Энергия моделирования

Руководитель отдела математического моделирования инженерно-консалтинговой компании ENGEX Дмитрий Иванов

O BIM-технологиях проектирования в строительстве сейчас не говорит только ленивый. При этом у большинства «обывателей» это новшество ассоциируется лишь с визуализацией элементов и систем будущего здания в 3D-формате. Однако, эксперты отмечают, что составной, если не основной частью этой новации является энергомоделирование, то есть создание компьютерной модели сооружений, позволяющей оценивать затраты энергетических ресурсов на всем жизненном цикле здания.

Дмитрий Иванов, руководитель отдела математического моделирования инженерно-консалтинговой компании Engex 

По оценкам экспертов по энергосбережению и энергоэффективности, за 30-летний срок владения зданием стоимость строительства оказывается в два раза меньше стоимости затрат на его содержание (30-35% против 65-70%). Как и большинство новаций, энергомоделирование вызывает много вопросов и заблуждений. Хотелось бы развенчать некоторые существующие мифы.

Заблуждение первое: Предложения по энергоэффективности в российской действительности неокупаемы!

«Во-первых, нужно иметь в виду, что энергоэффективные мероприятия не обязательно связаны с выбором и покупкой дорогостоящего оборудования. Чтобы снизить энергопотребление, можно обойтись и без солнечных батарей, и без толстенного слоя утеплителя, и без новомодного чиллера. Зачастую самыми эффективными оказываются недорогие или вовсе бесплатные решения. Достаточно использовать различные варианты пассивных стратегий, например: эффективная схема холодоснабжения, затенение окон на солнечной стороне (солнцезащитные внешние ламели или жалюзи), использование датчиков движения для экономии электроэнергии. 

Отдельно отмечу, что энергомодель здания позволяет избежать переразмеривания (избыточности) оборудования. А это не только снижает капитальные затраты на инженерную инфраструктуру, но также повышает её эффективность и срок службы за счет работы в благоприятном, а не в минимальном, диапазоне нагрузок.

При стандартном расчете проектировщики вынуждены брать коэффициенты запаса, исходя из собственного опыта. В этом – практическая сложность точного учета всех ключевых факторов при проектировании. Имея же готовую математическую энергомодель здания, можно оценить: сколько времени в году оборудование будет работать в пиковом или ином диапазоне нагрузок. И уже с учетом этой информации – выбрать желаемый уровень покрытия, к примеру, холодильной нагрузки.

Опыт нашей работы показывает: всегда существует возможность либо сразу снизить капитальные затраты на строительство здания, либо предложить решения с желаемым для заказчика сроком окупаемости. При этом решения помогают экономить энергию, снижать стоимость эксплуатации и повышать уровень комфорта в здании.

Конечно, большинство заказчиков рассчитывают на быстрейший срок возврата инвестиций. Но даже с учетом относительно низких тарифов на коммунальные услуги в России, благодаря методам энергомоделирования мы зачастую открываем заказчикам очень привлекательные перспективы.

Заблуждение второе: Применение энергоэффективных и комфортных решений по определению и так должно быть в компетенции проектных компаний. Поэтому заказчику незачем платить дополнительные деньги за моделирование здания!

«Мы считаем, что моделирование – это новый шаг в эволюции проектирования. Математическое моделирование позволяет радикально расширить возможности анализа инженерных и архитектурно-строительных решений, а также – их влияния на комфорт и потребление зданием энергии. Достигается это так: реальные физические процессы, протекающие в течение жизненного цикла здания, заменяются их математическими аналогами. Таким образом, появляется возможность детально анализировать функционирование зданий как в целом, так и по отдельным компонентам. Также можно проводить анализ альтернативных решений. При использовании же более простых или «ручных» методов оценки энергоэффективности и комфорта соответственно ниже и возможности для такого анализа.

В целом можно сказать: в случае правильного применения моделирования (особенно на ранних стадиях проекта) выгода или экономия, которые получает заказчик, несоизмеримо выше стоимости услуг. Есть подтверждённые данные: окупаемость моделирования в среднем составляет всего один-два месяца. 

Хочу быть правильно понятым: нет необходимости отбрасывать все известные проектные практики и всем срочно начать моделировать. У любого подхода есть свои плюсы и минусы, своя область применимости. Зачастую гораздо удобнее и правильнее посчитать или прикинуть что-то вручную, нежели пытаться что-то моделировать. То есть, в каждом конкретном случае нужно выбирать наиболее простой, но достаточный с точки зрения точности результатов, подход к решению задачи».

Заблуждение третье: Существующее программное обеспечение далеко не всегда выдаёт достоверные результаты. Поэтому нужно писать свои, авторские, программы!

«Наиболее известные программы хорошо тестируются, а их математические методы задокументированы. Методы тестирования программ для энергомоделирования подробно представлены в стандарте ASHRAE Standard 140. Эти методы включают в себя сравнение с натурными экспериментами, с аналитическими решениями, а также сравнение с результатами других программ.

Исходные файлы для моделей, выполненные в соответствии с этим стандартом, а также результаты моделирования и соответствующая документация предоставляется разработчиками софта. Отмечу, что существует софт с открытым исходным кодом — тот же популярный «движок» для моделирования EnergyPlus, используемый во многих графических оболочках.

Тем не менее, есть задачи, которые лучше всего решать «авторски». Мы с коллегами, например, под решение конкретной проблемы создали программное обеспечение по моделированию нестационарной теплопередачи между подвалом здания и массивом грунта».

Заблуждение четвертое: Сертифицированные программы автоматически дают достоверные результат!

«Хочу подчеркнуть: программы являются лишь инструментом. Сами программы – это сложный продукт. Более того, отличаются разной степенью детализации моделирования тех или иных процессов. Никакая компьютерная программа не гарантирует однозначно корректного результата. Но при этом стоит отметить: львиная доля ошибок связана не с точностью математических методов, а с человеческим фактором.

Ведь специалистам по моделированию приходится иметь дело с большим объёмом исходных данных и допущений. Поэтому корректность результатов и выводов всегда зависит от уровня профессиональной подготовки исполнителя.

Аналогичные соображения, кстати, и привели к появлению систем профессиональной сертификации специалистов в области моделирования энергопотребления зданий (ASHRAE Building Energy Modeling Professional или AEE Certified Building Energy Simulation Analyst).

Более «продвинутое» программное обеспечение и более компетентные специалисты значительно повышают и достоверность, и результативность математического энергомоделирования».

Заблуждение пятое: Виртуальные результаты, полученные при моделировании, плохо соотносятся с реальностью!

«Энергетическая модель здания успешно применяется для функционирующих зданий после процедуры калибровки модели. Это включает в себя использование климатических данных реального года, корректировку графиков пребывания людей и работы оборудования и т.д. Такой подход, кроме всего прочего, позволяет определить оборудование, функционирующее менее эффективно, чем это было намечено в проекте. Более подробно процедура рассмотрена в «Международном Протоколе по измерению и верификации» и в ГОСТ Р 56743–2015 «Измерение и верификация энергетической эффективности. Общие положения по определению экономии энергетических ресурсов». Откалиброванные энергомодели применяют также в случае работы с энергосервисным контрактами, где заказчик платит за уже измеренную и верифицированную экономию.

Однако, модель проектируемого здания, до выполнения калибровки, неминуемо включает в себя ряд допущений и предположений: погодные условия в течение года, графики пребывания людей, графики работы инженерного и бытового оборудования, использование горячего водоснабжения, установочные значения температуры воздуха в помещении и т.д. Таким образом, потребление энергии в значительной мере зависит, в том числе, от таких неконтролируемых факторов, как погода и поведение людей. Это надо иметь в виду.

Еще один фактор: эффективность работы и автоматизация оборудования задается в модели в соответствии с проектной документацией. Поэтому все недочеты, допущенные при пуско-наладке и эксплуатации, впоследствии непременно отразятся на потреблении энергии.

Таким образом, энергетическая модель здания в первую очередь подходит для оценки различных вариантов архитектурных и инженерных решений здания при фиксированных допущениях. То есть, мы можем с высокой точностью определить разницу в энергопотреблении между вариантами, но не абсолютные значения каждого из вариантов по отдельности. Именно так виртуальность соотносится с действительностью».