Оптимизация энергоэффективности зданий: Глобальное руководство

Здания потребляют значительную часть мировой энергии, что делает оптимизацию их энергоэффективности критически важным фактором для достижения целей устойчивого развития и смягчения последствий изменения климата. Это руководство представляет комплексный обзор стратегий, технологий и передовых практик для повышения энергетической эффективности зданий по всему миру, ориентированный на широкую аудиторию, включая владельцев зданий, архитекторов, инженеров, управляющих объектами и политиков.

Понимание энергопотребления зданий

Прежде чем внедрять стратегии оптимизации, важно понять факторы, влияющие на потребление энергии в зданиях. Эти факторы варьируются в зависимости от типа здания, климата, режима эксплуатации и операционных практик.

Ключевые факторы, влияющие на энергопотребление:

• Климат: Температура, влажность, солнечная радиация и ветровые условия значительно влияют на потребности в отоплении, охлаждении и вентиляции. Например, здания в жарком, засушливом климате требуют стратегий для снижения притока тепла от солнца и максимального использования естественной вентиляции, в то время как здания в холодном климате нуждаются в надежной теплоизоляции и эффективных системах отопления.
• Ограждающие конструкции здания: Ограждающие конструкции (стены, крыша, окна и двери) играют решающую роль в регулировании теплообмена между внутренним и внешним пространством. Плохо утепленные конструкции приводят к значительным потерям энергии, увеличивая потребность в отоплении и охлаждении.
• Системы ОВК: Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) являются основными потребителями энергии. Эффективность оборудования ОВК, систем распределения и стратегий управления в значительной степени влияет на общую энергетическую производительность.
• Освещение: На освещение приходится значительная доля энергопотребления, особенно в коммерческих зданиях. Эффективные технологии освещения, такие как светодиодное освещение и использование дневного света, могут существенно снизить потребление энергии.
• Оборудование и бытовые приборы: Офисное оборудование, бытовые приборы и другие подключаемые нагрузки вносят свой вклад в потребление энергии. Выбор энергоэффективных моделей и внедрение стратегий управления питанием могут минимизировать эти нагрузки.
• Режим эксплуатации и управление: Характер пребывания людей, графики работы и практики управления зданием влияют на энергопотребление. Оптимизация этих факторов через обучение пользователей, энергоаудит и системы автоматизации зданий может привести к значительной экономии.

Стратегии оптимизации энергоэффективности зданий

Оптимизация энергоэффективности зданий требует комплексного подхода, учитывающего все аспекты проектирования, строительства и эксплуатации здания. Следующие стратегии могут быть реализованы на различных этапах жизненного цикла здания для повышения его энергетической эффективности и снижения углеродного следа.

1. Проектирование и строительство зданий:

Энергоэффективное проектирование и методы строительства являются основополагающими для достижения долгосрочной экономии энергии. Включение этих принципов с начальных этапов планирования может минимизировать потребление энергии на протяжении всего срока службы здания.

а. Стратегии пассивного проектирования:

Стратегии пассивного проектирования используют естественные условия окружающей среды для минимизации потребности в механическом отоплении, охлаждении и освещении. Эти стратегии часто являются наиболее экономически эффективными и устойчивыми подходами к энергоэффективности.

• Ориентация: Ориентация здания для максимального использования солнечного тепла зимой и его минимизации летом может снизить нагрузки на отопление и охлаждение. Например, в Северном полушарии окна, выходящие на юг, обеспечивают пассивный солнечный обогрев в зимние месяцы.
• Естественная вентиляция: Проектирование зданий, способствующее естественной вентиляции, может уменьшить потребность в механическом охлаждении. Открывающиеся окна, стратегически расположенные вентиляционные отверстия и форма здания могут способствовать движению воздуха. Традиционные проекты внутренних дворов на Ближнем Востоке являются отличными примерами стратегий естественной вентиляции.
• Затенение: Обеспечение затенения для окон и стен может снизить приток тепла от солнца. Козырьки, навесы, деревья и внешние жалюзи могут эффективно блокировать прямые солнечные лучи.
• Тепловая масса: Использование материалов с высокой тепловой массой, таких как бетон, кирпич и камень, помогает регулировать температуру внутри помещений. Эти материалы поглощают тепло днем и отдают его ночью, уменьшая колебания температуры.
• Дневное освещение: Максимальное использование естественного дневного света может снизить потребность в искусственном освещении. Зенитные фонари, световые полки и стратегически расположенные окна могут доставлять дневной свет глубоко внутрь здания.

б. Оптимизация ограждающих конструкций здания:

Хорошо утепленные и герметичные ограждающие конструкции здания имеют решающее значение для минимизации потерь энергии. Оптимизация ограждающих конструкций включает выбор подходящих материалов и строительных технологий для уменьшения теплопередачи и утечек воздуха.

• Теплоизоляция: Правильная теплоизоляция стен, крыш и полов снижает теплопередачу, сохраняя в здании тепло зимой и прохладу летом. Различные типы изоляционных материалов, такие как стекловолокно, целлюлоза и пенопласт, предлагают различные уровни термического сопротивления (R-value).
• Герметизация: Утечки воздуха через трещины и щели в ограждающих конструкциях могут значительно увеличить потребление энергии. Герметизация включает в себя уплотнение этих отверстий для предотвращения неконтролируемой инфильтрации и эксфильтрации воздуха.
• Высокоэффективные окна: Выбор высокоэффективных окон с низкоэмиссионными покрытиями и газовым заполнением может снизить теплопередачу и приток тепла от солнца. Двойные или тройные стеклопакеты обеспечивают лучшую изоляцию, чем одинарные.

в. Экологичные материалы:

Использование экологичных и местных строительных материалов может снизить воздействие строительства на окружающую среду и улучшить качество воздуха в помещениях. Примеры экологичных материалов включают материалы из переработанного сырья, возобновляемые материалы (например, бамбук, древесина) и материалы с низким содержанием летучих органических соединений (ЛОС).

2. Оптимизация систем ОВК:

Системы ОВК являются основными потребителями энергии, что делает их оптимизацию решающей для снижения общего энергопотребления здания. Повышение эффективности систем ОВК включает в себя выбор энергоэффективного оборудования, оптимизацию управления системой и применение надлежащих практик технического обслуживания.

а. Энергоэффективное оборудование:

Выбор высокоэффективного оборудования ОВК, такого как тепловые насосы, чиллеры и котлы, может значительно снизить потребление энергии. Ищите оборудование с высокими показателями EER (коэффициент энергоэффективности), SEER (сезонный коэффициент энергоэффективности) и HSPF (сезонный коэффициент производительности по теплу).

б. Оптимизированное управление системой:

Внедрение передовых стратегий управления, таких как частотно-регулируемые приводы (ЧРП), зональное управление и датчики присутствия, может оптимизировать работу системы ОВК в зависимости от фактической потребности. ЧРП регулируют скорость двигателей в соответствии с требуемой нагрузкой, сокращая потери энергии. Зональное управление позволяет независимо регулировать температуру в разных частях здания. Датчики присутствия отключают системы ОВК в незанятых помещениях.

в. Надлежащее техническое обслуживание:

Регулярное техническое обслуживание систем ОВК необходимо для обеспечения оптимальной производительности и продления срока службы оборудования. Задачи по техническому обслуживанию включают очистку фильтров, проверку воздуховодов, смазку движущихся частей и калибровку систем управления. Хорошо обслуживаемая система ОВК работает более эффективно и снижает риск поломок.

г. Централизованное тепло- и холодоснабжение:

Системы централизованного тепло- и холодоснабжения обеспечивают отопление и охлаждение для нескольких зданий от центральной станции. Эти системы могут быть более энергоэффективными, чем индивидуальные системы на уровне зданий, особенно в густонаселенных районах. Примерами являются системы централизованного отопления в таких городах, как Копенгаген и Стокгольм.

3. Оптимизация освещения:

Эффективные стратегии освещения могут значительно снизить потребление энергии в зданиях. Внедрение этих стратегий включает выбор энергоэффективных технологий освещения, оптимизацию управления освещением и максимальное использование дневного света.

а. Светодиодное освещение:

Светодиоды (LED) являются самой энергоэффективной технологией освещения из доступных. Светодиоды потребляют значительно меньше энергии, чем традиционные лампы накаливания и люминесцентные лампы, и имеют более длительный срок службы. Светодиоды доступны в широком диапазоне цветов, уровней яркости и форм-факторов, что делает их подходящими для различных применений.

б. Управление освещением:

Внедрение систем управления освещением, таких как датчики присутствия, диммеры и системы сбора дневного света, может оптимизировать использование освещения в зависимости от фактической потребности. Датчики присутствия выключают свет в незанятых помещениях. Диммеры позволяют регулировать уровень освещенности в зависимости от предпочтений пользователя и уровня окружающего света. Системы сбора дневного света автоматически приглушают или выключают свет при наличии достаточного естественного освещения.

в. Стратегии использования дневного света:

Максимальное использование естественного дневного света может снизить потребность в искусственном освещении. Зенитные фонари, световые полки и стратегически расположенные окна могут доставлять дневной свет глубоко внутрь здания. При проектировании дневного освещения следует учитывать контроль бликов и тепловой комфорт, чтобы избежать перегрева или дискомфорта.

4. Системы автоматизации зданий (BAS):

Системы автоматизации зданий (BAS) интегрируют и контролируют различные системы здания, такие как ОВК, освещение и безопасность, для оптимизации энергетической производительности и повышения комфорта жильцов. BAS могут отслеживать потребление энергии, выявлять области для улучшения и автоматически настраивать параметры системы в зависимости от условий в реальном времени.

а. Мониторинг и отчетность по энергопотреблению:

BAS могут отслеживать потребление энергии на различных уровнях, предоставляя ценную информацию об энергетической производительности здания. Эти данные можно использовать для выявления потерь энергии, сравнения производительности с другими зданиями и отслеживания эффективности мер по повышению энергоэффективности.

б. Автоматизированные стратегии управления:

BAS могут автоматически настраивать параметры системы в зависимости от графиков занятости, погодных условий и других факторов. Например, BAS может автоматически снижать уровень отопления или охлаждения в периоды отсутствия людей или регулировать уровень освещения в зависимости от уровня окружающего света.

в. Удаленный доступ и управление:

К BAS можно получить доступ и управлять ими удаленно, что позволяет управляющим объектами отслеживать и настраивать параметры системы из любого места с подключением к Интернету. Такой удаленный доступ может улучшить время реагирования на неисправности системы и способствовать проактивному управлению энергопотреблением.

5. Интеграция возобновляемых источников энергии:

Интеграция возобновляемых источников энергии, таких как солнечные фотоэлектрические (PV) панели, ветряные турбины и геотермальные системы, может дополнительно снизить зависимость от ископаемого топлива и улучшить энергетические показатели здания.

а. Солнечные фотоэлектрические панели:

Солнечные фотоэлектрические панели преобразуют солнечный свет в электричество. Панели могут быть установлены на крышах, стенах или как часть фотоэлектрических систем, интегрированных в здание (BIPV). Солнечные фотоэлектрические системы могут вырабатывать электроэнергию для питания систем здания, снижать зависимость от электросети и даже генерировать избыточную электроэнергию, которую можно продавать обратно в сеть.

б. Ветряные турбины:

Малые ветряные турбины могут вырабатывать электроэнергию из энергии ветра. Ветряные турбины обычно используются в районах с постоянными ветровыми ресурсами. Целесообразность установки ветряных турбин зависит от ветровых условий на конкретном объекте и правил зонирования.

в. Геотермальные системы:

Геотермальные системы используют постоянную температуру земли для отопления и охлаждения зданий. Геотермальные тепловые насосы циркулируют жидкость по подземным трубам, чтобы извлекать тепло из земли зимой и отводить тепло в землю летом. Геотермальные системы очень энергоэффективны, но требуют значительных первоначальных инвестиций.

6. Энергоаудит и бенчмаркинг:

Энергоаудит и бенчмаркинг необходимы для выявления возможностей повышения энергоэффективности и отслеживания прогресса с течением времени. Энергоаудит включает в себя всестороннюю оценку моделей энергопотребления здания, выявление областей потерь энергии и рекомендации по конкретным мерам повышения энергоэффективности.

а. Энергоаудит:

Энергоаудит может варьироваться от простых обходных оценок до детальных инженерных анализов. Комплексный энергоаудит обычно включает:

• Анализ счетов за энергию: Анализ исторических данных о потреблении энергии для выявления тенденций и закономерностей.
• Обследование здания: Оценка ограждающих конструкций здания, систем ОВК, освещения и другого энергопотребляющего оборудования.
• Энергетическое моделирование: Создание компьютерной модели здания для симуляции его энергетической производительности при различных сценариях.
• Рекомендации: Разработка списка конкретных мер по повышению энергоэффективности с оценкой затрат и экономии.

б. Бенчмаркинг:

Бенчмаркинг включает сравнение энергетической производительности здания с аналогичными зданиями. Это сравнение может помочь выявить области, в которых здание отстает, и указать на возможности для улучшения. Energy Star Portfolio Manager является широко используемым инструментом бенчмаркинга в Соединенных Штатах. В других странах есть аналогичные программы бенчмаркинга.

7. Вовлечение и обучение пользователей:

Вовлечение и обучение пользователей здания имеет решающее значение для достижения долгосрочной экономии энергии. Пользователи играют значительную роль в потреблении энергии своим поведением и использованием систем здания. Предоставление пользователям информации и инструментов для снижения их энергетического следа может привести к существенной экономии.

а. Программы повышения осведомленности об энергии:

Программы повышения осведомленности могут обучать пользователей практикам энергосбережения, таким как выключение света при выходе из комнаты, регулировка настроек термостата и использование энергоэффективных приборов.

б. Обратная связь и стимулы:

Предоставление пользователям обратной связи об их энергопотреблении и предложение стимулов за снижение энергопотребления может мотивировать их к принятию энергосберегающего поведения. Примеры стимулов включают конкурсы, призы и программы признания.

в. Удобные пользовательские интерфейсы:

Предоставление пользователям удобных интерфейсов для управления системами здания, такими как освещение и ОВК, может дать им возможность более эффективно управлять своим энергопотреблением. Умные термостаты и мобильные приложения могут предоставить пользователям удобный доступ к управлению зданием.

Международные строительные нормы и стандарты

Многие страны приняли строительные нормы и стандарты для содействия энергоэффективности зданий. Эти кодексы и стандарты устанавливают минимальные требования к энергетической производительности для нового строительства и капитального ремонта.

Примеры международных строительных норм и стандартов:

• Международный кодекс по энергосбережению (IECC): Широко используемый энергетический кодекс в Соединенных Штатах.
• Стандарт ASHRAE 90.1: Энергетический стандарт, разработанный Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE).
• Европейская директива об энергетических характеристиках зданий (EPBD): Директива, устанавливающая требования к энергетическим характеристикам зданий в Европейском Союзе.
• Национальный строительный кодекс Канады (NBC): Строительный кодекс, включающий требования по энергоэффективности.
• LEED (Лидерство в энергетическом и экологическом проектировании): Система оценки «зеленых» зданий, разработанная Советом по «зеленому» строительству США (USGBC). LEED используется во всем мире для сертификации устойчивых зданий.
• BREEAM (Метод экологической оценки зданий Исследовательского института строительства): Система оценки «зеленых» зданий, разработанная в Соединенном Королевстве.

Примеры из практики

Несколько зданий по всему миру успешно внедрили стратегии оптимизации энергоэффективности, демонстрируя потенциал значительной экономии энергии и снижения углеродного следа.

1. The Edge (Амстердам, Нидерланды):

The Edge считается одним из самых устойчивых офисных зданий в мире. В нем используются различные энергоэффективные технологии, включая светодиодное освещение, солнечные панели и интеллектуальную систему управления зданием. Здание потребляет на 70% меньше электроэнергии, чем типичные офисные здания, и вырабатывает больше энергии, чем потребляет.

2. Всемирный торговый центр Бахрейна (Манама, Бахрейн):

Всемирный торговый центр Бахрейна имеет три ветряные турбины, интегрированные в его конструкцию. Эти турбины вырабатывают около 15% потребностей здания в электроэнергии. В здании также используется энергоэффективное остекление и затеняющие устройства для снижения притока тепла от солнца.

3. Pixel Building (Мельбурн, Австралия):

Pixel Building — это углеродно-нейтральное офисное здание, которое само производит электроэнергию и воду. В здании есть зеленая крыша, солнечные панели и вакуумная система утилизации отходов. В нем также используются переработанные материалы и стратегии пассивного проектирования для минимизации потребления энергии.

Проблемы и возможности

Несмотря на многочисленные преимущества оптимизации энергоэффективности зданий, остается несколько проблем. Эти проблемы включают:

• Высокие первоначальные затраты: Внедрение мер по повышению энергоэффективности может потребовать значительных первоначальных инвестиций.
• Недостаток осведомленности: Многие владельцы и пользователи зданий не знают о потенциальных преимуществах энергоэффективности.
• Техническая экспертиза: Внедрение мер по повышению энергоэффективности требует технических знаний.
• Регуляторные барьеры: Некоторые нормативные акты могут препятствовать внедрению мер по повышению энергоэффективности.

Однако существуют и значительные возможности для продвижения энергоэффективности зданий. Эти возможности включают:

• Технологические достижения: Постоянно разрабатываются новые и инновационные энергоэффективные технологии.
• Государственные стимулы: Многие правительства предлагают стимулы для внедрения мер по повышению энергоэффективности.
• Растущая осведомленность: Осведомленность о важности энергоэффективности растет среди владельцев и пользователей зданий.
• Экономия затрат: Меры по повышению энергоэффективности могут привести к значительной экономии затрат в долгосрочной перспективе.

Заключение

Оптимизация энергоэффективности зданий имеет решающее значение для достижения целей устойчивого развития, смягчения последствий изменения климата и снижения затрат на энергию. Внедряя стратегии и технологии, изложенные в этом руководстве, владельцы зданий, архитекторы, инженеры, управляющие объектами и политики могут значительно улучшить энергетические показатели зданий по всему миру и создать более устойчивое будущее. Применение комплексного подхода, учитывающего проектирование, строительство, эксплуатацию и поведение пользователей, необходимо для максимальной экономии энергии и минимизации воздействия на окружающую среду. Инвестиции в энергоэффективность зданий — это инвестиции в более устойчивое и процветающее будущее для всех.