| Тип данных | Параметры экспорта | Формат | Назначение |
|---|---|---|---|
| Геометрия здания | 3D-модель с зонированием, этажность, координаты, ориентация по сторонам света | gbXML, IFC | Построение объемной модели для термодинамических расчетов |
| Ограждающие конструкции | Состав стен, толщина слоев, теплопроводность λ Вт/(м·К), сопротивление теплопередаче R₀ м²·К/Вт | gbXML | Расчет теплопотерь через наружные стены, кровлю, перекрытия |
| Светопрозрачные конструкции | Площадь остекления, коэффициент теплопередачи U Вт/(м²·К), SHGC (коэффициент солнечного тепла) | gbXML | Учет теплопоступлений от солнечной радиации и потерь через окна |
| Системы отопления | Тип системы (радиаторное, теплые полы), КПД котельной, температурный график | gbXML, IDF | Моделирование работы системы отопления в годовом цикле |
| Системы вентиляции | Воздухообмен м³/ч, рекуперация тепла (КПД до 90%), инфильтрация | gbXML, IDF | Расчет вентиляционных потерь и эффективности рекуператоров |
| Климатические данные | Температура наружного воздуха, солнечная радиация, влажность по СП 131.13330.2025 | EPW | Моделирование работы здания в реальных климатических условиях |
| Внутренние тепловыделения | Люди (75-100 Вт/чел), оборудование, освещение (Вт/м²), график присутствия | IDF | Учет внутренних источников тепла при расчете нагрузок |
| Программа | Расчетный движок | Функциональность | Применение |
|---|---|---|---|
| EnergyPlus | Собственный открытый код (DOE) | Термодинамическое моделирование методом тепловых балансов, многозонный анализ, расчет систем ОВК | Детальный анализ энергопотребления, научные исследования, сертификация LEED |
| DesignBuilder | EnergyPlus | Графический интерфейс для EnergyPlus, 3D-моделирование, анализ CFD, годовое моделирование с шагом до 1 мин | Проектирование энергоэффективных зданий, оптимизация систем ОВК |
| IES Virtual Environment | ApacheSim | Динамическое моделирование, расчет естественного освещения (RadianceIES), анализ микроклимата | Комплексный анализ зданий, сертификация BREEAM, пассивное проектирование |
| Green Building Studio | DOE-2.2 | Облачный сервис Autodesk, интеграция с Revit через gbXML, быстрое энергомоделирование | Предварительная оценка энергоэффективности на ранних стадиях проекта |
| OpenStudio | EnergyPlus | Бесплатный интерфейс для EnergyPlus, параметрическое моделирование, интеграция с SketchUp | Образовательные проекты, бюджетные решения, детальный анализ |
| TRNSYS | Собственный модульный | Моделирование возобновляемых источников энергии, солнечных коллекторов, геотермальных систем | Проектирование систем с ВИЭ, исследование гибридных систем отопления |
| Показатель | Единицы измерения | Базовая модель | Оптимизированная модель | Норматив СП 50.13330 |
|---|---|---|---|---|
| Годовое потребление тепла на отопление | кВт·ч/(м²·год) | 145-165 | 65-85 | Зависит от климатической зоны |
| Годовое потребление на вентиляцию | кВт·ч/(м²·год) | 35-45 | 15-20 | Расчетное по СП 60.13330 |
| Потребление на охлаждение (кондиционирование) | кВт·ч/(м²·год) | 20-30 | 10-15 | Для общественных зданий |
| Потребление электроэнергии на освещение | кВт·ч/(м²·год) | 25-35 | 12-18 | По СанПиН освещенность |
| Удельная характеристика расхода тепла | Вт/(м³·°C) | 0.45-0.52 | 0.25-0.32 | ≤ нормируемого qʰₙₒᵣₘ |
| Класс энергоэффективности | - | C / D | A+ / A++ | Не ниже C (D, E запрещены) |
| Годовые выбросы CO₂ | кг CO₂/(м²·год) | 55-70 | 25-35 | Для сертификации LEED |
| Элемент оптимизации | Исходное значение | Оптимизированное значение | Снижение энергопотребления |
|---|---|---|---|
| Толщина утеплителя наружных стен (минеральная вата λ=0.04 Вт/(м·К)) | 100-120 мм, R₀ = 2.5-3.0 м²·К/Вт | 180-220 мм, R₀ = 4.5-5.5 м²·К/Вт | 25-35% потерь через стены |
| Толщина утеплителя кровли | 150 мм, R₀ = 3.5 м²·К/Вт | 250-300 мм, R₀ = 6.0-7.5 м²·К/Вт | 30-40% потерь через кровлю |
| Тип остекления окон | Двухкамерный стеклопакет 4-16-4-16-4, U = 1.3 Вт/(м²·К) | Энергосберегающий стеклопакет с И-стеклом, U = 0.8-1.0 Вт/(м²·К) | 20-30% потерь через окна |
| Площадь остекления фасада | 45-50% площади фасада | 25-35% с оптимизацией по сторонам света | 15-25% общих теплопотерь |
| Система вентиляции с рекуперацией | Приточно-вытяжная без рекуперации | Рекуператор с КПД 75-90%, VAV-регулирование по CO₂ | 50-65% вентиляционных потерь |
| Эффективность котельной | Газовый котел КПД 85-88% | Конденсационный котел КПД 95-98%, погодозависимое регулирование | 8-12% расхода тепла на отопление |
| Освещение | Люминесцентные лампы 12-15 Вт/м² | Светодиодные светильники 5-7 Вт/м², датчики присутствия | 40-55% электропотребления на освещение |
| Автоматизация систем | Ручное управление термостатами | BMS с зональным регулированием, программируемые графики | 10-18% общего энергопотребления |
- Введение: цели и задачи энергомоделирования зданий
- Экспорт данных из BIM-модели в формате gbXML
- Программное обеспечение для энергетических расчетов
- Методика расчета годового энергопотребления
- Анализ теплопотерь через ограждающие конструкции
- Оптимизация параметров теплозащиты и систем ОВК
- Классы энергоэффективности по СП 50.13330
- Практические рекомендации для инженеров-теплотехников
- Вопросы и ответы (FAQ)
Введение: цели и задачи энергомоделирования зданий
Энергомоделирование зданий представляет собой комплекс инженерных расчетов, направленных на прогнозирование энергетического баланса здания в течение годового эксплуатационного цикла. В основе методологии лежит динамическое термодинамическое моделирование, учитывающее взаимосвязи между теплофизическими характеристиками ограждающих конструкций, параметрами инженерных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также климатическими условиями эксплуатации объекта.
Первые разработки в области компьютерного энергомоделирования начались в 1960-х годах в Соединенных Штатах, когда комплексный расчет потребления энергии жилых зданий только начал проводиться с применением вычислительной техники. В настоящее время Building Energy Modeling представляет собой серию инженерных расчетов, позволяющих спрогнозировать энергопотребление зданий на участке местности с учетом реальных климатических данных.
Основными целями энергомоделирования являются определение удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, оценка годового энергопотребления по всем видам энергоресурсов, присвоение класса энергоэффективности согласно требованиям СП 50.13330.2024, а также оптимизация проектных решений для достижения минимального потребления энергии при обеспечении нормативных параметров микроклимата помещений.
Согласно СП 50.13330.2024, проектирование зданий с классами энергоэффективности D и E не допускается. Расчетная удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания должна быть меньше или равна нормируемому значению.
Энергомоделирование используется на всех стадиях жизненного цикла здания, начиная от концептуального проектирования, когда принимаются ключевые решения по объемно-планировочным решениям и ориентации здания на участке, заканчивая эксплуатацией объекта для энергосервисных обследований и мониторинга фактического энергопотребления. На ранних стадиях проектирования энергомоделирование позволяет сравнить несколько вариантов формы здания, определить оптимальное соотношение площади остекления и глухих участков фасада, подобрать эффективные ограждающие конструкции.
Экспорт данных из BIM-модели в формате gbXML
Современные технологии информационного моделирования зданий обеспечивают интеграцию энергомоделирования в общий процесс проектирования через использование открытых форматов обмена данными. Наиболее распространенными форматами являются gbXML и IFC, причем для энергетических расчетов gbXML используется значительно чаще благодаря специализированной направленности на передачу теплофизических характеристик строительных конструкций.
Формат gbXML позволяет передавать трехмерную информационную модель здания в программы для энергомоделирования, включая геометрические параметры помещений с автоматическим зонированием, характеристики ограждающих конструкций с многослойным составом материалов, параметры светопрозрачных конструкций с коэффициентами теплопередачи и солнечного тепла, данные по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Процедура экспорта из Autodesk Revit
При экспорте модели из Autodesk Revit в формат gbXML необходимо выполнить следующие подготовительные операции: проверить корректность назначения термических зон для всех помещений здания, убедиться в правильности состава наружных стен с указанием теплофизических характеристик каждого слоя конструкции, задать типы помещений согласно функциональному назначению, указать расчетные параметры внутреннего воздуха для каждого типа помещений.
Процесс экспорта включает выбор аналитической модели энергетического анализа в диалоговом окне экспорта, установку параметров детализации геометрии с упрощением сложных форм для корректной обработки в расчетных программах, указание климатической зоны и географических координат объекта строительства, выбор системы единиц измерения, соответствующей международным стандартам расчета энергопотребления.
Экспортируемая модель gbXML требует обязательной проверки и корректировки в целевом программном обеспечении. Автоматический экспорт не всегда корректно передает геометрию сложных узлов, теплопроводные включения, параметры инженерных систем. Рекомендуется использовать промежуточные утилиты для валидации файла gbXML перед импортом в EnergyPlus или другие расчетные программы.
Программное обеспечение для энергетических расчетов
EnergyPlus: расчетный движок для термодинамического моделирования
EnergyPlus является наиболее распространенным открытым расчетным движком для моделирования энергопотребления зданий, разработанным и поддерживаемым Министерством энергетики США. Программа объединяет лучшие возможности предшественников BLAST и DOE-2, дополняя их инновационными алгоритмами расчета с временными шагами менее одного часа, интегрированным моделированием систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха с тепловым балансом зональной модели, многозонным анализом воздушных потоков.
Расчетное ядро EnergyPlus использует метод тепловых балансов, одобренный ASHRAE, который обеспечивает высокую точность прогнозирования температурных полей и тепловых потоков в ограждающих конструкциях здания. Программа позволяет моделировать тепловую инерцию массивных конструкций, влияние солнечной радиации на поверхности различной ориентации, конвективный и лучистый теплообмен внутри помещений, работу систем автоматического регулирования микроклимата.
DesignBuilder: графический интерфейс для инженеров
DesignBuilder представляет собой наиболее развитый графический интерфейс к расчетному движку EnergyPlus, который значительно упрощает процесс создания энергетической модели здания для инженеров, не являющихся экспертами в области программирования. Программа обеспечивает визуальное трехмерное моделирование геометрии здания с интуитивным интерфейсом, автоматическую генерацию входных файлов для EnergyPlus с возможностью последующего редактирования, расширенные возможности визуализации результатов расчета в виде графиков, таблиц и диаграмм.
DesignBuilder выполняет расчет тепловых нагрузок на отопление и охлаждение методом тепловых балансов, реализованным в EnergyPlus, проводит годовое энергетическое моделирование с использованием почасовых данных о погоде для проверки поведения здания в реальных условиях эксплуатации, рассчитывает системы управления освещением с фотоэлектрическими датчиками в зоне для определения экономии электроэнергии за счет использования естественного дневного света.
IES Virtual Environment: комплексный анализ здания
IES Virtual Environment является профессиональным программным комплексом для энергомоделирования зданий с широкими возможностями анализа различных аспектов работы здания. Основной концепцией IES VE является построение единой интегрированной модели производительности зданий, которая включает тепловой и энергетический анализ здания с модулем ApacheSim, расчет воздействия солнечного света с модулем SunCast, анализ естественного освещения с модулем RadianceIES.
При энергомоделировании в IES VE учитываются теплопоступления от солнечной энергии в совокупности с теплопотерями во внешнюю среду, энергия на отопление и охлаждение здания с детальным моделированием систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Программа позволяет импортировать и экспортировать данные в форматах IFC и gbXML, что обеспечивает совместимость с основными BIM-платформами, такими как Autodesk Revit, ArchiCAD, Bentley.
Методика расчета годового энергопотребления
Расчет годового энергопотребления здания выполняется методом почасового динамического моделирования с учетом переменных граничных условий в течение годового цикла эксплуатации. Исходными данными для расчета являются климатические параметры района строительства, принимаемые по СП 131.13330.2025, включающие почасовые значения температуры наружного воздуха, влажности, скорости и направления ветра, интенсивности солнечной радиации на горизонтальную и вертикальные поверхности различной ориентации.
Для каждого часа расчетного года программа решает систему уравнений теплового баланса для всех термических зон здания, учитывающую теплопоступления от солнечной радиации через светопрозрачные ограждающие конструкции с коэффициентом пропускания солнечного тепла SHGC, внутренние тепловыделения от людей, оборудования и освещения согласно графикам присутствия и работы, теплопотери через наружные ограждающие конструкции, определяемые сопротивлением теплопередаче и температурным градиентом, вентиляционные теплопотери с учетом эффективности системы рекуперации тепла.
Определение удельной характеристики расхода тепловой энергии
Удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания определяется по обязательному приложению СП 50.13330.2024 и представляет собой основной нормируемый показатель энергетической эффективности здания. Расчетное значение удельной характеристики должно быть меньше или равно нормируемому значению, которое зависит от отапливаемой площади здания, градусо-суток отопительного периода для района строительства, геометрических параметров здания.
Расчет выполняется в режиме, усредненном за отопительный период, с учетом фактических коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций, определенных по приведенному сопротивлению теплопередаче с учетом теплопроводных включений, воздухопроницаемости ограждающих конструкций и величины инфильтрации наружного воздуха, эффективности систем вентиляции с рекуперацией тепла, тепловой инерции массивных конструкций здания.
Для жилых и общественных зданий градусо-сутки отопительного периода ГСОП принимаются для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не более 8 градусов Цельсия, а при проектировании дошкольных образовательных организаций, общеобразовательных организаций, медицинских организаций и домов-интернатов для престарелых не более 10 градусов Цельсия.
Анализ теплопотерь через ограждающие конструкции
Теплопотери через ограждающие конструкции здания составляют значительную часть общего энергопотребления на отопление и требуют детального анализа для выявления наиболее энергоемких элементов теплозащитной оболочки. Расчет выполняется с учетом приведенного сопротивления теплопередаче, которое учитывает влияние теплопроводных включений, таких как диафрагмы, перемычки, сквозные швы из раствора, стыки панелей, ребра, шпонки.
Для наружных стен теплопотери определяются произведением площади стены на коэффициент теплопередачи и разность температур внутреннего и наружного воздуха, причем для многослойных конструкций необходимо учитывать температурные поля в толще конструкции и возможность конденсации водяного пара в зоне отрицательных температур. Для светопрозрачных конструкций дополнительно учитываются теплопоступления от солнечной радиации, которые могут значительно снижать результирующие теплопотери в дневное время.
Мостики холода и теплопроводные включения
Теплопроводные включения в ограждающих конструкциях создают локальные зоны повышенных теплопотерь и могут приводить к конденсации влаги на внутренних поверхностях конструкций, что недопустимо по санитарно-гигиеническим требованиям. Расчет температурного поля в зоне теплопроводного включения выполняется численными методами конечных разностей или конечных элементов с использованием специализированных программных комплексов термодинамического моделирования.
Приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания определяется по обязательному приложению СП 50.13330.2024 с учетом температурного поля в зоне неоднородности и должно быть не ниже нормируемого значения сопротивления теплопередаче для данного типа ограждающей конструкции. Для минимизации влияния мостиков холода применяются конструктивные решения с прерыванием теплопроводных включений слоем эффективного утеплителя.
Оптимизация параметров теплозащиты и систем ОВК
Оптимизация энергетических характеристик здания представляет собой итерационный процесс последовательного изменения параметров ограждающих конструкций и инженерных систем с расчетом годового энергопотребления для каждого варианта и выбором решения, обеспечивающего минимальное потребление энергоресурсов при заданных ограничениях по капитальным затратам и сроку окупаемости энергосберегающих мероприятий.
Увеличение толщины теплоизоляции ограждающих конструкций
Увеличение толщины теплоизоляционного слоя наружных стен и кровли является наиболее эффективным мероприятием по снижению теплопотерь здания, однако экономическая целесообразность дополнительного утепления ограничивается точкой оптимума, в которой затраты на дополнительную теплоизоляцию превышают экономию энергоресурсов в течение расчетного срока эксплуатации здания. Для жилых зданий в климатических условиях Москвы оптимальная толщина утеплителя из минеральной ваты с коэффициентом теплопроводности 0,04 Вт/(м·К) составляет 180-220 миллиметров для наружных стен и 250-300 миллиметров для кровли.
При выборе толщины утеплителя необходимо учитывать не только термическое сопротивление конструкции, но и защиту от переувлажнения утеплителя за счет диффузии водяного пара из помещений. Расчет влажностного режима ограждающих конструкций выполняется согласно разделу 8 СП 50.13330.2024 с определением плоскости возможной конденсации и количества конденсируемой влаги в годовом цикле.
Оптимизация площади и типа остекления
Светопрозрачные конструкции обладают значительно меньшим сопротивлением теплопередаче по сравнению с глухими участками фасада, однако обеспечивают теплопоступления от солнечной радиации, которые могут частично компенсировать теплопотери через окна в дневное время. Оптимальная площадь остекления определяется балансом между теплопотерями, теплопоступлениями от солнца и требованиями к естественному освещению помещений, нормируемому коэффициентом естественной освещенности.
Для снижения теплопотерь через светопрозрачные конструкции применяются энергосберегающие стеклопакеты с низкоэмиссионным И-стеклом, обеспечивающим коэффициент теплопередачи окна 0,8-1,0 Вт/(м²·К) при двухкамерном заполнении инертным газом аргоном. Дополнительное снижение теплопотерь достигается применением многокамерных профильных систем с термовставками, теплых дистанционных рамок в стеклопакетах, солнцезащитных покрытий на стеклах.
Применение систем вентиляции с рекуперацией тепла
Вентиляционные теплопотери составляют 30-50 процентов общих теплопотерь современных энергоэффективных зданий с высоким уровнем теплозащиты ограждающих конструкций. Значительное снижение вентиляционных потерь достигается применением приточно-вытяжных установок с рекуперацией тепла, обеспечивающих передачу теплоты от удаляемого воздуха к приточному воздуху с коэффициентом полезного действия 60-90 процентов в зависимости от типа рекуператора.
Пластинчатые рекуператоры противоточного типа обеспечивают КПД 75-90 процентов, роторные рекуператоры 75-90 процентов, рекуператоры с промежуточным теплоносителем 45-65 процентов. Дополнительная экономия энергии достигается применением систем вентиляции с переменным расходом воздуха VAV, регулируемых по концентрации углекислого газа в помещениях, что позволяет снизить воздухообмен в периоды отсутствия людей без ухудшения качества внутреннего воздуха. Для общественных зданий с большим количеством посетителей применение VAV-систем с рекуперацией тепла обеспечивает снижение годового потребления тепла на вентиляцию на 50-65 процентов.
Классы энергоэффективности по СП 50.13330
Класс энергоэффективности здания представляет собой характеристику энергоэффективности здания, представленную интервалом значений удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, измеряемую в процентах от базового нормируемого значения. Согласно требованиям СП 50.13330.2024 установлены классы энергоэффективности зданий в порядке повышения энергоэффективности.
Класс энергоэффективности D соответствует отклонению расчетной удельной характеристики от нормируемого значения в диапазоне от минус 10 до 0 процентов, класс C от минус 25 до минус 10 процентов, класс B от минус 40 до минус 25 процентов, класс B+ от минус 50 до минус 40 процентов, класс A от минус 60 до минус 50 процентов, класс A+ от минус 70 до минус 60 процентов, класс A++ более минус 70 процентов от нормируемого значения.
Проектирование зданий с классами энергоэффективности D и E не допускается согласно требованиям СП 50.13330.2024. Минимально допустимый класс энергоэффективности для нового строительства соответствует классу C. Для получения высоких классов энергоэффективности A+ и A++ необходимо применение комплекса мероприятий по повышению теплозащиты ограждающих конструкций и энергоэффективности инженерных систем.
Достижение класса энергоэффективности A+ требует применения ограждающих конструкций с повышенным термическим сопротивлением, превышающим нормативные требования на 40-60 процентов, использования систем вентиляции с высокоэффективной рекуперацией тепла с КПД не менее 80 процентов, применения конденсационных котлов с КПД 95-98 процентов и погодозависимым регулированием температуры теплоносителя, установки автоматизированных систем управления инженерными системами здания с зональным регулированием параметров микроклимата.
Практические рекомендации для инженеров-теплотехников
При выполнении энергомоделирования зданий инженеры-теплотехники должны соблюдать следующие практические рекомендации, основанные на опыте применения программных комплексов динамического термодинамического моделирования. Начинать работу следует с детального изучения архитектурных чертежей и спецификаций материалов для корректного задания геометрии здания и теплофизических характеристик ограждающих конструкций в расчетной модели.
- Проверять корректность экспорта модели из BIM-платформы путем сравнения площадей ограждающих конструкций в исходной модели Revit и импортированной модели в программе энергомоделирования, поскольку автоматический экспорт может приводить к ошибкам в геометрии сложных узлов
- Использовать актуальные климатические данные в формате EPW, соответствующие требованиям СП 131.13330.2025 для района строительства, поскольку применение устаревших климатических данных может приводить к существенным погрешностям в расчете годового энергопотребления
- Задавать графики работы систем отопления, вентиляции, освещения и присутствия людей на основании проектных решений и нормативных требований, а не использовать шаблонные графики из библиотек программы, не соответствующие реальному режиму эксплуатации здания
- Выполнять калибровку модели на основании данных натурных измерений для существующих зданий при разработке проектов реконструкции или энергосервисных контрактов, сравнивая расчетное и фактическое энергопотребление с корректировкой неопределенных параметров модели
- Проводить анализ чувствительности результатов расчета к изменению ключевых параметров модели для выявления наиболее существенных факторов, влияющих на энергопотребление здания, и определения приоритетных мероприятий по энергосбережению
Результаты энергомоделирования должны оформляться в виде технического отчета, содержащего описание исходных данных и допущений, принятых при разработке модели, результаты расчета годового энергопотребления с разбивкой по видам энергоресурсов и назначению, анализ эффективности энергосберегающих мероприятий с расчетом срока окупаемости капитальных затрат, рекомендации по оптимизации проектных решений для достижения требуемого класса энергоэффективности здания.
