В наше время высотные здания строятся повсеместно во всех крупных городах мира. Например, в странах Европейского союза действующие законы требуют, чтобы все здания, вводимые в эксплуатацию после 2020 года, имели околонулевое потребление энергии (NZEB). Возможно ли построить высотное здание с околонулевым потреблением энергии? Чтобы ответить на вопрос, рассмотрим специфику проектирования систем ОВиК высотных зданий и концептуальные решения построения инженерных систем, которые позволяют достичь околонулевого потребления энергии.
Европейская директива 2010/31/ЕС по энергоэффективности зданий (Directive 2010/31/EU on the energy performance of buildings – EPBD) вводит понятие здания с околонулевым потреблением энергии (Near Zero Energy Buildings – NZEB).
Ст. 9 данной директивы вводит следующие требования к государствам – членам ЕС: Все здания, принадлежащие общественным организациям и государственным институтам, вводимые в эксплуатацию после 31 декабря 2018 года, должны иметь околонулевое потребление энергии.
После 31 декабря 2020 года все здания, вводимые в эксплуатацию, должны иметь околонулевое потребление энергии.
При этом государства – члены ЕС самостоятельно разрабатывают национальные стандарты и определяют, какие здания можно отнести к NZEB. В Италии, например, в соответствии с декретом от 26 июня 2015 года зданием с околонулевым потреблением энергии может считаться здание, в котором 50 % энергопотребления систем отопления, вентиляции, кондиционирования и ГВС обеспечивается за счет возобновляемых источников энергии.
Оставив в стороне юридические тонкости национальных стандартов, рассмотрим общее значение терминов ZEB, nZEB и NZEB.
ZEB (Zero Energy Building) – здание с нулевым потреблением энергии
Здания с нулевым потреблением энергии полностью покрывают свою потребность в энергии за счет возобновляемых источников. По сути, это утопия, поскольку при существующих технологиях энергия из возобновляемых источников не может быть доступна круглый год в достаточном количестве. Например, солнечная энергия недоступна в ночное время и ограниченно доступна зимой. При этом системы аккумуляции энергии слишком дороги и требуют значительного пространства в здании для размещения.
nZEB (Net Zero Energy Building) – здание с чистым нулевым потреблением энергии
Этот тип зданий подключен к внешним сетям электроснабжения и в случае профицита генерации энергии от возобновляемых источников передает излишки в сеть, а в случае дефицита генерации энергии от возобновляемых источников потребляет энергию из внешних сетей. При этом итоговый годовой баланс потребления энергии из внешних сетей и передачи энергии во внешние сети должен быть равен нулю.
В отличие от ZEB, здания с чистым нулевым потреблением энергии в периоды дефицита генерации энергии от возобновляемых источников энергии могут потреблять энергию от сжигания ископаемых видов топлива, поскольку в ночное время (наступает одновременно на 2,5 континентах – Европа, Африка и Ближний Восток) только этот вид генерации энергии может обеспечить требуемый уровень потребления. И не стоит забывать о серьезных проблемах с пространством для размещения оборудования для генерации энергии от возобновляемых источников – при дефиците свободных площадей достичь чистого нулевого потребления энергии невозможно. Стоит упомянуть и размер капитальных затрат на реализацию nZEB-решений: достижение нулевого потребления – это асимптотический процесс (закон убывающей отдачи, Шеппард, 1974 год).
NZEB (Nearly Zero Energy Building) – здания с околонулевым потреблением энергии
Попытаемся определить, что же именно считать «околонулевым». В Италии для производства 1 000 кВт•ч/год в среднем требуется 6–7 м2 фотоэлектрических панелей. Энергия от возобновляемых источников всегда должна анализироваться в привязке к площади, занимаемой оборудованием для генерации.
Для понимания термина «околонулевое» используем два коэффициента – SFVeq и PtZ.
1. SFVeq (Equivalent Photovoltaic Surface) – это эквивалентная площадь фотоэлектрических модулей. Другими словами, это площадь фотоэлектрических модулей, необходимая для покрытия энергопотребления здания в годовой перспективе и достижения показателей чистого нулевого потребления энергии. Для того чтобы рассчитать SFVeq здания, необходимо разделить его годовое энергопотребление на энергию, получаемую за год от 1 м2 фотоэлектрического модуля в регионе, где расположено здание.
2. PtZ (Proximity to Zero) – коэффициент близости к нулю. Этот коэффициент показывает отношение площади фактически установленных фотоэлектрических модулей к площади фотоэлектрических модулей, необходимых для достижения чистого нулевого потребления энергии зданием, и позволяет оценить, насколько близко здание к «околонулевому» потреблению.
Энергомоделирование для офисных зданий и отелей стандартной высоты показывает, что в Италии достижение 100 %-ного PtZ на практике невозможно. Если в расчете учитывать все системы здания, потребляющие электроэнергию (лифты, эскалаторы и прочее), то показатель 50–60 % уже можно считать успешным результатом.
В высотных зданиях обеспечить близость к нулевому потреблению еще сложнее в силу специфики инженерных систем, описанной далее по тексту.