Зарубежные инновационные технологии в области повышения энергоэффективности зданий и их инженерных систем

To view a copy of this license, visit

Введение и актуальность

Здания потребляют 40% от общего количества расходуемой энергии в ЕС и генерируют 36% парниковых газов в Европе¹. Строительный сектор находится на решающем пути декарбонизации к 2050 г., сократив выбросы CO 2 как минимум на 80% и потребление энергии на целых 50%. Поскольку коэффициент замещения существующего оборудования очень мал (1–2% в год), срочно необходимо ускорение [2]. Одновременно это открывает уникальную возможность для устойчивого роста бизнеса при условии, что продукты и сопутствующие услуги как для новых, так и для модернизированных зданий доступны по цене и отличаются долговечным качеством в соответствии с европейскими стандартами.

В строительной отрасли существует разрыв в энергетических показателях. Причины этого можно разделить на три категории: проектирование, строительство и использование2. Одной из наиболее распространённых проблем является разница между рассчитан-ным/смоделированным потреблением энергии на этапе проектирования по сравнению с фактическим потреблением энергии готовым зданием. Существует также разрыв в энергоэффективности между оптимальным и фактическим уровнями энергопотребления, который возникает, когда не используются экономически эффективные меры.

Существует множество причин, по которым не внедряются экономически эффективные и энергоэффективные технологии. Это может быть связано с низким уровнем осведомлённости жителей зданий, отсутствием технической компетентности, демографией и экономическими барьерами, такими как длительный срок окупаемости [1].

Таким образом, строительный сектор может привести к значительному сокращению выбросов CO2 и экономии энергии, а также к достижению целей в области замедления изменения климата.

Энергоэффективность в зданиях играет стратегическую роль во многих энергетических политиках стран. Отопление, кондиционирование и сокращение теплопотерь зданий имеют решающее значение для реализации потенциала энергосбережения зданий [5]. Технологии возобновляемых источников энергии недостаточно развиты в этой области; если бы они были внедрены, они бы чрезвычайно помогли сократить выбросы CO 2 . Общественность занимает центральное место в этом подходе к энергоэффективности, поскольку характеристики зданий влияют на качество повседневной жизни людей. В среднем человек проводит более 90% своего времени в помещении. В этом контексте национальные стратегии предоставляют возможности для дальнейшего развития и сотрудничества.

Опыт Соединённых Штатов Америки

В 2021 г. Министерство энергетики США объявило о выделении почти 83 млн USD на финансирование 44 проектов, которые позволят снизить счета американцев за электроэнергию за счёт инвестиций в новые энергоэффективные строительные технологии, методы строительства и рабочую силу строительного сектора США. Управление строительных технологий Министерства энергетики США на конкурсной основе выбрало эти проекты из объявления о возможности финансирования в области энергоэффективности зданий и инновационных технологий3.

Обязательства по разработке инновационных энергоэффективных были возложены на крупнейшие университеты. Группа экспертов оценивала представленные проекты и выби- рала наиболее перспективные в разных сферах, относящихся к строительству новых зданий или модернизации уже построенных. Среди таких проектов можно выделить:

• •    разработка гибридного метод производства на основе клея для теплообменников нового поколения типа «воздух-хладагент». Эти теплообменники будут на 50% дешевле и потреблять на 36% меньше энергии в производстве, что делает их идеальными для использования в доступных тепловых насосах³;

• •    разработка устройства для накопления тепловой энергии, в котором используется композит гидрогель/соль для достижения высокой плотности энергии, низких затрат и потенциала масштабируемого производства. Это устройство может быть интегрировано с системами ОВКВ, водяного отопления или другими системами для обеспечения экономии энергии и гибкости загрузки здания;

• •    разработка нового термохимического абсорбирующего материала для накопления энергии путём встраивания основы из нано-целлюлозы с гигроскопичной солью. Этот материал послужит основой для экономичных и высокоэффективных систем хранения тепловой энергии и потенциально может быть использован в других областях, таких как адсорбционное охлаждение;

• •    разработка интегрированного теплового насоса и системы аккумулирования тепловой энергии, которые могут обеспечивать аккумулирование тепловой энергии как для отопления, так и для охлаждения и обеспечивать идеальную производительность в течение всего года, независимо от условий на улице. Эта система может обеспечить сокращение потребления более чем на 50% в часы пик в коммерческих зданиях³;

• •    разработка новой системы кондиционирования воздуха, основанной на новом методе охлаждения с помощью нового типа ионной мембраны. Благодаря своей уникальной компоновке предлагаемая система может потреблять на 50-85% меньше энергии, чем традиционные системы кондиционирования

воздуха, самостоятельно вырабатывать воду и оставаться высокоэффективной во влажном климате;

• •    объединение термоэлектрического теплового насоса с тепловым насосом «воздух-воздух», создавая систему с повышенной эффективностью и теплопроизводительностью при низких температурах наружного воздуха, при низкой стоимости [4]. В рамках проекта будет разработан и продемонстрирован тепловой насос и измерена его экономия энергии;

• •    создание новой методологии проектирования, которая применяет автоматизацию светильников и аддитивное производство для оптимизации светодиодного освещения. Эта методология позволит производителям сократить количество деталей и производить светодиодную продукцию на заказ, избегая при этом некоторых затрат и длительного времени выполнения заказа при традиционном производстве;

• •    разработает не содержащие кадмия преобразователи цвета, которые будут достаточно надёжными, чтобы выдерживать типичные условия эксплуатации осветительных приборов. Эти преобразователи обеспечат более широкую цветовую гамму в освещении, улучшая самочувствие жильцов;

• •    обновит самые современные программные средства для проектирования освещения, основанные на результатах лабораторных и практических исследований, чтобы использовать возможности полупроводниковых технологий освещения и их взаимодействие с жилой средой;

• •    разработка производственного процесса для высокоточного размещения светодиодов на рулонах гибкого пластика с помощью платформы для освещения зданий, состоящей из тонких, гибких листов твердотельных светоизлучающих диодов (LED), которые являются более эффективными, доступными и лёгкими, чем современные схемы для освещения на органических светодиодах. В этих рулонах также будет представлена распределённая электроника по всей системе освещения для

оптимизации энергоэффективности и функциональности;

• •    разработка системы измерения эффективности применения освещения, взаимосвязи между электрической мощностью, потребляемой осветительным оборудованием, и количеством генерируемого света, полезного для жильцов здания;

• •    производство долговечных белых органических светодиодов (OLED), создание технологии, позволяющей продлить срок службы самого короткоживущего компонента – синих OLED-светодиодов – до 50 000 часов работы или более;

• •    разработка светодиодов с повышенной энергоэффективностью для решения давних проблем, препятствующих высокоэффективному полупроводниковому освещению со смешанными цветами;

• •    использование данных приборов, термостатов и метеостанций для подготовки модели автоматического прогнозирования нагрузок устройств и выполнения управления нагрузкой на основе модели прогнозирования;

• •    создание системы проверки и аккредитации для стандартизации шаблонов метаданных в эффективных зданиях, с взаимодействием с сетями и платформами информационных систем управления энергопотреблением;

• •    подтверждение эффективности приборов, интегрированных в батареи, для распределения электрических нагрузок на коммунальные сети при высоком спросе;

• •    разработка аспектов сотрудничества с компаниями-застройщиками и поставщиками ресурсов для разработки экономически эффективных решений для домов с нулевым энергопотреблением;

• •    производство динамических окон⁴ децентрализованным способом, что позволит

сэкономить за счёт масштаба, а это приведёт к снижению стоимости динамических стёкол и даст им возможность получить широкое распространение;

• •    разработка новых вакуумных теплоизоляционных панелей с новой структурой, состоящей из недорогой нанопористой древесной щепы. Новые панели могут обеспечить высокую общую изоляцию, минимизировать потери на кромках и увеличить срок службы изоляции;

• •    разработка изоляционной плиты из нанокомпозита с использованием высокопроизводительных и недорогих процессов, в результате чего общая стоимость станет ниже, чем у существующих изоляционных материалов. Планируется использовать эту изоляцию при производстве пассивных домов в холодном климате, улучшая эксплуатационные характеристики и снижая воспламеняемость и выбросы вредных веществ;

• •    разработка, создание прототипа, тестирование и оценка высокоэффективной модернизации жилых стен, которая может обеспечить предполагаемую экономию энергии на отопление и охлаждение на 30% и более [3]. Модернизация включает в себя двухкомпонентную барьерную систему, которая противостоит перепадам температур воздуха и воды; переработанное оконное обрамление; и высокопроизводительное штормовое окно⁵, которое дополняет, а не заменяет обычные окна;

• •    разработка готовых к выходу на рынок динамических окон, изготовленных с обратимым электроосаждением металла. Этот процесс намного дешевле, чем современные методы производства динамических окон, и потенциально может снизить стоимость динамических окон более чем на 50%³;

• •    разработка тонкоплёночных монолитных мезопористых метаматериалов, которые

могут быть применены для новых решений по остеклению сверхвысокой эффективности. Эти материалы могут быть использованы для изготовления окон с изоляционными свойствами, равными или превосходящими обычные стены, что позволяет зданиям использовать дневное освещение без ущерба для тепловой эффективности.

Огромное внимание уделяется вопросам образования будущих специалистов и повышения квалификации кадров, работающих в сфере строительства или обслуживания зданий. В этой сфере предлагается множество проектов, наиболее перспективными из которых являются:

• •    разработка программы непрерывного образования по проектированию, строительству и интеграции оборудования для выработки солнечной энергии в конструкцию здания. Программа объединит заинтересованные стороны солнечной и строительной отрасли для продвижения архитектурных инноваций в области солнечной энергетики и их внедрения;

• •    разработка новой учебной программы для подготовки специалистов по ОВКВ в области проектирования, установки и обслуживания тепловых насосов в существующих жилых и небольших коммерческих зданиях;

• •    создание консорциума из нескольких учреждений для разработки учебных программ по строительной инженерии, включая получение навыков в области программирования, а также обучение использованию современных технологий моделирования;

• •    разработка учебной программы колледжа продвинутого уровня по технологиям интеллектуального строительства для архитектурного проектирования и другим программам, связанным со строительными технологиями. На курсе будут использоваться практические инструменты, включая моделирование энергопотребления зданий, а также интегрированный стенд для тестирования энергопотребления и контроля здания с системой автоматизации малого масштаба, чтобы научить проектированию, контролю, интеграции и

• взаимодействию с распределёнными энергетическими ресурсами и сетью;

• •    разработка учебных материалов по энергоэффективным системам зданий, таким как тепловые насосы, водонагреватели с тепловыми насосами, системы зарядки электромобилей и системы хранения аккумулированной энергии. Эти ресурсы помогут сотрудникам научиться информировать потребителей о преимуществах этих технологий;

• •    разработка учебной программу по проектированию и строительству высокоэффективных, энергоэффективных жилых зданий. Учебная программа предоставит студентам междисциплинарные знания в области строительства и устранит пробелы в навыках эффективного строительства зданий.

Опыт Евросоюза

Созданная в 2016 г. рабочая группа по повышению энергоэффективности зданий работает над раскрытием потенциала энергосбережения строительного сектора1. Группа включает в себя специалистов из ряда европейских стран, среди которых Австрия, Бельгия, Франция, Германия, Ирландия, Италия, Нидерланды и другие. Задачи группы включают в себя повышение потенциала существующих и новых зданий. Для достижения этого рабочая группа разделена на две подгруппы:

• 1)    новые материалы и технологии для энергоэффективных решений для зданий;

• 2)    комплексные технологии отопления и охлаждения зданий.

Рабочая группа по энергоэффективности в зданиях играет важную роль в:

• •    определении мер, необходимых для достижения целевых показателей энергоэффективности в строительном секторе;

• •    определении текущих проектов;

• •    необходимости предлагать новые мероприятия.

Европейская комиссия в сотрудничестве с Руководящей группой SET Plan и заинтересованными сторонами подготовила список целевых показателей исследований и инноваций для каждой подгруппы2. Эти цели направлены на продвижение высокоэффективных материалов и технологических решений для повышения энергоэффективности зданий.

Согласованы конкретные цели:

• -    сокращение потребления первичной энергии в зданиях в среднем на 60% при одновременном снижении общей стоимости владения и ограничении срока окупаемости до 10 лет [3];

• -    разработка и демонстрация готовых решений для снижения затрат на строительство и обслуживание зданий с почти нулевым энергопотреблением или зданий с положительной энергией по крайней мере на 10% по сравнению с их затратами в 2015 г., с целью достижения снижения затрат на 15% 1 ;

• -    разработка и демонстрация готовых решений для сокращения средней продолжительности строительных работ, связанных с потреблением энергии, более чем на 20% для реконструкции и новых зданий по сравнению с текущими национальными стандартными практиками;

• -    разработка и демонстрация готовых к выходу на рынок решений, позволяющих сократить разницу между прогнозируемой и измеренной энергоэффективностью на 10%, возможно, увеличив её до 15% после ввода в эксплуатацию¹.

Конкретные мероприятия, способствующие повышению энергоэффективности зданий, представлены в следующих аспектах:

Для теплонасосных систем:

• •    снизить затраты на малые и большие тепловые насосы на 50% (по сравнению с рыночной ценой 2015 г.)²;

• •    разрабатывать сборные, полностью интегрированные гибридные / мультиресурс-ные теплонасосные системы «подключи и используй» и интегрированные компактные установки отопления / охлаждения на основе модульных тепловых насосов.

Стоит отметить, что сфера применения тепловых насосов в России тоже достаточно активно развивается, благодаря широким перспективам их внедрения. Развитие этой сферы позволит удешевлять стоимость коммунальных ресурсов при отоплении/кондициониро-вании жилых домов [6].

Для централизованного теплоснабжения и охлаждения (ЦТО):

• •    увеличить использование возобновляемых источников тепла на 25% экономически эффективным способом без снижения качества обслуживания потребителей;

• •    снизить базовые затраты подстанций ЦТО для жилых зданий на 20% (по сравнению с ценами 2015 г.).

Для микрокомбинированной теплоэнергетики (ТЭЦ) / комбинированного охлаждения, обогрева и энергоснабжения (КООЭ):

• •    снизить затраты на оборудование и монтаж на 50% (по сравнению с рыночной ценой 2015 г.);

• •    повысить энергоэффективность микроТЭЦ / КООЭ на 20% (по сравнению с уровнем 2015 г.) за счёт повышения эксплуатационной электрической эффективности и поддержания тепловой эффективности¹. Для хранения тепловой энергии:

• •    повысить производительность надземных и подземных накопителей энергии (энергоэффективность, срок службы системы, эксплуатация и техническое обслуживание) на 25% (по сравнению с уровнем 2015 г.);

• •    увеличить плотность хранения на системном уровне на 200%¹ (включая насосы, клапаны, трубы, кратковременный буфер) по сравнению с текущим уровнем техники 60 кВтхч/м³.

Повышение энергоэффективности в зданиях является ключом к достижению углеродной нейтральности к 2050 г. [3]. Эволюция строительного сектора характеризуется такими аспектами, как:

• -    цифровизация строительства;

• -    индустриализация / стандартизация процессов;

• -    устойчивое развитие за счёт соблюдения принципов круговой экономики;

• -    инновации и оптимизация в отношении

возобновляемых и энергоэффективных систем отопления и охлаждения и их интеграция в здания.

Выводы

Как и в России, зарубежная исследовательская и инновационная деятельность поддерживает основные движущие силы и в преобразовании строительного сектора [7]. Среди планируемых мероприятий:

• 1)    новые материалы для зданий;

• 2)    сборные активные модули для фасадов и крыш или ключевые технологии, способствующие активной обшивке зданий;

• 3)    цифровое планирование и оптимизация эксплуатации;

• 4)    энергетические технологии и решения для уменьшения содержания углерода в сплавах.

Большую роль играют и нетехнологичные задачи, поскольку они не менее важны, чем технологические аспекты. К нетехнологичным проблемам относятся:

• -    согласие пользователей;

• -    образование и тренинг отдельных лиц / организаций;

• -    архитектурные проблемы;

• -    проблемы городского планирования;

• -    синергия с транспортным сектором.

Анализируя опыт ряда зарубежных стран, можно отметить, что их стратегия заключается в стимулировании создания высокотехнологичной строительной отрасли, которая превращает энергоэффективность в устойчивый бизнес. Подключение строительной отрасли к поставщикам систем искусственного интеллекта и заинтересованным сторонам стало бы важным шагом в достижении экономических, социальных и экологических целей, в то же время, позволяя зарубежным компаниям стать конкурентоспособными на глобальном уровне в области проектирования, строительства и эксплуатации искусственной среды, одновременно поддерживая экономику своих стран за счёт создания рабочих мест и повышения квалификации кадров.

В конечном счёте эти действия могут создать прочную основу для непрерывных инноваций в строительном секторе посредством формирования устойчивых партнёрских отношений, способствующих созданию инновационной экосистемы, которая не основана на проектах с эпизодической инновационной деятельностью, как это практикуется в настоящее время. При последовательной реализации всех этапов плана к 2030 г. рост и ускорение коллективных исследований и инноваций позволят зарубежному строительному сектору трансформироваться в зрелую, инновационную и энергоэффективную индустрию.