Проектирование вспомогательных систем для поддержки целей построения нулевой энергии

Основные типы вспомогательных систем в ЗЭБ

Системы отопления и охлаждения

Самая большая вспомогательная энергетическая нагрузка в большинстве климатов - это кондиционирование пространства. В ZEB обычные газовые печи или электрические нагреватели сопротивления заменяются высокоэффективными тепловыми насосами, часто в сочетании с наземными или воздушными теплообменниками. Наземные тепловые насосы (GSHP) используют стабильную температуру земли для достижения коэффициента производительности (COP) значений 4.0 или выше, что означает, что они обеспечивают четыре единицы нагрева или охлаждения для каждой единицы потребляемой электроэнергии. Солнечные тепловые коллекторы также могут нагревать воду или воздух, уменьшая нагрузку на тепловой насос. Конструкционные соображения включают в себя правильный размер наземного контура, выбор компрессоров с переменной скоростью и интеграцию с лучистыми системами распределения пола или потолка, которые работают при более низких температурных дифференциалах.

Вентиляция и качество воздуха в помещении

Вентиляция не подлежит обсуждению для здоровья пассажиров, но в ZEB она должна быть выполнена с минимальным энергетическим штрафом. Вентиляторы для рекуперации энергии (ERV) или вентиляторы для рекуперации тепла (HRV) передают тепло и влагу между выхлопными и впускными потоками воздуха, восстанавливая 70-85% энергии, которая в противном случае была бы потеряна. Вентиляция с контролируемым спросом (DCV) на основе датчиков CO2 дополнительно сокращает время работы, когда пространства не заняты. Конструкция воздуховодов должна минимизировать падение давления, а вентиляторные двигатели должны быть высокоэффективными электронно-коммутированными двигателями (ECM).

Системы освещения

Энергия освещения в ZEB обычно сокращается до менее чем 5-8% от общего энергетического бюджета здания. Это достигается за счет сбора дневного света с использованием фотодатчиков, затемнения на основе заполняемости и повсеместного светодиодного освещения с эффективностью выше 150 люмен на ватт. Управление освещением должно быть подключено к сети и способно зонировать до уровня отдельных рабочих станций. В условиях дневного света автоматизированные системы затенения могут дополнительно снизить нагрузку на охлаждение при сохранении комфорта.

Водяное отопление

Бытовая горячая вода (DHW) является основной нагрузкой в жилых ЗЭБ и некоторых коммерческих зданиях (например, гостиницах, кухнях). Солнечные водонагреватели с электрическим резервным или тепловым насосом водонагреватели (HPWHs) являются стандартом. HPWHs могут достигать энергетических факторов (EF) выше 3.0 путем извлечения тепла из окружающего воздуха. Циклы рециркуляции должны быть оснащены контролем, активируемым спросом, чтобы избежать постоянных потерь тепла. Изоляция труб и низкотемпературные светильники являются важными дополнительными мерами.

Хранение энергии

Системы хранения энергии аккумуляторов (BESS) позволяют ZEB хранить избыточную солнечную генерацию для использования в ночное время или в облачные периоды. Литий-ионные батареи наиболее распространены, но новые химические вещества, такие как литий-железофосфат (LFP), обеспечивают повышенную безопасность и срок службы. Тепловое хранение, такое как хранение льда для охлаждения или материалов с фазовым изменением (PCM), может переносить охлаждающие нагрузки на непиковые часы. Размер хранилища должен быть смоделирован на основе профиля нагрузки здания, прогноза возобновляемой генерации и структуры тарифов коммунальных услуг.

Строительная автоматизация и управление

Слой интеллекта, который связывает все вспомогательные системы вместе, - это система автоматизации зданий (BAS). В ZEB BAS должен делать больше, чем простое планирование; он должен выполнять прогностическое управление, обнаружение неисправностей и оптимизацию в режиме реального времени. Расширенные алгоритмы могут обмениваться между состоянием заряда батареи, требованиями к зарядке электромобилей и предварительной кондиционированием здания перед высокими тарифами. Открытые протокольные сети, такие как BACnet или Modbus, обеспечивают совместимость между оборудованием разных производителей.

Стратегии проектирования для максимальной эффективности и интеграции

Интегрированный процесс проектирования (IDP)

Достижение нулевой энергии требует отхода от изолированного последовательного выбора системы. Интегрированный процесс проектирования объединяет архитекторов, инженеров и модельеров энергии на ранних этапах схематического проектирования. Цель состоит в том, чтобы сначала уменьшить нагрузки - через ориентацию, изоляцию и фенастрацию - прежде чем измерять вспомогательные системы. Этот подход часто приводит к меньшему оборудованию, более низкой капитальной стоимости и более высокой общей эффективности. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) опубликовала несколько тематических исследований, демонстрирующих, что интегрированный дизайн может сократить мощность HVAC на 30-50% в ZEB.

Системный размер и энергетическое моделирование

Поведение и обслуживание жильцов

Вспомогательные системы не могут достичь своей номинальной производительности, если пассажиры переопределяют элементы управления, блокировочные отверстия или не поддерживают фильтры. Образование и удобные интерфейсы необходимы. Элементы управления подключением и игрой, которые позволяют пассажирам устанавливать личные предпочтения комфорта в ограниченном диапазоне, помогают поддерживать энергетические цели. Запланированное обслуживание - включая изменения фильтра теплового насоса, очистку солнечных панелей и проверку вентиляции батареи - должно быть встроено в оперативный план здания. Многие сертификаты ZEB, такие как Международный институт будущего жизни Living Building Challenge, требуют постоянной отчетности о производительности, чтобы гарантировать, что здание остается нулевой энергией на практике.

Климатические решения

В жарком влажном климате осушение является доминирующей нагрузкой, требующей выделенных наружных воздушных систем (DOAS) с энтальпийными колесами или осушительными колесами. В холодном климате тепловые насосы с воздушным источником могут бороться ниже -15 ° C, поэтому предпочтительны наземные или водные тепловые насосы. В смешанном климате гибридные системы, которые переключаются между тепловым насосом и дополнительным электрическим сопротивлением в экстремальные холодные дни, могут быть экономически эффективными. Дизайнеры должны ссылаться на местные климатические данные, структуры скорости полезности и доступную солнечную инсоляцию при выборе технологии.

Пример: Офис с нулевым уровнем сети с интегрированными вспомогательными системами

Рассмотрим офисное здание площадью 5000 м2 в умеренном климате, нацеленное на чистую энергию. Команда разработчиков интегрирует наземный тепловой насос с 60 вертикальными скважинами, ERV с контролируемой спросом вентиляцией, светодиодным освещением с уборкой дневного света и фотоэлектрической решеткой на крыше мощностью 150 кВт в паре с литий-железо-фосфатной батареей на крыше в сочетании со 100 кВт-ч литий-железо-фосфатной батареей. BAS использует прогнозы погоды для предварительного нагрева или предварительного охлаждения здания в течение ночи, когда коммунальные тарифы низкие, и оптимизирует зарядку батареи от солнечной батареи. Во время ввода в эксплуатацию измеренный EUI вспомогательных систем составлял 22 кВт-ч / м2 / год по сравнению с исходным уровнем 55 кВт-ч / м2 / год для соответствующего коду здания. В течение первого года здание экспортировало больше энергии, чем импортировало, доказывая жизнеспособность интегрированного дизайна. Ежегодные затраты на техническое обслуживание были на 15 процентов ниже, чем обычное здание из-за снижения износ

Будущие тенденции в вспомогательных системах для ЗЭБ

Эволюция вспомогательных систем обусловлена цифровизацией, электрификацией и растущей потребностью в устойчивости сети.

• Искусственный интеллект для предиктивного управления: Алгоритмы машинного обучения могут анализировать исторические данные, прогнозы погоды и модели заполнения, чтобы оптимизировать настройки и графики зарядки аккумуляторов, уменьшая потребление энергии еще на 10-15%.
• Улучшения в сжатии паров: Новые хладагенты с более низким потенциалом глобального потепления (GWP) и компрессоры с переменной мощностью делают тепловые насосы более эффективными и экологически чистыми.
• Интегрированная фотоэлектрическая система (BIPV): ПВ-фрагменты, окна и фасады, которые удваиваются в качестве климатически адаптивных скинов, уменьшают потребность в отдельных вспомогательных системах облицовки и стеллажа.
• Беспроводные контроллеры и IoT: Беспроводные датчики малой мощности и краевые вычисления позволяют осуществлять гранулированный контроль каждой зоны освещения и диффузора без обширной проводки.
• Модульные и сборные системы: Фабричные тепловые насосы и модули ERV с подключаемым и игровым подключением сокращают рабочую силу на месте и время ввода в эксплуатацию.

Заключение

Вспомогательные системы являются оперативным костяком зданий с нулевой энергией. Их конструкция напрямую определяет, может ли здание поддерживать нулевой энергетический баланс в течение своего жизненного цикла. Приоритетное снижение нагрузки за счет пассивных мер, выбор высокоэффективного оборудования, такого как тепловые насосы и ERV, интеграция возобновляемой генерации и хранения и развертывание интеллектуальных элементов управления, дизайнеры могут создавать здания, которые не только энергонейтральные, но и удобные, устойчивые и экономически эффективные. Проблемы первой стоимости и сложности реальны, но преодолимы с интегрированными процессами проектирования, вовлечением заинтересованных сторон и доступом к доступным стимулам. По мере того, как технология продолжает развиваться - от оптимизаторов на основе ИИ до хладагентов с ультранизким ПГП - потенциал вспомогательных систем для поддержки и даже ускорения перехода к среде с нулевым выбросом углерода становится все сильнее. Специалисты по строительству, которые осваивают эту область, будут на переднем крае наиболее последовательной трансформации в строительстве со времен промышленной революции.