и инженерных решений с точки зрения экономической эффективности и комфорта.

Программное обеспечение

Обзор программного обеспечения выходит за рамки предлагаемой статьи, отметим лишь, что существует огромное разнообразие различных программ и программных комплексов для моделирования работы отдельных систем и для комплексного моделирования энергопотребления зданием [5]. Существуют как коммерческие, так и бесплатные программные продукты, некоторые из которых распространяются с открытым исходным кодом.

Верификация правильности работы программного обеспечения выполняется тремя основными способами:

— эмпирический – сравнение результатов моделирования и результатов натурного исследования определенного здания [6];

— аналитический – сравнение результатов моделирования с известными аналитическими решениями определенной задачи [7];

— сравнительный – сравниваются между собой результаты моделирования различными программами [8].

Американская ассоциация ASHRAE предлагает стандарт для тестирования программного обеспечения для энергомоделирования [9]. Программное обеспечение, выполняющее требование стандарта, получает соответствующий сертификат.

Энергомоделирование в сфере «зеленого» строительства

Оценка энергетической эффективности зданий в рейтинговых системах сертификации «зеленого» строительства, таких как LEED и BREEAM, осуществляется с помощью комплексного компьютерного моделирования энергопотребления здания [10].

Так, система сертификации LEED предполагает выполнение энергомоделирования в соответствии со стандартом ASHRAE 90.1-2010, содержащем исчерпывающие указания по выполнению проекта. Этот же стандарт определяет «базовый» вариант здания, с которым выполняется сравнение, на основании чего оценивается эффективность применяемых проектных решений.

Энергомоделирование как профессия

Международная ассоциация профессионалов сферы энергомоделирования IBPSA (International Building Performance Simulation Association) имеет представительства во многих странах мира и насчитывает более 4700 членов.

В 2009 году ASHRAE запустила систему сертификации специалистов в сфере энергомоделирования. На момент написания статьи, количество сертифицированных специалистов не превышало 300 человек. Их малое число во многом объясняется отсутствием требований к сертификации специалистов такого рода со стороны рейтинговых систем сертификации зданий, таких как LEED.

К сожалению, рынок специалистов в сфере энергомоделирования в России практически отсутствует. Причиной этому являются отсутствие литературы и программного обеспечения на русском языке, новизна сферы и сложность профессии, требующая от специалиста вникания не только в задачи, лежащие в области его образования, но и в ряд смежных областей. Зачастую проекты энергомоделирования зданий, реализуемых в России, выполняются иностранными специалистами.

Опыт выполнения проектов

С целью знакомства с практикой выполнения проектов энергомоделирования далее приводится поверхностный обзор некоторых интересных проектов бюро Engex®, выполненных автором. Моделирование выполнялось с помощью среды для моделирования IES Virtual Environment.

Для 17-ти квартирного жилого дома в тульской области был выполнен проект энергомоделирования для рейтинговой системы сертификации LEED, в соответствии с требованиями Building Performance Rating Method из стандарта ASHRAE 90.1-2007. Согласно результатам моделирования, дом потребляет на 38,8 % меньше электричества и на 14,4 % меньше газа, чем базовый вариант для сравнения. В денежном выражении это заключается в снижении платы за электро- и газоснабжение на 35 %. Жилой дом, также известный как «Дом Надежды», в рейтинговой системе сертификации получает 12 баллов из 19 возможных за снижение энергопотребления, плюс два дополнительных балла за использование возобновляемых источников энергии. Проект дома победил в конкурсе Green Awards в номинации «Жилищное строительство: малоэтажные дома».

В проекте энергомоделирования экспериментальной общеобразовательной школы на 550 мест по ул. Базовская в Москве была проанализирована эффективность применения ряда технологий. В частности, рассмотрена автоматизация системы отопления с целью снижения мощности в ночные часы и выходные дни. За счет понижения температуры помещений до 15 °C, удалось снизить суммарное годовое потребление теплоты на отопление здания школы более чем на 30 %. Такой большой процент объясняется наличием термостатов на приборах отопления и учетом значительных теплопоступлений от учащихся в дневное время, смещающих пиковые тепловые нагрузки помещения на ночное время. Для снижения тепловой инерции здания и сокращения времени прогрева помещений рекомендована легкая отделка в помещениях школы [11]: перлитовая штукатурка для стен и потолка, деревянные полы.

По результатам моделирования жилого дома с открытым бассейном на юге Италии, в области Апулия, была создана концепция рекомендуемых инженерных систем дома. Для рассматриваемого объекта приняты во внимание высокие тарифы на электроснабжение и отсутствие систем центрального тепло- и газоснабжения. После анализа различных вариантов, были рекомендованы технологии, включающие: геотермальный тепловой насос, систему теплых полов и холодных потолков, светодиодное освещение, систему солнечных батарей. Согласно расчетам экономического анализа, окупаемость дополнительных инвестиций произойдет в пределах 6 лет, относительно проекта идентичного дома, с отоплением и кондиционированием на базе сплит-систем и нагревом воды для системы горячего водоснабжения с помощью трубчатых электронагревателей. Оценка уровня комфортности помещений выполнена по методике, предложенной проф. Фангером [12], использующей параметр PPD – процент людей, недовольных тепловым комфортом помещения. Системе теплых полов соответствует значение PPD равное 5%, тогда как отоплению сплит-системами – PPD равное 20%. Разница в полученных значениях объясняется значительным перепадом между средней температурой поверхностей помещения и температурой воздуха для случая отопления сплит-системами.

Заключение

Энергомоделирование является перспективным инструментом комплексного анализа зданий для энергосбережения, повышения экономической эффективности и комфортности. Особенно актуально применение энергомоделирования для уникальных сооружений, при оценке эффективности новых технологий, «зеленого» строительства. Автор выражает благодарность профессору кафедры отопления и вентиляции ФГБОУ ВПО «МГСУ» Е. Г. Малявиной за помощь в подготовке статьи.

 

Литература

  1. Иванов Д.С. Определение теплопотерь заглубленных частей здания расчетом трехмерного температурного поля // Строительство – формирование среды жизнедеятельности: Сборник трудов./Четырнадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов (Москва, 27-29 апреля 2011 г.)./ГОУ ВПО Моск. гос. строит. ун-т. М.: МГСУ. 2011. С. 279-283.
  2. CIBSE Applications Manual AM11: 1998, Building energy and environmental modelling
  3. ASHRAE, 2013. ASHRAE Handbook Fundamentals 2013, Chps. 13, 19, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc., Atlanta, GA.
  4. Гагарин В.Г., Малявина Е.Г., Иванов Д.С. Разработка климатической информации в форме специализированного «типового года» // Вестник ВолгГАСУ, серия Строительство и архитектура, вып. 31 (50), ч. 1: «Города России. Проблемы проектирования и реализации». 2013. С. 343-349.
  5. URL: http://apps1.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/subjects_sub.cfm
  6. Lomas K.J., Eppel H., Martin C.J., Bloomfield D.P. Empirical validation of  building energy simulation programs // Energy and  Buildings. 26(3), 1997. pp. 253—276.
  7. Martin C.J., Seale C.F., Eppel H. Analytical testing of detailed thermal simulation programs // Proceedings of BEP’94, 1994. pp. 27—32.
  8. Judkoff R., Neymark J., Van de Perre R. et  al. A testing and diagnostic procedure for building energy simulation programs // Proceedings of BEP’94, 1994. pp. 103—116.
  9. ANSI/ASHRAE Standard 140-2007: Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs
  10. Kambouris, S. «Зеленое строительство» : рейтинговые системы оценки / Stephania Kambouris // Вентиляция. Отопление. Кондиционирование: АВОК. — 2010. — N 7. — С. 28-34.
  11. Малявина Е.Г., Асатов Р.Р. Влияние теплового режима наружных ограждающих конструкций на нагрузку системы отопления при прерывистой подаче теплоты. Academia №3. 2010 – М. РААСН. c 324-327.
  12.  Fanger P. O. Thermal Comfort. — Copenhagen: Danish Technical Press, 1970. – 244 p.
Free Divi WordPress Theme, Find new Free Android Games at dlandroid24.com