Современные технологии существенного снижения энергопотребления зданий - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

7772
Современные технологии существенного снижения энергопотребления зданий

Рассмотренные в первой части этой статьи «пассивные (безотопительные)» дома, хорошо себя зарекомендовавшие в ряде западноевропейских стран с мягким климатом, в случае их постройки в странах с резко континентальным климатом, в том числе в России и на Украине, в холодное время года должны иметь надежно работающую систему отопления. Такие дома принято называть «активными», т.е. такими, которые с помощью установленного на крышах домов и в подпольном пространстве инженерного оборудования (солнечных батарей, коллекторов, тепловых насосов, рекуператоров, грунтовых теплообменников и т.п.) могут вырабатывать больше энергии, чем потребляют жители дома.

Система энергосбережения «активного дома» включает в себя две составляющие: активную, основанную на использовании возобновляемых источников энергии в системе отопления и горячего водоснабжения, и пассивную, основанную на строительных технологиях проектирования и строительства домов, обеспечивающих минимальное энергопотребление за счет грамотного проектирования здания к сторонам солнечного света и использования других архитектурно-строительных инноваций.

Таким образом, «активный дом», вырабатывающий достаточное количество энергии для комфортного проживания в нем жильцов, характеризуется следующими основными отличительными особенностями:

• в доме существенно снижены расходы на отопление и горячее водоснабжение за счет использования геотермального теплового насоса и солнечных коллекторов, а также рекуператора в принудительной системе вентиляции с рекуперацией тепла выходящего из дома воздуха;

• в доме также дополнительно снижено энергопотребление за счет правильной ориентации по сторонам света (что позволяет экономить на отоплении до 40% обычных затрат), выбора оптимальной формы здания, эффективной теплоизоляции ограждающих конструкций (стен, крыши, фундамента) и использования других энергосберегающих технологий;

• коэффициент естественной освещенности такого дома, как правило, превосходит соответствующий показатель «пассивного дома»;

• инженерные системы «активного дома» интегрируются в единую автоматизированную систему управления (АСУ) домом, которая измеряет и контролирует температуру, силу ветра на улице, освещенность, уровень углекислого газа, влажность и другие показатели;

• «активный дом»оказывает минимальное воздействие на экологию окружающей его местности.

 

Инженерное оборудование «активного дома»

Современный «активный дом» оснащают солнечными батареями, коллекторами, тепловыми насосами, рекуператорами, грунтовыми теплообменниками и другим инженерным оборудованием, потребляющим исключительно энергию, вырабатываемую самим домом.

В зависимости от функционального предназначения, различные типы инженерного оборудования «активного дома» представляют собой отдельные (и в то же время функционально взаимосвязанные) инженерные системы, краткая характеристика которых приведена ниже.

Система отопления и горячего водоснабжения

В «активном доме» применяется хорошо себя оправдавшая, высоконадежная и не создающая проблем в обслуживании система отопления и горячего водоснабжения, осуществляемая через геотермальный тепловой насос и размещаемые на крыше домасолнечные батареи. Последние, как правило, в состоянии покрыть до 60% потребности в горячей воде и до 8…10% – в отоплении.

Принципиальная схема функционирования геотермального теплового насоса показана на рис.1, где обозначено:

1 – горячий теплообменник;

2 – расширитель;

3 – холодный теплообменник;

4 – компрессор.

В соответствии с этой схемой тепловой насос отбирает тепло из одного места (обычно из участка земли, окружающего отапливаемый дом, где температура практически остается неизменной в течение года уже на глубине нескольких метров) и передает собранное тепло в другое место – в систему отопления (или горячего водоснабжения) дома.

Для сбора тепла используется незамерзающая жидкость, которая протекает по трубе, зарытой в землю на 30…50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе (на практике 0,7…1,2 м). Так как расстояние между трубами обычно применяемого в «активных домах» горизонтального грунтового теплообменника (коллектора), являющегося одним из ключевых элементов теплового насоса, составляет 1,2…1,5 м, то для установки теплового насоса производительностью 10 кВт требуется участок земли площадью около 350…400 м2.

Превращение накопленной в природе низкотемпературной тепловой энергии в тепло для нагрева, как следует из показанной на рис.1 схемы, происходит в трех контурах:

• в грунтовом контуре 1 свободное тепло переходит от окружающей среды к незамерзающей жидкости и подается к тепловому насосу при температуре около 0°С;

• в контуре фреона 2 тепловой насос поднимает температуру полученного тепла до 100°С;

• в контуре холодного теплообменника 3 тепло от фреона передается в систему отопления и распространяется по дому.

Следует отметить, что в климатических условиях Украины и России тепловой насос работает в таких режимах: зимой забирает тепло из грунта и отдает его в систему отопления, а летом он забирает тепло из дома и сбрасывает его в землю, т.е. охлаждает дом. В случае недостаточности в сильные морозы тепла из внешнего контура, применяют, так называемую, бивалентную схему отопления, при которой в паре с тепловым насосом работает небольшой электродвигатель.

Отметим, что благодаря применению современных энергосберегающих технологий, затраты на отопление «активного дома» обходятся в 1,5–2,0 раза дешевле, чем обычного коттеджа такой же площади.

Принудительная система вентиляции с рекуперацией тепла выходящего воздуха

Основой такой системы вентиляции является блок вентиляции, оснащенный вентиляторами, теплообменником-рекуператором тепла, устройствами управления, фильтрами и т.п. К этому блоку из отдельных помещений дома подходят два воздуховода – вытяжной, через который воздух забирается из помещения и выводится наружу дома, и входной, через который свежий воздух с улицы через воздухозаборник попадает в блок вентиляции, а оттуда в помещения дома.

Зимой оба потока воздуха, теплый из помещений и холодный с улицы, встречаются (но не смешиваются) в теплообменнике-рекуператоре. При этом теплый уходящий воздух отдает тепло входящему в дом воздуху, а свежий подогретый воздух поступает в помещения дома. Рекуператор тепла позволяет экономить до 25% энергии, расходуемой на отопление дома, по сравнению с системой вентиляции без рекуператора.

Блок вентиляции, как правило, оснащают фильтрами очистки воздуха от пыли, аллергенной пыльцы растений, устройствами увлажнения, подогрева и охлаждения воздуха. Чаще всего забор воздуха в систему вентиляции производится через грунтовый теплообменник – трубу длиной несколько десятков метров, проложенную в земле ниже глубины промерзания грунта. Один конец этой трубы присоединяется к воздухозаборнику блока вентиляции, а другой, открытый конец, выводится выше поверхности грунта. В зимний период воздух, проходя по трубе грунтового теплообменника, подогревается теплом земли, а летом, наоборот, – охлаждается.

Таким образом, используемая в «активных домах» принудительная система вентиляции с рекуперацией тепла выходящего воздуха:

• обеспечивает необходимый воздухообмен во всех помещениях дома независимо от атмосферных условий;

• позволяет легко регулировать и автоматизировать воздухообмен в широком диапазоне изменений объема воздуха, а также в зависимости от различных показателей микроклимата в помещениях;

• осуществляет подготовку подаваемого в помещение свежего воздуха путем его фильтрации, подогрева или охлаждения, увлажнения или осушения;

• экономит значительное количество тепловой энергии благодаря использованию теплообменника-рекуператора тепла отходящего воздуха.

Интегрирование инженерных систем «активного дома» в единую автоматизированную систему управления домом

Роль автоматизированной системы управления (АСУ) «активным домом» в решении проблемы экономного потребления энергии при одновременном повышении комфортности жилья и безопасности жильцов исключительно велика. Такая система должна координировать работу привычных инженерных систем, таких как освещение, электроснабжение, вентиляция и кондиционирование воздуха, тепло- и холодоснабжение, видеонаблюдение, пожарная и охранная сигнализации и др. Она также должна предотвращать дублирование функций инженерных систем, осуществлять согласование режимов работы систем с суточными изменениями наружной температуры, погодных условий, привычками жильцов и т.д. Кроме того, АСУ должна поддерживать такое распределение энергии в «активном доме», при котором энергия на поддержание максимально комфортной среды расходуется не во всем доме, а только в отдельных его помещениях и только в то время, когда это необходимо.

Исходя из выше сказанного, в единую АСУ «активным домом», осуществляющую взаимодействие между отдельными инженерными системами этого дома, включаются следующие системы:

• система освещения;

• климат-система (отопление, кондиционирование, вентиляция);

• охранная сигнализация;

• система видеонаблюдения;

• управление электроприводами.

Кратко охарактеризуем функции, выполняемые каждой из этих систем.

Система освещенияпозволяет как вручную, так и автоматически практически из любого места управлять освещением в любом помещении дома, в том числе на основе световых сценариев, заложенных в программе «активного дома», позволяющих сопровождать человека светом при его перемещении по комнатам (следящий свет), автоматически определять яркость падающего из окна света (утро или вечер) с регулированием внутреннего и внешнего освещения и т.п.

Климат-системапозволяет как вручную, так и автоматически поддерживать в каждом помещении «активного дома» определенные индивидуальные значения температуры, влажности и притока свежего воздуха. Тепловые приборы, в зависимости от уличной температуры и нужной скорости прогрева того или иного помещения дома, могут быть выбраны и включены на необходимую мощность, причем изменять температуру в любом помещении по своему желанию легко из любой точки дома. В случае сильного ветра или дождя автоматика сама закрывает окна, а в жаркий летний полдень автоматически включает кондиционеры, опускает жалюзи. В системе климат-контроля, так же, как и в системе освещения, возможно создание «сценариев», например, в случае прихода гостей включается вентиляция и кондиционирование, которые начинают работать с повышенной мощностью, увеличивая приток свежего воздуха для создания приятной прохлады.

Охранная сигнализация, являющаяся одной из важных составных частей системы домашней автоматизации, взаимодействует автоматически, дополняя другие инженерные системы. При этом появляются и дополнительные возможности этой системы. Так, сигнал о вторжении в дом может быть отправлен не только на любой из пультов наблюдения охранных структур, но также может передаваться на любой заранее указанный телефон или пейджер, что позволяет в режиме реального времени получать отчет о действиях охранной структуры. Принципиальным отличием систем сигнализации «активного дома» от других аналогичных систем является выполнение ими не только привычных функций обычной охранной сигнализации, но и реагирование на аварийные события, такие, например, как утечка воды в системах водоснабжения и отопления и др. Такое реагирование проявляется в том, что в ответ на возникновение аварийных ситуаций система не только информирует жильцов дома об этих событиях, но и сама может принимать меры по поступающим от датчиков сигналам, например, перекрывать нужные трубопроводы и отключать аварийные участки цепей электроснабжения.

Система видеонаблюденияпозволяет выводить на сенсорный экран все происходящее в каждом помещении «активного дома», а также на подходе к нему. При этом с видеокамер информация передается на видеорегистраторы, оборудованные встроенными датчиками движения, после чего записывается на видеокассеты или CD. Кроме того, с сенсорной панели можно управлять видеокамерами: поворачивать их, изменять разрешение, переводить в автоматический режим работы.

Управление электроприводами избавляет жильцов «активного дома» от необходимости самостоятельно вручную открывать/закрывать жалюзи, шторы, рольставни, гаражные ворота и другие механизмы, что требует не только затрат времени и физических усилий, но и вносит определенный элемент дискомфорта. Управление всеми этими механизмами осуществляется с помощью сенсорных выключателей и сенсорных панелей. При этом управление электроприводами всех этих механизмов легко интегрируется с другими системами «активного дома», например, шторы или жалюзи при выборе сценария «Вечер» сами закрываются, а при выборе сценария «Утро», наоборот, открываются.

В заключение краткого обзора функций, выполняемых отдельными инженерными системами «активного дома», отметим, что управлять этими системами можно с любого удаленного компьютера, подключенного к Интернету. При этом АСУ такого дома будет регулярно посылать хозяину дома по электронной почте сообщения о техническом состоянии инженерных системам дома, о присутствии людей, о погоде и т.п.

 

Программа «Образцовый дом 2020»

В настоящее время люди проводят до 90% времени в зданиях, на жизнеобеспечение которых расходуется более 40% всей производимой в мире энергии. При этом в Европе до 30% зданий не обеспечивают здоровый микроклимат в помещениях.

В связи с этим исключительную актуальность приобрела разработка нового поколения энергосберегающего жилья, обеспечивающего комфорт проживания людей и здоровый, с достаточным количеством свежего воздуха и дневного света климат в помещениях. Инициативу в разработке Программы строительства такого жилья, получившего название «жилье будущего», которое к тому же отличается высоким качеством архитектуры, взяла на себя датская компания «VELUX».

Так была разработана Программа «Образцовый дом 2020», в рамках которой в течение последних пяти лет в Дании, Великобритании, Германии, Австрии, Франции и России были построены и заселены жильцами, подписавшими контракт на один год (с целью апробации условий проживания), семь полномасштабных экспериментальных зданий, при проектировании и строительстве которых были реализованы три основных принципа сбалансированного дома: применение энергоэффективных технологий, высокая степень комфорта и минимальное воздействие на климат.

Поскольку ограниченный объем этой статьи не позволяет детально проанализировать основные отличительные особенности каждого из построенных в рамках этой Программы зданий, кратко охарактеризуем только два из них – самое первое, построенное в Копенгагене (Дания), университетское здание, получившее символическое название «Зеленый маяк», и впервые построенный в России, в Подмосковье, на территории Пригорода «Западная Долина», индивидуальный жилой дом.

 

Датское университетское здание «Зеленый маяк»

«Зеленый маяк» представляет собой построенное в 2009 г. двухэтажное энергосберегающее здание цилиндрической формы (рис.2) площадью 950 кв. м, способное самостоятельно вырабатывать энергию.

Цилиндрическая форма здания выбрана с цельюснижения тепловых потерь фасада здания и более эффективного использования естественного солнечного света в течение всего дня, поскольку в каждый момент времени одно из окон практически перпендикулярно солнечным лучам. В жаркое время года здание в основном охлаждается с помощью естественной вентиляции, осуществляемой через находящиеся на его крыше окна (которые автоматически открываются и закрываются с тем, чтобы непрерывно обеспечивать приток свежего воздуха в нужном объеме и не допустить излишнего нагрева), а также через отводящие тепло термоактивные бетонные полы.

Крыша здания имеет направленный на юг уклон, позволяющий максимально вырабатывать электроэнергию солнечными панелями, установленными на части крыши.

Система собственного энергоснабжения здания состоит из беспрецедентного сочетания теплового солнечного отопления, геотермальных насосов, сезонного хранилища, фотоэлектрических солнечных элементов и центрального отопления. При этом основным источником электроэнергии, обеспечивающим освещение, вентиляцию и водоснабжение «Зеленого маяка», являются установленные на крыше солнечные панели, занимающие площадь 76 м2. Потребность в отоплении «Зеленого маяка» на 65% покрывается за счет центрального отопления и на 35% за счет солнечных коллекторов и теплового насоса. Все вместе – 30 кВт·ч/м2год.

Себестоимость одного квадратного метра здания довольно высока – около 5000 ЕUR. Однако в дальнейшем, при массовом использовании энергосберегающих технологий, положенных в основу «Зеленого маяка», цена квадратного метра будет непрерывно снижаться. К тому же, здание в процессе его эксплуатации позволяет значительно экономить энергию, что является существенным фактором в Европе, где цена отопления и электроэнергии крайне высока.

 

Первый российский «активный» жилой дом

Первый в России «активный» жилой дом общей площадью 230 м2, спроектированный, построенный и оснащенный в соответствии с европейской концепцией Active House, был открыт в сентябре 2011 г. в Подмосковье на территории Пригорода «Западная Долина» (рис.3). Источниками тепла этого дома служат Солнце и прилегающий к дому земельный участок, т.е. дом полностью не зависит от внешнего электро- и газоснабжения и практически не нуждается в отоплении. Отопление и горячее водоснабжение дома обеспечивают геотермальный тепловой насос, размещенный под паркетной доской, и установленные на крыше дома солнечные батареи.

Качественная теплоизоляция, передовые строительные технологии, а также максимально используемая в доме естественная вентиляция обеспечивают в пять раз более низкое, чем по СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», энергопотребление дома. Кроме того, снижению энергопотребления дома способствует также оснащение его окон автоматически открывающимися и закрывающимися солнцезащитными элементами (маркизетами), создающими хорошее освещение и обогрев дома за счет солнечной энергии в обычные дни. В жаркий период года маркизеты предотвращают перегрев дома.

На отопление «активного дома» в год требуется всего 33 кВт·ч/м2 тепловой энергии, а ее общий расход с учетом всего потребления энергии составляет около 90 кВт·ч/м2год. В Подмосковье отсутствуют здания с подобными показателями.

Рассмотрим более подробно основное инженерное оборудование первого российского «активного дома».

Геотермальный тепловой насос новейшей конструкции Danfoss DHP-L Opti Pro 10 с модулем пассивного охлаждения (рис.4) включается только в холодное время года при недостатке тепла от солнечных коллекторов для обогрева полов дома. Трубы этого насоса находятся в земле на глубине 30 м и способны извлекать тепло из почвы даже зимой; когда же в доме становится жарко, тепловой насос охлаждает пол, извлекая из земли холод.

Солнечные коллекторы VELUX (модель CLI 5000) общей площадью около 15,6 м2, установленные на крыше с южной стороны фасада «активного дома», аккумулируя солнечное тепло, покрывают до 60% потребности дома в горячей воде и до 8% – в отоплении. Оставшаяся потребность в горячей воде покрывается за счет теплового насоса, отапливающего дом зимой.

Характерно, что практика применения в домах различного назначения солнечных коллекторов в условиях имеющего место в России и на Украине резко континентального климата показала их большую эффективность по сравнению с солнечными батареями, поскольку солнечные коллекторы могут собирать рассеянный солнечный свет даже в условиях облачности, и, таким образом, получаемая ими энергия в состоянии полностью покрывать потребности жильцов дома в горячей воде с мая по октябрь месяц.

Рекуператор Zehnderпомогает в холодное время года тепловому насосу совместно с системой вентиляции с рекуперацией тепла, отбирающей у выходящего воздуха до 90% тепла, осуществлять обогрев дома.

Интеллектуальная система управления микроклиматом помещений, разработанная компанией Window Master, на основе полученных с помощью датчиков данных об измерении таких параметров, как влажность, уровень углекислого газа, яркость солнечного света, скорость и направление ветра, внутренняя и наружная температура воздуха и др., регулирует уровень естественной и искусственной вентиляции дома. При этом температура воздуха в жилых помещениях дома поддерживается системой на уровне 20…22°С в холодное и 23…25°С в теплое время года при уровне влажности около 50%. Параметры внутреннего микроклимата заносятся в систему управления микроклиматоми контролируются с учетом индивидуальных пожеланий жильцов дома.

Солнечная батарея. В российском «активном доме» используется маломощная солнечная батарея площадью около 7 м2, вырабатывающая 2,5 кВт·ч электроэнергии в сутки. Батарея интегрирована в архитектуру фасада в вертикальном положении с целью предотвращения скапливания на ней снега. Использование солнечной батареи ограниченной мощности связано, в первую очередь, с отсутствием возможности в России и на Украине сброса вырабатываемой «чистой» электроэнергии в общую электросеть с последующим зачетом в темное время суток или с целью продажи государству, как, например, это делается в европейских странах. Использование же аккумуляторов для накопления электроэнергии наносит вред окружающей среде и, тем самым, противоречит «зеленым» тенденциям. Поэтому электроэнергия вырабатывается солнечной батареей днем.

Теплые полыDanfoss системы SpeedUp, имеющей высокую степень теплоизоляции подложки пола и поэтому практически исключающие «паразитные» потери тепла, обеспечивают комфортную температуру пола и оптимальный температурный градиент по высоте помещений «активного дома».

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus