Методология проектирования энергоэффективного здания должна основываться на системном анализе здания как единой энергетической системы. Представление энергоэффективного здания как суммы независимых инновационных решений нарушает принципы системности и приводит к потере энергетической эфф. проекта. Проектирование энергоэффективного здания в соответствии с принципами системного анализа включает в себя три этапа:

построение математической модели тепломассообменных циклов в здании, значит описание их на языке математики;

выбор целевой функции, значит определение ограничивающих условий и формулирование оптимизационной задачи в зависимости от цели оптимизации (снижение затрат энергии на отопление, снижение установочной мощности оборудования, снижение затрат энергии на климатизации в годовом цикле и т. д.);

решение поставленной оптимизационной задачи.

В соответствии с принципами системного анализа целесообразно при проектировании энергоэффективного здания рассматривать две независимые энергетические подсистемы:

наружный климат как ист. энергии;

здание как единая энергетическая система.

Анализ первой подсистемы позволяет вычислить энергетический потенциал наружного климата и определить методы его использования для тепло и холодоснабжения здания. Анализ второй подсистемы позволяет определить характеристики архитектурноконструктивных, теплотехнических или энергетических показателей здания как единой энергетической системы.

Декомпозиция здания как единой энергетической системы может быть представлена тремя основными энергетически взаимосвязанными подсистемами:

энергетическим воздействием наружного климата на оболочку здания;

энергией, накопленной (содержащейся) в оболочке здания, значит в наружных ограждающих конструкциях здания;

энергией, накопленной (содержащейся) внутри объема здания, то есть во внутреннем воздухе, внутреннем оборудовании, внутренних ограждающих конструкциях и т. д.

При необходимости каждая из указанных подсистем может быть представлена методом декомпозиции более мелкими энергетически взаимосвязанными элементами.

Проектирование энергоэффективного здания заключается в оптимизации трех энергетически взаимосвязанных подсистем, указанных в п. Эта оптимизация включает:

определение оптимальных архитектурнопланировочных, теплотехнических или энергетических параметров отдельных элементов здания с учетом взаимосвязи м. ними;

определение оптимальных архитектурнопланировочных, теплотехнических или энергетических параметров здания как единой энергетической системы.

При реальном проектировании выбор оптимальной совокупности взаимосвязанных инновационных архитектурнопланировочных и инженерных решений энергоэффективного здания может быть стеснен рядом ограничений, так называемых «дисциплинирующих условий», которые фиксированы с самого начала и не могут быть нарушены (например, этажность или протяженность здания). При этом ставится задача оптимизации с заданными ограничениями, и цель достигается при получении оптимального решения с учетом заданных ограничений. В этом случае целесообразно ввести показатель тепловой эфф. проектного решения, h, который характеризует отличие принятого к проектированию здания от здания, наиболее эффективного в тепловом отношении:

Здесь Qmin – затраты тепловой энергии на отопление или охлаждение здания, наиболее эффективного в тепловом отношении, Вт; Q – затраты тепловой энергии на отопление или охлаждение здания, принятого для проектирования, Вт. Максимальная тепловая эффективность достигается при h=1.

В соответствии с представлением здания как единой энергетической системы тремя основными энергетически взаимосвязанными подсистемами (п. показатель тепловой эфф. проектного решения может быть записан так:

Здесь h1 – показатель, учитывающий энергетическое воздействие наружного климата на оболочку здания; h2 – показатель, учитывающий энергетическое содержание оболочки здания; h3 – показатель, учитывающий энергетическое содержание внутреннего объема здания.

При проектировании здания можно выделять архитектурные и инженерные решения.

Архитектурные решения

Выбор местоположения здания с учетом климатических особенностей, рельефа местности и существующей застройки в районе предполагаемого строительства.

Общая архитектурнопланировочная концепция здания.

Определение формы и ориентации здания.

Выбор остекления здания (площади и расположения светопроемов) и солнцезащиты.

Выбор конструкции и материалов наружной облицовки.

Выбор объемнопланировочных решений здания (внутренней планировки).

Выбор схемы организации освещения.

Инженерные решения

Выбор источников теплоснабжения, в том числе принцип. возможность использования нетрадиционных источников энергии – солнечных, геотермальных, ветровых и т. д.

Выбор системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха здания.

Выбор конструкции и материалов наружных ограждений.

Выбор системы автоматического (автоматизированного) управления инженерным оборудованием здания.

При проектировании энергоэффективного здания архитектурные решения должныбыть направлены на максимальное использование положительного и нейтрализации отрицательного воздействия наружного климата на тепловой баланс здания, а инженерные решения – на организацию системы климатизации здания, обеспечивающей требуемые параметры микроклимата в помещениях с наименьшими затратами энергии. С учетом этого показатель тепловой эфф. h (п. можно представить в виде произведения двух показателей h=h1h2, где h1=Qarchmin/Q, а h2=Qingmin/Q. Здесь Qarchmin – затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными архитектурными решениями; Qingmin – затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными инженерными решениями. Теперь h1 можно трактовать как критерий мастерства архитектора, а h2 – как показатель мастерства инженера.

Принятие окончательного решения относится к компетенции ответственного лица (чаще группы лиц), которому предоставлено право окончательного выбора и на которого возложена ответственность за этот выбор. Делая выбор, он может учитывать наряду с рекомендациями, вытекающими из математического расчета, так же ряд соображений количественного и качественного характера, которые в этих расчетах не были учтены.

Энергоснабжение здания c использованием энергетических возможностей наружного климата
Наружный климат, тепло земли, водные ресурсы, биомасса и т. д. являются источником энергии, поэтому следует предусмотреть принцип. возможность их использования при помощи тепловых насосов, солнечных коллекторов, ветроэнергетических установок и т. п.

Методической основой для исследования энергетической способности наружного климата (тепла земли, водных ресурсов и т. д.) является статистическая обработка результатов метеорологических наблюдений. При построении математической модели совокупности показателей наружного климата можно использовать, например, детерминированный или вероятностный подходы.

Детерминированный подход основан на использовании реального сочетания совокупности показателей наружного климата каждого географического пункта за многолетний период. Выбираются ежечасные и срочные показатели климата для данного географического пункта, собранные в архивах метеостанции за много лет. Использование такой модели позволяет построить гистограмму распределения частот выходного показателя (нагрузки на систему регулирования теплового режима, температуры помещения, температуры внутреннего воздуха и т. д.), для этого на оси ординат наносят расчетные интервалы времени (шаги по времени), а на оси абсцисс – возможные (ожидаемые) значения выходного показателя. Анализ распределения частот появления выходного показателя позволяет визуально или численно оценивать его обеспеченность.

При вероятностном подходе к построению математической модели совокупности показателей наружного климата изменение этих показателей является случайным циклом, причем нестационарным и многомерным. Показатели климата проявляют взаимные корреляции – как положительные, так и отрицательные. По экспериментальным данным можно построить как одномерные функции распределения показателей наружного климата, так и двухмерные: температура – v ветра, температура – солнечная радиация, температура – относительная влажность, энтальпия наружного воздуха – солнечная радиация. Распределение повторяемостей двухмерного комплекса можно представить в виде поверхности, определяемой рядом статистических характеристик. Так, поверхность, подчиняющаяся закону нормального распределения, полностью описывается пятью статистическими: двумя средними, двумя среднеквадратичными отклонениями и коэффициентом корреляции.

Энергоэффективное здание
Форма, размеры и ориентация здания
Форма, размеры и ориентация здания должны выбираться чтобы было обеспечено максимальное использование положительного и нейтрализовано отрицательное воздействие наружного климата на тепловой баланс здания.

Энергетические характеристики наружного климата включают в себя тепло наружного воздуха, тепло солнечной радиации, энергию ветра. Теплоэнергетическое влияние характеристик наружного климата на различно ориентированные части здания также различно.

Выбор формы, размеров и ориентации здания должен проводиться с учетом цели оптимизации. Цель оптимизации определяется в зависимости от поставленной задачи (табл. 3.3. . Для экономичности топливноэнергетических ресурсов в течение отопительного периода расчет формы, размеров и ориентации здания должен вестись на основе величины удельного расхода тепловой энергии системой отопления проектируемого здания за отопительный период. Для уменьшения установочной мощности системы отопления расчет формы, размеров и ориентации здания должен вестись на основе величины удельного расхода тепловой энергии системой отопления проектируемого здания для наиболее холодной пятидневки.

Наружные ограждающие конструкции здания
Наружные ограждающие конструкции делятся на светонепроницаемые (стены, покрытия, перекрытия) и светопроницаемые (заполнения световых проемов) с солнцезащитными устройствами.

Задача определения оптимальных теплотехнических показателей наружных ограждающих конструкций формулируется в зависимости от совокупности требований, которые к ним предъявляются. Например, могут иметь место следующие формулировки:

Для зданий с «прерывистым» режимом отопления:

«Определить теплотехнические показатели наружных стен, которые при нормативном значении сопротивления теплопередаче обеспечивают минимальный расход энергии в период натопа помещения».

Для зданий, расположенных в сейсмически опасных районах:

«Определить теплотехнические показатели наружных стен, которые при заданной толщине (или весе) конструкции обеспечивают наибольшее сопротивление теплопередаче и наибольшее сквозное затухание наружных тепловых воздействий».

Для зданий, расположенных в теплом (жарком) климате:

«Определить геометрические параметры солнцезащитных устройств, которые в холодный период года обеспечивают максимальное

поступление солнечной радиации в помещение, а в теплый (жаркий) период – минимальные поступления солнечной радиации».

Система климатизации здания
Система климатизации представляет собой совокупность систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха; возможны различные сочетания этих систем.

Обоснование выбора типа (вида) системы климатизации здания имеет своей целью минимизировать затраты энергии на создание требуемого (нормативного) теплового режима. Выбор типа (вида) системы климатизации есть результат решения «задачи оптимального управления»: найти такое управление расходом энергии Q(t) , затрачиваемой на теплоснабжение здания (помещения), которое удовлетворяет уравнению теплового баланса помещения с соответствующими ограничениями и для которого выполняется условие

.

Управление, дающее решение поставленной задачи, называется оптимальным управлением.

Решение «задачи оптимального управления» определяет оптимальную раздачу энергии по помещению и оптимальное управление расходом энергии на климатизацию здания. По этим двум показателям проектировщик подбирает тип (вид) системы климатизации здания (помещения).

Расход теплоты Q(t), затрачиваемой на теплоснабжение здания (помещения), может быть определен на основе решения уравнения теплового баланса внутреннего воздуха:

,

где SiQi – теплота, затрачиваемая на нагрев ограждающих конструкций (тепловые потоки м. внутренним воздухом и внутренними поверхностями ограждающих конструкций); Qinf – теплота, теряемая за счет инфильтрации и воздухообмена; Qeq – теплота, затрачиваемая на нагрев оборудования, расположенного внутри помещения; Qin – теплота, затрачиваемая на нагрев внутреннего воздуха.

Для большинства жилых и общественных зданий, в которых нормируется температура внутреннего воздуха и внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций, и допускается использование «прерывистого» режима отопления, справедливыми являются следующие рекомендации по оптимизации раздачи энергии в помещение и оптимальному управлению его расходом:

нагрев внутреннего воздуха и внутренних поверхностей ограждений осуществлять независимо;

начинать «натоп» с разогрева теплоемких ограждающих конструкций;

использовать такие способы распределения теплоты по помещению, чтобы минимизировать время разогрева теплоемких ограждающих конструкций;

использовать всю имеющуюся в резерве установочную мощность системы отопления.

Система автоматического управления инженерным оборудованием здания
Инженерное оборудование здания включает в себя систему климатизации, освещения, систему водоснабжения и канализации, противопожарную систему и другие системы, управление работой которых может осуществляться при помощи системы автоматического управления.

Система климатизации должна гибко реагировать на изменение климатических условий, параметров воздуха внутри помещений и т. д., что возможно только при управлении ее системой автоматического управления. Основными задачами системы автоматического управления системой климатизации являются:

обеспечение существенной экономичности энергии, затрачиваемой на климатизацию здания;

повышение качества теплового комфорта;

повышение качества теплового контроля технического состояния оборудования системы;

создание банка возможных аварийных ситуаций, их диагностики и рекомендаций по теплоснабжению здания и работе обслуживающего персонала в этих условиях, значит разработка интеллектуального элемента системы климатизации эксплуатируемого здания;

учет фактических теплоэнергозатрат.

Работа системы автоматического управления системой климатизации и учета теплоэнергоснабжения дома основана на математическом моделировании теплового баланса с учетом фактического энергетического воздействия наружного климата и внутренних тепловыделений. Математическая модель представляет собой систему уравнений теплового баланса, описывающую воздухообмен, внутренние теплопоступления (например, от людей в здании, источников освещения и т. д.), наружные климатические воздействия, теплопотери через наружные ограждения за счет теплопроводности и путем фильтрации наружного воздуха, теплосодержания внутреннего оборудования и внутренних конструкций, циклы теплообмена в калориферах.

Повышение адекватности математической модели управления тепловым режимом возможно при ее преобразовании в самообучающуюся модель. Поставленная цель достигается тем, что автоматизированная система содержит имитатор датчиков показателей наружного климата. В начальный период эксплуатации системы время м. циклами управления используется для самообучения системы и вместо реальных датчиков внешних метеоусловий используется имитатор датчиков внешних метеоусловий. Работа системы во время обучения происходит так же, как и во время цикла управления, с той лишь разницей, что входную информацию система получает от имитатора датчиков внешних метеоусловий, а выходную передает программе, моделирующей формирование микроклимата. После того как на очередной математической модели формирования микроклимата обуч. закончится, вводится более сложная математическая модель формирования микроклимата и система, используя накопленный опыт, обучается на этой модели. Как только система начнет достаточно быстро переходить от одной математической модели формирования микроклимата к другой, цикл обучения на моделях заканчивается и система переводится в режим обучения на реальном объекте. Время обучения сокращается за счет того, что в период обучения на математических моделях частота циклов управления увеличивается на два порядка.