Приложение А (справочное). Влияние инновационных интегрированных функций BACS на энергоэффективность (примеры)

Приложение А
(справочное)

Влияние инновационных интегрированных функций BACS на энергоэффективность (примеры)

А.1 Общие положения

Применение систем автоматизации и управления зданиями приводит к улучшению энергетических характеристик зданий. Автоматизация устройств управления (ВАС) создает возможности для экономии энергии по сравнению с ее потреблением при ручном, неавтоматизированном вмешательстве персонала в управление. Эффект экономии энергии при использовании ВАС может быть еще более повышен, если учитываются интегрированные и сложные функции управления. Кроме того, для более глубокого понимания вопросов потребления энергии в зданиях и оптимизации работы их энергетических систем рекомендуется внедрение технического менеджмента зданий (ТВМ). При этом следует учитывать также потребление энергии, необходимое для работы самой системы автоматизации и управления.

Влияние функций автоматизации и контроля ВАС и ТВМ для различных классов энергоэффективности BACS может быть рассчитано в соответствии с 7.2. Для подобных случаев могут быть использованы национальные расчетные методы (при их наличии).

А.2 Примеры интегрированных функций ВАС

А.2.1 Обзор

Встроенные в здание функции автоматизации и устройств специального контроля, рассматриваемые в настоящем приложении, не включены в указанные в библиографии стандарты. Тем не менее имеет смысл рассмотреть их с точки зрения инновационных характеристик. Эти функции могут быть описаны следующим образом:

а) контроль температуры в отдельных помещениях, нагреваемых зонах, на который влияет применение устройств контроля положения окон;

б) контроль оптимизации ставней и освещения;

в) применение устройств контроля положения окон.

А.2.2 Применение оконных контактов при управлении температурой в отдельных помещениях в нагреваемых зонах

Управление температурой в отдельных помещениях дает возможность повысить энергетическую эффективность путем интегрирования функций управления отоплением и контроля положения открытия окон.

Если окна открываются персоналом, система отопления помещения автоматически выключается, исключая дополнительный нагрев помещения. Это уменьшает потери тепловой энергии через открытые окна вследствие прекращения необязательного поступления тепла в помещение. После закрытия окна отопление включается снова. Для реализации этого рабочего режима необходима интегрированная автоматическая система управления зданием, при отсутствии взаимодействия между положением окон и центральной системой управления отоплением (например, в виде управления температурой подачи воды или работой насоса).

Можно отметить, что в результате описанных выше функций температура в помещении во время открытия окна понижается быстрее, чем при непрерывно работающей отопительной системе. Отклонения температуры комнаты от желательного значения воспринимаются отрицательно присутствующими и побуждает их закрывать окно сразу же после достаточного проветривания.

Повышение энергетической эффективности в результате применения устройств контроля положения окон в системе BACS могут быть оценены как коэффициент экономии энергии . Если в системе автоматизации данная функция не применяется, то коэффициент . С другой стороны, применение систем автоматизации, допускающих взаимодействие контроля открытия окон с контролем температуры в отдельном помещении в нагретой зоне, позволяет получить значения .

Потребности в энергии для отопления при применении оконных контактов рассчитывают по формуле

, (А.1)

где - потребности в тепловой энергии для отопления без применения устройств контроля положения окон в соответствии с [9];

- коэффициент экономии энергии при использовании устройств контроля положения окон.

Обычным случаем является отсутствие устройств контроля положения окон. Поэтому в первую очередь должны быть рассчитаны потребности в тепловой энергии без применения таких устройств в соответствии с [9]. После этого возможно оценить значение экономии энергии при использовании окон с устройствами контроля положения окон с помощью коэффициента .

Значение коэффициента экономии энергии может быть получено по графикам на рисунках А.1 и А.2. Его значение зависит от разницы температуры между средней внутренней температурой (в помещении) и наружной температурой (вне помещения); его рассчитывают по формуле

, (А.2)

где - средняя температура внутри помещения в течение рассматриваемого периода;

- средняя температура наружного воздуха в течение рассматриваемого периода.

Масса здания и коэффициент теплопередачи U также оказывают влияние на значение экономии энергии при использовании устройств контроля положения окон. Значение внутренних нагрузок не имеет существенного влияния на значение , но влияет на полное потребление тепловой энергии.

Требуемые данные можно получить интерполяцией графиков, представленных на рисунках А.1 и А.2. Для зданий большой массы подходит линейная интерполяция в зависимости от среднего значения коэффициента теплопередачи (U-value) внешних ограждающих конструкций, тогда как для новых зданий с низкими значениями коэффициента теплопередачи может быть проведена линейная интерполяция в зависимости от массы здания.

Примечание - Графики были получены сравнением большого числа результатов моделирования для обоих случаев: системы с устройством контроля положения окон и без них.

Коэффициент учитывает:

- изменения погодных условий в течение периода отопления и различия между разными климатическими зонами. Это объясняет, почему на величину оказывает влияние средняя наружная температура;

- продолжительность проветривания зависит от наружной температуры в соответствии с рисунком А.3, как известно из результатов измерений, выполненных в жилых зданиях по [36]. Кроме того, в [14] определен коэффициент открытия конкретного (типового) окна. При этом не рассматриваются потенциальные побочные эффекты использования устройств положения окон, прекращающих отопление, которые приводят к более коротким периодам проветривания вследствие слишком низкой температуры помещения или к предотвращению постоянной инфильтрации через неплотности окна, поскольку надежная и общепринятая информация о поведении пользователей отсутствует или не стандартизована. Это обстоятельство является причиной того, как периоды проветривания в течение дня могут быть одинаковыми как при наличии устройств контроля положения окон, так и без них;

- скорость инфильтрации воздуха зависит от свободной площади поперечного сечения открытого окна. Дневные значения объема инфильтрации окружающего воздуха различны для окон с нижней и боковой подвесками;

- объем инфильтрации зависит от разницы температуры внутри и вне помещения;

- необходимость индивидуального контроллера температуры в помещении. Как допустимые рассматриваются контроллеры PI и терморегулирующие радиаторные клапаны. Влияние типа контроллера температуры в отдельном помещении на коэффициент экономии энергии менее 1%.

А.2.3 Оптимизация управления затенением (ставнями) и освещением

Оптимальное взаимодействие управления освещением, ставнями и системами отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC) требует координации автоматических систем здания. Интенсивность потока дневного света в помещение контролируется в целях уменьшения потребления электроэнергии для искусственного освещения. Это осуществляется ставнями. Применение ставней для контроля дневного света воздействует также и на потребление энергии для отопления и охлаждения, поскольку нагрузка солнечной энергии коррелирует с положением ставней. По этой причине методика расчетов должна включать в себя отдельную оценку эффективности отопления, охлаждения (HVAC) и освещения.

Для оценки влияния интегрированной системы автоматизации здания (в данном случае ставнями и освещением) на потребности энергии для отопления и охлаждения должны быть известны данные по солнечным нагрузкам, зависящие от положения ставней. Управление ставнями должно учитывать как наличие дневного освещения, так и ту часть искусственного освещения, которая замещается дневным светом. Эта часть рассчитывается с учетом:

- времени работы искусственного освещения;

- удельного потребления энергии на освещение.

Эффективность дневного освещения также является функцией затеняющего влияния внешних препятствий, прозрачности окон и геометрических параметров комнаты. В комнате только часть площади пола может быть достаточно освещена дневным светом. Следовательно, взаимодействие с искусственным освещением ограничено некоторой зоной (см. рисунок А.4).

Взаимодействие между управлением ставнями, искусственным освещением, отоплением и охлаждением (HVAC) является очень сложным (см. рисунок А.5).

Таким образом, в большинстве случаев необходимо использовать программы компьютерного моделирования для получения данных по энергетической эффективности здания. Существующие отдельные методики расчетов, позволяющие провести оценку потребления энергии для отопления, охлаждения и потребления энергии для освещения здания, специально учитывают поступление энергии за счет солнечной радиации и дневного освещения в соответствии с [1], [37], [38], [39]. В связи с этим приведены только некоторые дополнительные рекомендации по использованию интегрированных в здании функций автоматизации и управления для комбинированного управления ставнями и освещением:

а) отопление.

При отоплении в зимний период настоятельно рекомендуется использовать солнечную энергию для снижения потребности в отоплении. Искусственное освещение необходимо только в тех случаях, когда количество дневного света от солнечной радиации недостаточно.

Влияние данной функции BACS на энергетическую эффективность ограничено значениями местных требований, предъявляемых к искусственному освещению;

б) охлаждение.

При охлаждении (если оно требуется) весьма простым методом снижения потребностей в энергии является уменьшение нагревающего действия солнечной радиации. Влияние на потребление энергии для охлаждения (включая снижение солнечной радиации путем применения автоматического управления затенением) рассчитывают по формуле

, (А.3)

где - потребление энергии для охлаждения (с компенсацией тепла, поступающего от солнечной радиации);

- коэффициент влияния солнечной радиации в зависимости от типа затенения и его управления [см. (А.4)], показывающее, что чем эффективнее системы затенения, тем меньше коэффициент влияния :

, (А.4)

где - потребности в энергии охлаждения вследствие солнечного нагрева без затенения [см. (А.4)];

- потребности в энергии охлаждения вследствие солнечного нагрева с затенением [см. (А.4)].

С другой стороны, уменьшение солнечного нагревания затеняющими устройствами снижает также поступление дневного света в помещение. Это обстоятельство может привести к необходимости включения искусственного освещения, что, в свою очередь, связано с выделением тепла (и дополнительными требованиями охлаждения), а также дополнительным расходам на электроэнергию .

Зависимость между солнечной радиацией, дневным освещением и искусственным освещением может быть оценена по [16] или [40].

Обычно процессы затенения и освещения рассчитывают отдельно. В настоящем стандарте применение системы автоматизации и управления зданием предоставляет возможность оптимизации управления затеняющих устройств. При этом особое внимание уделяется искусственному освещению и соответствующему расходу на электроэнергию. Следовательно, необходимо рассматривать взаимодействие между искусственным освещением и затенением путем минимизации потребления энергии:

, (А.5)

где - потребности энергии для охлаждения, возникающие вследствие выделения тепла при искусственном освещении, определяемым по формуле (А.3);

- потребности энергии для охлаждения, возникающие вследствие выделения тепла при солнечном освещении с затенением [см. (А.4)].

Использование дневного освещения снижает потребности в электроэнергии и тепловой эффект освещения. При максимальном использовании дневного света нагревание солнечным светом также достигает максимума. Поэтому затенение снижает использование дневного освещения и в течение годового периода потребности в энергии варьируются. Часть потребности энергии для охлаждения, связанную с включающим дневной свет освещением, рассчитывают по формуле

, (A.6)

где - эффективность оборудования для искусственного освещения;

p - установленная мощность искусственного освещения, ;

- площадь пола, освещаемая дневным светом, ;

- площадь пола, не освещаемая дневным светом, ;

- фактическое время использования дневного освещения в дневное время, ч;

- фактическое время использования искусственного освещения в ночное время, ч;

- фактическое время использования искусственного освещения в дневное время (если освещения дневным светом недостаточно), ч.

Членами формулы (А.7), учитывающими влияние использования дневного освещения, являются эффективное время использования дневного света и площадь пола, освещаемая дневным светом. Эффективное время использования дневного света определяют по формуле

, (А.7)

где - продолжительность дневного времени, ч (часы между восходом и закатом солнца);

- коэффициент использования дневного освещения;

- фактор присутствия пользователей в зоне.

Коэффициент использования дневного освещения зависит от ориентации окна, а также от отношения освещаемой дневным светом площади пола ко всей площади пола . Также следует учитывать тип затеняющего устройства и затенение, связанное с навесами окон и откосами, а также с эффективным временем использования дневного света и изменением (каждый час) освещенной площади пола. Часть потребности в энергии охлаждения, относящейся к солнечному нагреву и внутреннему нагреву осветительными устройствами, зависящая от дневного света, может быть скорректирована интегрированной системой автоматизации здания путем использования коэффициента. Эта часть рассчитывается отдельно для каждой системы автоматизации здания:

(А.8)

Для усредненных расчетов применяют следующие ограничения параметров:

- внешние затеняющие устройства;

- затенение; управляется шинной системой;

- окна с не менее чем двойным остеклением;

- высота окна приблизительно 2 м (0,25 м от потолка - высота комнаты 3 м);

- коэффициент , приведенный в таблице А.1.

Таблица А.1 - Коэффициент коррекции для ВАС (ставни и освещение)

Коэффициент коррекции для ВАС	Значение
Интегрированная BACS (ставни и освещение)	0,94
Неинтегрированная BACS (ставни и освещение)	1,00