Энергоаудит общественных зданий большой площади

И. Шапиро, президент Taitem Engineering, член ASHRAE

Площадь общественных зданий в США превышает площадь зданий любого другого типа и составляет 1,1 млрд м², и следовательно на них приходится максимальный расход энергии – 1,1 квадриллион БТЕ .

При проведении энергоаудита в здании большой площади необходимо ознакомиться с его особенностями. Например, центральные системы ОВК и их системы управления могут оказаться довольно сложными даже для опытных инженеров. В высотных зданиях образуются непредсказуемые и неконтролируемые воздушные потоки, возникающие из-за взаимодействия тяги, вытяжных вентиляторов и воздухораспределительных систем повышенного давления.

Из-за большой площади зданий специалистам, проводящим энергоаудит, приходится работать с огромными объемами информации. Бывает так, что, вернувшись с объекта в офис для проведения анализа, они путаются в собранных данных. Кроме того, владельцы зданий стараются сэкономить на стоимости проведения энергоаудита.

Иногда технически более интересные и сложные инженерные задачи, например использование энергии солнечной радиации, привлекают особое внимание специалистов по энергоаудиту, и они не уделяют должного внимания проведению необходимых мероприятий, таких как анализ состояния ограждающих конструкций здания, освещения и правильное техническое обслуживание. Все это приводит к проведению поверхностного анализа и снижению эффективности проверки, поэтому в данном случае предложенные энергосберегающие мероприятия будут минимальны.

Сейчас энергоаудит условно подразделяют на поверхностный и комплексный. Однако требования, предъявляемые к каждому уровню, недостаточно подробно сформулированы и между ними нет жестких границ. Поэтому специалисту, осуществляющему энергоаудит, приходится решать самому, какие данные собирать и какие мероприятия рассматривать. Отсутствие подробной информации при выполнении энергоаудита приводит к нечетким рекомендациям и отчетам, на основании которых проводятся мероприятия по экономии расхода энергии.

Несмотря на трудности проведения энергоаудита в общественных зданиях большой площади, в них заложено множество возможностей по повышению энергоэффективности. Повторяющиеся типы помещений на разных этажах и в разных зданиях, например коридоры, лестничные клетки, туалеты, конференц-залы, упрощают проведение энергоаудита. Большой потенциал по экономии энергии содержит оборудование, работающее с большими нагрузками, например, системы по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха (ОВК), мощные электродвигатели воздухораспределяющих установок и насосов. Кроме того, повысить энергоэффективность позволяет отладка настройки неправильно работающих систем ОВК. Также большие энергосберегающие возможности содержат компьютеры и периферийное оборудование, оборудование мини-кухонь, освещение и светопрозрачные конструкции (окна).

Комплексный подход

Для реализации энергосберегающих возможностей в общественных зданиях большой площади и снижения рисков рекомендуется использовать комплексный подход, который рассматривает все энергопотребляющее оборудование, предлагает максимальную экономию и наиболее широкий выбор мероприятий. Методический сбор данных существенно упрощает анализ и позволяет найти оптимальные легко реализуемые на практике решения.

Комплексное моделирование и анализ помогают выявить нестандартные потери энергии. В процессе расчетов акцент следует делать на баланс между расчетными и фактическими значениями расхода энергии инженерными системами здания. До начала оценки возможных мероприятий необходимо ввести поправку на особенности наружного климата. Кроме того, нужно учесть взаимодействие энергосберегающих мероприятий, поскольку их простое суммирование может не только дать эффект экономии, но и наоборот – привести к увеличению расхода энергии.

Кроме рутинного анализа повторяющихся нагрузок и оборудования, само здание должно рассматриваться как уникальное, а не одно из множества аналогичных объектов, что поможет найти аномалии в его эксплуатации и выявить индивидуальные возможности экономии энергии именно для данного здания. Этому будет способствовать сбор фактических данных, например, по работе системы ОВК: изменение температуры, режим эксплуатации оборудования и расход энергии.

Приведем пример оптимизации осветительных нагрузок. В табл. 1 и 2 сведены данные отчета реально проведенного энергоаудита в одном из общественных зданий, в каждой комнате которого было замерено освещение. Даже при небольшой выборке офисов можно видеть существенную разницу в уровнях освещения помещений – от 592 до 1 238 люкс. Освещение некоторых офисов избыточно, следовательно, в них можно уменьшить количество ламп или светильников. Снятие показателей в отдельных помещениях – это индивидуальный энергоаудит, на основании которого формируется отчет, содержащий конкретные рекомендации и четкий перечень различных энергосберегающих мероприятий.

Таблица 1 (подробнее) Текущее состояние и рекомендации по освещению в общественном здании

Таблица 2 (подробнее) Экономия, получаемая после выполнения мероприятий по освещению, рекомендованных специалистом по энергоаудиту

Проиллюстрируем на конкретном примере возможные пути энергосбережения. В офисе руководителя площадью 11 м² использовалось два светильника по четыре лампы в каждом. Простой поверхностный энергоаудит показал бы, что это люминесцентные энергоэффективные лампы Т8 с электронными дросселями, и не предложил бы каких-либо рекомендаций. Но при комплексном энергоаудите была замерена интенсивность освещения, которая составляла 1 615 люкс, что намного превышает рекомендованный диапазон освещения (323–753 люкс) для офисов. В результате было предложено убрать четыре из восьми ламп и заменить одиночный выключатель на двойной (по одному переключателю для каждого светильника), а также встроить в выключатель фотоэлемент с датчиком движения и ознакомить офисных работников с правилами пользования новыми приборами контроля. В результате экономия составила более 70 %.

Комплексный энергоаудит включает в себя анализ всех энергетических затрат и энергопотребления оборудования в здании: систем ОВК и воздуховодов; ограждающих конструкций здания (стены, окна, крыша, фундамент, изоляция); освещения; нагрузки на электросети (бытовая техника и компьютеры), а также применение других мероприятий, например, усовершенствование процессов эксплуатации и технического обслуживания, обучение людей и т. д. Следует сосредоточиться не только на повышении эффективности оборудования, но и на создании его оптимальной работы и соответствии с требуемой нагрузкой. Например, меняя отопительные котлы на более эффективные, нужно убедиться, что мощность новых не превышает необходимую.

Комплексный подход к энергоаудиту зародился более 10 лет назад при проведении проверки энергопотребления жилых зданий. В настоящее время в него обязательно входит измерение по месту работы производительности установок систем ОВК, например, испытания на эффективность горения для котлов, которое становится все более популярным. Кроме этого, осуществляется анализ распределительных систем, например, тестирование воздуховодов на утечки. Стала общепринятой оценка нагрузок бытовых приборов, подключенных к электрической сети. Диагностические инструменты, такие как воздуходувные устройства для измерения воздухонепроницаемости (blower door) и инфракрасная термография, позволяют проводить расширенные исследования теплоизоляции ограждающих конструкций здания. Усовершенствованные технологии реконструкции теплоизоляции, такие как напыляемая пена и уплотнение целлюлозой, широко применяются в жилом секторе, но пока не очень популярны при реконструкции общественных зданий.

Удачные методики проведения энергоаудита, примененные на практике, широко распространяются, и параллельно проводятся исследования по поиску новых. В США были приняты национальные стандарты по энергоаудиту. Оценка здания как единого целого стала негласным правилом в жилом секторе, но еще не так распространена для крупных общественных объектов. Комплексный подход получил практически повсеместное признание и применение при проведении энергоаудита в жилых зданиях, а упрощенные методы сейчас вызывают неодобрение.

При индивидуальном энергоаудите офисных помещений, интенсивности освещения и частоты использования осветительных приборов, нужно рассмотреть проблемы, связанные с ОВК, например, неправильно установленные температуры, завышенная нагрузка на электрических розетках. Таблицы для сбора данных должны быть составлены таким образом, чтобы ревизоры, находясь в помещении, могли просто отметить, какие точно мероприятия должны рассматриваться для данного помещения, что ускоряет процедуру оценки. Сэкономить время можно и при проведении анализа, если максимально его автоматизировать.

Сбор данных по конкретным помещениям позволяет производить расчеты более точно и вместо предоставления общих рекомендаций разработать уточненные подробные отчеты, предотвращающие также дублирование работ.

Стандартные мероприятия по повышению энергоэффективности в общественных зданиях

В офисных помещениях предпочтительно устанавливать систему управления ОВК, учитывающую режим работы служащих и контролирующую качество внутреннего микроклимата. В офисных помещениях большой площади часто образуется центральная зона с высокой потребностью в охлаждении, тогда имеет смысл использовать экономайзеры, а также системы, отбирающие тепло и передающие его на периметр, например, тепловые насосы с водяными контурами. Другой вариант – замена установки ОВК на более эффективную. Кроме того, существенной экономии можно добиться за счет правильной настройки системы управления ОВК.

Избыточное освещение часто не замечается, поэтому люксметр должен быть неотъемлемой частью комплекта инструментов специалиста по энергоаудиту. Согласно нормам расхода энергии, максимальная плотность мощности освещения в офисах должна составлять 0,09–0,10 Вт/м², но существующие здания часто потребляют намного больше. Сейчас легко добиться значения мощности освещения 0,07 Вт/м² или ниже, и это значение становится целью. Энергетические расходы можно снизить еще больше, используя дневное освещение и освещение, контролируемое датчиками движения. Снижение расхода энергии на освещение влечет за собой уменьшение потребности в кондиционировании воздуха в центральной части здания. Использование подвесных светильников в помещениях с высокими потолками также позволит уменьшить плотность мощности освещения и зачастую способствует улучшению внешнего вида помещения. В коридорах и на лестницах, поскольку они обычно используются круглосуточно, в целях экономии стоит уменьшить интенсивность освещения до 54–108 люкс, и тоже установить датчики движения и фотодатчики для контроля светильников, расположенных вблизи окон.

Кроме того, подключенное к электросети оборудование, такое как компьютеры и холодильники, существенно увеличивает расход электричества. Их можно заменить на более энергоэффективные устройства или использовать в более экономичном режиме, например, настроить компьютеры так, чтобы мониторы отключались, когда не используются. Для снижения этих нагрузок требуется разъяснительная работа среди пользователей.

Также нужно обратить внимание на ограждающие конструкции высотного общественного  здания. Для снижения потерь энергии от эффекта тяги или инфильтрации можно уплотнить швы вокруг окон и рам или уплотнить перегородки внутри здания (например, уплотнение швов вокруг лестничных дверей), а также провести прочие меры герметизации. Такие мероприятия также существенно уменьшат дискомфорт, вызванный потоками наружного воздуха на нижних этажах здания. Замена окон и использование зимнего оконного переплета может снизить теплопотери в два и более раза в зимний период и, соответственно, уменьшить прирост тепла в летний. Наружные или внутренние шторы еще более снизят нагрузки и защитят офис от теплопоступления солнечной радиации. Не следует обходить вниманием вопросы теплоизоляции.

Сравнение эффективности поверхностного и комплексного энергоаудита

Сравним два вида энергоаудита (реальные данные) – поверхностного и комплексного (табл. 3).

Комплексный энергоаудит позволил получить экономию 46 %. Интересно, что фактическая экономия энергии после реализации владельцем рекомендованных мероприятий, оказалась выше расчетной. После замены котлов, окон, установки котлов для летних нагрузок для технического горячего водоснабжения и разделения отопительной установки на несколько зон фактическая экономия составила 53 %.

Таблица 3 (подробнее) Сравнительный анализ энергоаудита

Поверхностный энергоаудит, проведенный в другом общественном здании большой площади, показал возможным всего 7 % экономии. Поверхностный энергоаудит, иногда предлагаемый как предварительный этап комплексного энергоаудита, создает фальшивое впечатление, что существенная экономия нереальна, не дает владельцу рассмотреть возможность проведения комплексных работ и откладывает существенные улучшения на далекое будущее.

Кроме того, при поверхностном энергоаудите указанная потенциальная экономия энергии может уменьшиться в период после проведения энергоаудита и конечной реализации предложенных мероприятий (рисунок). Кроме этого риска, возникающего по причине некачественной проверки или недостаточности измерений, существует риск, что владелец не выполнит полностью все рекомендуемые мероприятия. Подрядчик может совершить ошибки или применить менее эффективные материалы и оборудование. Также существует риск некачественного ввода в эксплуатацию энергосберегающих установок и риск неправильной эксплуатации и технического обслуживания. Все эти риски существенно снизят эффект от изначально рекомендованных энергосберегающих мероприятий. Комплексный подход – лучшее средство защиты от таких потерь.

И, наконец, существует высокий риск, что из-за колебаний расхода энергии фактическая экономия после завершения энергосберегающих мероприятий окажется совсем незаметной, поскольку предполагаемая поверхностным энергоаудитом экономия составляет всего 7 %.

Рисунок. Уменьшение экономии энергии

Пример проведения энергоаудита

Рассмотрим на реальном примере величину фактических затрат на энергию, получаемую экономию после проведения комплексного энергоаудита и примерную стоимость энергоаудита. Офисное здание площадью 7 154 м², расположенное в северной части штата Нью-Йорк, расходует 130 тыс. долл. США в год на электроэнергию, 210 тыс. долл. США в год на газ, что в сумме составляет 340 тыс. долл. США в год на энергию. Комплексный энергоаудит рекомендовал 14 энергосберегающих мероприятий, все из которых дают положительную стоимость жизненного цикла – отношение экономии к величине инвестиций составляет выше единицы. Рекомендации включают: замену отопительного оборудования на новые котлы повышенной эффективности; установку новой воздухораспределительной системы с переменным расходом, высокоэффективных электродвигателей; замену теплоизоляции труб; оптимизацию системы управления ОВК; применение вентиляционной системы с рекуперацией тепла; герметизацию швов вокруг дверей, наружных оконных рам; существенное снижение количества электроламп и их замену на энергосберегающие; замену системы управления освещением и замену слишком мощной установки по производству льда; оптимизацию работы пищевых раздаточных автоматов.

Предполагаемая годовая экономия составит 125 тыс. долл. США в год, или 37 %. Стоимость энергоаудита составила примерно 27 тыс. долл. США. Отношение стоимости энергоаудита к годовой экономии энергии равно 0,22. Другими словами, экономия на энергетических затратах окупит стоимость энергоаудита приблизительно за 2,6 мес. Окончательный отчет содержит много подробной информации, которая может оказаться полезной для владельца при реализации предложенных улучшений.

Стоимость поверхностного энергоаудита, как было показано раньше, составила бы 5 тыс. долл. США, и такая проверка предложила бы экономию в 7 % в год, т. е. 24 тыс. долл. США в год. Но поверхностный аудит не предполагает подробного описания требуемых энергосберегающих мероприятий. Предполагая, что составление подробного отчета, выполненное инженером или проектировщиком, будет стоить дополнительно 5 тыс. долл. США, отношение суммы стоимости энергоаудита и подготовки подробного отчета к годовой экономии составит 0,42, что в два раза выше, чем для комплексного анализа.

Отметим, что отчет комплексного энергоаудита включает даже мероприятия, повышающие энергоэффективность, но которые не дают положительную стоимость жизненного цикла. В отчете рекомендованные мероприятия размещаются в порядке важности, исходя из предполагаемой стоимости установки, годовой экономии, замены без дополнительных расходов и т. д. Это существенно помогает владельцу избежать неэффективных экономических решений. Кроме экономических, предоставляется информация об иных критериях: качество микроклимата, безопасность работы и т. д.

Алгоритм проведения энергоаудита

Существует множество алгоритмов, упрощающих проведение энергоаудита в общественных зданиях большой площади. Приведем один из них:

• До посещения объекта необходимо провести анализ счетов за коммунальные услуги. Разделить их по периодам года (отопительный, летний), по виду топлива, типу зданий и измерительным приборам. На основании этой работы выявить аномалии в расходе энергии, которые в дальнейшем помогут обнаружить чрезмерные нагрузки и возможности экономии.
• Постараться выявить неоптимально работающие системы ОВК, например, неправильно установленные уровни температур (система управления температурой горячей и холодной воды, температура в помещении, графики включения вентиляции и т. д.).
• Подготовить и иметь при себе план сбора данных, включая соответствующие таблицы.
• Выделить достаточно времени для посещения объекта – одного дня мало для эффективного осмотра общественного здания большой площади.
• Иметь при себе комплект необходимых инструментов: инфракрасный термометр, измеритель углекислого газа, измерительную рулетку, планы здания, люксметр, устройство для проверки дросселей.
• Привлекать персонал здания: задавать вопросы о графиках работы, средствах управления и возможных источниках неэффективного расхода энергии и способах ее экономии.
• Сразу после осмотра объекта составить описание здания и перечень возможных энергосберегающих мероприятий, подлежащих анализу. Это будет началом заключительного отчета и поможет руководству или коллегам заметить упущенные возможности на самой начальной стадии. Если в самом начале указать все возможности, требующие анализа, то не придется повторять анализ позже, когда отчет уже готов, что значительно облегчит работу.
• Сопоставить энергетические модели со счетами за коммунальные услуги до того, как будут сформулированы возможные энергоэффективные мероприятия.
• При моделировании необходимо учитывать взаимодействие различных мероприятий.
• Необходимо описать все возможные воздействия (кроме экономических) каждого энергосберегающего мероприятия на здоровье служащих и их безопасность, влияние на уровень комфорта, отметить процесс эксплуатации и технического обслуживания т. д.
• Необходимо использовать экономические расчеты, такие как отношение экономии к величине инвестиций с учетом текущей стоимости, фактора дисконтирования, а также ожидаемой инфляции стоимости энергоносителей.

Итак, при проведении энергоаудита общественных зданий большой площади возникает множество специфичных для данного сектора проблем. При поэтапном подходе (сначала поверхностный энергоаудит) существует риск, что полученная экономия энергии окажется незначительной. Более высокая стоимость комплексного энергоаудита оправдывается тем, что позволяет сразу получить большую экономию энергии, избежать дублирования энергосберегающих мероприятий. Комплексный подход с использованием структурных методов упрощает работу и создает основу для достижения значительной экономии энергии.