Введение
В современных реалиях все большую значимость приобретает экологичность производства энергии. При этом одной из наиболее энергозатратных отраслей является градостроительная. Именно в этой отрасли формируется высокая доля выбросов парниковых газов. С целью снижения вреда, наносимого окружающей среде, была согласована стратегия РФ достижения углеродной нейтральности к 2060 году, что возможно в рамках трансформации технологической составляющей и управленческого подхода [1-3].
Основополагающим инструментом трансформации должна стать экологическая декларация, которая будет определять и устанавливать допустимую оценку воздействия строительных объектов на каждой стадии жизненного цикла объекта строительства. Основным стимулом для развития экологичных решений строительного производства может стать инструмент финансового поощрения.
Планирование и реализация конкретных экологичных решений должны рассматриваться в рамках концепции жизненного цикла объекта строительства: начиная от проработки предпроектных работ и заканчивая этапом ликвидации. Нормативная база включает в своем составе документы ГОСТ Р 70346-2022 и ГОСТ Р 72599-2026, которые описывают оценочные критерии экологической составляющей строительного объекта для достижения минимального отрицательного влияния строительства на окружающую среду [4-11].
Экологичное домостроение реализуется через внедрение энергоэффективных технологий, включая системы рекуперации для оптимизации воздухообмена и использование теплонасосного оборудования, утилизирующего низкопотенциальную энергию окружающей среды. Институциональным оформлением данного подхода служат экологические декларации и климатические проекты, правовой статус которых закреплён Приказом Минэкономразвития России № 248 от 2022 г. Все верифицированные проекты подлежат обязательной регистрации в национальном реестре углеродных единиц согласно приказу Минэкономразвития России от 11 мая 2022 г. № 248 «Об утверждении критериев и порядка отнесения проектов, реализуемых юридическими лицами, индивидуальными предпринимателями или физическими лицами, к климатическим проектам, формы и порядка представления отчета о реализации климатического проекта» (рис. 1), что создаёт прозрачную основу для монетизации экологических усилий и привлечения «зелёного» финансирования[12-15].
Рис. 1. Периоды экологизации строительной индустрии
Материалы и методы
Современная парадигма устойчивого строительства включает реализацию климатических проектов как инструмент верифицированного сокращения или поглощения выбросов парниковых газов (ПГ) через механизм углеродных единиц. Согласно Постановлению Правительства РФ № 1587 для строительных объектов допустимо дополнительное финансовое снабжение в рамках реализации экологичных решений. Таким образом экологическая декларация становится легитимным способом для подтверждения должной степени экологичности строительного объекта, а это как следствие позволяет владельцу строительного актива претендовать на субсидирование со стороны государства и налоговые льготы.
Рассматривая строительство малоэтажных зданий, оборудованных тепловым насосом, инструментов определения экологической эффективности может стать расчет условных единиц углеродного следа в контексте здания. Концептуально расчет можно свести к следующему выражению:
, (1)
где: УС‒ это углеродный след здания, кг СО2/год;
Результаты
Для обеспечения объективности расчётов и формирования верифицируемых данных экологической декларации авторами разработан специализированный программно-расчётный комплекс [16-19].
Комплекс базируется на интегрированных физико-математических моделях теплонасосных систем и предназначен для:
- проведения технико-экономического анализа систем теплообеспечения (воздушных, рециркуляционных, геотермальных) с расчётом годовых эксплуатационных затрат и сроков окупаемости;
- учёта региональных климатических параметров, режимов нагрузки и многотарифной политики энергоснабжения;
- автоматизированного подбора инженерных решений (в том числе через интеграцию с CRM/BIM-системами);
- формирования отчётной документации для передачи данных в системы экологического декларирования и национальный реестр углеродных единиц.
Динамика распределения потребляемой энергии в зависимости от региональных климатических параметров и продолжительности отопительного периода визуализируется в модуле аналитики разработанного программного комплекса (рис. 2), что обеспечивает возможность оперативной корректировки режимов работы теплонасосной системы для минимизации операционного углеродного следа.
Рис. 2. Распределение энергопотребления теплонасосной системы в зависимости от климатических условий и продолжительности отопительного периода (+добавочный энерго источник при пиковой нагрузке)
Экологическая декларация содержит верифицированные данные об экологическом воздействии объекта, полученные по результатам оценки жизненного цикла, и отражает взаимосвязь между технологическими и техническими параметрами строительного продукта и состоянием окружающей среды в установленных границах системы. Количественная оценка влияния разработанного программного комплекса на экономичность, эколого-энергоэффективность и рентабельность воздушной теплонасосной системы приведена в таблице 1 и основана на результатах апробации в рамках натурного эксперимента [20].
Таблица 1
Реализация авторского программного комплекса
|
Параметр ВТН (физический смысл) |
Влияние на углеродный след (CO₂-эквивалент) |
Инструмент контроля |
Нормативная ссылка / Стандарт |
|
Степень перегрева пара (ΔT_пер, К). Разность температур рабочего тела на выходе испарителя и температуры насыщения |
Предотвращение аварий компрессора, что снижает риска замены оборудования и приводит к сокращению воплощённого углерода на 15–20 % за ЖЦ [20] |
Программа для моделирования кинетики испарения капель хладагента [16] |
ГОСТ 30494-2011; РЭ оборудования |
|
Время полного испарения капли (τ_исп, с). |
Исключение гидроударов, что увеличивает срок службы компрессора на 3–5 лет и снижению частоты замены и связанных выбросов |
Программа для моделирования кинетики испарения капель хладагента [16] |
ТР ЕАЭС 010/2011 (безопасность агрегата) |
|
Критическая толщина наледи (δ_ш_крит, мм) |
Оптимизация циклов оттайки, что снижает энергозатрат на 30–40 % и напрямую сокращает операционные выбросы CO₂[20] |
Программа расчета динамики профиля температур трубопровода [17] |
ГОСТ Р 72599-2026; СП 60.13330.2020 |
|
Температура на границе «труба–изоляция» (t_гр, °C). Контроль точки росы в конструкции |
Предотвращение конденсата и промерзания изоляции, что обеспечивает сохранение термического сопротивления и снижение теплопотерь на 3–5 % [20] |
Программа расчета температуротеплопроводности [18] |
СП 50.13330.2012; ГОСТ 30494-2011 |
|
Тепловой поток десублимации (q_дес, Вт/м²). |
Точный расчёт энергии оттайки, что экономит 5–8 % электроэнергии в отопительный период [20] |
Программа расчета температуротеплопроводности [18] |
ГОСТ Р 71466-2024 |
|
Массовая скорость воздушного потока (G_возд, кг/м²·с). |
Адаптивное управление вентилятором, что снижает электропотребление на 10–15 % при сохранении теплоотдачи [20] |
Программный комплекс для расчёта эколого-энергоэффективности теплонасосных систем [19] |
ГОСТ 30494-2011; СП 7.13130.2013 |
|
Коэффициент теплоотдачи (α_ср, Вт/м²·К). Динамическая интенсивность конвекции с учётом обмерзания |
Адаптивная коррекция производительности вентилятора, что стабилизирует COP |
Программный комплекс для расчёта эколого-энергоэффективности теплонасосных систем [19] |
ГОСТ Р 71466-2024 |
|
COP (коэффициент преобразования энергии). |
Прямая зависимость: рост COP на 1.0, снижение удельных выбросов CO₂ на 25–35 % за счёт сокращения потребления электроэнергии из сети [20] |
Программный комплекс для расчёта эколого-энергоэффективности теплонасосных систем [19] |
ГОСТ Р 71466-2024; Постановление №1587 |
|
Давление в линиях при пуске (P_пуск, бар). |
Исключение гидравлических ударов, что снижает риска утечек хладагента (GWP <700) и предотвращает прямые выбросы парниковых газов |
Программа расчета динамики профиля температур трубопровода [17] |
ФГОС по хладагентам; ТР ТС 010/2011 |
|
CO₂_внутр (концентрация углекислого газа, ppm). |
Поддержание CO₂ ≤800 ppm через рекуперацию, что снижает потребление нагрева наружного воздуха, сокращая 8–12 % затрат энергии [20] |
Программный комплекс для расчёта эколого-энергоэффективности теплонасосных систем [19] |
ГОСТ 30494-2011; СанПиН 1.2.3685-21; ГОСТ Р 70346-2022 |
Обсуждение
Таким образом, экологизация строительной отрасли эволюционирует от локального контроля выбросов к комплексной системе управления воздействием на окружающую среду на всех этапах жизненного цикла объекта. Внедрение энергоэффективных инженерных решений, в частности теплообменных и теплонасосных систем, обеспечивает рациональное использование низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды, что существенно сокращает потребление первичных энергоресурсов и снижает операционный углеродный след зданий.
Авторский программный комплекс обеспечивает функциональные возможности для управления экологичными решениями для малоэтажного объекта строительства на каждом из этапов его жизненного цикла [20]. Преимущество комплекса по сравнению с аналогичным решением на основе технологий информационного моделирования основано на физико-математических моделях расчета оптимальных условий работы теплонасосной системы с учетом специфики нестационарных условий. Дополнительно на этапе эксплуатации авторская системами позволяет считывать данные датчиков и в режиме реального времени корректировать настройки работы теплонасосной системы с целью достижения рационального режима работы. Стоит отметить, что авторская система продолжает дорабатываться и её последующее развитие видится на текущий момент в интеграции с инструментами технологий информационного моделирования и искусственного интеллекта [6,7,10,11]. В итоге будет сформирован инструмент для управления жизненным циклом объектов малоэтажного строительства в формате «цифрового двойника». При этом одной из важнейших функциональных возможностей станет управление экологичностью малоэтажного объекта строительств: начиная от интеллектуальных рекомендаций по подбору оборудования и материалов на этапе проектирования и заканчивая автоматизированным формирование рекомендаций по ликвидации строительного объекта с минимизацией урона окружающей среде.
Дальнейшее развитие экологических решений в строительстве, основанное на экологической декларации, формирует новые экономические условия для участников строительной отрасли. Если раньше реализация экологических решений носила ситуативный характер, то теперь может стать правилом достижения субсидирования и льгот. Последующим развитием экологического совершенствования строительного производства может стать наполнение нормативной базы и реализация цифровых инструментов контроля и управления жизненным циклом строительного объекта как локального уровня на стороне застройщика, так и глобального на стороне государства. Фиксация наилучших практик в системах управления жизненным циклом позволит обеспечить последующее развитие и масштабирование результатов на новых объектах строительного производства, что соответствует целям и основным направлениям развития Российской Федерации.
Выводы
Экологическая декларация формирует новые условия в современном строительстве, позволяющие получить дополнительное финансирование и льготы в рамках реализации экологических проектов в рамках строительного производства. Её формирование на всех этапах жизненного цикла объекта обеспечивает соответствие требованиям ГОСТ Р 72599-2026, ГОСТ Р 71466-2024 и критериям устойчивого развития (Постановление Правительства РФ № 1587).
Интеграция воздушных теплонасосных систем и инженерных сетей малоэтажных объектов капитального строительства обеспечивает существенное снижение углеродного следа за счёт использования низкопотенциальной (рассеянной) тепловой энергии окружающей среды. Еще больший снижение углеродного следа возможно в рамках рационализации режимов работы теплонасосной системы. Экспериментально подтверждено, что рост коэффициента эффективности COP на 1,0 снижает удельные выбросы CO2 на 25–35%, а программно оптимизированные циклы оттайки уменьшают энергозатраты на регенерацию поверхности испарителя на 30–40%.
Разработанный программный комплекс для расчёта эколого-энергоэффективных теплонасосных систем (в т.ч. свидетельство о регистрации ЭВМ № 2026611184) обеспечивает переход от статистических нормативных расчётов к динамическому управлению параметрами теплообмена в режиме реального времени. Верифицированные физико-математические модели кинетики испарения, десублимации и нестационарного теплопереноса позволяют прогнозировать технологические и технические риски (обмерзание, гидроудары, падение COP) с максимально-относительной погрешностью.
Предложенная методология устанавливает прямую количественную связь между теплофизическими параметрами внутреннего контура теплонасосной системы, показателями углеродного следа и инструментами программного контроля (табл. 1). Дальнейшее масштабирование экологического декларирования в строительстве требует тиражирования верифицированных цифровых двойников инженерных систем, их интеграции в BIM-модели и адаптации алгоритмов под региональные климатические условия и тарифные политики.
