Методика пространственно-временного моделирования энергоснабжения зданий и сооружений (4D энергоаудита) компании CPS

Бурное развитие вычислительной техники, информационных технологий наложило отпечаток и на сферу энергосбережения и энергоэффективности. Анализ энергетических балансов зданий и сооружений, проводимый с помощью пространственно-временного моделирования позволяет выявлять существенный потенциал энергосбережения, который обнаруживается при обычных методах расчета энергетических балансов.

Компания CPS (ООО «Корпоративные Энергетические Решения СНГ») предложила методику пространственно-временного моделирования (4D энергоаудита). Такого рода моделирование проводится с использованием баз метеорологических данных за несколько десятков лет по всем метеостанциям Земли через каждый час. Полученный в результате моделирования массив энергетических балансов представляет вероятностную картину энергетических режимов по каждому помещению на длительную перспективу эксплуатации здания.

Ценность результатов моделирования в том, что полученная картина энергетических балансов позволяет уйти от парадигмы наихудшего варианта при проектировании инженерных систем зданий (все факторы одновременно принимают наихудшее значение), что приводит к завышенной мощности инженерных систем, что ведет к росту затрат на инженерное оборудование в ходе строительства объекта и избыточными расходам на эксплуатацию. Кроме того, инженерные системы вынуждены работать в нерасчетном режиме пониженной мощности, что в ряде случаев ведет к сверхнормативным потерям энергии. Применение пространственно-временного моделирования на этапе разработки проектной документации позволяет скорректировать проектные решения, причем, точно указывается где, в каких помещениях есть избыточность и что можно скорректировать. Наличие модели позволяет проигрывать варианты мер и получать сведения об эффективности того, или иного мероприятия.

Например, известно, что наиболее низкие температуры воздуха в зимний период достигаются под утро, в период стояния антициклона, при ясном небе и практическом безветрии. А небольшие скорости ветра при этом обуславливают снижение коэффициента теплоотдачи с наружных поверхностей здания. При традиционном проектировании принимается сочетание предельно низких температур и предельно высокого коэффициента теплоотдачи.

Применение пространственно-временного моделирования (4D-аудита)

4D-энергоаудит можно применять на разных этапах проектирования и эксплуатации зданий и за счет этого повышать эффективность энергоснабжения.

Применение 4D-энергоаудита на этапе разработки проектной документации позволяет скорректировать проектные решения. При этом точно указывается каких помещениях есть избыточность, и что можно скорректировать. Наличие модели позволяет оценивать варианты различных мер и получать сведения об эффективности того, или иного варианта.

Если при проектировании пространственно-временное моделирование не применялось, то оно может проводиться на этапе экспертизы проекта и выявлять те самые узкие места с точки зрения энергетической эффективности проекта.

На этапе строительства объектов моделирование позволяет оценить достаточность, или избыточность технических условий на подключение к централизованным сетям, соответственно снизить затраты на это.

При создании автономных систем энергоснабжения с применением когенерационных, или тригенерационных установок, моделирование помогает правильно решить вопрос о базовой и пиковой мощности, потребляемой объектом, и спроектировать энергоцентр наиболее оптимальной структуры.

Для существующих объектов проведение 4D-энергоаудит также полезен, так как на этом этапе жизненного цикла объекта происходят различные изменения внутри здания - перепланировки, изменение назначения помещений, смена технологического и инженерного оборудования. На практике такие изменения проводятся с недостаточным вниманием к энергетическим аспектам. Это ведет к еще большим отклонениям режимов работы инженерных систем от оптимальных.

На действующих объектах проводится инструментальная проверка соответствия математической модели и реально существующего объекта. Созданная таким образом, модель, скорректированная по результатам инструментальных измерений, максимально близко соответствует реальности и позволяет не только выявить запасы, заложенные в решениях инженерных систем, но и оценивать на ней последствия действий, направленных на оптимизацию энергосистем и энергосбережение.

Пространственно-временное моделирование применимо не только одномоментно в фиксированный момент времени. Разработанная модель объекта способна сопровождать его в течение всего жизненного цикла, давая возможность оценивать эффективность энергосберегающих мероприятий или предполагаемых изменений. Использование модели в режиме реального времени позволяет рассчитывать норму потребления энергии объектом в зависимости от складывающегося в текущий момент времени сочетания внешних условий и внутренних факторов. Появляется, отсутствующий в настоящее время, горизонт - какое потребление энергии в данный момент нормально, и где в пространстве и времени происходят нарушения энергетических режимов. Этот аспект крайне важен, так как существующее управление энергосбережением, основанное на применении данных АСКУЭ, лишено важного ориентира – с чем сравнивать фактические расходы энергии.

Пример использования пространственно-временного моделирования

Элитная новостройка почти в центре Москвы. 50 000 квадратных метров жилой площади, 50 000 квадратных метров нежилой площади (подземные парковки, офисы, торговые и рекреационные площади). Чуть более 300 квартир от 1 до 8 комнат. Технические условия на подключение одного дома к сетям впечатляют 13 ГКал/час тепловой мощности, 11 МВт электрической мощности – по масштабам средней руки заводик.

Из электронной документации извлечены необходимые геометрические размеры, мощности отопительного, вентиляционного, электрического оборудования, расходы воздуха. Для моделирования использованы метеоданные по Москве за 12 лет - с 1999 по 2011 год.

Моделирование проведено для 50 квартир. Ниже на рисунке приведена планировка фрагмента 2-го этажа, состоящего из трех квартир. Две из них по планировке мало отличаются от квартир массовой застройки. Третья-4-х комнатная, с 3 санузлами, гардеробной и виражами, существенно отличается от других квартир.

Результаты моделирования энергопотребления представлены на рисунке ниже.

Как следует из приведенной диаграммы, для квартир 1 и 2, чья планировка соответствует типовой, проектные решения практически точно подтверждаются результатами пространственно-временного моделирования. А в квартире 3, имеющей нетиповое решение (3 санузла, витражи), проектная мощность отопительных приборов, почти в вдвое превышает модельные значения тепловых потерь.

Результаты моделирования 50 квартир со 2-го по 10-ый этажи приведены на рисунке ниже.

Из диаграммы видно, что имеются как квартиры с удовлетворительным совпадением результатов моделирования с проектными решениями по существующей нормативной базе, так и многочисленные «элитные» квартиры с архитектурными «изысками», для которых СНИП не дает определенного и однозначного ответа на вопрос, как правильно рассчитать тепловые потери и подобрать отопительные приборы. В таких квартирах запасы мощности превышают разумные пределы, и, именно эти помещения будут в процессе эксплуатации дома точками нерационального расхода энергии. Суммарные цифры избыточных мощностей выглядят так:

  • установлено конвекторов общей мощностью 488 кВт,
  • пиковая мощность тепловых потерь составит 382 кВт,
  • а с вероятностью 0,98 мощность тепловых потерь не превысит 279 кВт.

В результате моделирования определены помещения, где расходование энергии будет наиболее расточительным и нужно принимать корректирующие проект меры.

Опыт использование пространственно-временного моделирования (4D-энергоаудита) в России и за рубежом

Выполнением проектов, использующих методику 4D-Энергоаудита, на протяжении последних десяти лет активно занимается международная компания Creative Power Solutions (CPS), имеющая крупные представительства в Швейцарии, США и ОАЭ. Также в реализации проектов активно задействовано отделение CPS в СНГ - ООО «Корпоративные энергетические решения». Среди наиболее значимых проектов, реализованных с применением пространственно-временного моделирования:

  • строительство медиацентра в Берне (Швейцария),
  • строительство небоскребов Skytower и Gatetower в Абу-Даби (ОАЭ),
  • оптимизация решений по инженерным системам мусульманской святыни Каабы в г. Мекка (Саудовская Аравия).