Развитие зданий с нулевой энергией с помощью интегрированных энергетических систем

Введение

На построенную среду приходится примерно 40% мирового потребления энергии и аналогичная доля выбросов углекислого газа. По мере того, как мир продвигается к чистым нулевым целям, концепция зданий с нулевой энергией (ZEB) перешла от академических исследований к практической, приоритетной цели. Здание с нулевой энергией предназначено для производства такого количества энергии, которое потребляется в течение года, эффективно балансируя свою энергетическую книгу за счет сочетания чрезвычайной эффективности и возобновляемой генерации на месте. Этот амбициозный результат достигается не одной технологией, а тщательной оркестровкой интегрированных энергетических систем, которые управляют генерацией, хранением и потреблением в режиме реального времени. В этой статье исследуются технические основы, преимущества, проблемы и новые тенденции в разработке зданий с нулевой энергией с использованием интегрированных энергетических подходов.

Что такое здания с нулевой энергией?

Здания с нулевой энергией, часто называемые зданиями с нулевой энергией (NZEB), представляют собой сдвиг парадигмы в том, как мы проектируем, строим и эксплуатируем структуры.

• Энергия нулевого участка : Здание производит по меньшей мере столько же энергии, сколько использует на месте ежегодно, измеряется на счетчике полезности.
• Net-Zero Source Energy: Учитывает энергию, потребляемую при генерации и передаче мощности на сайт, включая потери линии.
• Нетто-нулевой углерод: Сосредоточен на устранении выбросов углерода, а не энергетического баланса, часто используя смещения или безуглеродную закупаемую энергию.
• Нулевая энергия готова: Здание настолько эффективное, что скромная система возобновляемой энергии может покрыть оставшийся спрос.

Здания с нулевой энергией не просто теоретический идеал; во всем мире существует множество примеров, от домов на одну семью до крупных коммерческих комплексов. Министерство энергетики США продемонстрировало, что ZEB технически осуществимы в нескольких климатических зонах, а такие проекты, как Центр поддержки исследований в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), достигают нулевого статуса с использованием комбинации пассивного солнечного дизайна, высокопроизводительных оболочек и фотоэлектрической системы на крыше.

Центральное место в достижении статуса нулевой энергии занимает принцип снижения нагрузки сначала: перед добавлением любой возобновляемой генерации дизайнеры должны минимизировать спрос на энергию здания через сверхизолированные оболочки, герметичную конструкцию, высокоэффективное остекление и пассивные стратегии отопления и охлаждения.

Роль интегрированных энергетических систем

Интегрированные энергетические системы (IES) являются основой зданий с нулевой энергией. В отличие от обычных зданий, где отопление, охлаждение, освещение и вилочные нагрузки работают независимо, IES рассматривает всю энергетическую инфраструктуру как единый, отзывчивый организм. Комбинируя возобновляемую генерацию, хранение и интеллектуальный контроль, IES позволяет зданию динамически балансировать предложение со спросом, даже когда возобновляемые источники являются прерывистыми.

Ключевые компоненты интегрированной энергетической системы

Успешная IES для здания с нулевой энергией включает в себя несколько основных элементов:

• Возобновляемые источники энергии: Солнечные фотоэлектрические (PV) панели являются наиболее распространенным генератором на месте, но небольшие ветряные турбины, геотермальные тепловые насосы и солнечные тепловые системы также играют роль. Размер и сочетание зависят от местного климата, ограничений пространства и доступных стимулов.
• Энергетические хранилища : Батареи (литиево-ионные, проточные или даже аккумуляторы второго поколения) хранят избыточную возобновляемую энергию для использования в периоды низкого поколения. Тепловое хранение, такое как охлажденная вода или хранение льда для охлаждения или резервуары для горячей воды для отопления, переносит нагрузки HVAC в непиковое время и снижает потребность в негабаритном оборудовании.
• Высокоэффективные системы HVAC: Тепловые насосы, системы с переменным потоком хладагента и вентиляторы рекуперации энергии (ВЭУ) имеют важное значение. Тепловые насосы могут обеспечивать как отопление, так и охлаждение при эффективности, намного превышающей оборудование на основе сгорания.
• Умные системы управления и автоматизации зданий: Передовые системы управления энергией (EMS) используют датчики, алгоритмы машинного обучения и данные о заполняемости для оптимизации каждого устройства. Они решают, когда заряжать батареи, предварительно охлаждать здание или сбрасывать некритические нагрузки.
• Высокопроизводительный строительный конверт: Хотя он не является строго частью IES, изоляция оболочки, уплотнение воздуха и окна оказывают непосредственное влияние на поток энергии. Воздушно-герметичная, хорошо изолированная оболочка уменьшает размер и стоимость механической системы.
• Эффективное освещение и подзарядки : светодиодное освещение, контроль сбора дневного света и интеллектуальные силовые полосы, которые устраняют нагрузки вампиров, являются стандартными. Будущие офисы будут включать рабочие станции с питанием от постоянного тока, чтобы избежать потерь конверсии от постоянного тока.

Как работает интеграция на практике

Рассмотрим типичный солнечный день для коммерческого здания с нулевой энергией в умеренном климате. В утренние часы солнечные фотоэлектрические панели начинают генерировать электроэнергию. Система автоматизации здания (BAS) направляет эту энергию сначала на критические нагрузки (свет, компьютеры, охлаждение). Любая избыточная энергия хранится в банке батареи или используется для производства горячей воды. По мере того, как послеобеденное тепло строит, BAS может предварительно охладить здание с помощью теплового насоса, сохраняя тепловую энергию в резервуаре с охлажденной водой. Если цены на энергосистему благоприятны, здание может даже продать избыточную энергию обратно в коммунальную. По мере того, как вечерняя энергия падает и солнечная мощность падает, разряды батареи покрывают спрос. В течение ночи здание полагается на тепловое хранение и эффективную конструкцию оболочки для поддержания комфорта с минимальным потреблением энергии.

Эта оркестровка требует надежных протоколов связи (таких как BACnet или Modbus) и сложного моделирования энергии на этапе проектирования. Такие инструменты, как EnergyPlus и OpenStudio позволяют инженерам моделировать производительность до начала строительства, проверяя, что интегрированная система достигнет нулевой энергии в течение всего года.

Преимущества строительства зданий с нулевой энергией

Преимущества зданий с нулевой энергией выходят далеко за рамки экологического повествования. Они предлагают ощутимые экономические, эксплуатационные и социальные выгоды, которые стимулируют принятие среди правительств, корпоративных владельцев и разработчиков.

Воздействие на окружающую среду

Согласно данным Международного энергетического агентства (FLT:0), в настоящее время на здания приходится почти 30% выбросов CO2, связанных с энергетикой. Масштабирование ZEB до национального уровня может привести к существенному снижению климатических целей, особенно в сочетании с декарбонизирующей сетью.

Экономия затрат и финансовая прибыль

Хотя первоначальные затраты на строительство ЗЭБ часто на 5-15% выше, чем у обычных зданий, долгосрочная операционная экономия значительна. Сниженные счета за электроэнергию - иногда до нуля - создают период окупаемости 7-15 лет, в зависимости от цен на энергию и стимулов. Для коммерческих зданий более низкие эксплуатационные расходы могут напрямую улучшить чистую операционную прибыль и стоимость имущества. Кроме того, ЗЭБ лучше позиционируются для того, чтобы выдержать будущую волатильность цен на энергию и налоги на выбросы углерода.

Энергетическая независимость и устойчивость

Производство и хранение на месте позволяют зданиям с нулевой энергией работать вне сети в течение длительных периодов времени. Это имеет решающее значение для таких объектов, как больницы, аварийные убежища и центры обработки данных, которые должны оставаться функциональными во время отключений сети. Даже жилые ЗЭБ могут обеспечить убежище во время отключений электроэнергии, что вызывает растущую обеспокоенность по мере увеличения экстремальных погодных явлений.

Улучшенный комфорт и здоровье пассажиров

Поскольку ZEBs отдают приоритет высокопроизводительным оболочкам и надежным системам вентиляции, они, естественно, обеспечивают превосходный тепловой комфорт и качество воздуха в помещении. Твердое строительство в сочетании с вентиляторами для рекуперации энергии обеспечивает устойчивое снабжение фильтрованным свежим воздухом без значительных потерь энергии. Многие ZEB также включают стратегии дневного освещения, которые улучшают настроение и производительность. Эти факторы все чаще связаны с удовлетворенностью арендаторов и производительностью рабочей силы.

Проблемы масштабирования зданий с нулевой энергией

Несмотря на значительные преимущества, широкое внедрение ЗЭБ с интегрированными энергетическими системами сталкивается с рядом препятствий.

Высокие первоначальные затраты

Премия за первую стоимость остается барьером, особенно для спекулятивных разработок, где застройщик не получает выгоду от долгосрочной экономии энергии. Высокоэффективные окна, толстая изоляция, тепловые насосы и аккумуляторные батареи добавляют тысячи долларов к проекту. Однако снижение затрат на возобновляемую энергию в сочетании с федеральными и государственными стимулами (например, налоговые льготы по Закону США о сокращении инфляции для энергоэффективных коммерческих зданий и чистой энергии в жилых домах) сокращают разрыв. Креативное финансирование, такое как зеленые облигации, кредиты на недвижимость, оцененные чистая энергия (PACE), и соглашения об энергоснабжении также могут компенсировать первоначальные расходы.

Технологическая сложность и совместимость

Интеграция разнообразного оборудования - солнечных инверторов, систем управления батареями, тепловых насосов, элементов управления - требует тщательного проектирования и ввода в эксплуатацию. Ранние проекты страдали от проблем с совместимостью, когда устройства от разных поставщиков не могли надежно общаться. Промышленность движется к открытым стандартам, но квалифицированные системные интеграторы остаются недостаточными. Владельцы зданий также нуждаются в постоянном обучении для эксплуатации и обслуживания передовых систем.

Квалифицированный разрыв в рабочей силе

Проектирование и строительство ZEB требует опыта в области строительной науки, тепловой динамики, возобновляемых источников энергии и систем управления - знания, которые еще не распространены среди архитекторов, инженеров и торговцев. Без надлежащей подготовки здания могут отставать или не достичь статуса нулевой энергии. Образовательные программы и сертификаты, такие как программа сертифицированного строителя Института пассивного дома США (PHIUS) и курсы проектирования здания с нулевой энергией NREL, помогают создавать мощности.

Регуляторные и полезные барьеры

В некоторых регионах строительные нормы и политика в области коммунальных услуг отстают от целей ЗЭБ. Например, нетто-квоты на измерение, сборы за подключение или тарифы на время использования, которые не обеспечивают должной ценности экспортируемой энергии, могут снизить экономические возможности для генерации на месте. Ограничения на зонирование могут также ограничить размер и размещение возобновляемых систем. Адвокаты работают с политиками для обновления кодов и поощрения структур тарифов, дружественных ЗЭБ.

Климат и изменчивость сайта

То, что работает в мягком прибрежном климате, может быть непрактичным для холодной, облачной северной широты. Проект ZEB должен быть адаптирован к местному солнечному ресурсу, дням нагрева и надежности сети. В плотных городских районах пространство для солнечных панелей и теплового хранения ограничено, требуя решений на уровне сообщества, а не систем на уровне зданий. Исследования в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии разрабатывает руководства по проектированию и инструменты моделирования для решения этой проблемы.

Чтобы ускорить внедрение, производители разрабатывают заводские модульные дома с нулевой энергией и сборные стеновые панели, которые включают изоляцию, окна и даже солнечную проводку. Обновление существующих зданий до нулевой энергии является более сложной задачей, но становится возможным благодаря глубоким энергетическим модернизациям, которые заменяют HVAC, добавляют изоляцию и устанавливают фотоэлектрические системы на крыше. Программы, такие как инициатива Министерства энергетики США Передовое строительство зданий , приводят к экономически эффективным решениям по модернизации.

Политика и рыночные драйверы

Правительства стран всего мира ориентируются на нулевую энергию. Директива Европейского союза об энергоэффективности зданий требует, чтобы все новые здания были почти нулевой энергией к 2021 году (со странами-членами, внедряющими изменения). Энергетический кодекс Калифорнии подталкивает коммерческие здания к нулевому уровню к 2030 году. Поскольку все больше юрисдикций предписывают или стимулируют ZEB, рынок будет расширяться, снижая затраты и увеличивая экспертизу.

Заключение

Здания с нулевой энергией представляют собой сближение высокопроизводительного дизайна, возобновляемых источников энергии и интеллектуальных систем управления. Достижение нулевого статуса больше не является далеким идеалом; это конечный результат, когда интегрированные энергетические системы применяются с строгостью и дальновидностью. В то время как первоначальные затраты и техническая сложность остаются препятствиями, снижение цен на технологии, поддерживающая политика и растущий спрос на рынке ускоряют принятие. Для архитекторов, разработчиков и владельцев зданий путь к нулевой энергии ясен: начать с агрессивной эффективности, затем слой на интегрированных возобновляемых источниках энергии и хранилищах. Результатом является здание, которое не только снижает эксплуатационные расходы и выбросы углерода, но также предлагает устойчивость, комфорт и долгосрочную ценность в неопределенном энергетическом будущем.