Строительство энергоэффективных зданий и сооружений с минимальным потреблением энергии в России должно быть одним из приоритетных направлений при решении задач энергосбережения. При этом предлагаемые технические решения для таких зданий должны учитывать специфические особенности северной, средней и южной климатических зон нашей страны.

Решение задач оптимизации на основе математической модели позволяет определить оптимальные схемные решения и параметры системы энергоснабжения здания, при которых будет достигнута необходимая мощность рассматриваемого объекта. При этом появляется возможность проводить такую оптимизацию с учётом использования возобновляемых источников энергии.

В соответствии с Федеральным законом от 23 ноября 2009 года №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», начиная с 1 января 2010 года государственные (муниципальные) учреждения должны обеспечить снижение в сопоставимых условиях потребления воды, дизельного и иного топлива, природного газа, тепловой и электрической энергии, угля в течение пяти лет не менее чем на 15 % от объёма фактически потреблённого ими в 2009 году каждого из указанных ресурсов с ежегодным снижением такого объёма не менее чем на 3 %.

Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт» является одним из крупнейших технических университетов России. Инфраструктура МЭИ состоит из девяти учебных корпусов, которые содержат сотни учебных и научных лабораторий, учебно-экспериментальной ТЭЦ, пяти зданий студенческого общежития, опытно-производственного завода, профилактория, дома культуры, здания столовой, спортивного комплекса «Энергия», бассейна.

Основной энергетический университет в России — Национальный исследовательский университет «МЭИ» — осознает свою ответственность перед студентами и перед обществом представлять собой пример передовой, наиболее эффективной организации в области энергосбережения, внедряющей и развивающей энергосберегающие технологии. Несмотря на то, что в МЭИ регулярно проходят энергетические обследования (рис. 1) [1, 2] и были реализованы многие меры по повышению энергоэффективности, теплозащитные характеристики всех зданий кампуса находятся довольно далеко от характеристик «пассивного дома» или зданий с околонулевым потреблением энергии.

Развитие системы энергоснабжения студгородка МЭИ на основе концепции «зелёного» строительства. 1/2018. Фото 1

Коллектив авторов разработал и предложил стратегию развития системы энергоснабжения зданий МЭИ на основе применения технологий «зелёного» строительства. В последние годы аналогичные проекты реализуются в Европе. Например, учебно-административное здание Венского технического университета [3, 4], прошедшее реконструкцию в 2015 году, является первым высотным зданием в Европе, которое производит больше энергии, чем потребляет. Это здание функционирует как общественное здание, которое ежедневно посещают около 800 сотрудников и до 1800 студентов. В октябре 2015 года университету, в чьей собственности находится здание, была присуждена австрийская Государственная премия за выдающиеся достижения в области технологий охраны окружающей среды и энергоэффективности (категория «Научные исследования и инновации»).

Есть также подобные примеры среди многоэтажных жилых домов, таких как Aktiv-Stadthaus («Энергоактивный таунхаус») во Франкфурте-на-Майне, построенный в 2015 году и имеющий общую площадь 10714 м² [5].

В рамках проведённой работы были сформулированы основные этапы стратегии развития системы энергоснабжения студгородка МЭИ. Первый этап включает реконструкцию корпусов Е, М и научнотехнической библиотеки (НТБ) МЭИ на основе концепции проектирования «зелёного пассивного здания» (PHPP). Этот этап включает решение задач:

1. Определение существующего энергопотребления корпусов Е, М и НТБ по результатам энергоаудита и построение их математических моделей с использованием программного обеспечения для трёхмерного моделирования designPH и PHPP.

2. Разработка и реализация программы утепления зданий на основе применения современных и перспективных строительных материалов и технологий (тепловая защита наружных стен, применение энергосберегающих окон и дверей, утепление крыши и технического этажа, утепление подвалов, применение PCMматериалов с фазовым переходом).

3. Развитие системы энергоснабжения зданий на основе применения современных и перспективных энергосберегающих технологий в системах отопления, горячего водоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, освещения, электроснабжения, а также систем автоматизации отдельных подсистем, систем мониторинга и комплексного управления всей системой энергоснабжения.

4. Реализация стратегии внедрения «зелёных» технологий посредством использования возобновляемых источников энергии с применением солнечных коллекторов, солнечных панелей, включающих комбинированное производство электрической и тепловой энергии на основе технологий BIPV и BIPVT (Building Integrated PhotoVoltaic Thermal), встраивания в крышу и фасад здания солнечных батарейколлекторов. Рассматриваются и системы с тригенерацией электроэнергии, тепла и холода с использованием PVT-технологии и абсорбционных холодильных машин для обеспечения систем кондиционирования воздуха в летний период, ветроэнергетические установки, инверторы и электроаккумуляторы, системы суточного, недельного и сезонного аккумулирования тепловой энергии.

5. Экономическая оценка реализации проектов «зелёного» строительства.

6. Анализ и выбор энергосберегающих проектов при минимальном финансировании.

7. Анализ и отбор проектов «зелёного» строительства с полным необходимым финансированием до уровня энергопотребления, близкого к нулевому.

Второй этап включает реконструкцию других зданий студгородка МЭИ на основе реализации стратегии «зелёного» строительства: учебных и административных корпусов; жилых зданий и общежитий; учреждений культуры и медицины, зданий общепита и магазинов.

В настоящее время реализуется первый этап рассмотренной стратегии. В результате его выполнения на основе результатов энергетических обследований [1, 2] была построена математическая модель корпуса М и научно-технической библиотеки МЭИ (НТБ МЭИ) с помощью программы для трёхмерного моделирования designPH и программного обеспечения для проектирования пассивного здания PHPP [6, 7]. Модель корпуса М и НТБ МЭИ представлена на рис. 2.

Развитие системы энергоснабжения студгородка МЭИ на основе концепции «зелёного» строительства. 1/2018. Фото 2

Результаты моделирования зданий в существующем состоянии (до реконструкции) приведены в табл. 1. 

Энергоаудит показал, что здания корпуса М и НТБ МЭИ имеют значительные тепловые потери. Были проведены тепловизионные обследования этих зданий (рис. 3), выявившие температурные дефекты ограждающих конструкций (стен и окон). Таким образом, в первоочередном порядке необходимо устранить найденные дефекты, увеличить толщину теплоизоляции стен и заменить ряд окон на энергосберегающие.

Развитие системы энергоснабжения студгородка МЭИ на основе концепции «зелёного» строительства. 1/2018. Фото 3

Кроме того, энергетический аудит показал, что в период с декабря 2016 года по январь 2017-го, когда температура наружного воздуха изменялась в пределах +1,5…–26 °C, внутренняя температура в здании корпуса М находилась в пределах 22,5–25,2 °C. При этом температура в помещении существенно превышала нормативные значения (20–22 °C). Это показывает, что внедрение системы автоматического регулирования тепловой нагрузки системы отопления позволит получить энергосберегающий эффект.

Система вентиляции зданий корпуса М и НТБ МЭИ в настоящее время эксплуатируется без рекуперации теплоты и влаги из вытяжного воздуха. Применение вентиляционных блоков с рекуперацией 80–90 % теплоты и 50–80 % влаги позволяет снизить тепловые потери с вытяжным воздухом. По рекомендации немецкого Института пассивного дома [8] ограждающие конструкции здания должны быть очень герметичными, показатель n50 ≤ 0,6 ч–1 является обязательным, а n50 < 0,3 ч–1 рекомендуется.

Кроме того, для снижения эксплуатационных расходов системы вентиляции в зданиях университета должны работать периодически, а также быть способны регулировать расходы воздуха в каждое помещение по содержанию углекислого газа во внутреннем воздухе, то есть в зависимости от количества людей, находящихся в помещении. При решении задачи кондиционирования воздуха в летнее время необходимо также выбирать энергоэффективные схемные решения и оборудование. Возможно применение различных схем, в том числе с применением тепловых насосов.

Как показали результаты моделирования, реализация рассмотренной стратегии энергосбережения и реконструкции зданий корпуса М и НТБ МЭИ позволяют снизить удельный расход энергии на отопление с 179 до 25 кВт·ч/(м²·год).

Результаты матмоделирования характеристик энергопотребления зданий после реконструкции приведены в табл. 1. 

Развитие системы энергоснабжения студгородка МЭИ на основе концепции «зелёного» строительства. 1/2018. Фото 4

Здания корпуса М и НТБ МЭИ расположены вдоль Красноказарменной улицы, которая образует с южной стороны от них большое свободное пространство. Такое расположение зданий исключает затенение их южных фасадов и крыш соседними зданиями практически в течение всего дня. Поэтому выработка энергии в случае установки интегрированных в вентилируемые фасады фотоэлектрических панелей, а также панелей комбинированной выработки электрической и тепловой энергии BIPVT [9–11] на крышах зданий корпуса М и НТБ МЭИ будет происходить с максимально возможной эффективностью и максимально длительное время.

Расчёты, проведённые с использованием программного обеспечения PHPP [6, 8] показали, что в случае реконструкции зданий корпуса М и НТБ МЭИ возможно получить в них почти нулевой энергетический баланс при использовании технологий BIPV и BIPVT, аналогично проектам энергосберегающих высотных зданий, построенных в Австрии и Германии [3–5].

Все остальные здания студенческого городка МЭИ могут быть также реконструированы, используя решения, аналогичные предложенным в зданиях корпуса М и НТБ МЭИ, а их потребление энергии приближено к почти нулевому.

Заключение

В настоящей работе предложена стратегия развития системы энергоснабжения студгородка МЭИ на основе концепции «зелёного» строительства. Реализация данной стратегии рассматривается на примере математического моделирования и дальнейшей реконструкции зданий корпуса М и научно-технической библиотеки МЭИ. Данные исследования проводятся совместно с партнёрами NESEFF и будут продолжены в будущем.