Влияние энергосберегающих технологий на выбор

Влияние энергосберегающих технологий на выбор организационно-технических решений в
строительстве
http://www.stroinauka.ru/biblio.asp?d=12&dc=12&dr=4829
Функционирование строительных объектов на этапах жизненного цикла характеризуется
сложностью, неопределенностью, наличием огромного количества взаимосвязанных внутренних и
внешних факторов, обусловленных, в первую очередь, техногенными, технологическими, информа
ционными, экономическими и социальными обстоятельствами. С точки зрения современных
требований анализ существующей практики строительного производства во всем многообразии
характеризующих его существенных связей целесообразно осуществлять в рамках системотехники
строительства, которая в последние десятилетия развивается в МГСУ проф. А.А. Гусаковым, А.А.
Волковым и др. Системотехнический подход в строительстве основан на постулате ой
универсальности принципов и законов организации и развития сложных природных,
биологических, социально-экономических и технологических (в том числе строительных) систем.
Общими являются предъявляемые требования высокой организации, экономичности, гибкости,
надежности, приспособляемости. При этом в последнее время особое значение приоб рели
требования энергоэффективности и экологичности.
Такая ситуация определяется насущными требованиями практического строительства,
обусловленными постоянным ростам цен на энергоноси тели, продиктованным уменьшением их
запасов. Кроме того, ратифика ция Киотского протокола, направленного на предотвращение
глобального потепления, требует соответствующих исследований и обоснований. Влиянию
энергосберегающих технологий с учетом требований Киотского протокола на выбор
организационно-технических решений в строительстве и посвящена данная статья.
В основе современных системных подходов к принятию ОТР в строительстве (в части энергосбережения)
лежит методология получения результата в три этапа [1,2]:



комплексный подход к объекту как к энергопотребляющей системе, установление и описание
связей между элементами этой системы;
анализ ограничений и формулировка показателя эффективности. Формулировка оптимизационной
задачи;
решение оптимизационной задачи.
Однако такой подход нельзя рассматривать в виде совокупности стандартных правил - в каждом
конкретном случае решение задачи требует изобретательности и творческого подхода.
Основная цель, преследуемая при проектировании энергоэффективных зданий - сокращение
энергоемкости объекта путем применения соответствующих технических решений. При этом
рассматривается оптимизация трех энергетически взаимосвязанных подсистем:



энергетическое воздействие на оболочку здания атмосферных факторов;
тепловая энергия, накапливаемая оболочкой здания, то есть наружными ограждающими
конструкциями здания.
тепловая энергия, накапливаемая воздухом помещений и элементами интерьерной среды
(оборудованием, внутренними ограждающими конструкциями и т.д.).
Предлагается реализовывать оптимальные варианты, исходя из совокупности взаимосвязанных
архитектурно-планировочных и инженерных решений, в основе которых лежат показатели тепловой
эффективности проектного и инженерного решений ή = ήA ήE, полученные с учетом ограничений
(«дисциплинирующих условий»), где
ήA = QAmin /QA, ήE = QE, min /QE , (1)
QAmin /QA - затраты энергии на климатизацию и тепловую защиту здания с оптимальными и
предлагаемыми архитектурно-планировочными решениями, соответственно.
QE, min /QE - затраты энергии на климатизацию и тепловую защиту здания .с оптимальными и
предлагаемыми инженерными решениями, соответственно
В основе такой методологии лежит предположение о возможности нахождения оптимальных
архитектурных и инженерных решений с использованием современных методов системного анализа, в
первую очередь, средств САПР.
С другой стороны
ή = ή1 ή2 ή3 , 0 ≤ ή ≥1, I = 1,2,3, (2)
где ή1 — показатель тепловой эффективности в части оптимального учета климатических параметров;
ή2 — то же в части оптимального выбора теплозащиты ограждающих конструкций;
ή3 - то же в части оптимального выбора системы обеспечения благоприятного теплового режима в
помещениях здания.
При этом предполагается возможность учета в тепловом балансе зданий региональных особенностей
климата, в первую очередь, за счет использования данных многолетних наблюдений за среднемесячной
температурой, солнечной радиацией и розой ветров
А оптимизационная задача рассматривается как задача минимизации интегрального функционала:
W = I {[t0 , t1],Q(t)}, (3)
где t0 , t1 -временные пределы интегрирования; W - затраты энергии. Q(t) - расход энергии (по отношению
к W - управление) на отопление помещения. При этом между W и Q( t ) существуют сложные
математические связи, определяющиеся содержанием задач теплопередачи и теплового баланса, решение
которых сводится к. системе дифференциальных уравнений в частных производных. В [1,2] для ее
решения используют совокупность действий, основанных на принципе максимума Понтрягина.
То есть, фактически решается задача сокращения количества энергии, необходимой для обеспечения в
здании определенного теплового режима за счет оптимизации воздействия климатических факторов и
рационального использования энергии, которая аккумулируется оболочкой здания и его «начинкой».
Вместе с тем нельзя забывать об экологической составляющей эффективности энергосберегающих
технологий, значение которой особенно возросло после ратификации Киотского протокола, а также о
количественном и качественном выражении полученных оценок, сравнении этих оценок с затратами на
реализацию энергосберегающих мероприятий.
Если рассмотреть такие технико-экономические показатели энергетической эффективности, как
стоимость вырабатываемой энергии, тепла, ресурсов, гибкость конструктивной схемы, исполнения и
использования, широкий выбор технологических решений, позволяющих получать энергию, тепло и
ресурсы; адаптация к различным условиям, возможность использования в разных регионах; окупаемость;
перспективность и т.д., то можно заметить, что далеко не всем из них можно дать количественную
оценку. Например, термин «стоимость» допускает возможность использования количественных оценок, а
такие показатели, как «гибкость», «адаптация», «возможность» и т.п., оценить количественно можно
только е некоторых случаях. Вот почему целесообразнее производить качественную оценку данных
показателей (в баллах). При этом можно потребовать выполнения некоторого минимума требований.
Например, если мы говорим о широком выборе технологических схем, то предполагаем, что некоторый
ограниченный перечень этих схем должен реализовываться в любом случае.
Аналогичный подход может быть использован для оценки показателей экологической эффективности.
Так, в связи с вступлением в силу в 2008 году ограничений на выбросы СО, (введение квот), показатели,
характеризующие объем этих выбросов, получат конкретное денежное выражение. А вот показатели,
характеризующие уровень потребления энергетических ресурсов и материальных средств, не могут быть
оценены в стоимостном выражении. Эти два показателя следует оценивать качественно (в баллах)
При использовании количественной (стоимостной) оценки возникает необходимость выбора единиц для
выражения стоимости. Надо сказать, что денежные единицы обладают существенными недостатками. Вопервых, при прогнозировании возможных изменений стоимостных выражений придется каким-то образом
учитывать такое явление, как, нестабильность цен на энергоносители, например на нефть. Во-вторых,
имеют место колебания валютных курсов, порой значительные. В связи с этим показатель уменьшения
стоимости вырабатываемой энергии, тепла и ресурсов целесообразнее выражать в энергетическом
эквиваленте. Гораздо сложнее произвести стоимостную оценку объемов выбросов СО 2 , поскольку
трудно заранее определить связь между ценами на энергоносители и стоимостью квот. Однако, исходя из
предположения, что рынок выбросов диоксида углерода с течением времени будет активно развиваться,
показатели, характеризующие объем этих выбросов, тоже можно оценивать в натуральных единицах.
Для получения количественных характеристик (например, в приведенном выше примере) будем
рассматривать процесс энергопотребления здания в виде динамической системы. Результат описывается
целевой функцией от состояния системы нее параметров (система автономная, то есть время не входит в
правую часть как независимая переменная):
F(X,Y) = fi(x1,…,x n ; y 1 ,…y 1 ); i = 1,...,n; j=1, ...m, (4)
где X = {x1 ,…, Хn } - вектор состояния системы;
Y - {y1 ..., уm } - вектор управляющих параметров системы, в качестве которых могут рассматриваться
различные параметры, в том числе технологические.
Переменными состояния обычно являются составляющие, характеризующие свойства полезности, в
нашем случае экономия энергии, тепла и ресурсов и сокращение объемов экологически вредных
выбросов.
В качестве управляющих параметров обычно рассматриваются существенные характеристики,
определяющие технологические особенности проекта, такие, как использование возобновляемых
источников энергии, альтернативных видов топлива, применение технологий энергосбережения и т.п.
В целом, в качестве критерия эффективности функционирования целесообразно выбирать требование
превосходства полезности (в виде ее стоимостного выражения) над суммой первоначальных и текущих
издержек на внедрение и функционирование энергосберегающей технологии. В качестве показателя
эффективности (целевой функции), соответствующего данному критерию, целесообразно выбрать его
количественное (стоимостное) выражение.
Представим показатель эффективности энергосберегающей технологии U (разность полезности F и
издержек I на ее внедрение и эксплуатацию) в виде
U (x1 , x2 , x3 , y1 , y2 ) = F ( x1 , x2 , x3 ,y1 , y2 ) - I (x1 , x2 , x3 , y1 , y2 ) (5)
Смысл данного выражения состоит в следующем. Поскольку целью внедрения и дальнейшего
использования энергосберегающей технологии является получение конечной выгоды F, превосходящей
по своим размерам издержки I, то при организации процесса внедрения следует заранее определить
конкретные зависимости F(…) и I (…). В этом случае можно будет прогнозировать результативность
использования новых энергосберегающих технологий и, соответственно, предпринимать определенные
практические шаги.
Оценка издержек в соответствии с выбранными стоимостными характеристиками может быть
осуществлена из следующих соображений.
Издержки (затраты) на внедрение и функционирование энергосберегающих технологий будут
складываться из первоначальной и текущей составляющих.
Первоначальная составляющая издержек определяется необходимостью финансирования ранних этапов
жизненного цикла технологии. К ним относятся этапы








пределения первоначального замысла,
маркетинга;
проектирования;
первоначального обучения и подготовки кадров;
разработки и закупки оборудования.
опытной эксплуатации и сдачи первой и последующих очередей с учетом необходимых
корректировок и доработок;
затраты на периодическую модернизацию оборудования;
другие первоначальные затраты.
Текущая составляющая издержек включает в себя расходы на обеспечение функционирования
технологии:




содержание сооружений и оборудования (текущее обслуживание, ремонт, регламентные работы);
оплата работы персонала;
текущее обучение и подготовка кадров;
другие нужды.
В данном случае мы не рассматриваем такие экономические составляющие процессов внедрения и
функционирования технологии, как налогообложение, обязательные отчисления и т.п., поскольку
экономические вопросы не являются предметом рассмотрения данной работы.
Для учета влияния первоначальных и текущих издержек на эффективность функционирования
энергосберегающей технологии целесообразно воспользоваться подходом, аналогичным тому, который
используется при определении эксплуатационных расходов с учетом амортизации износа [3]. При этом
амортизационные отчисления (амортизация износа) накладываются на текущие эксплуатационные
затраты, что позволяет учесть стоимость основных производственных фондов в стоимости готовой
продукции. Существует несколько вариантов начисления средств на амортизацию износа. Их основное
отличие — размер отчислений. В зависимости от величины начисляемого процента стоимость основных
фондов может быть возвращена за больший или за меньший период времени. Выбор варианта начисления
амортизации износа определяется, в первую очередь, условиями работы предприятия (порядком
налогообложения, социальным, правовым и имущественным статусом и т.п.), а также порядком его
финансирования. В частности, предприятие может существовать на бюджетные, кредитные либо
собственные средства и, соответственно, быть связано различными финансовыми обязательствами.
В нашем случае, действуя по аналогии, мы можем также распределить частично или полностью
первоначальные издержки по этапам жизненного цикла здания. Причем, конкретные варианты такого
распределения могут определяться обстоятельствами строительства и эксплуатации и задаваться в
качестве исходных требований при планировании процессов внедрения.
Помимо необходимости соотносить первоначальные и текущие издержки внедрения и функционирования
сети возникает также задача определения вида зависимости суммарных издержек от масштабов внедрения
технологии.
На первый взгляд, естественно считать, что такая зависимость является прямо пропорциональной. Однако
в отдельных случаях дает о себе знать так называемый «эффект масштаба» [3]. Причем его проявление
может иметь как положительные, так и отрицательные последствия. С одной стороны, этот эффект может
выражаться в сокращении издержек на функционирование крупных компаний. Это объясняется тем, что
на крупных предприятиях рациональнее используются трудовые ресурсы, с большей интенсивностью
работает оборудование, при закупках оборудования и комплектующих и т.п. предоставляется
возможность для использования оптовых цен, а, стало быть, издержки на единицу предоставляемых услуг
меньше, чем в средних и мелких компаниях. В то же время в крупных компаниях затрудняются процессы
управления и контроля над работой отдельных звеньев и подразделений, что является отрицательным
проявлением эффекта масштаба.
Однако следует учитывать, что задание конкретной зависимости объемов затрат от того или иного
параметра должно определяться конкретными условиями внедрения и функционирования
энергосберегающей технологии.
Подводя итог вышесказанному, можно выделить следующие варианты показателей эффективности
внедрения энергосберегающих технологий в строительную практику.
Мультипликативный показатель подобный ή, определяющий близость полученного (спроектированного,
реализованного) варианта к идеально возможному.
Показатель в виде интегрального функционала W, на основе минимизации которого достигается
оптимизация подвода энергии, необходимой для обеспечения благоприятного теплового режима.
Показатель в виде разности полезности и издержек на внедрение и функционирование технологии,
учитывающий количественные и качественные оценки технико-экономической и экологической
составляющих полезности.
С учетом методов, предложенных в [1,2], можно выделить следующие основные архитектурные и
инженерные решения, подлежащие анализу и обоснованию.
Архитектурные решения







Выбор местоположения здания с учетом региональных
особенностей,существующейзастройкииперспективразвитиярайонапредполагаемойзастройки
Общая архитектурно-планировочная концепция здания
Определение объемно-пространственного решения и ориентации здания.
Выбор варианта остекления и солнцезащиты здания
Выбор конструктивной схемы и материалов для наружной облицовки.
Выбор вариантов внутренней планировки.
Выбор схемы организации освещения.
Инженерные решения





Выбор источников энерго- и ресурсоснабжения (централизованное, автономное, нетрадиционные
возобновляемые источники, комбинированный).
Выбор вариантов доставки тепла и его утилизации, а также систем отопления, вентиляции,
кондиционирования воздуха.
Выбор конструкции и материалов наружных ограждений
Выбор осветительных приборов и оборудования.
Выбор варианта диспетчеризации, управления выработкой, доставкой и потреблением
энергетических и др. ресурсов, системы автоматизированного (автоматического) управления
инженерным оборудованием здания.
Методологию обоснования выбора энергоэффективных ОГР в строительстве рассмотрим на примере
подхода [4], заложенного в модели регионального стандарта «Энергетическая эффективность в зданиях.
Региональные нормы по теплозащите и теплоснабжению зданий» с учетом обстоятельств, рассмотренных
выше.
Главные требования, предъявляемые к энергоэффективности зданий и ОТР должны основываться на
потребительских свойствах объекта, а право выбирать способы выполнения этих требований
предоставляется проектировщику. Это обеспечивает ему свободу выбора оптимального варианта
проектного решения и позволяет получать окончательный результат более рациональным путем с учетом
климатических, энергетических и строительных особенностей региона, для которого проектируется
здание. При этом содержание применяемого критерия (удельное энергопотребление здания в течение
отопительного периода) может быть расширено с учетом необходимости рассмотрения более широкого
круга энергосберегающих технологий, минимизации издержек и соблюдения экологических требований.
Проектируемый объект будет удовлетворять комплексу предъявляемых требований, если расчетное
значение показателя эффективности будет соответствовать уровню, приемлемому для данного региона с
учетом местных особенностей. Проектирование системы энергоснабжения, оболочки здания, систем
энерго- и ресурсообеспечения, освещения и АСУ ТП должно осуществляться комплексно (относительно
общего показателя эффективности). Предполагается проверка энергетических параметров здания на
стадиях проектирования, строительства и по истечении года эксплуатации на основе заранее
разработанного энергетического паспорта здания.
Рассматриваемая задача должна решаться поэтапно. На первом этапе необходимо формировать
федеральные и региональные требования к энергоэффективности зданий и сооружений. А на втором определять порядок реализации требований в ОТР.
Известно, что общероссийские нормы не могут отражать все региональные особенности. Россия - одна из
самых больших по площади стран в мире, и продолжительность отопительного сезона враз-личных
регионах изменяется в широких пределах. Поэтому общероссийские нормы должны содержать только
базовые требования. Согласно СНиП 10-01.94 «Система нормативных документов в строительстве.
Основные положения» в качестве базовых принимаются требования, предъявляемые к потребительским
характеристикам здания. С точки зрения теплотехники к таким характеристикам относятся параметры
теплового комфорта в помещениях зданий и расход тепловой энергии, необходимой для поддержания в
них заданного микроклимата в течение отопительного периода. Региональные же особенности должны
найти отражение в региональных нормах по энергетической эффективности Согласно существующему
законодательству региональные нормативы могут быть утверждены региональными администрациями без
официального разрешения со стороны Минстроя России, если они не противоречат общероссийским
нормативным документам. Действующие нормы по строительной теплотехнике (СНиП И-З-79-изд 1996)
не имеют нормативов, ограничивающих общий расход тепловой энергии на отопление зданий. В связи с
ростом требований по энергосбережению возникла необходимость в разработке принципов нормирования
теплоэнергетических показателей здания.
Разработка модели региональных нормативных документов должна базироваться на следующих
исследованиях и связанных с ними мероприятиях:







изучение климатических, геологических (запасы энергоносителей) особенностей, структуры
энергетического баланса и возможностей использования возобновляемых и автономных
источников энергии в строительном секторе региона;
анализ конструктивных решений в области энергоснабжения зданий массового строительства,
нашедших широкое применение в региональной строительной практике.
оценка уровня энергопотребления зданий различного типа, как уже построенных в регионе, так и
тех, которые могут быть построены с ожидаемым улучшением компонентов или проектов.
собственно разработка региональных норм на основе планируемого уровня энергообеспеченности
строительного сектора и оценки издержек (обоснование и формализация показателя
эффективности) на внедрение энергоэффективных технологий с учетом особенностей
региональной строительной индустрии;
разработка рекомендаций по вариантам систем энергоснабжения, конструктивным решениям
наружных ограждающих конструкций. С повышенным уровнем теплозащиты, по системам
внутреннего освещения, АСУ ТП и др.;
разработка принципов проектирования энергоэффективных зданий (с эффективным
использованием энергии) с включением в состав проекта разделов «Энергосбережение»,
«Энергетический паспорт», «Вариантное сравнение предложенных решений»,
разработка проектной документации в соответствии с новыми требованиями регионального
стандарта,



освоение производства (обоснование закупки) энергоэффективных строительных материалов,
изделий и конструкций: стеновых панелей, оконных конструкций, теплоизоляционных
влагостойких материалов, а также осветительных приборов и отражающих покрытий,
энергогенераторов, приборов автоматического регулирования, контроля и учета энергии и
ресурсов, другого энергосберегающего оборудования,
экспериментальное строительство объектов, обладающих высокими показателями
энергоэффективности с целью проведения обследования и оценки качества изделий,
организационно-технических и проектных решений с последующей корректировкой проектной
документации;
переход в регионе к массовому строительству зданий с эффективным использованием энергии, а
также к реконструкции зданий в соответствии с региональным стандартом.
Реализация федеральных и региональных требований может осуществляться различными путями
1. За счет реализации предписывающих требований. Это наиболее легкий путь достижения
требуемой энергетической эффективности. Если каждый из элементов системы энергообеспечения
удовлетворяет требованиям по энергоэффективности, то и все здание в целом также удовлетворяет
этим требованиям. Когда один или более элементов не удовлетворяют этим требованиям, должен
быть выбран другой подход.
2. За счет реализации потребительских требований путем их удовлетворения по выбранному
показателю эффективности. Причем снижение его значения по одним элементам системы
энергообеспечения может быть компенсировано за счет увеличения показателя эффективности
других элементов
3. На основе совместного проектирования всех систем энергообеспечения, энерго- и
ресурсопотребления, когда энергоэффективность объекта может быть достигнута за счет их
сбалансированного использования.
Кроме того, необходимо предусмотреть требования по проверке энергетических параметров здания на
стадиях ею проектирования, строительства и по истечении года эксплуатации, результаты проверки
(сертификации) следует заносить в Энергетический паспорт здания. Подобная сертификация позволит
определять участников энергосберегающих проектов и их каким-то образом поощрять. Например, с целью
сокращения уровня энергопотребления до нормируемых значений можно ввести систему экономического
стимулирования от лица теплоснабжающих или других организаций. В Москве для зданий с
эффективным использованием энергии установлены льготные (пониженные) тарифы, в США
(Калифорния) эффективное использование энергетических и тепловых ресурсов в строительном
производстве поощряется местной энергоснабжающей компанией (в виде возврата денег).
Журнал "Технологии строительства" »
В.Г. Лугин, А.В. Зигмантович
Концепция инновационной деятельности »
Технологии »
No. 4/2005
01.08.2005