Моделирование энергопотребления зданий (Building Energy Modeling)

Что такое BEM?

Математическое моделирование энергопотребления в зданиях (Building Energy Modeling), или сокращенно “BEM” представляет собой целый блок инженерных расчетов, позволяющих спрогнозировать потребление энергии зданием в течение года.

Если при построении модели энергопотребления были правильно учтены погодные условия, графики работ здания и оборудования, корректно передана 3D геометрия здания, то в такой модели потребление энергии зданием будет описано с максимальным приближением к реальным условиям его эксплуатации. Здесь очень важно правильно определить приток и расход тепла в здании, а для этого нужна 3D энергетическая модель, т.к. она учитывает затенение, расположение поверхностей и многие другие факторы. Без построения такой модели для современных зданий расчеты в системе отопления и охлаждения скорее всего будут ошибочны и, как следствие, оборудование будет подобрано неправильно.Все это может существенно увеличить затраты на эксплуатацию здания на протяжении всего жизненного цикла.

За рубежом, особенно в США и странах Европы такое моделирование применяется уже 50 лет и сейчас эта технология пошла в Россию. Причем, на Западе BEM воспринимают как штатный инструмент работы любой проектной организации, ценящей время и деньги заказчика.Там BEM давно уже является специальностью: существуют курсы, литература и сертификация специалистов. Это отдельный бизнес: существует специализированный софт, консалтинг, виртуальный энергоаудит и планирование энергоэффективности. На Западе BEM, это, безусловно, престиж. Системы зеленой сертификации зданий требуют наличие энергетической модели, а сертификат является элементом лидерства на рынке.В России моделирование энергопотребления не имеет широкого распространения из-за невостребованности заказчиком. Для России энергомоделирование не является обязательным; энергетическую модель здания не требуют в экспертизе, ее построение – дело добровольное.

Практика показывает, что в России энергетическая модель здания может быть востребована в следующих случаях:

  • если заказчик сам планирует эксплуатировать здание и желает спрогнозировать расходы на энергопотребление;
  • заказчик желает видеть энергетическую модель здания как дополнение к разделу “Энергоэффективность”;
  • заказчик планирует сертифицировать здание по зеленым стандартам (в этом случае моделирование энергопотребления является обязательным условием).

Заказчиками энергетической модели здания могут быть архитектурные, проектные бюро, инвесторы, а также владельцы зданий.

В ООО Проектное бюро «Центр Экологических Инициатив» мы применяем моделирование энергопотребления здания в качестве дополнения к разделу «Энергоэффективность». Это делается по желанию заказчика.

Что получит заказчик в итоге?

В итоге заказчик получит 3D энергетическую модель здания, которая позволит создать набор базовых решений с разными параметрами (по системам ОВиК, контрольными датчиками и т.д) и для каждого решения спрогнозировать нагрузки на системы охлаждения и отопления, годовую стоимость эксплуатации здания, оценить параметры воздушной среды в помещениях, термический комфорт. Затем можно сформировать итоговое проектное решение на основе оптимального варианта по энергоэффективности.

Исходные данные для моделирования энергопотребления в зданиях

В качестве исходных данных для построения энергетической модели здания потребуются:

1. 3D-геометрия здания. BEM использует необходимый минимум информации, т.е. архитектурную модель здания нужно упростить перед расчетом, т.к. софт для моделирования использует одномерное приближение. Поэтому элементы геометрии должны быть плоскими. Но чем проще, тем лучше и точнее расчет. Сейчас во многих программах предусмотрен экспорт в формате gbXML, но практика показывает, что такой экспорт не всегда проходит корректно и приходится править код вручную. В этом и заключается сложность экспорта модели, часто приходится из-за этого создавать 3D-геометрию вручную, обводя DWG-подложку, но это рутинный процесс и его точность оставляет желать лучшего.

Исходная модель здания

архитектурная модель

Модель здания после упрощения

энергетическая модель

2. Поверхности, не влияющие на теплообмен, в расчетах не участвуют. Для расчета важно:

  • стены, полы, покрытия, окна, затеняющие плоскости;
  • поверхности – плоские, линии-прямые, толщина – нулевая;
  • нельзя допускать наличия щелей в геометрии. Это приводит к ошибкам в расчетах.

3. Погодные данные. Они представлены в виде погодных файлов, где заложены почасовые данные о температуре, влажности, давлении, скорости ветра, интенсивности солнечного излучения. Такие файлы платные (один файл стоит около 80$), но без них энергомоделирование невозможно. Но можно придумать и свой вариант решения этой проблемы. Я, например, себе написала программу, которая генерит погодный файл по файлу метеоспутника, который можно бесплатно создать на любую дату здесь: http://esrl.noaa.gov/raobs/.

погодный файл

4. Также нам потребуются различные расписания: работы здания, работы офисной техники, включения/выключения света, количество сотрудников и т.д. Эти расписания задают внутренние нагрузки и внутренние параметры здания. В зарубежном софте для типовых зданий предусмотрены кейсы (готовые библиотеки) таких параметров. В этом случае достаточно только указать тип здания. Например, школа или офис и примерное количество человек. Все остальные параметры программа подгрузит автоматически. Кейсы сформированы в стандартах ASHRAE и CIBSE на основе многолетних исследований. Для России такие исследования не проводились и типовых данных, соответственно, нет. Поэтому нам остается или положиться на зарубежный опыт, или сформировать эти данные для здания в частном порядке, предварительно узнав информацию от заказчика. Второй вариант, на мой взгляд, гораздо лучше и предполагает некоторую точность.

5. Схемы и математические модели инженерного оборудования. Модели систем могут быть шаблонными и поэлементными. Зарубежный софт содержит типовые модели и готовые решения для инженерного оборудования, которые далеко не всегда подходят для российских условий. Поэтому, скорее всего, все схемы придется формировать вручную (поэлементно) и софт предоставляет такую возможность, но это весьма трудоемкий процесс.

Таким образом, при построении модели энергопотребления здания необходимо тщательно проверять геометрию модели, выбирать масштаб упрощения, но персонал здания не всегда следует установленному расписанию и расчеты не всегда корректны. Но в целом, точность неплохая, погрешность составляет около 10%. Но основная проблема в том, что софт ориентирован на зарубежный стандарт. Ну что же, это хорошая причина для создания собственного софта по российским стандартам:)

BIM и BEM. Цикличность проекта

Энергетическая модель здания сейчас является неотъемлемой частью информационного моделирования. Благодаря современному BIM-софту энергетическое моделирование возможно и на концептуальной стадии проекта. Например, компания Autodesk предоставляет облачный сервис GREEN BUILDING STUDIO, который позволяет оценить энергопотребление здания на предпроектной стадии. В этом случае расчет энергопотребления происходит в среде Revit с последующей выгрузкой модели в gbXML (это универсальный BEM-формат) и можно определить самый энергетически выгодный вариант здания. Но если нужна сертификация по зарубежным зеленым стандартам, или необходимо оценить уже готовое здание или проект, то лучше для BEM использовать сторонний софт, он предоставляет гораздо большие возможности, чем облачный сервис GREEN BUILDING STUDIO. На проектной стадии к расчетам смогут подключиться инженеры и развивать проект циклически. Каждый цикл проектирования будет завершен законченным вариантом модели здания.

BEM и сертификация зданий по зеленым стандартам

Зарубежные системы сертификации LEED и BREEAM требуют построения 3D-энергетической модели здания.

Для сертификации по LEED:

1. необходимо провести оценку стоимости годовой эксплуатации здания;
2. можно получить 19 из 110 баллов только за энергомоделирование.

Для сертификации по BREEAM:

1. необходимо провести оценку годовой эксплуатации здания в единицах потребляемой энергии;
2. используется общее число баллов и взвешивание. Энергосбережение присваивает 15 баллов из 30 в секции. Затем можно набрать ещё баллы за применение инновационных технологий, водосбережение и внутренний комфорт.

При сертификации в обеих системах важно привлекать сертифицированных BEM-специалистов, иначе документы будут очень долго рассматриваться. За рубежом сертификацию BEM специалистов проводят ассоциации ASHRAE (США) и CIBSE (Великобритания). В России тоже сейчас появляются компании, обучающие и сертифицирующие специалистов, но их еще очень мало.

С российскими системами сертификации сложнее. В СТО НОСТРОЙ 2.35.4-2011 для энергопотребления здания прописаны только базовые показатели. Методика расчета энергопотребления в российской нормативной документации существует, но не учитывает динамические эффекты. Поэтому получится результат с большой погрешностью, примерно 40%. Хотя такие результаты принимают.

О программах для BEM

Для BEM написано большое количество зарубежного софта как платного, так и бесплатного. Этот софт имеет свои достоинства и недостатки для решения разных задач. Поэтому на Западе специалисты предпочитают не останавливаться на какой-то одной программе, а используют для конкретной задачи тот софт, с которой он лучше всего справляется. И чаще всего даже применяют комплексное решение из нескольких программ. Считается нормой, если специалист знает имеет навыки работы с несколькими BEM-программами.
Я перепробовала большое количество BEM-софта, но остановилась на двух самых удобных, на мой взгляд, программах: TAS и IES VE, но о программах мы поговорим в следующей статье.