Повышение энергоэффективности зданий Кольского научного центра РАН

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

УДК 620.9

А. М. Клюкин, Н. М. Кузнецов, С. Н. Трибуналов

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ КОЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН

Аннотация

Собраны данные по энергопотреблению зданий и выполнен анализ использования энергетических ресурсов. Произведена оценка возможной экономии энергетических ресурсов. Предложен перечень мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности.

Ключевые слова:

энергоэффективность, энергетическое обследование, электропотребление, теплопотребление, затраты на энергоресурсы, энергосберегающие мероприятия.

A. М. Klyukin, N. M. Kuznetsov, S. N. Tribunalov

ENERGY EFFICIENCY OF THE BUILDINGS OF THE KOLA SCIENCE CENTRE OF THE RAS

Abstract

We have collected data on buildings energy consumption and analyzed the use of energy resources. We evaluated the possible energy savings. The list of measures on energy saving and energy efficiency, is proposed.

Keywords:

еnergy efficiency, energy audit, power consumption, heat consumption, energy costs, energy-saving measures.

Во многих странах созданы механизмы стандартизации по уровню энергоэффективности, ставшие обязательным требованием для зданий бюджетной сферы: офисных комплексов, учебных и культурных объектов, зданий здравоохранения. На долю зданий в Европе приходится 41 % всей потребляемой энергии. Из этой энергии 85 % тратится на отопление и охлаждение помещений, а 15 % расходуется в виде электроэнергии (в особенности на освещение). В целом здания потребляют 35 % первичной энергии для достижения комфортных температур в помещении и 6 % электроэнергии. В России площадь общего фонда зданий составляет 5.5 млрд м2, из которых на жилые здания приходится 4.1 млрд м2. Таким образом, практически 80 % всех зданий, строений и сооружений страны - это жилой фонд. Энергопотребление жилыми зданиями составляет 23 % первичной энергии, т. е. почти четверть от всего потребления энергоресурсов в нашей стране [1].

Мерой энергоэффективности является отношение реального потребления к расчетному или оценочному количеству энергии, требуемой для удовлетворения различных потребностей при стандартной эксплуатации здания. При расчете энергоэффективности учитываются следующие виды потребления тепловой и электрической энергии: отопление, горячее

водоснабжение, охлаждение, вентиляция, освещение, другие виды энергопотребления. Тепловая и электрическая энергия для достижения высокой энергоэффективности должны расходоваться в минимальных объемах. Степень энергоэффективности отдельного здания определяется путем ее сравнения с нормируемыми значениями. Она может быть задокументирована, например, в энергетическом паспорте здания. В настоящее время существуют строительные стандарты возведения зданий с низким энергопотреблением. Новые здания следует строить исключительно с учетом стандартов низкого энергопотребления и оборудовать их энергосберегающими функциями систем автоматизации класса энергоэффективности А [2].

Для системы автоматического управления зданием необходимо:

класс А - управление климатом в помещениях с автоматическим учетом потребности в энергии;

класс В - управление климатом в помещениях без автоматического учета потребности в энергии;

класс С - автоматизация основных установок в здании, в помещениях отсутствуют электронные контроллеры или термостатические вентили на радиаторах отопления;

класс Б - без электронных контроллеров в помещениях, без контроля расхода энергии.

Ряд мер может заметно повысить энергоэффективность существующих зданий:

- модернизация инженерных коммуникаций с установкой систем автоматизации зданий;

- установка крайних комфортных значений температур обогрева и охлаждения;

- оснащение системы вентиляции средствами регенерации тепла;

- снижение потерь тепла через ограждающие конструкции здания;

- модернизация старых зданий.

В системе автоматизации здания собирается информация для управления энергопотреблением и другим оборудованием. Кроме того, обеспечивается эффективный контроль расхода энергии.

Энергоэффективность здания определяется как расчетное или реально измеренное количество потребляемой на различные нужды энергии при стандартной эксплуатации здания. Системы автоматизации зданий (САЗ) и средства управления инженерными системами (УИС) оказывают влияние на энергоэффективность по многим аспектам. САЗ обеспечивает эффективную автоматизацию управления отоплением, вентиляцией и охлаждением, подачей горячей воды, освещением и пр., что повышает эффективность эксплуатации и снижает энергозатраты. Сложные интегрированные процессы и функции экономии энергии настраиваются в зависимости от конкретных условий эксплуатации здания и потребностей пользователя, что позволяет не допустить излишнего расхода энергии и выбросов С02. Система автоматизации зданий, в особенности управление инженерными системами, предоставляет информацию для эксплуатации и обслуживания зданий и энергоменеджмента [3]. Сюда относятся функции построения тенденций энергопотребления, подачи сигналов тревоги и выявления потерь энергии.

Система автоматизации зданий и управления инженерными коммуникациями рассчитывается при помощи имитационного моделирования (рис.1). В основе лежат модели теплопотоков, например модель теплопотоков для поддержания заданной температуры в помещениях.

Рис. 1. Модель энергетических потоков здания [4]: 1 - энергия, необходимая для удовлетворения потребностей пользователя в отоплении, освещении, охлаждении и т. д. на уровне, принятом при выполнении расчетов; 2 - «естественный» прирост энергии - солнечный нагрев, охлаждение при вентиляции, освещение дневным светом и пр. вместе с внутренним приростом (люди, освещение, электрооборудование и т. д.); 3 - суммарное потребление энергии в здании, получаемое из (1) и (2) с учетом характеристик самого строения; 4 - поставляемая энергия отдельно для каждого энергоносителя, включая всю вспомогательную энергию, используемую на отопление, охлаждение, вентиляцию, подачу горячей воды и освещение, с учетом возобновляемых источников и комбинированного производства энергии, выражается в единицах энергии или расхода (кг, м3, кВтч и пр.); 5 - возобновляемая энергия, производимая в самом здании; 6 - генерируемая энергия, производимая в здании и поставляемая на рынок, в нее может входить

и часть энергии

Общий процесс расчета заключается в прохождении по потокам энергии слева направо в соответствии с вышеописанной моделью. Приведенная модель является лишь схематичной иллюстрацией и не описывает все возможные варианты. Например, подземный тепловой насос использует электричество и возобновляемую энергию из тепла земли. Генерируемое в здании при помощи солнечных батарей электричество может применяться как в самом здании, так и передаваться в электросеть. Помещения являются источниками спроса на энергию. Соответствующие установки вентиляции и кондиционирования, система отопления и освещения должны гарантировать комфортные условия в помещениях по параметрам температуры, влажности, качества воздуха и освещенности. Энергия подается в соответствии с потребностями пользователя, что позволяет максимально сократить ее потери при выработке и распределении. Различные функции систем автоматизации зданий согласуются с моделью спроса и предложения, например установки, выполняющие регулирование передачи тепловой энергии потребителям (батареи отопления, охлаждаемые потолки, системы кондиционирования с переменным расходом воздуха), могут использовать различные носители (вода, воздух, электричество). Поэтому для реализации данной функции могут применяться различные САЗ. Регулирование по потребности основывается на информации о наличии людей в помещении, поступающей от датчика присутствия или датчика времени. Информация о присутствии людей в помещениях используется для управления отоплением, охлаждением, а также вентиляцией и кондиционированием воздуха.

В системе автоматизации зданий должны быть установлены специальные функции мониторинга для обнаружения ошибок.

1. Временные графики работы. Это особенно необходимо в зданиях, в которых люди находятся непостоянно. Функции мониторинга должны включать как минимум выведенный на экран график или индикатор времени, когда вентиляторы включены и система охлаждения работает, система отопления находится в нормальном режиме, освещение включено.

2. Уставки. Функции мониторинга должны включать график или индикатор, позволяющий видеть общую картину различных температурных уставок обогрева и охлаждения.

3. Одновременный обогрев и охлаждение. Если система приводит к одновременному обогреву и охлаждению, функции мониторинга должны быть заданы так, чтобы избежать или свести к минимуму одновременный обогрев и охлаждение. Переключение между обогревом и охлаждением также должно отслеживаться.

4. Приоритет энергоисточникам с наилучшими энергетическими характеристиками. Если несколько систем выработки энергии с различными энергетическими характеристиками могут использоваться для выполнения одной и той же функции (например тепловой насос или солнечный накопитель, работающие как в качестве основного, так и в качестве дополнительного источника), функции мониторинга должны быть заданы так, чтобы контролировать очерёдность.

Функции мониторинга позволяют учитывать текущие климатические условия, внутреннюю температуру, внутренние выделения тепла, виды использования горячей воды и освещения, качество внутреннего воздуха. Функция мониторинга может быть использована для подготовки и вывода

на дисплей графиков энергопотребления, выдачи отчётов о текущих показателях комнатной температуры и качества воздуха. В зданиях, где нет постоянного присутствия людей, эти функции должны быть различными для периодов присутствия и отсутствия.

Одним из важнейших целевых показателей эффективного использования энергии для учреждений бюджетной сферы являются удельные величины потребления энергетических ресурсов [5, 6].

При обследовании технического состояния и эффективности функционирования разных систем теплоснабжения двух однотипных зданий 21А и 37А, расположенных на территории Академгородка Кольского научного центра РАН, выполнены следующие работы:

- анализ режимов работы системы отопления;

- анализ состояния теплоизоляции и потери теплоты на внутренних тепловых сетях;

- анализ данных об объемах используемых энергетических ресурсов;

- анализ финансовых затрат на энергоресурсы (табл.);

- анализ данных инструментального обследования систем энергоснабжения;

- тепловизионное обследование зданий.

Структура потребления энергоресурсов и финансовые затраты

Здание Энергоресурс Размерность 2012 г. 2013 г. 2014 г. 2015г.

21А Электроэнергия тыс. кВт-ч 18.2 16.4 14.2 16.1

тыс. руб. 56.7 56.6 52.5 65.4

т. у. т. 6.3 5.7 4.9 5.1

Теплоэнергия Гкал 45.3 75.4 86.3 82.4

тыс. руб. 68.3 119.8 133.5 125.8

т. у. т. 6.7 11.2 12.8 12.2

Всего тыс. руб. 124.9 176.3 186.0 191.1

т. у. т. 13 16.9 17.7 17.3

37А Электроэнергия тыс. кВт-ч 91.9 92.3 91.1 88.9

тыс. руб. 289.6 314.1 338.1 355.0

т. у. т. 31.7 31.8 31.4 27

Полезная площадь помещений зданий - 330 и 320 м2, объем помещений зданий 970 и 940 м3 соответственно. Вместе с тем системы отопления имеют существенную разницу. Теплоснабжение здания 21А осуществляется от централизованной системы (рис.2), а здание 37А - децентрализовано от электрокотла.

Измерения расхода теплоносителя в системе отопления указанных зданий производилась с помощью портативного ультразвукового расходомера «Portaflow-330», не требующего врезки в трубопровод [7]. На подающем трубопроводе й = 50 мм устанавливались специальные датчики для измерения времени распространения ультразвукового сигнала (рис.3). Разница временных интервалов, за которые звук проходит определенное расстояние в обоих направлениях, прямо пропорциональна скорости потока жидкости в трубе. На основе этих данных прибор определяет объемный расход (м3/ч) жидкости (рис.4). Результаты измерений показали, что расход горячей воды на отопление в обеих системах практически одинаковый, но температура на подающем трубопроводе от электрокотла ниже, чем в централизованной системе отопления.

Рис. 2. Схема тепловых сетей зданий

Рис. 3. Установка датчиков ультразвукового расходомера

-21 А -37 А

Рис. 4. Осцилограмма измерений

Массив данных помесячного электропотребления по зданиям в графическом виде представлен на рис.5. Следует отметить, что если потребление электроэнергии по зданию 21А в течение года условно можно считать более равномерным, то по зданию 37А график более похож на график теплоснабжения за исключением летнего периода, когда отопление отключено. Вместе с тем по зданию 21А в летний период, особенно существенно в переходный период (в июне и сентябре), возрастает электропотребление (в отдельные годы в два-три раза), что обусловлено дополнительным обогревом помещений электрообогревателями (рис.6). Обычно отопительный период заканчивается в последней декаде мая и начинается со второй декады сентября.

а

3000 -'

2500 -'

1500 1000 500 0

т

I "Ч

9  ^^ I я и И1 и ИИ и 1И ! И I _ И 111

I I I |1 Е1 I I I 1311111 I

январь февраль

март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь

2012 г.  2013 г.  2014 г. П2015 г.

4000

3500

2000

б

°1 _

04

II

Д11  I  11п ИIИIИIИ г

январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь  2012 г.  2013 г.  2014 г. П2015 г.

14000

12000

10000

8000

6000

4000

2000

Рис. 5. График помесячного потребления электроэнергии: а - здание 21А; б - здание 37А

Рис. 6. Электропотребление в весенне-летне-осенний период по зданию 21А

Для сравнения объемов потребленных энергоресурсов по зданиям приведем все величины к одному показателю - тоннам условного топлива:

1000 кВт-ч = 0.3445 т. у. т. (электроэнергия);

1 Гкал = 0.1486 т. у. т. (тепловая энергия).

Из представленных на рис.7 величин объемов потребленных энергоресурсов, приведенных к единицам условного топлива, видно, что расход электроэнергии по зданию 37А в среднем в 2-3 раза выше, чем расход энергоресурсов (электроэнергия и теплоэнергия) по зданию 21А. Аналогичный результат наблюдается и при сравнении финансовых затрат по оплате потребленных энергоресурсов (рис.8).

21а 37а 21а 37а 21а 37а 21а 37а 21а 37а 2010 2011 2012 2013 2014

теплоэнергия в т.у.т.  электроэнергия в т.у.т.  37а электроэнергия в т.у.т.

Рис. 7. Объем потребленных энергоресурсов по зданиям в т. у. т.

Рис. 8. Затраты на оплату энергоресурсов по зданиям

В качестве мероприятий по энергосбережению зданий, не требующих значительных капиталовложений, предложены: замена устаревшего неэффективного электрокотла в здании 37А, установка автоматизированного теплового узла в здании 21А.

Электрокотлы малой мощности применяются для горячего водоснабжения технологических процессов, а также для отопления (рис.9) и горячего водоснабжения коммунальных и культурно-бытовых помещений, удаленных от источников центрального теплоснабжения. Использование котла для горячего водоснабжения требует наличия теплообменника, в первичный замкнутый контур которого включается электрокотел, а из вторичного производится отбор горячей воды. Циркуляция воды через электрокотел осуществляется с помощью циркуляционного насоса.

Рис. 9. Принципиальная схема теплоснабжения: 1 - электрокотел; 2 - предохранительное устройство; 3 - вентиль; 4 - теплообменник; 5 - система горячего водоснабжения; 6 - циркуляционный насос; 7 - прямая и обратная вода системы отопления; 8 - система отопления

Расход тепла Q (ккал/ч) для отопления жилых и общественных зданий может быть определен по укрупненным показателям - удельной тепловой характеристике q ( ккал/м3ч град ) по формуле:

Q = а • q • (^ - ¿2) • V,

где V — строительный объем здания в м3 по наружным габаритам; ¿1 - средняя температура отапливаемого помещения (18о С); ¿2 - расчетное значение температуры наружного воздуха; q — коэффициент, учитывающий изменение удельной тепловой характеристики в зависимости от климатических условий.

Мощность электрокотла Р (кВт) определяется по формуле: Р = Q/860.

Работа электрокотла основана на прямом преобразовании электроэнергии в тепловую энергию при прохождении электрического тока через воду, находящуюся между электродными пластинами. В электрокотел через входной (нижний) патрубок подается вода, через выходной (верхний) патрубок нагретая вода поступает в систему теплоснабжения. Требуемый режим работы электрокотла (требуемая потребляемая мощность) может быть выбран за счет подключения разного количества пакетов электродов. Номинальная потребляемая мощность может составлять 15, 10, 5 кВт при включении 3, 2, 1 пакетов электродов соответственно.

Возможная экономия для здания 37А при автоматизации энергопотребления по времени суток (дневной - ночной режим), выходным и праздничным дням может достигать до 50 % (115 тыс. руб.).

Для эффективного использования энергоресурсов и возможности регулирования потребления тепловой энергии в системе отопления в здании 21А необходимо установить автоматизированный тепловой пункт с датчиками температуры наружного и внутреннего воздуха. По соответствующей программе регулятор может осуществлять понижение температуры воздуха в помещениях в ночные часы и выходные дни, что наиболее актуально для зданий бюджетной сферы. Автоматизированное управление отопительной нагрузкой позволяет получить экономию в осенне-весенний период, когда распространенной проблемой является наличие перетопов, связанное с особенностями центрального качественного регулирования тепловой нагрузки на источниках теплоснабжения. Принципиальная схема установки системы автоматического регулирования отопительной нагрузки с циркуляционными насосами приведена в [5].

Расчетная часовая тепловая нагрузка здания на отопление составляет, Гкал/ч:

* = е

г • 24

где Q - годовое потребление тепловой энергии на отопление здания (Гкал); г - продолжительность отопительного периода (сут).

Организация дежурного регулирования отопления предполагает снижение температуры воздуха в помещениях здания до ^ =14 оС. Часовая нагрузка на отопление в данном случае составит, Гкал/ч:

а д = а

" " - С )'

где 1Н - средняя температура наружного воздуха за отопительный период;

1в - расчетная температура воздуха в помещениях (18 0С).

Годовой расход тепловой энергии на отопление здания при организации дежурного отопления и 9-часовом рабочем дне организации, Гкал:

Од = (ач  9+ад-15) • ^р+ад •

где zр - количество рабочих дней в отопительном периоде; гв - количество выходных и праздничных дней в отопительном периоде.

Экономия тепловой энергии от внедрения дежурного отопления за отопительный период, Гкал:

Абд = ббд •

Общая экономия тепловой энергии за счет организации автоматизированного теплового пункта, Гкал:

АО = АОд + к  О,

где к - коэффициент эффективности регулирования тепловой нагрузки в осенне-весенний период.

Годовая экономия в денежном выражении, тыс. руб.:

АЭ = АО  Т-10"3,

где Т - тариф на тепловую энергию (руб/Гкал).

Годовая тепловая нагрузка на систему отопления здания - 100 Гкал. Температура воздуха в помещении - 18 оС.

Средняя температура наружного воздуха за отопительный период составляет - 4 оС.

Длительность отопительного периода г = 266 дн. Тариф на тепловую энергию Т = 2000 руб. Продолжительность рабочего дня - 9 ч.

Количество дней за отопительный период: рабочих - 200, нерабочих - 66. Годовая экономия в денежном выражении, тыс. руб.:

АЭ = АО  Т-10-3 = 32.6  200010-3 = 65.2.

Таким образом, несмотря на почти двойную экономию в денежном выражении при осуществлении предлагаемых энергосберегающих мероприятий, расходы по оплате энергоресурса от централизованной системы теплоснабжения для здания 21А значительно ниже затрат по электроотоплению.

По обобщенной оценке экспертов, распределение тепловых потерь в здании примерно следующее: 25 % через ограждающие конструкции здания, 25 % через светопрозрачные конструкции, 50 % через вентиляцию. На рис.10, 11 показаны теплопотери в обследуемых зданиях через ограждающие конструкции. Тепловизионное обследование фактического теплотехнического состояния поверхности наружных ограждающих конструкций зданий для выявления утечек тепла через оконные проемы, стены, цокольную часть зданий, стыки стен и чердачных конструкций проводилось в вечернее время с 18:00 до 19:30. В этот период температура атмосферного воздуха была -10 ... -12оС, воздуха в обследованных помещениях +20...+22оС, отсутствовали осадки и туман. Анализ результатов термографической съемки позволил выявить наиболее характерные группы дефектов ограждающих конструкций и световых проемов обследуемых зданий. К ним можно отнести следующие:

- потери тепла через стены под оконными проемами (в местах установки радиаторов отопления);

- через стыки стен и крыши;

- через цокольную часть зданий;

- утечки тепла через деревянные окна первого этажа здания 37А;

- потери тепла в местах закладки оконных проемов.

Россия, ввиду ее территориального расположения, разнообразия климатических условий, имеет принципиальные отличия от стран Европы в потреблении энергетических ресурсов коммунальным комплексом. Климатические условия определяют градусо-сутки отопительного периода (ГСОП), величина которых зависит от средней температуры наружного воздуха и продолжительности отопительного периода. Непосредственно уровень потребления тепловой энергии зданием определяется разностью температур внутреннего и наружного воздуха и теплофизическими характеристиками здания. Если в странах Европы для расчетов уровня потребления принимается температура наружного воздуха чуть ниже 0 °С, то для России диапазон температур очень широк (для Якутска -64 °С). Если принимать за основу европейские уровни удельного потребления энергетических ресурсов, то в каждом регионе их достижение требует гораздо больших экономических затрат, чем в европейских странах. В большинстве регионов страны эти затраты не окупятся за счет стоимости сэкономленных энергетических ресурсов.

На рисунке 12 приведены графики зависимости тепловых потерь через ограждающие конструкции здания в зависимости от региона [8]: чем больше ГСОП (т. е. чем холоднее регион), тем теплоизоляционный слой для экономии одинакового количества тепловой энергии будет более толстым и дорогим.

Следовательно, для каждого региона стоимость сэкономленной энергии будет разная, разной будет и грань, за которой увеличение толщины теплоизоляционного слоя перестанет себя окупать за счет сэкономленной энергии.

Здание 21А Здание 37А

Рис. 10. Термограммы окон 1-го этажа

Здание 21А Здание 37А

Рис. 11. Термограммы зашитых оконных проемов

Рис. 12. Годовые тепловые потери через ограждающие конструкции здания

Выводы

1. Для каждого региона России необходимо устанавливать свои экономически обоснованные уровни удельного потребления энергетических ресурсов.

2. Выполнение энергосберегающих мероприятий и мероприятий по оборудованию зданий техническими средствами, предназначенными для экономии энергетических ресурсов, необходимо реализовывать после их экономического обоснования для конечного потребителя.

Литература

1. Терентьев Д. М. Повышение энергоэффективности зданий, строений и сооружений. Задачи Минстроя России // Энергосбережение. 2015. № 3. С. 18-21.

2. Свод правил СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. М.: Минрегион России, 2012. 100 с.

3. ГОСТ Р ИСО 50001-2012. Система энергетического менеджмента. Требования и руководство по применению. М.: Стандартинформ, 2013. 28 с.

4. Автоматизация зданий - влияние на энергоэффективность. Решения для инфраструктуры. SIEMENS. 134 с.

5. Клюкин А. М., Кузнецов Н. М., Трибуналов С. Н. Энергетическое обследование - основа эффективного управления энергопотреблением // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2015. № 2 (28), вып. 10. С. 72-82.

6. Клюкин А. М., Кузнецов Н. М., Трибуналов С. Н. Повышение энергетической эффективности бюджетных организаций // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2015. № 8 (34), вып. 11. С. 16-24.

7. ГОСТ Р. Измерение и верификация энергетической эффективности. Общие положения по определению экономии энергетических ресурсов. М.: Стандартинформ, 2015. 72 с.

8. Цыганков В. М. Энергоэффективность и энергосбережение при капитальном ремонте зданий // Энергосовет. 2016. № 1 (43). С. 12-16.

Сведения об авторах

Клюкин Александр Михайлович,

заместитель директора Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, Академгородок, д. 21А, эл. почта: kluk@ien.kolasc.net.ru

Кузнецов Николай Матвеевич,

ведущий научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, Академгородок, д. 14, эл. почта: kuzn55@mail.ru

Трибуналов Сергей Николаевич,

инженер лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, Академгородок, д. 14, эл. почта: 81555@bk.ru