Потенциал энергосбережения в строительной отрасли в Сибирском регионе

При проектировании и возведении любого, особенно крупного объекта, нужно уделять должное внимание всем инженерным системам – электроснабжению, электроосвещению, отоплению и водоснабжению, вентиляции и холодоснабжению, и конечно грамотной и гибкой автоматизации всех инженерных систем. Однако, не секрет, системы вентиляции и кондиционирования (холодоснабжения) являются в любом здании самыми энергозатратными. К примеру, в общественных зданиях доля энергозатрат на освещение весьма незначительная. Но это не означает, что нет смысла применять энергосберегающие лампочки, отнюдь. Но нужно понимать, что только лишь это направление не даст такого же эффекта, как от внедрения передовых решений в области кондиционирования воздуха. В дополнении к вышесказанному, все исследованные объекты обязательно имеют узлы учета расходования энергоресурсов, и т.о. энергосбережение не должно ограничиваться хорошей теплоизоляцией ограждающих конструкций и «счетчиками» энергии – нельзя игнорировать вентиляцию и холодоснабжение, здесь «скрываются» зачастую более 50% энергоресурсов всего объекта!

В данном обзоре рассматриваются тепловые ресурсы, т.е. насколько эффективно новые здания расходуют тепло в отопительный период. И поскольку отопительный период очень продолжительный, особенно в холодных регионах России, огромное количество тепловой энергии расходуется крайне расточительно, как мы дальше увидим.

Рассмотрим сначала рис.1. Здесь наглядно приведена общая диаграмма энергопотребления в расчетный зимний период (параметры «Б», Тнар.= -39 ?С) одного из бизнес-центров класса А, построенного в 2007 г. в центре г. Новосибирска. Заштрихованные области диаграммы – установочная мощность электрооборудования БЦ (в том числе освещение, офисная техника, лифтовое хозяйство, двигатели вентиляторов, насосы, технология кухни и пр., - всё кроме противопожарного оборудования), остальные 3 сектора – тепловая мощность (отопление, ГВС, вентиляция). Все цифры для удобства приведены в МВт. Сразу бросается в глаза тепловая нагрузка систем вентиляции – 66% всех энергоресурсов объекта! И это неудивительно - в здании запроектированы и установлены прямоточные приточные установки, а кратность воздухообмена составляет порядка 3-х в час, что для административного здания вполне скромно.

Если рассмотреть большинство других объектов, построенных за последние годы, то мы везде увидим огромный сектор тепловых ресурсов для вентиляции. О чем это говорит? В первую очередь, насущно обратить внимание на эффективность, по энергозатратам разумеется, систем вентиляции. И поскольку в случае систем вентиляции достаточно несложно радикальным образом снизить теплопотребление, именно в Сибири с ее холодным климатом должны активно внедряться технологии эффективной утилизации теплоты вытяжного воздуха. И как в дальнейшем мы расскажем, капитальные затраты на эффективные энергосберегающие меры у инвестора – застройщика, как правило, не увеличиваются!

Чтобы понять действительную ситуацию с энергосбережением в Сибири, мы проанализировали на предмет расходования тепловой энергии 35 проектов новых возводимых объектов строительства общей площадью 850 000 кв.м., в основном это торговые центры, административные (офисные) здания, производственные предприятия, складские комплексы, и пр. общественные здания и сооружения. Жилые здания в это исследование не вошли, для анализа ситуации с жилыми зданиями нужен отдельный обзор, к тому же про это было написано достаточно много статей, например 1), 2), 3). Скажем лишь, что в жилых зданиях тоже необходим определенный воздухообмен, и проект по отоплению любого жилого здания всегда содержит значительный «запас» энергии для компенсации инфильтрации наружного холодного воздуха. Разумеется, инфильтрация наружного воздуха – явление не эффективное с точки зрения расходования ресурсов, в жилом секторе крайне желательно также внедрять эффективные методы утилизации выбрасываемого теплого воздуха. Однако, сейчас существует другая, не менее страшная тенденция – повсеместно монтируемые плотные пластиковые окна не обеспечивают должного воздухообмена – они вообще ничего не пропускают в закрытом (зимнем) режиме. К сожалению, обязательные регламенты к применению принудительных систем вентиляции в жилых зданиях так и не появились, люди продолжают «задыхаться» в своих квартирах.(скачать)

Понимая значительный вес теплопотребления вентиляцией в общественных зданиях, мы и начали данное исследование с анализа теплопотребления системами вентиляции на самых различных объектах. Затронуты недавно построенные объекты, если точнее, то фактически за последние 3 года, т.е. начиная с 2005 г. Также сюда относятся некоторые объекты, которые строятся в настоящее время по готовой рабочей документации.

Для наглядности, приведены диаграммы теплопотребления некоторых существующих типовых объектов из разных сфер назначения, таких как производственное предприятие, торговый центр.

В качестве сравниваемых параметров взята тепловая (установочная) мощность, которая рассчитывается при наружной температуре -39?С, а также эксплуатационные затраты за год по потребленному теплу. Расчетная мощность включает в себя, как правило, 3 тепловые нагрузки: горячее водоснабжение (ГВС), отопление и вентиляцию. Именно эти нагрузки и сведены в диаграммы. Если имеются тепловые завесы, то они учтены в (скачать) разделе отопление. Все объекты показывают, что доля вентиляции отнюдь не малая. На следующем рисунке каждого из типовых объектов приведена такая же диаграмма, но только при условии эффективной утилизации теплоты отработанного воздуха, либо при использовании тепла от технологического оборудования в случае производственных предприятий. Появившийся сектор голубого цвета на эффективной диаграмме – это наглядное сокращение тепловых мощностей. Второй важный сравниваемый параметр – это суммарная потребленная тепловая энергия за отопительный сезон (эксплуатационные расходы).

Подробнее имеет смысл остановиться на 2-х объектах – один из них – это здание Технопарка, рис. 2 и 3. Очень странно видеть такой неэффективный объект при том, что Новосибирску поручено быть инновационной площадкой, в том числе по энергосбережению. А второй заметный объект – деревообрабатывающее предприятие (рис. 8 и 9), самый первый вопрос данному проекту – откуда взялась такая нагрузка от системы отопления? Или настолько плохи ограждающие (скачать)конструкции, или есть несоответствие в самом проекте, но в любом случае необходимо было бы сначала разобраться детально, и уж потом приступать к строительству, т.к. проект рабочий, и для таких нагрузок будет построена соответствующая котельная. Особенно нужно отметить, что некоторые заводы, в том числе огромных масштабов, нередко для теплоснабжения используют электроэнергию (!), такие примеры в Сибири, к сожалению есть. Итак, часто встречаются проекты с ярко выраженным дисбалансом по приточному и удаляемому воздуху, допустим в помещении местные отсосы забирают 200 000 куб.м/час, а приток спроектирован только наполовину, и в целом на заводе 30% -я нехватка воздуха. К чему это приведет в морозы? Ответ прост – люди будут замерзать и постоянно болеть, т.к. в местах расположения ворот и проемов будут сильные сквозняки. Есть пример, когда отсутствующая приточная вентиляция привела к частичному обрушению крыши из-за разрежения на заводе, и к разморозке системы отопления 3-х этажного АБК. И в то же время может быть еще хуже – в помещении со значительной концентрации фенола (скачать) притока спроектировано больше, чем всех вытяжных устройств, в итоге мы имеем переток вредного воздуха в относительно чистые помещения.

Радует, что некоторые проектировщики начали работать над утилизацией теплоты, обратите внимание - на рис. 8 есть такой сектор. Однако, в этом направлении слишком мало делается, согласитесь 2% экономии – это далеко не все, что можно реально сделать для завода, тем более на котором есть мощное оборудование газовой сушки щепы, а температуры выбросов отработанного воздуха доходят до +200 ?С. Вообще, для заводов с технологией, использующей дополнительные энергоносители (газ, торф, кокс и пр.), всегда есть большое количество горячих технологических выбросов, которые несложно использовать на нужды отопления, вентиляции всего завода, и даже может остаться приличный запас – у нас есть такие проработанные решения.

Особенно интересно посмотреть на интегральные данные по всем 35 объектам – т.е. обобщающие данные. Сразу (скачать)оговоримся, что все приведенные данные по возможным энергосберегающим мероприятиям являются не теоретическими, а очень даже практическими и осуществимыми, потому как положительным опыт в проектировании, наладке, эксплуатации в условиях Сибири уже давно есть, как минимум 7 лет. А если взять в целом мировой опыт, то эффективные технологии энергосбережения работают уже десятки лет.

Как можно увидеть, все приведенные примеры исследованных объектов демонстрируют, насколько спроектированые и построеные «свежие», казалось бы, с современными технологиями объекты, энергорасточительны.

Между тем, в России успешно эксплуатируются вентиляционные установки, которые в частности, эффективно утилизируют низкопотенциальное тепло, т.е. вытяжной воздух с температурой около +20?С, при наружных температурах ниже -40?С (на севере России). КПД возврата теплоты у эффективной установки может (скачать)достигать 80%. Подобные технологии давно отработаны, стандартны и надежны. Один из аспектов надежности – приточный воздух после секции утилизации поступает на вход догревающего водяного калорифера с температурами заведомо выше 0?С, как правило +4…+12?С, поэтому в нашей практике не было ни одного случая разморозки водяных калориферов в таких системах. Разморозить, конечно, можно, если в вентиляционной камере не будет поддерживаться необходимая положительная температура и произойдет отключение питания. А вот у прямоточных приточных установок % разморозки калориферов далеко не нулевой. Даже при совершенной системе автоматики от этого никто не застрахован, потому как мы тут имеем дело с воздухом на входе в калорифер отрицательной температуры, да и сам калорифер находится в полуметре от воздухозаборной шахты. Если по какой-то причине отключается электропитание, часа через 4 калорифер точно разморозится, даже если на улице всего -20 ?С. Этот факт сравнительно невысокой надежности прямоточных систем многие заказчики и эксплуатирующие (скачать) организации просто не учитывают.

Однако, проектные, монтажные организации не стараются применять технологии энергосбережения. Что же тормозит внедрение технологий энергосбережения?

Речь пойдет для примера, о технологиях энергосбережения для вентиляции. Многие думают, что это дорого. Хорошо, но давайте термин «дорого» поймем применительно к вентиляционным установкам в сравнении с чем-то конкретным, а не абстрактно. С чем сравнивать? Конечно со стоимостью подводимой к объекту инфраструктурой (трубы теплоснабжения, изоляция, земляные работы, размер ИТП и т.д.), а, вернее, на сколько можно урезать расходы на теплоснабжение. Но не только. Проще для начала оценить затраты по возведению самой котельной, точнее нужна разница между большой котельной для расточительного объекта, и допустим котельной, которая в 2 раза меньше. Вот эта разница и будет мерой оценки удорожания (скачать)энергоэффективных мероприятий. Наперед можем сообщить, что на практике в 90% всех вновь возводимых объектов мероприятия по энергосбережению оказываются дешевле разницы при строительстве котельной. Вот вам и окупаемость – почти всегда энергоэффективные мероприятия выгодны с 1-го дня эксплуатации! То же в полной мере относится при подключении к городским теплосетям.

Еще одна группа проектировщиков и заказчиков боится применять эффективные теплосберегающие вентиляционные установки по причине их неработоспособности в Сибири. В ответ на это мы и приводим примеры объектов, оснащенных, в том числе установками с эффективной утилизацией теплоты вытяжного воздуха. Некоторым объектам, построенным с технологиями энергосбережения, уже более 5 лет, за этот срок была зафиксирована наименьшая температура зимой -45 ?С, при которой техника работала без нареканий.

Случаи «замерзания» пластинчатых, роторных и других типов утилизаторов теплоты, на практике конечно могут быть. Однако этому предшествуют, как правило, многие факторы, в том числе:

1. Не те параметры климата в помещении, для которого был выбран данный (скачать) тип утилизации. Иными словами, для данной задачи, необходим другой тип утилизации, или необходимо выйти на другие физические параметры воздушной среды (предподогрев, осушка и пр.).

2. Не правильный расчетный баланс объемов воздуха по притоку и вытяжке, неверные рабочие температуры. Отчасти этот момент можно отнести к 1-му пункту – «выбрана не рабочая концепция по энергосбережению». Обобщить можно следующим выводом – для надлежащего проектирования энергоэффективной идеи необходимо хорошо разбираться во всех физических процессах, происходящих в кондиционере обработки воздуха, в том числе в секции утилизации теплоты. Зачастую необходимо хорошо разбираться и в химии.

3. Автоматика. Не беремся оценивать, насколько автоматика ответственна за работу сложной установки, на 50% или на 100%. Но очевидно, что несовершенная автоматика не сможет нормально управлять узлами установки и защищать их в различных режимах работы. Хорошее, самое (скачать) современное и качественное оборудование не будет нормально работать с посредственной автоматикой.

4. Само оборудование- это и производитель, и качество расчета, подбора, и отдельные комплектующие и узлы. В России, к сожалению, есть поставщики/ производители, которые не гнушаются предоставлять Заказчикам «липовые» или «нарисованные» характеристики в технических спецификациях на отдельные узлы и вентагрегаты в целом. К примеру, уровень звукового давления на напорном патрубке вентилятора вместо реальных 90 дБ может быть написан как 70 дБ. И так может быть в каждой характеристике. На стадии изучения «бумажек» с такими данными можно и ничего не заподозрить. Единственный выход – очень досконально знать разные типы и устройство не только оборудования и отдельных узлов, но и иметь информацию о различных поставщиках/ производителях, и избегать недобросовестных продавцов. Тут никак не обойтись без длительной практики, необходимо бывать на разных объектах, общаться со службами эксплуатации, проверять технические данные того или иного оборудования собственными расчетами и т.д.

Малейший «пробел» из перечисленных выше нюансов ставит (скачать) крест на полноценной работе сложной установки, состоящей из различных секций обработки воздуха. Тут нужно конечно, справедливости ради добавить, что разработка, монтаж, наладка энергосберегающих систем требует более высокой квалификации всех специалистов, занятых в данной цепочке.

А нерабочие системы требуют тщательного осмотра, анализа, сбора технических данных, и только потом можно делать выводы, отчего же «не работает утилизация теплоты».

Среди Российских производителей вентиляционного оборудования тоже есть очень приличные по качеству узлы и детали. Другой вопрос, что почти все комплектующие импортные, и рабочие колеса вентиляторов, и двигатели, и калориферы, и тем более роторные теплообменники. Даже элементы корпуса зачастую «не наши». Можно сказать, в России преобладает «отверточная» сборка, никак не полный производственный цикл. Грустно осознавать, но пока достойных технологий полного цикла для изготовления конкурентоспособных кондиционеров в России нет, но это тема для отдельного разговора. (скачать)

Есть еще 3-я группа людей, которые не являются хозяевами своих инвестиций, т.е. деньги «чужие», и одновременно их не заботит вообще судьба объекта, эксплуатация, надежность объекта, экология в стране и в конкретном городе/районе и пр. Очень много «расточительных» объектов строится на федеральные деньги, как ни прискорбно.

Можно еще затронуть проблему информационного голода, оказывается, многие специалисты даже не знают, что эффективное энергосбережение достойно эксплуатируется в условиях зимы Новосибирска. Нет полноценной программы по обучению молодых специалистов проблеме энергосбережения. Выпускники профильных вузов после 6 лет обучения не знают отличия между разными принципами утилизации теплоты, не понимают границ применимости, не владеют азами автоматического регулирования процессов обработки воздуха. А задача построить процесс на I-D диаграмме звучит для молодого специалиста «как приговор». Еще печальнее то, что на курсах повышения квалификации до сих пор нет подобной развернутой программы, и даже нет освещения принципов энергосбережения. Информационный голод означает проектирование неэффективных объектов.

Можно с уверенностью сказать, что реально почти ничего не делается по программе «в целях снижения к 2020 году энергоемкости валового внутреннего продукта (ВВП) России не менее чем на 40% по сравнению с 2007 годом, обеспечения рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов». Единственное, что внесено в нормативные документы несколько лет назад – это новые требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций зданий (СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.). Но это путь, который практически полностью себя уже исчерпал – на диаграммах хорошо видно – что незамеченный «слон» - это точно не отопление!

Некоторое время назад, в проектную документацию был внесен обязательный раздел «Энергоэффективность объекта», где приводились расчеты и обоснования теплопотребления проектируемым зданием. Только вот парадокс – по теплозащите приводились выкладки, соответствующие последним строгим нормативам, затем обосновывался необходимый нагрев всего приточного воздуха с -39 ?С (Новосибирск) до +20 ?С – и закономерно получалась тепловая нагрузка калориферов в несколько раз больше чем нужно на отопление всего здания, затем производился расчет ГВС, и писалось заключение, что здание не только укладывается в самый хороший класс энергоэффективности, но и имеет даже небольшой запас!

В настоящее время жизненно необходимы регламентирующие (обязательные всеми к исполнению) документы относительно всех инженерных обеспечений, разбитые по классам энергоэффективности, а также прописанная ответственность за неисполнение данных правил.

Необходимо также ввести ранжирование по стоимости подключения к сетям / тарифам по оплате за энергоресурсы в зависимости от класса энергоэффективности объекта. Это будет стимулировать стремление к наилучшему результату по энергосбережению. А т.к. в Европе давно такой механизм запущен и достаточно эффективно работает, то он практически напрямую может быть перенесен для нашей экономики. К слову привести нашу Российскую действительность, на одном предприятии собственнику удалось раза в 2 снизить энергопотребление за счет внедрения энергосберегающих технологий. А энергосбытовая компания позднее заявила: «Мы вам отпускали энергию по «оптовому» тарифу, а раз вы сократили потребление, то теперь тариф мы вам повысим в 2 раза».

Все предоставленные материалы о теплосбережении, можно также соотнести с электрической составляющей энергоресурсов. Конечно, для электропотребления будут свои цифры и диаграммы, отличающиеся от расчетов по теплу, однако такой анализ был бы также крайне интересен. Электроэнергия – едва ли не самый ценный энергоресурс. Для выработки электроэнергии на городских ТЭЦ сначала необходимо получить тепловую энергию, а уж затем с КПД ниже 40% - электроэнергию. Всегда имеется сопутствующее тепло в количестве 60%, правда не все эти 60% можно использовать зимой по назначению. А вот в летнее время все тепло идет на нагрев атмосферы, к сожалению. А могло бы трансформироваться в холод благодаря давно известным абсорбционным холодильным установкам, и это был бы такой же коммерческий холод по трубопроводам до ближайших потребителей, как тепло зимой. В этом случае, мы могли бы говорить о почти полном, 100% использовании углеводородов в теплое время года, а не о 30% -40% в случае только электроэнергии. В первую очередь выиграла бы энергосистема России, т.к. можно ожидать радикального снижения электрической нагрузки в жаркие дни, кроме того, холод летом – ценный продукт, его можно «продавать» также, как и тепло зимой. Почему до сих пор нет принципа максимально использовать энергию топлива? А вместо этого на объектах работают холодильные установки компрессионного типа (сюда входят сплит-системы, VRF-системы, чиллеры с привычными компрессорами и пр. установки получения холода) и жадно «глотают» ценную электроэнергию…

Заключение.

Подводя итоги, с уверенностью можно сказать, что поиск оптимальных направлений по эффективному энергосбережению насущно необходим. Такие простые решения как утилизация тепла вытяжного воздуха не только не увеличивает капитальные затраты, но даже их уменьшает практически в каждом случае. При этом, как показано на примере обследования 35 крупных и небольших объектах, можно на 40% (!) уменьшить энергоемкость новых зданий и сооружений. Кроме того, этот потенциал 40% по теплу при существующей схеме энергоснабжения объектов. Имеются достаточно серъезные проработки и расчеты экономической выгоды от применения на объектах ТНУ – теплонасосных установок. А в этом случае потенциал экономии уже больше 50%, и в этом случае выигрывает еще и другой важный ресурс – электроэнергия, т.к. летом можно обойтись без холодильных машин – холод сосредоточен в земле.

Но все зависит от государства, за очень длинными разговорами на эту тему должно последовать вполне конкретные мероприятия. Необходимо утвердить подзаконные акты к 261-ФЗ, где были бы четко прописаны какие нормативы по энергопотреблению и для каких зданий разрешены, разработать градацию по энергоэффективности, в соответствии с которой необходимо утвердить различные тарифы на ресурсы. Разрешить к проектированию и строительству, допустим 4 «буквы», и самый расточительный объект должен платить по соответствующему дорогому тарифу. Технические условия для самого энергоэффективного объекта класса «А» можно сделать льготными. Это будет «пряником». Инвесторам станет выгодно экономить энергию. Роль «кнута» необходимо поручить Ростехнадзору, в регламентах которого должно быть четко прописано, какие объекты считать «вне закона» с предписанием модернизации, и до какого % нужно поднять эффективность по той или другой инженерной системе. Вот тогда можно сказать, что мероприятия по энергосбережению «стартовали». Пока все держится на разумных заказчиках – хозяйственниках, и на единичных инжиниринговых компаниях, радеющих за энергосбережение, готовых тратить колоссальные усилия и средства на продвижение, проработку эффективных концепций, организацию и проведение различных конференций и семинаров, консультаций.

Нужно усилить поиск других энергоэффективных решений, например в энергообеспечении – стараться использовать принцип 3-генерации для полного эффективного использования углеводородов, электроосвещении – разработка недорогих эффективных светодиодов, и т.д. Очень хорошие результаты на объектах дают гибкие современные системы автоматизации. И эта проработка заслуживает внимания во вторую очередь после теплопотребления. В частности, гибкая автоматика для инженерных систем (отопление и освещение в том числе) позволяет вести регулирование по потребности, т.е. настраиваться на текущие условия снаружи и внутри объекта, менять расходы воздуха, температуры внутри помещений, освещенность и пр. Тогда от расходов на эксплуатацию энергоэффективных систем, т.е. реализованных по нашим принципам энергосбережения, можно еще дополнительно вычесть порядка 40% расходов.

Есть очень грамотные радикальные предложения – отказаться вообще от углеводородов для производства электроэнергии и тепла – использовать тепло недр Земли, потенциал энергии которой колоссальный. Выиграли бы все – у нас был бы запас невозобновляемых ресурсов, мы были впереди других стран по продвижению и успешному внедрению данной технологии, и самое главное - выиграла бы экология, которая на сегодняшний момент претерпевает необратимые изменения. Но какой бы дешевой или «попутной» не была бы энергия, относится к ней нужно бережно, стараться полностью и эффективно ее использовать, и уж точно не на 20-30% как сейчас происходит на городских ТЭЦ летом.

А.С Рубцов, генеральный директор ООО «Вент-Дизайн», г. Новосибирск.

1. AВОК №4/2007. «Экологическая безопасность жилища»

2. Энергосбережение №5/2001. «Энергосбережение при строительстве и реконструкции жилых зданий в России»

3. Энергосбережение №5/2008. Энергосбережение в программе «Доступное жилье»