Энергосбережение в общеобразовательной школе

Опыт Канады

Kahnawake Survival School (KSS) – средняя школа на 450 мест, расположенная на южном берегу реки Сент Лоренс напротив Монреаля. Здание двухэтажное, общей площадью 5 500 м², состоит из центрального корпуса и двух крыльев. Школа открылась в августе 2008 года, она выполняет также функции общественного центра и убежища

Здание запроектировано с учетом окружающего ландшафта: окружающие деревья защищают от солнца южный фасад в летнее время, зимой солнечное излучение используется в качестве дополнительного источника тепла.

В табл. 1 дается сравнение энергопотребления образовательных учреждений, справочных зданий по MNECB (Единому национальному энергетическому кодексу Канады в строительстве), использующих геотермальную энергию, а также рассматриваемой нами школы.

Из таблицы видно, что энергоэффективность KSS на 66,8 % превышает показатели средних образовательных учреждений в провинции Квебек и на 51,4 % больше энергоэффективности здания по MNECB.

Для возврата тепла вытяжного воздуха используется энтальпийный регенеративный теплоутилизатор. Геотермальные теплообменники замкнутого цикла (15 вертикальных скважин на площади 137 м²) подают подготовленный гликоль на локальные геотермальные тепловые насосы. Тепловой насос «вода-вода» нагревает или охлаждает гликоль для теплообменника в центральной вентиляционной установке, подающей наружный воздух во все зоны здания.

В качестве дополнительных мер повышения энергоэффективности используются высокоэффективные светильники и контроль подачи свежего воздуха в спортивный зал по сигналу датчиков СО₂.

Система воздуховодов запроектирована для подачи свежего воздуха в учебные классы с разделением на четыре зоны, пятая зона для офисов. Как только ученики покидают классы в одной из зон, вентиляция этой зоны отключается. При закрытии всех зон центральная система вентиляции отключается.

Классы и офисы обслуживаются раздельными системами, что позволяет контролировать качество внутреннего воздуха и энергопотребление в зависимости от режима использования (офисы используются в летнее время, в то время как классы нет; классы могут использоваться в вечернее время на протяжении всего года, когда офисы закрыты, и так далее).

При вводе в эксплуатацию особое внимание уделялось производительности воздухообрабатывающих установок. Для регулировки количества свежего воздуха, поступающего в спортивный зал, в вытяжных воздуховодах установлены датчики СО₂, измеряющие концентрацию углекислого газа в вытяжном воздухе.

Специальная система переменного объема с заданным расходом наружного воздуха и нагревом в доводчиках эффективно поддерживает качество микроклимата в помещении. Все зоны в здании способны эффективно поддерживать температуру в диапазоне комфорта, указанном в стандарте ASHRAE 55. Электрические парогенерирующие увлажнители внутри воздухообрабатывающих установок поддерживают минимальную влажность в зимнее время на уровне 30 %. Влажность в летнее время не должна превышать 60 % (проектные требования для офисов).

Южный фасад полностью освещается в зимнее время и частично в летнее

Учитывая разнообразие деятельности, осуществляемой в здании (обучение, общественные мероприятия, выступления, собрания, использование в качестве убежища), были рассмотрены два основных варианта систем: разделенные по зонам и централизованные. После проведения анализа было решено объединить обе идеи. Оптимальным решением стало кондиционирование необходимого объема наружного воздуха для всех зон централизованной системой. Основным преимуществом данной системы стала возможность работать с переменным расходом, так как классы и учебные зоны используются не круглосуточно, а офисы и административные помещения – на протяжении всего года.

Так как классы не используются в самые жаркие месяцы года (с середины июня до августа), было решено применять локальные геотермальные тепловые насосы только для административных и офисных помещений, а также в кафетерии и комнатах отдыха, поскольку эти помещения могут использоваться в летнее время для проведения различных мероприятий. Установка подачи свежего воздуха оборудована геотермальным насосом для нагрева/охлаждения/осушения наружного воздуха, поступающего во все зоны, включая классы и спортивный зал.

Для спортивного зала предусмотрена возможность повышения тепло-, холодопроизводительности системы за счет установки теплового насоса. Приток наружного воздуха для всех классов и спортивного зала осуществляется через открывающиеся окна, удаление воздуха из всех помещений – через коридоры за счет гравитационного давления. Все классы открываются в центральный коридор (при помощи раздвижных панелей). При подходящих наружных условиях загорается специальная зеленая лампа, дающая учителям/пользователям знать, что можно использовать естественную вентиляцию. За счет открывающихся окон в верхней части коридора регулируется количество удаляемого воздуха.

Использование естественного освещения

На случай очень жарких дней в каждом конце коридора (в верхней части) предусмотрены осевые вентиляторы. Они заставляют воздух проходить сквозь здание (при помощи отверстий для естественной вентиляции в классах при закрытых окнах в верхней части коридора). Та же самая стратегия применена и для обеспечения естественного охлаждения спортивного зала, кроме того, для вентиляции и отопления здесь установлена отдельная воздухообрабатывающая установка. В каждой вытяжной установке предусмотрена возможность утилизации тепла (уборные, ванные и т. д.).

Централизованная система автоматизации здания связывает все механические компоненты через централизованную сеть передачи данных. Центральная панель расположена в главном механическом зале, она настолько проста в управлении, что пользователи, присутствующие в здании в неурочное время, могут включать/отключать различные функции системы (осевые вентиляторы естественной вентиляции, основную систему подачи свежего воздуха, систему вентиляции спортивного зала).

Ввод здания в эксплуатацию проводился с системой автоматизации – это процесс продолжается и после завершения строительства, на полную отладку здания уйдет несколько лет.

Полностью застекленный фасад кафетерия ориентирован на юг

Для экономии капитальных затрат использовались простые системы, основанные на надежных недорогих технологиях; выбор оборудования опирается на принципы надежности, простоты технического обслуживания и максимальной производительности. Основное преимущество систем с переменным расходом воздуха и нагревом в доводчиках заключается в том, что, несмотря на переменные нагрузки, во всех комнатах поддерживается комфортный микроклимат. Это делает систему достаточно гибкой для адаптации к любой планировке при минимальных затратах. Проектирование сложной системы не всегда гарантирует энергоэффективность, так как более простые системы (при условии сохранения энергоэффективности) понятнее для обслуживающего персонала, что позволяет снизить эксплуатационные расходы.

Снижение энергопотребления привело к уменьшению выбросов СО₂ примерно на 212 тонн в год. Общее количество сэкономленной энергии в год приблизительно соответствует количеству, потребляемому 92 средними домами.

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Комментарий научного редактора

В. И. Синицын, директор по развитию ООО «ЭНЕРГОВЕНТСТРОЙ»

Общее конструктивное решение систем микроклимата московских общеобразовательных школ типа «каре» совпадает с канадской школой KSS. В обоих случаях здание разделено на несколько зон, каждая из которых имеет свои доводчики, а удаление воздуха происходит через коридоры вентиляцией с естественным побуждением. Обращает на себя внимание то, с каким вниманием канадские специалисты отнеслись к вопросам снижения энергетических затрат при разработке систем микроклимата школы. Здесь учтено расположение здания школы в окружающем ландшафте для снижения прогрева здания солнечными лучами в теплый период года и, наоборот, для его увеличения в холодный. Для уменьшения энергозатрат предусмотрено количественное регулирование приточного воздуха (при заданном значении наружного воздуха); отключение притока воздуха в зоны, где ученики покинули все классы; форсированное «проветривание» наружным воздухом с помощью вентиляторов; утилизация теплоты вытяжного воздуха.

Применение в канадской практике регулирования подачи наружного воздуха по концентрации СО₂ в воздухе требует дополнительных исследований, поскольку может снизить качество внутреннего воздуха.

Заслуживает внимания применение пароувлажнителя для поддержания уровня относительной влажности в классах. Использование парового увлажнителя позволяет избежать многих недостатков форсуночных камер, применяемых в отечественной практике для увлажнения приточного воздуха в школах. При выборе типа увлажнителя необходимо проконтролировать также затраты энергии на увлажнение.

Интересно также решение автоматики систем микроклимата. За счет упрощения панели управления сотрудники школы могут выборочно отключать системы микроклимата или отдельные их функции, что обеспечивает дополнительную экономию энергии.

Поскольку здания московских школ выполнены по типовым проектам, необходимо в самое ближайшее время разработать для каждого типа школ новые решения инженерных систем с учетом зарубежного опыта и новых отечественных разработок, что позволит улучшить качество внутреннего воздуха при одновременном снижении энергозатрат на его обеспечение.