Моделирование энергопотребления зданий – краеугольный камень зеленого проектирования для инженеров

В последние годы в мире произошли серьезные изменения в проектировании и строительстве зданий. Сформировалась новая идеология подхода к решению вечной проблемы человека: как создать комфортную среду обитания, отличную и лучшую по сравнению с окружающей средой. Бурный рост строительной отрасли и промышленности в целом в течение 20 века дали богатый материал для размышления и корректировки стратегии дальнейшего развития [Green BIM]. Подробнее, о том, почему решение проблем «по мере поступления» –неэффективно и влечет за собой множество долгосрочных отрицательных последствий, читайте в статье канд. физ.-мат. наук, ведущего инженера-проектировщика систем ОВиК, компании AECOM, Н. А. Герасимова. 

Так, нефтяное эмбарго 1973 года в США привело, в частности, к существенному сокращению нормативного количества наружного воздуха на человека до 10 м³/ч. За 30 лет это привело к проблеме, получившей название «синдром больного здания» («Sick Building Syndrome»), широко обсуждаемой на государственном уровне [Sick building syndrome report, Standing Committee on Public Works, report 5207, Apr.2001]. Анализ этой и многих других проблем заставили профессионалов разработать новую концепцию – Sustainable Development. К сожалению, в русском языке прижился некорректный перевод данного выражения как «устойчивое развитие». Более близким является термин «гармоничное развитие», он отражает основной смысл идеи – учет всех составляющих в их взаимосвязи и развитии во времени

Реализацией принципов Sustainable Development в строительстве стали рейтинговые системы: LEED, BREEAM, DGBN, Green Star и другие. Они не просто оценивают каждое здание на соответствие принципам sustainability, но и дают указания на то, что конкретно необходимо сделать в проекте и при эксплуатации, чтобы здание стало сертифицированным. Неотъемлемой частью всех рейтинговых систем является моделирование энергопотребления здания – Building Energy Modeling, ВЕМ. Это – комплекс инженерных расчетов, демонстрирующий функционирование здания в течение года на уровне параметров, описывающих процессы потребления энергии. Ключевым словом здесь является «комплекс», энергомоделирование – это уровень расчетов, при котором учитываются все связи между элементами здания и потребителями энергии в актуальных условиях эксплуатации.  В рамках концепции гармоничного развития по-другому и быть не может. Оценочные расчеты по приближенным методикам не дают требуемой картины взаимодействия всех факторов и предоставляют только самые общие результаты. Моделирование – это всегда довольно сложный процесс, ВЕМ – не исключение. Оно выполняется в специализированных программах, алгоритмы которых основаны на физике процессов. В расчете участвует множество факторов и параметров, их грамотное введение в модель – основная задача инженера и залог правильности результатов. В конечном счете, энергомоделирование – это мощный инструмент контроля качества принимаемых решений на всех этапах проектирования и даже эксплуатации здания с позиции его функционирования, экономичности и комфорта.

ВЕМ зародилось в США в 1960 году. Это не опечатка, первая попытка провести комплексный расчет потребления энергии жилым домом была предпринята еще на ламповом компьютере. Уже в 1972 появилась первая коммерческая программа, созданная одним из крупнейших производителей оборудования систем ОВиК – компанией TRANE. Сегодня их программа TRANE TRACE 700 – самая популярная в мире из коммерческих. Энергонезависимость как часть политики национальной безопасности США значительным образом стимулировало развитие направления моделирования энергопотребления. На сегодняшний день это – целая индустрия, в которой участвуют и производители программного обеспечения, и производители оборудования, и фирмы, оказывающие специализированные услуги по моделированию, и, конечно, образовательная сфера, которая готовит таких специалистов, и, наконец, государственные стандарты, в которых прописаны требования к потреблению энергии зданиями на соответствующем уровне. В России ничего подобного нет.

Необходимо четко понимать, что ВЕМ – это всего лишь инструмент в руках проектировщиков. Сам по себе он полезен лишь настолько, насколько опытен использующий его человек. Ответственность за результат, как при любом другом расчете, лежит целиком на нем. В зарубежной практике уже достаточно давно существует система сертификации специалистов по энергомоделированию. Она проводится, например, ассоциациями ASHRAE в Америке и CIBSE в Англии. Любой специалист может пройти онлайн тест и получить документ, признаваемый во всем мире.

Аналогичную процедуру проходит и программное обеспечение. Разработан стандарт ASHRAE 140, которому должны удовлетворять все программы, чтобы иметь право быть использованными в расчетах в рамках сертификации по любой рейтинговой системе.  Однако стоит отметить, что синтетические тесты содержат лишь самые простые случаи, призванные подтвердить работоспособность программ в целом. Реальные модели современных зданий намного сложнее и разные программы будут давать разные результаты расчетов. Кроме того, каждая рейтинговая система устанавливает определенные рамки, в которых должно проводиться моделирование. Необходимо ознакомиться с соответствующими рекомендациями для того, чтобы избежать недоразумений.

Долгие годы моделирование энергопотребления зданий развивалось как самостоятельное направление и раздел проектирования. Однако с формированием концепции гармоничного развития моделированию отведена роль одной из ключевых компонент. Вместе с технологиями информационного моделирования зданий – еще один некорректный перевод с английского, в оригинале Building Information Modeling, BIM – и анализа жизненного цикла здания – Life Cost Analysis – оно является неотъемлемой частью проекта на всем его протяжении.

С помощью современного программного обеспечения, например Autodesk Vasari(с), сегодня стало возможным построение модели энергопотребления здания уже на этапе предпроектных решений. Основное внимание при этом уделяется компоновке здания, ориентации и взаимодействию с окружающей средой и климатом. Чаще всего эти работы выполняются архитекторами, имеющими соответствующий опыт и понимание принципов моделирования.

В ходе дальнейшего проектирования постоянно уточняются исходные данные для ВЕМ-расчетов, результаты которых, в свою очередь, служат для детализации архитектуры и определения влияния на здание в течение жизненного цикла. На стадии «Проект», как правило, расчеты уже выполняют инженеры, поскольку необходимо определить, какие инженерные системы лучше всего подходят для здания и параметры их работы.

Проект при этом развивается циклически, проходя все разделы на определенном уровне проработки. В конце каждого этапа у команды имеется законченная модель здания, описывающая его с архитектурно-конструктивной, инженерной и экологической сторон. Все компоненты и решения согласованы друг с другом и участники четко видят, что необходимо делать дальше, не боясь вступить в противоречия.

Как уже было сказано, основная задача, которая стоит перед проектировщиками – это создание комфортной среды обитания для человека, обеспечиваемой архитектурными и инженерными системами здания. Чтобы рассчитать, что нужно сделать для обеспечения требуемого комфорта, необходимо учесть множество процессов, которые этому препятствуют или способствуют. Краткая схема  моделирования представлена на рисунке 1. Видно, что в расчет включены все основные факторы и механизмы взаимодействия, которые имеют место в реальности. По сути, в ходе проектирования создается некая математическая модель здания, отражающая его работу в реальных условиях. Такая модель называется моделью энергопотребления здания, BuildingEnergyModel, она включает в себя архитектурную модель, связывая ее с инженерными системами. Эта связь описана в математических алгоритмах, на которых построена программа расчета. У инженеров нет необходимости вводить эти алгоритмы, но тем более ответственным является ввод начальных данных.

Все компоненты модели могут быть объединены в 4 основные категории:

• погодные данные
• геометрия здания и окружения
• «расписания» внутренних параметров
• модели систем и оборудования

Погодные данные – это массив параметров окружающей среды таких, как: температура, влажность, давление, скорость ветра, значение солнечной радиации. Эти данные используются даже в ручных расчетах, и часть из них содержится в нормативной документации.Часть – потому что для детального моделирования здания требуется детальная модель окружающей среды. В мировой практике используются массивы почасовых значений каждого параметра. Они представлены в виде отдельных файлов, которые являются исходными данными для программ энергомоделирования. В ходе расчета явным образом учитывается детальная динамика внешних условий, что значительно приближает результаты расчета к реальности. Без почасовых погодных данных моделирование невозможно.  К сожалению, в свободном доступе актуальных погодных данных для России почти нет. Но их всегда можно приобрести за умеренную плату у специальных климатических компаний, например, Weather Analytics, где один файл для любого места на Земле обойдется в 75$.

Геометрия здания и окружения – не менее очевидный и важный компонент в общей модели энергопотребления. Необходимо отметить, что геометрическая модель, участвующая в ВЕМ, может отличаться от исходной архитектурной. Дело в том, что в ходе расчетов теплопереноса, все программы моделирования используют одномерное приближение. Это обязывает все компоненты геометрии быть плоскими многоугольниками – любые кривые линии и поверхности исключены. С одной стороны, это зачастую обязывает тратить время на переделку геометрии под требования расчетных программ. С другой, простота геометрической модели позволяет ее создание даже неискушенным инженерам. В настоящее многие архитектурные программы позволяют экспортировать геометрию зданий в специальные универсальные форматы: gbXML и IFC. Эти файлы затем импортируются в ВЕМ-программы и позволяют избежать рутины при введении геометрии.

В геометрическую модель входят только элементы, участвующие в процессах тепло-массопереноса: внешние и внутренние ограждающие конструкции, элементы внутренней тепловой инерции, затеняющие элементы здания и окружения. Все они, за исключением затеняющих, описываются физическими параметрами материалов, из которых состоят. Обязательными являются базовые параметры: плотность, толщина слоя, теплопроводность, теплоемкость и коэффициенты отражения видимого и ИК-излучения. Эти параметры можно вводить как в архитектурных программах и передавать их в универсальных форматах, так и в самих расчетных программах, например, когда требуется отследить изменения в потреблении энергии в зависимости от изменения ограждающих конструкций, ориентации здания и пр.

«Расписания», Schedules – этопочасовые значения параметров модели, заменяющие стационарные величины, например, расчетную температуру в помещении. Ни одно здание не функционирует стационарно. Меняется количество людей, включается и выключается свет в зависимости от условий освещенности и присутствия людей, включаются и выключаются кондиционеры в зависимости от теплоизбытков от освещения, людей и солнца и т.д. Расчетные величины и внутренние нагрузки здания моделируются не отдельными значениями, а, так же, как и внешние условия, в виде почасовых профилей, по-английски, schedules – «расписания». Это – самый мощный инструмент гибкой настройки модели, возможности ввести и отследить реальную динамику энергопотребления и изменения параметров.

Различают 2 вида «расписаний»: задающие внутренние нагрузки (количество людей, потребление электричества системами освещения и оборудованием, потребление воды) и задающие внутренние параметры (микроклимат в помещениях, параметры работы инженерных систем и др.). Для большинства общественных и административных зданий, а так же для жилья, существуют целые библиотеки «расписаний» первого типа. Эти библиотеки собраны в стандартах ASHRAE и CIBSE на основе многолетних наблюдений. Они позволяют смоделировать внутренние нагрузки типовых помещений, приближая модель энергопотребления к реальному положению вещей. На рис.2 приведен пример суточного профиля заселенности номеров гостиницы в процентах от расчетного числа людей. Конечно, это некоторое приближение, и оно работает тем лучше, чем больше номеров. Но учет динамики заселенности, например, позволяет адекватно рассчитать работу систем вентиляции, сблокированных с присутствием человека в номере. Почти все расчетные программы имеют встроенные библиотеки расписаний из стандартов ASHRAE или CIBSE. В российских нормативах ничего подобного нет, так что приходится полагаться на опыт зарубежных коллег. 

Второй тип расписаний позволяет смоделировать динамику инженерных систем. На рис.3 представлен профиль термостата с функцией ночного охлаждения. Аналогичным образом можно смоделировать изменение расхода наружного воздуха, его температуру, график работы систем, даже условия работы систем в зависимости от других параметров. Например, включать системы отопления, когда на улице температура ниже определенной. В ходе работы инженер может самостоятельно решать, стоит ли усложнять работу систем динамическими процессами или нет. В частности, возможно четко проследить и оценить эффективность применения систем с переменным расходом воздуха, накопительных баков для горячей воды и многое другое.  Подобная детализация просто невозможна в ручных расчетах.

Модели систем и оборудования – это часть математических алгоритмов, заложенных в ВЕМ-программы. В виду большой сложности инженерных систем по сравнению с той же архитектурной составляющей, в большинстве программ предусмотрено 2 уровня их детализации: шаблонный и поэлементный. Шаблоны – это готовые «среднестатистические» системы, которые характеризуются лишь основными параметрами. Например, система вентиляции, совмещенная с фанкойлами, характеризуется только расходом наружного воздуха, температурой приточного и давлением, который создает вентилятор. Полный расход, с учетом рециркуляции, потребление тепла и холода, электрической мощности – рассчитывает программа на основе встроенной модели такой системы и требуемых от нее мощностей. Как и с «расписаниями», многие расчетные программы имеют встроенные шаблоны типовых систем вентиляции, холодоснабжения, отопления и др. И так же эти шаблоны опираются на американские и английские стандарты, регламентирующие, что называется типовой системой, и какова должна быть ее эффективность. Не все эти шаблоны применимы в российской действительности, но у нас, с другой стороны, и этого нет.

Поэлементный уровень детализации предусматривает «сборку» всех систем из основных компонентов. При этом каждый компонент моделируется отдельным набором параметров и характеристик. Это – более сложный и трудоемкий путь моделирования, необходимый лишь, когда не удается воспользоваться шаблоном или когда требуется детальная проработка и настройка модели. Но при этом он дает максимум информации о работе инженерных систем и функционировании здания в целом. 

На уровне шаблонов могут быть описаны не только инженерные системы, но и здания целиком. Так, возможно оценить энергопотребление здания, ограничившись только геометрией без параметров ограждающих конструкций, погодными данными и типом здания. Программы, имеющие соответствующий функционал, применят к данному зданию шаблоны материалов, внутренних параметров и нагрузок и инженерных систем и проведут расчет. Количественный результат при этом будет не слишком точным, но даже такая грубая модель позволит отследить качественные изменения при смене ориентации, компоновки и внутреннего устройства здания за считанные минуты. В этом проявляется главное преимущество моделирования по сравнению с ручными расчетами – целостность и взаимосвязь составляющих.

Принципы, заложенные в понятие гармоничного развития очень далеки от общепринятой практики проектирования. И гнаться за их повсеместным применением на сегодняшнем этапе нет смысла. Однако, энергомоделирование долгие годы существовало и при «классическом» подходе к проектированию. В этом случае оно дополняет раздел «Энергоэффективность» с точки зрения российских норм. Именно дополняет, т.к. расчеты этого раздела выполняются не методами моделирования и их результаты экспертиза совершенно законно не примет. Но применение технологии ВЕМ в проекте позволит связать все разделы в одну модель и принимать решения, основанные на результатах строгих математических расчетов.

Это, конечно, потребует дополнительного времени и трудозатрат. Из практического опыта автор может сказать, что чаще всего модели энергопотребления строятся инженерами ОВ или ЭФ. Геометрию здания при этом приходится вводить вручную, используя архитектуру как «подложку». При этом «интуитивных» знаний не достаточно. Чтобы эффективно использовать инструменты ВЕМ и быть уверенным в правильности результатов, необходимо четко представлять, как работает данная технология. К сожалению, на русском языке нет материалов, которые бы помогли в изучении моделирования энергопотребления, а доступные материалы на английском разрозненны, т.к. в зарубежной практике оно из разряда само собой разумеющегося. Автор рекомендует для начала ознакомиться с руководством к американской программе eQUEST, в нем довольно последовательно и на конкретных примерах показаны основы построения ВЕМ-модели и ее оптимизации.

Моделирование для сертификации по рейтинговой системе лучше всего доверить профессионалам. Система BREEAM даже прямо указывает на то, что моделирование должно выполняться только сертифицированным специалистом. В России постепенно появляются компании, предоставляющие подобные услуги, например, компания АЕСОМ, которая является со-разработчиком стандартов LEED и BREEAM. При этом необходимо помнить, что моделирование должно проводиться с первых этапов проекта, в противном случае может оказаться, что уже законченный проект не проходит по требованиям той или иной рейтинговой системы. Особенно критично это для американской системы LEED, где исторически сложился серьезный перевес в сторону экономии энергоресурсов.

Для того чтобы сертифицировать любое здание в России по любой зарубежной системе, необходимо выполнить энергомоделирование. При этом доля баллов, за которые оно отвечает, составляет примерно 30% от общего количества. Так, в системе LEED возможно получение 19 из 110 баллов только за прямую экономию энергии по сравнению с базовым уровнем. Но не одна энергоэффективность является результатом моделирования. Теоретически, возможно набрать еще 20 баллов, на основе расчетов модели энергопотребления зданий. Это баллы, отвечающие за водосбережение, возобновляемую энергию, качество внутреннего воздуха, инновации, привлечение сертифицированных специалистов. 

В системе BREEAM ситуация несколько более запутанная, т.к. помимо общего числа баллов в ней еще применяется взвешивание. За сбережение энергии и уменьшение выбросов СО2 возможно набрать 15 баллов из 30 в секции. По результатам моделирования так же можно набрать еще 3 балла при применении инновационных технологий аккумуляции холода, 5 из 9 баллов за водосбережение, 8 из 10 для внутреннего комфорта и 2 из 10 за инновации. С учетом веса каждой секции в общей оценке, итоговый процент может составить 28,4% при необходимых 85% для получения сертификата «Outstanding».  

Несколько особняком стоит первая российская рейтинговая система, разработанная СТО НОСТРОЙ и приведенная в документе за номером 2.35.4-2011. Она целиком основывается на существующей нормативной базе и повторяет ее логику. В частности, для пунктов, характеризующих энергопотребление здания, приведены только базовые конечные значения, но совершенно не оговаривается, как эти значения рассчитываются. Так, устанавливается базовый уровень потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания в течение отопительного периода. В российских нормах есть методика расчета этого показателя, но она основывается на величинах, усредненных по всему отопительному периоду, не принимая во внимание динамические эффекты. По опыту автора, расхождение между такой методикой и результатами энергомоделирования могут достигать 30%, ручные расчеты при этом, разумеется, завышают расход энергии. Формально, системой принимаются оба результата. То же относится и к определению естественной освещенности помещений – нормативные методики содержат лишь ручные расчеты, дающие приближенное представление об уровне освещенности, тогда как программы моделирования могут учитывать даже свет, отраженный от стоящих вокруг зданий, что, при нынешней популярности стеклянных фасадов,  может оказать существенное влияние. Суммарно, параметры, которые могут быть рассчитаны с помощью энергомоделирования отвечают за 210 баллов из 650 возможных.

Интересно отметить, что при всей мощи данной технологии ее реализация возможна на бесплатных программах. Так, для создания геометрии все чаще используется программа SketchUp, для которой написана масса модулей для построения модели энергопотребления, например OpenStudio. Расчеты при этом ведутся в одной из самых мощных программ для моделирования EnergyPlus. Но, как и для многих других бесплатных программ, от инженера при этом требуется довольно детальное знание предмета и терпение при вводе исходных данных.

Расчеты для сертификации здания представляют особую сложность, т.к. их необходимо проводить в строгом соответствии с предписаниями каждой рейтинговой системы. Более того, по сути, моделирование необходимо проводить дважды: для определения «базового» уровня на основе «типового» здания и для актуального проекта. Только тогда можно делать корректные выводы о том, насколько удалось сократить потребление ресурсов. Такая методика радикально отличается от отечественной практики , где отсчет ведется от некоего «среднестатистического» уровня, общего для всех зданий.

Энергомоделирование – это целая отрасль. Но оно не стоит особняком, а может стать весьма полезным дополнением к любому проекту. Возможность построить и рассчитать единую модель здания в актуальных условиях эксплуатации, с учетом динамики и реальной физики процессов, дает огромные возможности для принятия проектных решений и контроля их качества. Почасовые профили холодильных и отопительных нагрузок, эффективность рекуперации и тепловых насосов, естественное освещение и влияние на соседние здания, оптимальная ориентация и состав ограждающих конструкций – целый комплекс инженерных расчетов, которые невозможно провести вручную. Но главное, в ходе работы возможен выбор между многими вариантами и их компоновками, и это не потребует начинать все заново, как в ручных расчетах. Автоматизация вычислений при этом не освобождает от необходимости тщательной подготовки исходных данных. Главную роль при этом играет специалист, выполняющий моделирование, и уровень его подготовки. И таким специалистом может стать каждый, при достаточном желании, времени и знании английского языка.