Энергосбережение в зданиях

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Кафедра технологий важнейших отраслей промышленности

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

по дисциплине: Основы энергосбережения

на тему: Энергосбережение в зданиях

 

 

 

 

 

ВЫПОЛНИЛ:

Студент ФМ,                                                                                          К.В. Руденок

1 курс, ДКТ               

 

Проверил,                                                                                           М. В. Михадюк

ассистент кафедры                                                  

 

 

 

 

 

 

 

МИНСК 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ................................................................................................................................ 3

1 Общие требования энергоэффективности к зданиям..................................................... 4

2 Снижение тепловых потерь зданий ................................................................................. 6

2.1 Теплоизоляция зданий ................................................................................................... 6

2.2 Снижение потерь тепла через окна .............................................................................. 7

3 Мероприятия по энергосбережению  в системах отопления, вентиляции  и кондиционирования воздуха ............................................................................................... 9

4 Энергосбережение в водоснабжении  и канализации .................................................. 11

5 Системы управления инженерными  системами зданий .............................................. 13

6 Энергетический менеджмент  и энергоаудит здания ................................................... 14

Заключение ......................................................................................................................... 16

Список использованных источников ............................................................................... 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В отчете, представленном международной комиссией ООН по окружающей среде и развитию, сегодняшняя энергетическая ситуация представлена следующим образом: «Мы не можем жить без энергии. Будущее развитие полностью зависит от тех форм энергии, которые будут постоянно доступны из надежных возобновляемых источников. В настоящий момент мы не имеем ни одного универсального источника, который бы мог обеспечить нас в будущем[1].

Проблема, с которой мы столкнулись, огромна, и каждый может внести свой вклад в ее решение. Мы можем начать с самого простого решения, которое выгодно большинству из нас с экономической точки зрения: научиться использовать энергию, находящуюся в нашем распоряжении, максимально эффективно.

Одним из перспективных направлений ресурсосбережения является снижение затрат энергии и других ресурсов при эксплуатации зданий. Известно, что длительное время градостроительная политика имела экстенсивный характер. При строительстве зданий определяющим было внедрение технических решений, снижающих стоимость строительства. Такой подход приводил в большинстве случаев к росту удельных затрат энергии при последующей эксплуатации зданий. Значительный рост стоимости энергоресурсов привел к необходимости переосмысления прежних принципов проектирования и строительства зданий в направлении более рационального использования энергии, широкого применения энергоэффективных конструктивных элементов, материалов и инженерных систем. Опыт европейских стран в области энергосбережения имеет более продолжительную историю и берет начало с осени 1973 года, когда разразился самый известный в мировой истории энергетический кризис, вынудивший развитые страны разработать мероприятия и технологии, которые помогли снизить энергопотребление и увеличить эффективность использования ресурсов. Существующее положение дает некоторые преимущества для стран, которые только начинают внедрять энергосберегающие мероприятия, в том числе и для Республики Беларусь. Имеющиеся технологии, оборудование, стандарты, методики в данной сфере позволяют сократить затраты времени и ресурсов на разработку программ и мероприятий по энергосбережению, используя уже проверенные на практике принципы. В нашей стране также накоплен некоторый опыт проектирования и строительства энергоэффективных зданий. По-видимому, наиболее рациональными решениями в сфере энергос6ережения будут мероприятия, обоснованные экономически, с учетом существующих цен энергоресурсов.

Целью данной работы является ознакомление с основными направлениями энерго- и ресурсосбережения при эксплуатации зданий и существующими методами для реализации данной задачи. Представленная информация может быть полезной при оценке проектов, связанных со строительством и реконструкцией зданий различного назначения.

1 Общие требования  энергоэффективности к зданиям

Анализ  возможностей  по  минимизации  затрат  энергии  при  эксплуатации зданий, должен начинаться на стадии разработки градостроительной документации, генпланов  застройки  и  планировки  населенных  пунктов, отдельных районов, предприятий. Проектирование должно выполняться с оценкой вариантов размещения зданий на местности с учетом влияния существующих зданий и сооружений, а также природных объектов. Для обеспечения снижения энергопотребления отдельных зданий к планировке выдвигаются следующие требования:

- компактность застройки,

- компактность и рациональность  форм зданий,

- обеспечение максимального  использования солнечной энергии,

- рациональное использование  земель,

- эффективное энергоснабжение, использование возобновляемых источников  энергии,

- эффективное управление  отведением сточных вод и удалением отходов.

Ряд указанных требований уже отражен в действующих в республике нормах планировки и застройки, другие положения еще требуют отработки и внедрения.

Компактность застройки подразумевает размещение новых объектов строительства в населенных пунктах таким образом, чтобы оно не приводило к значительному удлинению существующих коммуникаций, что неизбежно ведет к повышению потерь при подаче электрической и тепловой энергии в здания, а также увлечению затрат при последующей эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения зданий. На рисунке 1.1 приведены варианты размещения массивов застройки в населенном пункте. Вариант «а» предусматривает существенное удлинение коммуникаций за счет расположения новых кварталов на удалении друг от друга. Вариант «б» предусматривает более рациональную структуру застройки.

Рисунок 1.1 – Варианты размещения проектируемых массивов застройки в населенном пункте

 

Ориентацию зданий следует принимать более открытой в южную сторону, что будет способствовать снижению перегрева здания в период летних пиков солнечного излучения и его использование в зимние месяцы. При этом размещение зданий не должно блокировать поступление солнечного света к фасадам других зданий.

Пассивное использование солнечной энергии в здании должно сочетаться с легко регулируемой системой отопления. Если принять энергопотребление здания при оптимальном размещении за 100%, то при прочих одинаковых условиях изменение ориентации увеличивает энергопотребление во время эксплуатации здания до 5-7% (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Влияние ориентации здания относительно сторон света на энергопотребление

 

Уровень энергопотребления при ориентировании здания зависит от строительной  формы  здания  и  площади  окон.  Исходя  из  этого  могут определяться параметры окон – направление оконных проемов, их площадь, и выбираться характеристики стекла.

Одним из требований к современным зданиям является высокая компактность строительных форм. Для оценки данного требования используется параметр А/V− отношение общей площади поверхности здания (А) к отапливаемому объему здания (V). Этот соотношение во многом определяет потребность в энергии для отопления здания. Компактность строительных форм означает снижение значения А/V и уменьшает потребность в энергии. Эффективные здания имеют данное соотношение порядка 0,5(рисунок 1.3)[1].

Рисунок 1.3 – Строительные формы зданий и отношение А/V

 

Здания с вычурными архитектурными формами не обладают хорошими теплотехническими  характеристиками.  Поэтому  многие  здания,  построенные  в 60-80 годы, имеют несовершенные формы с этой точки зрения. С позиций теплотехники формы не отличаются эффективностью, так как площадь поверхности здания становится большой. С другой стороны, необходимость размещения различных по объему помещений трудно совместить с рациональными кубическими формами.

 

2 Снижение тепловых  потерь зданий 

2.1 Теплоизоляция  зданий 

Потребление тепловой энергии для отопления зданий составляет значительную долю в балансе энергопотребления. На диаграмме (рисунок 2.1) показано, что в коммунальный сектор Республики Беларусь направляется более 56% произведенной тепловой энергии. С учетом использования тепловой энергии для горячего водоснабжения, а также для административных и производственных зданий, можно оценить долю тепловой энергии, направляемой на отопление близкой к 55-60%.

Рисунок 2.1 – Баланс отпуска тепловой энергии различными категориями потребителей в РБ

 

Данные свидетельствуют о значительном потенциале снижения энергопотре-бления за счет совершенствования конструкций зданий и систем поддержания микроклимата в них.

Теплоизоляция и герметизация зданий являются весьма привлекательными направлениями в плане снижения потерь тепловой энергии при отоплении зданий.

Если рассмотреть характер распределения теплопотерь через ограждающие конструкции зданий, то в среднем оно выглядит следующим образом:

- стены 42-49%;

- окна 32-36%;

- подвальные и чердачные  перекрытия 11-18%;

- входная дверь 5-15%.

Подходы к решению проблемы теплоизоляции различаются в зависимости от того планируется строительство нового здания или рассматривается реконструкция существующих зданий. В настоящее время строящиеся здания должны удовлетворять более жестким требованиям строительной теплотехники.

В этом отношении наиболее проблемными зданиями являются здания 60-80х годов постройки прошлого века. В последующем нормы к теплотехническим параметрам строящихся зданий стали более жестким. Нормы проектирования в этой области регламентируются ТКП45-2.04-43-2006«Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования», который был введен в действие с 01.07.2007г. Данный документ устанавливал требования по нормативному сопротивлению теплопередаче в жилых и общественных зданиях для:

- наружных стен крупнопанельных  и каркасно-панельных зданий – 2,5м2·°С/Вт,

- наружных стен монолитных  зданий -2,2 м2·°С/Вт,

- наружных стен из штучных  материалов (кирпич, шлакоблоки) - 2,0 м2·°С/Вт,

- заполнение световых  проемов - 0,6 м2·°С/Вт.

В 2009 г. было принято изменение к указанному документу, устанавливающее с 01.07.2009г. более жесткие требования по указанному параметру в зданиях для:

− наружных стен – 3,2 м2·°С/Вт,

− заполнения световых проемов - 1,0 м2·°С/Вт,

Таким образом, произошло повышение уровня требований к теплотехническим параметрам ограждающих конструкций в 1,25-1,70 раза[2].

При новом строительстве повышенные требования к снижению теплопотерь учитываются при проектировании зданий путем выбора соответствующих материалов и использования рациональных конструкций здания (рисунок 2.2)

Рисунок 2.2 – Схемы конструкций стен с увеличенным теплосопротивлением

 

При модернизации уже построенных зданий, возможности выбора технических решений по термоизоляции ограничены существующей конструкцией здания. В данном случае оцениваются возможности повышения теплотехнических свойств здания.

В настоящее время выпускается большое количество видов теплоизолирующих материалов на основе минеральных ват, полистирола, пенопластов и других минеральных синтетических материалов. Все более широкое распространение получают теплоизоляционные материалы, произведенные на основе натуральных ингредиентов (целлюлозы, льна и других).

2.2 Снижение потерь  тепла через окна 

Окна играют важную роль в оформлении интерьеров помещений и фасадов зданий. Качественное окно может быть надежной защитой от холода, шума, пыли. Как указывалось ранее, через окна может теряться до трети тепловой энергии потраченной на отопление. Таким образом, утепление окон может дать существенный выигрыш в снижении энергопотребления. Сегодня мы имеем довольно обширный выбор предложений в этой области. Наиболее распространенным способом модернизации окон является замена традиционных конструкций оконных проемов на герметичные. Установка герметичного окна снижает потери за счет уменьшения притока холодного воздуха через окно и повышения сопротивления теплопереносу.

Стеклопакеты изготавливаются из блока, состоящего из двух и более оконных стекол, между которыми установлена дистанционная рамка. По всему периметру стеклопакета по краям монтируется специальный профиль, который обеспечивает герметичность конструкции. В пространство между стеклами не должен попадать воздух, поскольку это приводит к запотеванию стекол и потере прозрачности.

Стеклопакеты могут выполнять функции теплоизоляции, звукоизоляции, защиты от чрезмерной солнечной радиации, а также  совмещать эти функции. Профили стеклопакетов могут изготавливаться из ПВХ (поливинилхлорида) или дерева. Для усиления теплоизолирующего эффекта пространство между стеклами может заполняться инертным газом − аргоном. Существуют конструкции стеклопакетов, у которых в пространстве между стеклами создается вакуум.

Теплозащитное остекление (коэффициент сопротивления теплопередаче от 0,8 м2С/Вт) позволяет значительно уменьшить потери энергии: в отопительный сезон можно экономить на каждом квадратном метре оконной площади современного теплозащитного остекления по сравнению с:

- простым стеклом − 400 кВт ч/м2;

- однокамерным стеклопакетом  − 165 кВт ч/м2;

- двухкамерным стеклопакетом  − 165 кВт ч/м2.

Ежегодная экономия энергии на отопление в жилом доме при замене однокамерных стеклопакетов на теплозащитное остекление со средней площадью окон 20 м2 составляет приблизительно 3300 кВт ч[3].

Применение герметичных оконных конструкций позволяет существенно снизить теплопотери за счет ликвидации поступления холодного воздуха извне помещения через неплотности в окнах. Однако применение герметичных оконных конструкций может привести к проблемам, связанным с недостаточной вентиляцией, повышенной влажностью в помещениях. Еще один подход к реконструкции оконных систем заключается в установке стеклопакетов в негерметичные деревянные рамы традиционных конструкций. Таким образом, сохраняется привычная система организации вентилирования помещений через негерметичные окна[4].

Еще  более  простым  и  доступным  способом  снижения  теплопотерь  через окна является улучшение теплотехнических характеристик обычных окон с листовым стеклом. К таким методам можно отнести как сезонное утепление окон путем оклейки, так и проведение более сложных работ по созданию утепляющих приспособлений с длительным сроком эксплуатации[5].

3  Мероприятия  по энергосбережению в системах  отопления, вентиляции и кондиционирования  воздуха

 

Основное требование к состоянию воздушной среды в производственных, общественных, жилых помещениях, а также организации воздухообмена в помещениях с вредными выделениями заключается в том, что воздушные завесы должны быть обеспечены системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в пределах расчетных параметров наружного воздуха.

1. Периодический  режим работы системы отопления

Периодический режим работы системы отопления применяют в учебных, производственных, торговых, административных зданиях, используемых для работы неполные сутки и дни недели. В режиме работы системы отопления в течение суток наблюдаются три характерных промежутка времени:

• основной рабочий режим (в помещении поддерживаются заданные параметры);

• дежурный режим (после основного режима система отопления переводится на режим поддержания пониженной температуры в помещении);

• режим форсированного нагрева помещения (система отопления переводится на возможно быстрый разогрев помещения после охлаждения).

Наиболее гибким режимом эксплуатации служит комбинированная система отопления. Она состоит из базовой системы водяного отопления и дополнительной системы воздушного отопления. Работа систем периодического отопления поддается автоматизации и программному управлению поддержания расчетного режима.

2. Отопление помещений  теплотой рециркуляционного воздуха

Теплоту рециркуляционного воздуха рекомендуется использовать для производств, в которых допускается рециркуляция воздуха, также при температуре воздуха в верхней зоне более 30 °С и подачи воздуха на расстояние не более 15 м. Нагретый воздух забирается из верхней зоны помещения, очищается от пыли и вентилятором по воздуховодам нагнетается в приточный насадок. Энергосбережение обеспечивается за счет утилизации теплоты удаляемого воздуха.

3. Применение  вращающихся регенеративных воздушных  утилизаторов теплоты

Вращающиеся регенеративные воздухоподогреватели предназначены для утилизации теплоты от нагретого воздуха, удаляемого из систем вытяжной естественной или принудительной циркуляции. Передача теплоты приточному воздуху осуществляется аккумулирующей (с высокой теплоемкостью) массой, находящейся последовательно в потоках теплого и холодного воздуха.

4. Системы воздушного  отопления

Системы воздушного отопления применяют для жилых, общественных, производственных зданий, в которых функция отопления совмещается с вентиляцией. Воздух для отопления нагревается в калориферах или воздухоподогревателях горячей водой, паром или другим теплоносителем.

Энергосбережение при применении воздушного отопления достигается и за счет автоматизации системы при малой теплоемкости воздуха, а также за счет возможного поддержания в нерабочее время в помещении более низкой температуры воздуха и быстром нагреве помещения перед началом рабочего дня.

5. Периодический  режим работы систем кондиционирования  и вентиляции воздуха

Периодические режимы работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха применяют для стабилизации температуры, влагосодержания и газового состава воздуха. Они наиболее эффективны при обслуживании помещений большого объема в общественных зданиях с переменным заполнением (торговые залы, залы ожидания), где одновременно изменяются температура, влажность и состав воздуха.

6. Устройство воздушных  завес.

Воздушные завесы устанавливают при входе, у открытых проемов в общественных и промышленных зданиях и сооружениях, цехах, торговых центрах, магазинах, в многоэтажных жилых зданиях при часто открывающихся входных дверях или со значительными по площади воротами. Мероприятие направлено на снижение затрат теплоты на нагрев воздуха, поступающего через входы, въезды и проемы.Энергосбережение достигается за счет снижения потребности в теплоте на нагрев приточного воздуха и затрат электроэнергии на его перемещение.

7. Система  отопления помещений с применением  газовых инфракрасных излучателей

Система предназначена для обогрева постоянных и временных рабочих мест производственных и вспомогательных помещений; помещений и конструкций на открытых и полуоткрытых площадках в процессе строительства зданий; систем снеготаяния, на кровлях зданий. Отопительными приборами служат горелки инфракрасного излучения. Энергосбережение достигается за счет уменьшения отапливаемого объема помещения, отсутствия перегрева верхней зоны помещения, малой тепловой инерции и применения автоматики управления.

8. Газовоздушное лучистое отопление

Газовоздушное отопление применяется для производственных помещений, сборочных, механических, ремонтных цехов, гаражей, ангаров. Энергосбережение достигается за счет отсутствия перегрева верхней зоны и сохранения условий теплового комфорта в рабочей зоне.

9. Применение теплонаносных  установок и энергии низкого  потенциала (конденсата, воздуха)

Теплонаносные установки (ТНУ) используют естественную возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды (воды, воздуха, грунта) и повышают потенциал основного теплоносителя до более высокого уровня, затрачивая при этом в несколько раз меньше первичной энергии или органического топлива.

 

 

4 Энергосбережение  в водоснабжении и канализации

Энергосбережение в водоснабжении и канализации напрямую зависит от мероприятий, позволяющих уменьшить потребление электроэнергии для забора воды, ее очистки, обработки, подачи и распределения.

Энергосберегающие мероприятия по затратам разделяют на беззатратные, мало-, средне- и высокозатратные. 

Беззатратные и малозатратные энергосберегающие мероприятия

На осуществление малозатратных, тем более беззатратных энергосберегающих мероприятий, не требуется существенных вложений. Они окупаются в течение нескольких месяцев вследствие снижения эксплуатационных расходов.

К числу беззатратных и малозатратных мероприятий по энергосбережению в водоснабжении и канализации относят: 

1. Соблюдение правил эксплуатации  систем водоснабжения и канализации  и применяемого в них оборудования. Эти правила предусматривают  своевременное проведение планово-предупредительных  ремонтов, замену набивки и подтяжку  уплотнений насосов, вентилей и  задвижек, устранение утечек и  т.д.  
2. Замена асбестографитовых уплотнений насосов уплотнениями на основе тефлона, обеспечивающих увеличение срока эксплуатации в среднем в 6 раз.

3. Замена арматуры устаревших типов на современную (в раковинах, смесителях, и т.п.).

Среднезатратные энергосберегающие мероприятия

Это мероприятия, затраты на проведение которых окупаются за 2-3 года. К ним относят:

1. Обеспечение экономичных режимов эксплуатации насосов.
2. Изменение принципиальной схемы конструктивного исполнения систем водоснабжения и водоотведения.
3. Экономия электроэнергии при переходе к оборотным системам водоснабжения.
4. Борьба с отложениями в системах водоснабжения и водоотведения.
5. Устранение утечек воды.
6. Организация учета водопотребления.
7. Диспетчеризация и АСУ.
8. Стимулирование заинтересованности населения и персонала предприятий в снижении перерасхода воды и тепла.
9. Анализ режимов системы водоотведения.
10. Использования избыточной температуры стоков, химической энергии горючих веществ, загрязняющих стоки.

Высокозатратные энергосберегающие мероприятия

1. Энергосберегающие мероприятия в электрохозяйстве систем водоснабжения и водоотведения связаны с внедрением автоматической системы контроля и учета энергопотребления (АСКУЭ) с последующим переходом с двухставочного тарифа оплаты электроэнергии на одноставочный.

Ожидаемый эффект обеспечивается:

• на первом этапе ее реализации - за счет снижения заявляемой мощности, что становится возможным вследствие более оперативного учета электропотребления;
• на втором этапе - переходом на более выгодные одноставочные зонные тарифы, дифференцированные по времени суток (переход допускается только при наличии у предприятия АСКУЭ).

2. Основные резервы энергосбережения в системах горячего водоснабжения подразумевают:

• замену секционных водоподогревателей пластинчатыми, имеющими меньшие габаритные размеры и более низкие потери теплоты, а также упрощающими их обвязку трубопроводами. Это ведет к снижению затрат мощности насосов на циркуляцию греющей и нагреваемой воды в тепловом пункте;
• оснащение циркуляционных и подпитывающих насосов в тепловых пунктах частотно-регулируемыми электроприводами (ЧРП), позволяющими изменять расход воды в системах, не прибегая к открытию или закрытию имеющихся задвижек или других дроссельных органов. Такие энергосберегающие мероприятия ведут к экономии 10÷30% электроэнергии;
• оснащение вводов зданий подмешивающими насосами и балансировочными клапанами, водосчетчиками, имеющими выходы для передачи информации в компьютерную сеть; создание на этой основе системы диспетчеризации потребления теплоты, холодной и горячей воды и переход к регулированию расхода тепловой энергии на горячее водоснабжение - по разбору горячей воды, к поддержанию давления воды в системах в пределах допустимых значений, снижению утечек воды вследствие разгерметизации систем при превышении допустимых давлений.

3. Строительство очистных сооружений, оборудованных утилизационным оборудованием. Экономическая эффективность определяется не только получением пара или воды для теплоснабжения, но и извлечением ряда веществ, используемых в дальнейшим в качестве вторичного сырья.

4. Значительные резервы энергосбережения имеются в оборотных системах водоснабжения, через которые сбрасывается в окружающую среду значительное количество теплоты энергоносителей на многих промышленных предприятиях. Проблема использования данного резерва с целью энергосбережения в водоснабжении принципиально решается с помощью тепловых насосов, которые дают возможность возврата теплоты в производственный цикл[6].

5 Системы управления  инженерными системами зданий

Инженерные системы зданий, включающие энергоснабжение, отопление, вентиляцию, водоснабжение, водоотведение, по мере повышения требований к их энергоэффективности усложнялись и требовали соответствующих систем управления. Еще 10-15 лет назад для контроля и управления инженерными системами считалось достаточным наличие простых контрольно-измерительных приборов и устройств регулирования. По мере усложнения систем зданий совершенствовались и устройства для их управления.

Учитывая взаимосвязь между отдельными системами жизнеобеспечения зданий, к концу ХХ века строительная наука пополнилась таким новым понятием как «Smart home»(«умный дом»), которое обозначает новое направление в архитектуре и инженерии. Принципы такого здания основаны  на рациональном расходовании энергоресурсов, объединении инженерного оборудования и систем жизнеобеспечения в единый комплекс, наличие программно-аппаратных средств автоматического и дистанционного управления (интеллектуальное управление).