Формирование системотехнических принципов энергоэффективности зданий

БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ. ГЕОЭКОЛОГИЯ

УДК 69.01

Р.М. Алоян, Л.А. Опарина, Н.И. Варамашвили*

ФГБОУВПО «ИГАСУ»,

*ФГБОУ ВПО «Ивановский институт ГПСМЧС России»

ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ

Выявлена проблема поиска методологических основ организации строительного производства энергоэффективных зданий. Предложена методологическая основа строительного производства энергоэффективных зданий, заключающаяся в применении принципов системотехники строительства к обеспечению энергоэффективности зданий. Сформулированы системотехнические принципы энергоэффективности: функционально-системный, вероятностно-статистический, имитационно-моделирующий, интерактивно-графический, инженерно-экономический. Указаны направления внедрения предложенных принципов.

Ключевые слова: системотехника строительства, энергетическая эффективность зданий, принципы, системный подход.

Одной из важнейших проблем современной строительной отрасли является проблема обеспечения необходимого уровня энергетической эффективности зданий. В развитых странах проблема повышения энергоэффективности зданий решается уже около полувека. Зарубежными учеными доказано, что строительная отрасль стала крупнейшим потребителем энергии, причем проблема энергоэффективности касается не только будущих, но и существующих зданий. Европейская энергетическая политика направлена на сохранение и рациональное использование энергии в зданиях, для этого разработаны и приняты директивы EPBD 2002/91/EC и EPBD 2010/31/ EU, нацеленные на содействие экономически эффективному улучшению общей энергетической эффективности зданий [1].

В России также существует и активно решается проблема повышения энергетической эффективности зданий. Сформировалось понятие «энергоэффективное здание» — это строение, совокупность планировочных, конструктивных и инженерных решений которого обеспечивает необходимый потребительский уровень комфортности при нормативных или меньших затратах на энергоресурсы [2]. Был принят Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», который установил, что здания, строения, сооружения должны соответствовать требованиям энергетической эффективности, установленным уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в соответствии с правилами, утвержденными Правительством РФ. Таким образом, энергоэффективность за рубежом давно развивается, а Россия находится в начале пути. Несмотря на принятие основополагающего закона № 261-ФЗ, до сих пор не разработаны и не внедрены действенные механизмы и правила его реализации. За время реализации закона было принято большое количество противоречащих друг другу документов. Очевидно, что при сохранении сложившейся ситуации системы

© Алоян РМ. , Опарина Л.А., Варамашвили Н.И. , 2012

147

вестник 812012

энергоэффективности в России не будет. И это очень большая проблема, требующая системного подхода во всех отраслях народного хозяйства. Считаем, что в рамках комплексного решения данной проблемы в строительной отрасли необходима оптимизация организационных структур и производственных процессов в строительстве, требующая применения методов системного и процессного подходов к моделированию процессов жизненного цикла энергоэффективных зданий [3]. Учитывая сложность, многоаспектность данной задачи, можно утверждать, что ее решение требует от современной науки разработки такой методологии организации строительного производства, которая позволяла бы обеспечивать энергоэффективность зданий не только на стадии проектирования, но и на всех стадиях жизненного цикла [4].

Здания представляют собой сложные системы (с экономического, технического, технологического, экологического, социального и эстетического аспектов, которые должны быть приняты во внимание), в которых все подсистемы влияют на общую эффективность работы, и взаимозависимость между подсистемами играет важную роль. Создание энергоэффективных зданий представляет собой комплексную проблему, которая включает архитектурно-планировочные, строительные и теплотехнические решения зданий, элементы систем инженерного обеспечения заданного микроклимата, ведение технологического процесса и расположение объектов на местности по отношению к странам света, источникам энергоснабжения (теплоснабжение, газоснабжение, электроснабжение) [5]. Считаем, что разработка методических подходов к обеспечению энергоэффективности зданий должна осуществляться на основе фундаментальных и современных наук, таких как системотехника строительства. Данное утверждение основано на том, что энергоэффективное здание является сложной энергетической системой, представляющей собой не простое суммирование элементов, а особое их соединение, придающее всей системе в целом новые качества, отсутствующие у каждого из них. Системотехника как научно-техническая дисциплина изучает созданные человеком сложные технические, организационные, управленческие системы, к которым в полной мере относятся автоматизированные системы управления, планирования, проектирования, строительства. Становление и развитие системотехники строительства связано не только и не столько с его компьютеризацией, сколько с изменившимся инженерным мышлением. Оно необходимо для проектирования, строительства и эксплуатации сильно усложнившихся объектов и систем, проявивших неизвестные ранее проблемы, в том числе стыковые [6].

Для решения проблемы повышения энергоэффективности зданий, совершенствования методологии организации строительного производства считаем необходимым формирование и применение новых принципов, учитывающих системный подход к строительству и специфику энергоэффективности, т.е. системотехнических принципов, основанных на общих принципах системотехники и новых требованиях к энергоэффективности.

1. Функционально-системный принцип энергоэффективности зданий. Системообразующим фактором является конкретный результат (целевая функция) функционирования системы, тогда как система — это комплекс избирательно вовлеченных элементов, взаимосодействующих достижению заданного полезного результата. Этот принцип полностью соответствует жизненному циклу энергоэффективных зданий как строительных систем, где сложность иерархии, множество целей, несо-подчиненность и ненадежность критериев по отдельным подсистемам делают весьма актуальным достижение конечного результата по вводу и функционированию объектов строительства и многим другим показателям. Именно результат — достижение зданиями необходимого уровня энергоэффективности — является системообразующим фактором в строительном производстве и требует переориентации многих организационно-технологических и управленческих решений, которые еще часто

принимаются без подчинения их достижению конечного результата, о чем свидетельствуют многочисленные разрозненные нормативно-методические акты, нормирующие энергоэффективность зданий.

2. Вероятностно-статистический принцип энергоэффективности зданий. Модульность и многовариантность — один из главных принципов обеспечения гибкости строительного производства [4]. В строительстве длительность, сметная стоимость, трудоемкость и другие показатели являются вероятностными в силу воздействия на них случайных факторов, поэтому они должны характеризоваться распределениями, отражающими вероятности достижения запроектированной величины этих показателей. Это утверждение в полной мере относится и к энергетической эффективности зданий, уровень которой находится в некоторых пределах и зависит от вероятностного изменения исходных данных (проектных решений) и влияния внешних условий (процессов строительства и эксплуатации, испытывающих влияние как внутренних, так и внешних воздействий). Изучение на основе вероятностно-статистического принципа моделей и методов, применяемых для исследования таких сложных систем, как энергоэффективные здания, показало, что проблемы строительного производства могут решаться только с помощью вероятностных моделей, в которых рассматриваемые переменные (энергопотребление, теплозащита и др.) являются случайными величинами. При этом необходимо сразу отбросить предположение, согласно которому определенным значениям переменных всегда соответствует одно, поддающееся расчету, значение целевой функции. Необходимо принять, что значение целевой функции выражается статистическими распределениями, находящимися в стохастической зависимости от всех статистических распределений значений параметров системы.

3. Имитационно-моделирующий принцип энергоэффективности зданий. Этот принцип заключается в исследовании сложных систем при помощи методов математического моделирования. В строительстве с его сложными организационно-технологическими и управленческими системами моделирование становится единственно возможным методом исследования. Этот принцип находит все большее применение в моделировании энергоэффективных зданий, так как системы проектирования, строительства и эксплуатации энергоэффективных зданий, безусловно, относятся к классу наиболее сложных систем, как по своей структуре, так и по функционированию. Сложные функциональные системы характеризуются показателем эффективности, в качестве которого принимают функционал от процесса функционирования. Например, в качестве основного показателя энергетической эффективности зданий согласно СНиП 23-02—2003 «Тепловая защита зданий» принят удельный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания за отопительный период, величина которого зависит от процесса функционирования здания как единой энергетической системы. Применение имитационно-моделирующего принципа связано с усложнением строительных систем, организации их функционирования в условиях требований к энергоэффективности, когда увеличивается число параметров, наиболее существенно отражающих функционирование системы и достижение заданного результата. Проблема может быть сформулирована в виде многоцелевой оптимизационной задачи, характеризующейся наличием нескольких и конкурирующих целей, набором возможных решений, которые не предопределены, но неявно определяются набором параметров и набором ограничений, которые должны быть приняты во внимание для достижения оптимального решения [7]. Одним из перспективных направлений реализации имитационно-моделирующего принципа является функциональное моделирование. Функциональное моделирование жизненного цикла энергоэффективных зданий представляет собой сложнейшую задачу, решение которой требует применения специальных методик и инструментов, а именно CASE-технологий (Computer

вестник 8/2012

Aided System Engineering — автоматизированный системный инжиниринг), представляющих собой методологию проектирования информационных систем, а также набор инструментальных средств, позволяющих в наглядной форме моделировать предметную область, анализировать эту модель на всех этапах разработки и сопровождения информационных систем и разрабатывать приложения в соответствии с информационными потребностями пользователей [8].

4. Интерактивно-графический принцип энергоэффективности зданий. Методология организации и управления современным строительным производством в условиях повышения требований к энергоэффективности зданий требует применения графических способов представления информации и ее корректировки и использования в интерактивном режиме. В этой связи актуальным становится применение различных технологий моделирования энергоэффективных зданий, использующиеся на этапах проектирования, строительства и эксплуатации. В настоящее время в архитектурно-строительное проектирование широко внедряются системы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта (EPD), информационного моделирования (BIM), а также 4D технологии моделирования зданий с привязкой к календарному графику строительства. В течение жизненного цикла здания информация может изменяться, дополняться и объединяться. Информационная модель существует в течение всего жизненного цикла здания и даже дольше. Содержащаяся в ней информация может изменяться, дополняться, заменяться, отражая текущее состояние здания. Таким образом, информационное моделирование зданий позволяет совмещать работу над проектом не только в пространстве, но и во времени [9]. Применение интерактивно-графического принципа позволяет управлять жизненным циклом здания, осуществлять сбор и комплексную обработку в процессе проектирования всей архитектурно-конструкторской, технологической, экономической и иной информации о здании, в т.ч. о потреблении энергоресурсов и показателей энергоэффективности, со всеми взаимосвязями и зависимостями, когда здание и все, что имеет к нему отношение, рассматриваются как единый объект. Применение этого принципа позволяет создавать и корректировать динамические базы показателей, характеризующих энергоэффективность зданий.

5. Инженерно-экономический принцип энергоэффективности зданий. Согласно данному принципу, оценку энергоэффективности зданий необходимо производить не только с технической, но и с организационной и экономической точек зрения. Отсутствие комплексных показателей и критериев оценки экономической эффективности — наиболее существенный методологический недостаток применяемых методов оценки энергетической эффективности в строительстве. Большинство показателей, как правило, лимитированы одним из видов энергетических ресурсов или не позволяют оценить здание как единую энергетическую систему. Показатели, применяемые в настоящее время, подходят для расчета энергоэффективности зданий только на стадиях проектирования и строительства, а на стадии эксплуатации зданий постоянное вычисление их не имеет экономического смысла. Считаем, что их применение недостаточно для мотивации собственников к повышению уровня энергоэффективности зданий [10]. Действующие методики по определению экономической эффективности проектных, строительных и эксплуатационных решений в достаточной степени не учитывают экономические интересы ни отдельных участников инвестиционно-строительного процесса, ни строительной отрасли страны в целом. Единственным ориентиром является программа по снижению энергоемкости в 2020 г. по отношению к 2007 г. ВВП на 40. Внедрение рекомендуемых мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности зданий считается, в основном технически сложным и экономически неоправданным. Актуальность этой проблемы возрастает в связи с развитием региональных и федеральных целевых программ по

энергосбережению и внедрением новых методов управления зданиями, требующих также согласования локальных целей с глобальными и внедрения единых требований к оценке экономической эффективности энергосберегающих мероприятий.

Реализация сформулированных системотехнических принципов энергоэффективности обусловлена их интеграцией в существующую систему организации строительного производства и нормативно-правовое поле требований к энергоэффективности. Оценочными критериями реализации являются определенные значения целевых показателей в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Считаем, что выполнение требований к энергоэффективности зданий требует комплексного подхода к организации строительного производства. Кроме нормируемых значений удельного расхода тепловой энергии в зданиях необходимо обеспечить необходимый уровень комфортности при экономии затрат на другие энергоресурсы и соблюдения комфортного микроклимата при оптимальных затратах материальных и финансовых ресурсов. Выполнение этой сложной задачи возможно только при помощи методологических подходов, учитывающих все стороны зданий как сложных систем. Внедрение системотехнических принципов позволит обеспечить необходимый уровень энергоэффективности на всех стадиях строительного производства. Предлагаемые принципы могут быть использованы при разработке механизмов достижения заданных в 261-ФЗ целевых показателей и при утверждении правил и нормативов, так как они основаны на достижениях современной фундаментальной науки — системотехники. Применение принципов системотехники позволит системно решать сложные задачи организации строительства энергоэффективных зданий, а также поддержания необходимого уровня энергоэффективности на всех стадиях их жизненного цикла.

Таким образом, реализация системотехнических принципов должна стать методологической основой строительного производства энергоэффективных зданий и способствовать повышению энергетической эффективности в рамках не только нормируемых показателей, но и всей строительной отрасли в целом.

Библиографический список

1. Ehsan Asadia, Manuel Gameiro da Silva, Carlos Henggeler Antunesc, Luhs Diasc. Multi-objective optimization for building retrofit strategies: A model and an application // Energy and Buildings. 2012. № 44. С. 81—87.

2. Опарина Л.А. Определение понятия «энергоэффективное здание» // Жилищное строительство. 2010. № 8. С. 2—4.

3. Алоян Р.М., Петрухин А.Б., Опарина Л.А., Ставрова М.В. Функциональное моделирование как организационный инструмент проектирования, строительства и эксплуатации энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2012. № 2. С. 2—5.

4. Опарина Л.А. Обоснование применения методологии процессного подхода к моделированию жизненного цикла энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2011. № 5. С. 8—10.

5. Крупнов Б.А. Об энергоэффективности и экономии тепловой энергии в зданиях различного назначения // Вестник МГСУ 2011. № 7. С. 85—89.

6. Гусаков А.А. Системотехника строительства / Рос. акад. наук. М. : Стройиздат, 1993. 368 с.

7. ТеличенкоВ.И., ЛапидусА.А., Морозенко А.А. Информационное моделирование технологий и бизнес-процессов в строительстве. М. : Изд-во АСВ, 2008. 144 с.

8. Опарина Л.А. Развитие технологий моделирования жизненного цикла зданий // Жилищное строительство. 2012. № 1. С. 28—29.

9. Ильин В.В. BIM-информационное моделирование зданий // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2011. № 3. С. 72—75.

10. Алоян Р.М., Петрухин А.Б., Опарина Л.А. Интегральный показатель энергоэффективности как основа организационного механизма строительства и эксплуатации энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2012. № 3. С. 46—48.

Поступила в редакцию в мае 2012 г.

вестник 8/2012

Об авторах: Алоян Роберт Мишаевич — доктор технических наук, чл.-корр. РААСН, профессор, и.о. проректора, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ИГАСУ»), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, prorekt-1@igasu.ru;

Опарина Людмила Анатольевна — кандидат экономических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ИГАСУ»), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, L.A.Oparina@gmail.com;

Варамашвили Нина Игоревна — аспирант, старший инспектор отделения комплектования переменного состава отдела кадров, ФГБОУ ВПО «Ивановский институт Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий» (ФГБОУ ВПО «Ивановский институт ГПС МЧС России»), 153040, г. Иваново, проспект Строителей, д. 33, V-nina@yandex.ru.

Для цитирования: Алоян Р.М., Опарина Л.А., Варамашвили Н.И. Формирование системотехнических принципов энергоэффективности зданий // Вестник МГСУ 2012. № 8. С. 147—153.

R.M. Aloyan, L.A. Oparina, N.I. Varamashvili

DEVELOPMENT OF SYSTEMS ENGINEERING PRINCIPLES OF THE ENERGY EFFICIENCY OF BUILDINGS

The authors have developed a set of systems engineering principles of the energy efficiency of buildings. International and domestic scientists have proven that the construction industry is the major consumer of energy. The problem of energy efficiency applies both to future and to existing buildings. The authors have identified the problem of finding a new energy efficient methodology of organization of the construction process.

The authors also provide their definition of an energy efficient building. The principles of systems engineering of energy efficient buildings are also formulated in the article. The principle of a functional system means that the energy efficiency represents a systemic factor of the construction process. The probabilistic-statistical principle means that the energy efficiency of the construction process is variable because of exposure to random factors, so they should be characterized by the distributions that reflect the probability of attaining the projected values of any parameters of impact. The principle of simulation means that simulation is the only possible method of research in respect of any building taken as a complex organizational, technological and management system. The principle of interactive graphics means that the methodology of organization and management of a modern building requires the application of graphical methods of information presentation and their adjustment to the increased energy consumption rate. The principle of integration of engineering and economic constituents means that the assessment of the energy efficiency of buildings must take account of engineering, organizational and economic issues.

The authors believe that the implementation of the principles of systems engineering for the purposes of energy efficient buildings should serve as the methodological basis of construction to promote the energy efficiency of the construction industry.

Key words: systems engineering, energy efficient buildings, principles, systemic approach.

References

1. Ehsan Asadia, Manuel Gameiro da Silva, Carlos Henggeler Antunesc, Luhs Diasc. Multi-objective Optimization for Building Retrofit Strategies: a Model and an Application. Energy and Buildings. 2012, no. 44, pp. 81—87.

2. Oparina L.A. Opredelenie ponyatiya «energoeffektivnoe zdanie» [Definition of an Energy Efficient Building]. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2010, no. 5, pp. 2—4.

3. Aloyan R.M., Petrukhin A.B., Oparina L.A., Stavrova M.V. Funktsional>noe modelirovanie kak organizatsionnyy instrument proektirovaniya, stroitel>stva i ekspluatatsii energo-effektivnykh zdaniy [Functional Modeling as an Organizational Tool of Design, Construction and Operation of Energy Efficient Buildings]. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012, no. 2, pp. 2—5.

4. Oparina L.A. Obosnovanie primeneniya metodologii protsessnogo podkhoda k modelirovaniyu zhiznennogo tsikla energoeffektivnykh zdaniy [Substantiation of Application of the Methodology of the Process Approach to the Modeling of the Life Cycle of Energy Efficient Buildings]. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2011, no. 5, pp. 8—10.

5. Krupnov B.A. Ob energoeffektivnosti i ekonomii teplovoy energii v zdaniyakh razlichnogo naznacheniya [About the Energy Efficiency and Thermal Energy Efficiency inside Buildings That Have

Different Functions]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 7, рр. 85—89.

6. Gusakov A.A. Sistemotekhnika stroitel'stva [Systems Engineering of Construction]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1993, 368 p.

7. Telichenko V.I., Lapidus A.A., Morozenko A.A. Informatsionnoe modelirovanie tekhnologiy i biznes-protsessov v stroitel'stve [Information Modeling of Technologies and Business Processes in Construction]. Moscow, ASV Publ., 2008, 144 р.

8. Oparina L.A. Razvitie tekhnologiy modelirovaniya zhiznennogo tsikla zdaniy [Development of Technologies of Modeling of the Life-cycle of Buildings]. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012, no. 1, рр. 28-29.

9. Il'in V.V. BIM-informatsionnoe modelirovanie zdaniy [BIM-Informational Modeling of Buildings]. Ventilyatsiya, otoplenie, konditsionirovanie vozdukha, teplosnabzhenie i stroitel'naya teplofizika [Ventilation, Heating, Air Conditioning, Heat Supply and Thermal Physics]. 2011, no. 3, рp. 72—75.

10. Aloyan R.M., Petrukhin A.B., Oparina L.A. Integral'nyy pokazatel> energoeffektivnosti kak osnova organizatsionnogo mekhanizma stroitel>stva i ekspluatatsii energoeffektivnykh zdaniy [Integral Index of Energy Efficiency as a Basis for an Organizational Mechanism of Construction and Operation of Energy Efficient Buildings]. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012, no. 3, рр. 46—48.

About the authors: Aloyan Robert Mishaevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences, Vice-Rector, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering (ISUACE), 20 8ogo Marta St., Ivanovo, 153037, Russian Federation; prorekt-1@igasu.ru;

Oparina Lyudmila Anatol'evna — Candidate of Economic Sciences, Associated Professor, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering (ISUACE), 20 8ogo Marta St., Ivanovo, 153037, Russian Federation; L.A.Oparina@gmail.com;

Varamashvili Nina Igorevna — postgraduate student, Senior Inspector, Personnel Department, Ivanovo Institute of State Firefighting Service of the Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters (IISFS of EMERCOM of Russia). 33 prospekt Stroiteley, Ivanovo, 153040, Russian Federation; V-nina@yandex.ru.

For citation: Aloyan R.M., Oparina L.A., Varamashvili N.I. Formirovanie sistemotekhnicheskikh printsipov energoeffektivnosti zdaniy [Development of Systems Engineering Principles of the Energy Efficiency of Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 8, pp. 147—153.