Роль первичных систем в поддержке целей LEED по нулевой энергии

Достижение сертификации LEED Zero Energy представляет собой вершину устойчивой производительности зданий. Этот строгий стандарт требует, чтобы здания производили столько энергии из возобновляемых источников, сколько они потребляют в течение 12-месячного периода. В то время как стратегии проектирования, поведение пассажиров и выбор материалов способствуют, основа любого здания с нулевой энергией лежит в его основных системах. Это основные механические, электрические и структурные компоненты, которые диктуют, как энергия используется, управляется и генерируется. Понимание того, как выбирать, размер, интегрировать и оптимизировать эти системы, имеет важное значение для проектных групп, стремящихся к проверке LEED Zero Energy.

Сертификация LEED Zero Energy, администрируемая Советом по зеленому строительству США (USGBC), основывается на существующей рейтинговой системе LEED. Она требует как минимум двух лет непрерывных данных о производительности энергии, демонстрирующих использование энергии из чистого источника с нулевым уровнем. Это означает, что первичные системы должны быть не только эффективными индивидуально, но и работать вместе, чтобы минимизировать нагрузки и максимизировать выработку возобновляемой энергии на месте. Эта статья расширяет каждую критическую первичную систему, описывает стратегии интеграции, обсуждает реальные выгоды и подчеркивает общие подводные камни, которых следует избегать.

Понимание основных систем в проектировании зданий

Основные системы являются основными энергоемкими и энергопроизводящими компонентами в здании. Они отличаются от вторичных систем (таких как вилочные нагрузки или лифты) тем, что они непосредственно обуславливают окружающую среду или генерируют возобновляемую энергию. Пять ключевых категорий включают:

  • Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (HVAC) — крупнейший потребитель энергии в большинстве коммерческих зданий.
  • Освещение — обычно вторая по величине нагрузка, но на неё сильно влияют элементы управления и дневной свет.
  • Системы возобновляемой энергии — генерация на месте, чаще всего фотоэлектрические (PV) массивы.
  • Строительный конверт — физический разделитель между внутренним и внешним, включая стены, крыши, окна и изоляцию.
  • Энергетические системы хранения и управления — батареи, термохранилища и интеллектуальные средства управления, которые уравновешивают спрос и предложение.

Эти системы взаимозависимы. Например, высокопроизводительная оболочка здания уменьшает размеры и энергопотребление оборудования HVAC, что, в свою очередь, снижает требуемую мощность системы возобновляемых источников энергии. Аналогичным образом, автоматизированные элементы управления освещением, привязанные к датчикам заполняемости, могут снизить нагрузки на охлаждение за счет снижения внутреннего теплоприема. Поэтому целостное понимание первичных системных взаимодействий имеет решающее значение для успеха LEED Zero Energy.

Основные системы, поддерживающие LEED Zero Energy

Высокопроизводительные системы HVAC

Системы HVAC составляют от 40% до 60% от общего потребления энергии в зданиях типичного коммерческого назначения. Для проектов LEED Zero Energy дизайнеры должны выйти далеко за рамки минимального кода оборудования. Варианты включают:

  • Геотермические тепловые насосы (GHP): Эти системы используют стабильную температуру земли для обеспечения нагрева и охлаждения с чрезвычайно высокими коэффициентами производительности (COP 4.0-6,0).
  • Системы переменного потока хладагента (VRF): VRF позволяет одновременно нагревать и охлаждать в разных зонах, восстанавливая тепло из областей, нуждающихся в охлаждении, и перенаправляя его в области, нуждающиеся в нагревании. Это значительно снижает общую энергию компрессора.
  • Вентиляторы для рекуперации энергии (ERV): Вентиляторы для рекуперации энергии захватывают тепло и влагу от выхлопного воздуха до предварительного кондиционирования поступающего свежего воздуха, уменьшая энергию, необходимую для кондиционирования вентиляционного воздуха.
  • Выделенные системы наружного воздуха (DOAS): Отделение вентиляционного воздуха от кондиционирования позволяет каждой системе работать с максимальной эффективностью. DOAS с ERV является основным продуктом конструкций с нулевой энергией.

Не менее важны стратегии управления. Контролируемая спросом вентиляция (DCV) регулирует воздухозаборник на открытом воздухе на основе уровней CO2 в реальном времени, в то время как экономайзеры обеспечивают свободное охлаждение, когда условия на открытом воздухе благоприятны. Все компоненты HVAC должны быть привязаны к центральной системе автоматизации здания (BAS) для непрерывной оптимизации.

Передовые системы освещения

Загрузка освещения резко снизилась с широким распространением светодиодов. Однако для достижения LEED Zero Energy требуется более чем эффективное оборудование. Ключевые стратегии включают:

  • Сбор дневного света: Фотодатчики тускнеют или выключают электрические огни, когда достаточно дневного света. Офисы с открытой планировкой могут снизить энергию освещения на 20-60% при правильном управлении дневным светом.
  • Датчики занятости и вакансий: Эти датчики выключают свет в незанятых помещениях. Интеграция с BAS позволяет планировать и контролировать уровень зоны.
  • Задача/Освещение окружающей среды: Обеспечение более низких уровней освещения окружающей среды (например, 30-40 фут-свечи) с регулируемым рабочим освещением на рабочих станциях снижает общую мощность при одновременном повышении удовлетворенности пассажиров.
  • Высокоэффективные люминаиры: Выбор светильников с эффективностью выше 150 люмен на ватт теперь осуществим. Такие средства управления, как непрерывное затемнение, еще больше сокращают потребление энергии.

Освещение также влияет на охлаждающие нагрузки. Светодиоды производят меньше тепла, чем накаливания или флуоресцентные источники, что непосредственно снижает спрос на HVAC. В зданиях с нулевой энергией система освещения спроектирована как маломощная, высокоуправляемая система, которая дополняет стратегию HVAC.

Возобновляемые энергетические системы

На месте возобновляемая генерация является требованием для LEED Zero Energy. Наиболее распространенным выбором являются солнечные фотоэлектрические (PV) массивы на крыше или на земле. Для удовлетворения нулевой метрики, возобновляемая система должна компенсировать общее годовое потребление энергии из источника. Важные соображения включают:

  • Размер:] Мощность фотоэлектрической матрицы должна рассчитываться на основе исторических данных о погоде, моделей построения энергии и ожидаемых потерь эффективности (затенение, эффективность инвертора, деградация). Типичным является минимум 5-10 кВт на 1000 квадратных футов, но каждый проект требует детального анализа.
  • Ориентация и наклон: Наклонные к югу массивы под углом наклона, равным широте, дают максимальный годовой объем производства.Ориентация на восток/запад может обеспечить лучшее соответствие нагрузки для зданий с утренним и вечерним пиками.
  • Интеграция с хранением: Хранение аккумуляторов позволяет использовать избыточную генерацию в течение дня в ночное время, улучшая соотношение самопотребления здания. Тепловое хранение (например, резервуары с охлажденной водой) также может переносить нагрузки.
  • Альтернативные возобновляемые источники энергии: Ветровые турбины, солнечные тепловые для бытовой горячей воды или геотермальный обмен могут дополнять или заменять фотоэлектрические источники, где условия на месте благоприятны.

USGBC требует, чтобы возобновляемая энергия генерировалась на территории здания или на территории в пределах границ проекта. Закупки или компенсации за пределами площадки не имеют права на сертификацию LEED Zero Energy. Это делает точный размер фотоэлектрических установок и интеграцию с другими первичными системами критически важными.

Производительность Building Envelope

Оболочка здания - это первая линия защиты от тепловыделения и потери. Даже самая эффективная система HVAC не может преодолеть протекающую, плохо изолированную оболочку. Для LEED Zero Energy оболочка должна быть спроектирована так, чтобы минимизировать тепловое мостовидение и проникновение воздуха. Ключевые элементы включают:

  • Непрерывная изоляция:] Установка изоляции на внешней стороне конструктивной рамы устраняет тепловые мосты через шпильки и балки. R-значения R-20 до R-40 для стен и R-40 до R-60 для крыш являются общими в конструкциях с нулевой энергией.
  • Высокопроизводительные окна: Окна с тройным остеклением и низким покрытием с аргоном или криптоном заполняются до достижения U-значения ниже 0,25 Btu / h·ft2·°F. Затеняющие устройства (внешние жалюзи, свесы) контролируют усиление солнечного тепла.
  • Прочное конструирование: Испытания на наличие размывных дверей должны достигать скорости утечки ниже 0,15 см/фут2 при 75 Па. Запечатывание всех проникновений, соединений и переходов имеет важное значение.
  • Холодные крыши и зеленые крыши: Отражающая кровля снижает эффект теплового острова и снижает охлаждающие нагрузки. Зеленые крыши обеспечивают дополнительную изоляцию и преимущества управления ливневыми водами.

Оптимизированная оболочка снижает требуемую мощность ВВК, что в свою очередь снижает размер и стоимость системы возобновляемых источников энергии. Этот добродетельный цикл является отличительной чертой экономически эффективного дизайна с нулевой энергией.

Системы хранения и управления энергией

С высокоэффективными первичными системами и генерацией на месте, конечная часть управляет временным несоответствием между производством и потреблением энергии. Батареи, тепловое хранение и интеллектуальные элементы управления помогают достичь чистого нуля на почасовой, ежедневной и сезонной основе. Например:

  • Литий-ионные аккумуляторные системы хранят избыточную солнечную энергию для использования в вечерние пики или облачные дни.
  • Холодная вода или хранение льда переносит охлаждающие нагрузки на непиковые часы, снижая заряды спроса и позволяя чиллеру работать ночью, когда температура окружающей среды ниже (повышение эффективности).