Возможности улучшения энергетических параметров крупных городских территорий

В Германии проект Polysity направлен на поддержку различных энергосберегающих аспектов городского развития в районе Шарнхаузер Парк, расположенном недалеко от г. Штутгарта, где находятся как нуждающиеся в модернизации, так и новые энергоэффективные здания. До 1992 года Шарнхаузер Парк использовался в качестве военной базы армии США, для которой была установлена центральная отопительная установка, подключенная к местной теплосети для снабжения теплом казарм.

В настоящем виде район является результатом конкурентного городского развития. Его можно разделить на три основные зоны. В северном районе сосредоточены преимущественно модернизированные американские жилые дома. В восточной части района расположена небольшая зона с рядами индивидуальных жилых домов коттеджного типа, а в самой большой, западной части, находятся четырехэтажные многосемейные дома с обширными зелеными зонами и ландшафтными территориями.

С энергетической точки зрения жилой комплекс является образцовым – основная часть тепловой энергии получается за счет сжигания биомассы на когенерационной энергостанции, речь о которой пойдет ниже, что позволяет существенно снизить выбросы CO₂ в атмосферу. Все здания района подключены к существующей тепломагистрали. После существенной модернизации и расширения местная теплосеть имеет протяженность более чем 13 км и позволяет жителям Шарнхаузер Парка пользоваться теплом, произведенным с применением экологически чистых технологий.

Для достижения высокой общей энергоэффективности района все существующие здания района снабжены высокотехнологичной теплоизоляцией, соответствующей современным европейским стандартам для зданий низкого энергопотребления, т. к. еще в 1995 году для зданий Шарнхаузер Парка были разработаны специальные нормативы по тепловой изоляции, превышающие на тот момент на 25 % действующие в стране показатели.

В результате потребление энергии этими зданиями ниже на 20 %, даже по сравнению с настоящими требованиями по энергосбережению от 2002 года. Для достижения этих показателей были проведены дополнительные мероприятия: утеплены наружные стены, установлены более качественные в плане теплоизоляции окна, выполнено встроенное в полы низкотемпературное отопление, а вентиляция жилых зон и контроль качества воздуха рассчитаны с учетом данных теста дверей на герметичность.

Основная часть энергии для развития Шарнхаузер Парка вырабатывается на теплоэлектростанции, использующей биотопливо (древесную стружку), расчетная мощность которой 6 МВт. Для покрытия пиковой нагрузки, а также в качестве резерва, установлены два котла, работающие на природном газе мощностью 5 и 10 МВт. Эта теплоэлектростанция сможет обеспечивать район на 80 % тепловой и на 50 % электрической энергией, численность жителей которого составит 10 тыс. чел. В рамках проекта Polysity были установлены дополнительные баки-аккумуляторы горячей воды в индивидуальных домах, что позволило справляться с пиковыми нагрузками и снизить расход природного газа, сжигаемого резервными котлами, доля которого с каждым годом уменьшается за счет увеличения использования биотоплива (рис. 1).

Рисунок 1. Расход биомассы пропорционально газу

Выработка энергии производится паровой турбиной на основании органического цикла Ренкина (ОЦР), где в качестве рабочей среды используется органическая жидкость, температура кипения которой позволяет работать без достижения высокого давления и температуры, что и делает возможным использование биомассы. Эта простая, но усовершенствованная технология, дает значительную экономию по сравнению с традиционными электростанциями, работающими на водяном паре, и, скорее всего, является наилучшим вариантом для малых и средних децентрализованных установок. Цикл Ренкина может гибко реагировать на потребности в теплоснабжении, сохраняя практически постоянным и высоким уровень эффективности установки. Учитывая небольшие размеры станции и, соответственно, низкий уровень шума, применение ОЦР позволяет удачно встраивать такие теплоэлектростанции в архитектурный ансамбль жилых районов.

Особый акцент при выборе технологии был сделан на надежную работу и низкие выбросы теплоэлектростанции. Для обеспечения чистоты воздуха используется комплексное фильтровальное оборудование и постоянный контроль выбросов. Оператор теплоэлектростанции обеспечивает круглосуточное обслуживание и гарантирует бесперебойное снабжение энергией Шарнхаузер Парка. Проведение проекта Polysity позволило улучшить процесс управления электростанцией и сбора данных. Оборудование для модернизации системы, которое еще предстоит установить, чтобы выделять конденсат из дымовых газов, повысит тепловую мощность электростанции приблизительно на 1 000 кВт, что внесет существенный вклад в экономию энергии, вырабатываемую из биологических и ископаемых видов топлива.

В рамках проекта в районе были установлены новые фотоэлектрические батареи, вырабатывающие более 37 кВт. Наиболее мощная установка встроена в здание теплоэлектростанции. Солнечные батареи были размещены на южном фасаде и плоской крыше здания. Солнечный модуль на фасаде здания состоит из темных монокристаллических панелей и не только украшает здание, но и, в первую очередь, является высокоэффективным солнечным генератором электроэнергии. Недавно было подтверждено исследованиями, что результаты фактических измерений величины электроэнергии, произведенной солнечными модулями на фасаде и крыше, практически совпадают с расчетными данными, полученными при компьютерном моделировании. Оба модуля фактически производят даже немного больше энергии, чем при моделировании (рис. 2).

Рисунок 2. Энергетическая диаграмма с измеренными и смоделированными величинами

Помимо этого, на крыше здания комбинированной теплоэлектростанции на древесном топливе размещена метеорологическая станция, данные с которой ежеминутно поступают в Интернет. Это позволяет операторам других небольших солнечных модулей, расположенных в Шарнхаузер Парке, получать реальную информацию об интенсивности солнечного излучения и прогнозировать изменение количества вырабатываемой солнечным модулем энергии (рис. 2).

Одной из основных задач немецкого проекта Polysity является оптимизация рабочей энергетической нагрузки на комбинированную теплоэлектростанцию, работающую на биотопливе, за счет использования в летнее время тепловой энергии на нужды охлаждения.

Это выполняется благодаря строительству в Шарнхаузер Парке нового офисного здания. Энергоснабжение этого здания, площадью около 4 500 м², обеспечивается теплоэлектростанцией. В отличие от электрического охлаждения, являющегося стандартным на сегодняшний день, в офисном здании для этих целей устанавливается первая в Европе абсорбционная холодильная установка, работающая на бромиде лития и использующая тепло, выработанное теплоэлектростанцией. Поскольку тепловая энергия, необходимая для этого, производится исключительно из возобновляемых источников – сжигаемой древесной стружки, – то такая система охлаждения является намного более экологически чистой, чем использование холодильного компрессора.

Холодильная производительность этой установки составляет 150 кВт. Для еще большего повышения эффективности охлаждения, кроме традиционной передачи холода по воздуху, холод передается активацией бетона внутри индивидуальных перекрытий. Использование аккумулирующих свойств позволяет повысить эффективность холодильной установки и снизить максимальную потребляемую мощность. Благодаря относительно высоким максимальным температурам холодной воды (9–15 °C), эта система позволяет добиться высокой эффективности холодильной установки. В случае необходимости отопления помещений данная система активации бетона также используется для покрытия основной тепловой потребности.

Поскольку офисное здание будет построено на бетонных сваях, эти сваи было решено сконструировать как «тепловые столбы», внутри которых проложены трубы с водой, передающие тепло в грунт в летнее время и забирающие его из грунта в зимнее. Дополнительные расходы, связанные с установкой такой системы, незначительны в сравнении с ожидаемой дополнительной холодильной мощностью, равной примерно 30 кВт. Энергия, забираемая тепловыми столбами, интегрируется в существующую вентиляционную систему здания. В этом случае наружный воздух, поступающий в здание, можно подвергнуть нейтральному (в плане использования первичной энергии) предварительному охлаждению в летнее время и предварительному нагреву в зимнее. С целью оптимальной регулировки компонентов здания предусматривается запись, сбор и анализ всех эксплуатационных данных.

Другое интересное с точки зрения использования энергоэффективных технологий здание – Молодежный центр – также находится на стадии строительства. Оно возводится на окраине Шарнхаузер Парка рядом со спортивным центром. Поскольку в этом районе нет возможности подключения к центральной теплоэлектростанции, для данного здания был предусмотрен независимый источник энергии. Энергия, необходимая для такого здания, обеспечивается геотермальными тепловыми зондами и соответствующим тепловым насосом. Более того, здание также оборудовано системой механической вентиляции с рекуперацией тепла и геотермальным теплообменником (рис. 3). Нейтральный в отношении первичной энергии, этот теплообменник «воздух-земля» подогревает всасываемый вентиляционной системой наружный воздух зимой и охлаждает его летом. Передача тепла и холода внутри здания осуществляется также при помощи встроенной в пол системы трубопроводов, которая покрывает основную нагрузку и для периодов пиковой нагрузки, и быстрого предварительного нагрева / охлаждения воздуха.

Рисунок 3. Энергопотребление зданием мэрии в Шарнхаузер Парке

С целью максимального увеличения доли использования возобновляемой энергии в общем объеме энергопотребления, особое внимание при проектировании было уделено минимизации тепловых потерь через наружные стены. Наиболее экономичным оказался вариант, при котором непрозрачные части наружного ограждения здания сконструированы в соответствии с требованиями для пассивных зданий, а окна рассчитаны в соответствии со стандартами, разработанными для зданий с низким потреблением тепла. При помощи этого метода для здания такого размера (410 м²) можно добиться очень низкой отопительной потребности – 32 кВт•ч/м² в год. Здание прошло энергетическое обследование исследовательским центром (zafh.net) для сравнения фактического энергопотребления с расчетным и выявления возможностей потенциальной оптимизации системы.

Кроме использования возобновляемой энергии и повышения энергоэффективности зданий, имеется другая возможность потенциального снижения выбросов СО₂ – за счет снижения энергопотребления существующих муниципальных зданий в районе Шарнхаузер Парка, таких как мэрия, начальные и общеобразовательные школы со спортзалами, большое количество детских садов и яслей, а также муниципальный строительный двор общей площадью около 21 000 м² – на эти здания приходится значительная часть общего энергопотребления.

Расходы тепла, электричества и, в некоторой мере, воды в зданиях с максимальным энергопотреблением тщательно отслеживаются, и результаты этих наблюдений сохраняются для анализа в долгосрочной перспективе. Такая система позволяет повысить энергосбережение, и результатами ее работы пользуются конечные потребители энергии и обслуживающий персонал.

Например, в рамках системы подробного мониторинга в здании мэрии установили модуль сбора и передачи данных (Smartbox). Это устройство собирает информацию по измерению расхода со всех внутренних счетчиков каждые пять минут. Всего за 18 мес. эти простые и недорогие меры по энергосбережению позволили снизить энергопотребление более чем на 20 % по сравнению с расходом прошлых периодов, который при этом постоянно увеличивался (рис. 3).

Контрольное программное обеспечение позволяет осуществлять мониторинг энергопотребления во все большем количестве муниципальных зданий. Планируется разработать систему автоматического учета с функцией предупреждения о ненормально высоких уровнях энергопотребления. Это позволит выявлять влияние поведения пользователей на энергопотребление и внести соответствующие коррективы.

Были введены общегородские стандарты для муниципальных зданий, позволяющие снизить нормативные требования для этих зданий на ~30 % по сравнению с новыми строениями или для модернизированных зданий старой постройки. Кроме того, городской совет ввел экологический коэффициент по СО₂ в размере 50 евро/т СО₂, взимаемый в течение всего срока эксплуатации здания (жизненного цикла здания). Деньги направляются на финансирование строительства новых зданий и в годовой бюджет на энергосберегательные меры.

Для профессиональной визуализации всех энергетических потоков в зоне разработки проекта Шарнхаузер Парк была разработана гео-информационная система, которая обрабатывает и отображает информацию на основании многочисленных данных по выработке и расходу энергии. Система основывается на фактических данных, полученных от разных зданий и записанных в базе данных. Эти данные включают в себя информацию о характеристиках зданий, а также об уровнях их энергопотребления на отопление и электричество. Гео-информационная система предоставляет множество возможностей для отображения данных в виде тематической карты или гистограммы (рис. 4). Из соображений безопасности данные по отоплению и энергопотреблению отображаются только как средняя величина для соответствующего типа здания или для жилых зданий, для соответствующей группы зданий. Гео-информационная система предлагает хорошее решение для контроля энергопотребления целых районов и, следовательно, позволяет оптимально использовать потенциал возобновляемой энергии. Систему также можно использовать для публикации данных во внутренней сети или Интернете, что открывает жителям района доступ к данным по энергопотреблению их собственных домов и, таким образом, позволяет им контролировать свое энерго- и электропотребление, повышая уровень их осведомленности о рациональном использовании энергетических ресурсов.

Рисунок 4 (подробнее)   Механическая система вентиляции с рекуперацией тепла и геотермальным теплообменником