Улучшенные способы декарбонизации для повышения устойчивости при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха

Цели обучения

• Понимать ключевые концепции и терминологию декарбонизации, используемые в отрасли.
• Узнайте об общих рисках, с которыми сталкиваются системы отопления, вентиляции и кондиционирования, и о том, как стратегии декарбонизации могут помочь их смягчить.
• При разработке систем, обеспечивающих устойчивость и низкий уровень риска, учитывайте целостную структуру декарбонизации.

Информация о декарбонизации

• На здания приходится почти 40 % мировых выбросов углекислого газа, что заставляет инженеров уделять приоритетное внимание декарбонизации, энергоэффективности и устойчивости строительных систем.
• Владельцы и проектировщики все чаще ищут комплексные решения, которые бы сочетали цели устойчивого развития с долгосрочными эксплуатационными характеристиками и потребностями жильцов.

Риск возникает из-за неопределенности, а системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) подвержены неопределенности со многих сторон. Рассмотрим что-то столь же простое и неотъемлемое для проектирования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, как расчетные условия на открытом воздухе: системы охлаждения должны удовлетворять потребности в самых теплых условиях на открытом воздухе, однако никакой прогноз погоды не может точно предсказать температуру на протяжении всего срока службы оборудования. Если оборудование не имеет слишком больших размеров, остается риск того, что самая высокая температура превысит предел, который может выдержать здание.

Конструкторы-механики взвешивают множество рисков в процессе проектирования: вероятность непредвиденных проблем с техническим обслуживанием, изменения в муниципальном законодательстве, проблемы с цепочкой поставок и даже стихийные бедствия — все это влияет на подход к хорошему механическому проектированию. Список катастроф, которые следует учитывать, и стратегий, позволяющих их избежать, может оказаться головокружительным. Хотя декарбонизация не является синонимом предотвращения рисков, она обеспечивает основу для подхода к долгосрочным рискам.

Измерение выбросов

Системы сжигания, например, сжигающие природный газ, уголь или нефть, играют множество ролей в искусственной среде. Когда топливо сжигается для выработки тепла, питания электросети или движения транспортных средств, также образуются отходящие газы, которые выводятся из системы. Отходящие газы, обычно диоксид углерода (CO2), диоксид азота и метан, попадают в атмосферу и влияют на то, как солнечное излучение нагревает планету, удерживая тепло, как окна теплицы.

Глобальный научный консенсус связывает эти атмосферные изменения с повышением температуры океана, таянием ледников, приводящим к повышению уровня моря, а также с более экстремальными температурами и погодными явлениями. Согласно исследованию RMI, здания составляют 40% глобальных выбросов парниковых газов (ПГ) в энергетике, при этом механические системы вносят значительный вклад в общие эксплуатационные выбросы.

Общий язык является ключом к пониманию влияния механических стратегий на декарбонизацию. Поскольку устойчивый дизайн становится неотъемлемой частью искусственной среды, отрасль приняла стандартизированный язык для обсуждения декарбонизации. Ключевые термины, с которыми должны быть знакомы конструкторы-механики, объяснены ниже.

Потенциал глобального потепления (ПГП): Различные выбрасываемые газы по-разному влияют на парниковые свойства атмосферы Земли. ПГП выбрасываемого газа – это воздействие, которое он оказывает по отношению к CO2, потенциал которого равен единице. Это обеспечивает последовательную метрику для понимания воздействия всех газов, выделяющихся в процессе.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата количественно оценивает потенциал глобального потепления для семи основных парниковых газов.

Объем выбросов: Протокол по выбросам парниковых газов установил объем выбросов в качестве стандартной основы для учета выбросов углерода. Три области разбиваются на места возникновения выбросов в цепочке создания стоимости:

• Выбросы категории 1 — это прямые выбросы от установок на объекте, например, от топлива, сжигаемого в паровом котле, работающем на природном газе.
• Выбросы категории 2 — это косвенные выбросы, связанные с энергией, приобретаемой за пределами объекта, в форме электричества, тепла или пара, например, от угольной электростанции, вырабатывающей электроэнергию, подаваемую в здание.
• Выбросы категории 3 — это другие косвенные выбросы, связанные с производством, транспортировкой и утилизацией закупленных материалов, например, от дизельного грузовика, доставляющего строительные материалы на объект.

Внедренные и эксплуатационные выбросы: Это еще одна структура, часто используемая в сочетании с рамками Протокола по ПГ, для определения того, как выбросы здания отражаются в течение всего срока его службы.

Эксплуатационные выбросы — это выбросы, связанные с энергией, необходимой зданию для работы, например, выбросы, связанные с электричеством и природным газом, которые поддерживают освещение и работу котла. Для большинства зданий выбросы, связанные с работой механических систем, составляют значительную часть эксплуатационных выбросов.

Воплощенные выбросы (также называемые воплощенным углеродом) — это выбросы, образующиеся при производстве, транспортировке, строительстве, обслуживании и утилизации строительных материалов. На механические, электрические и водопроводные системы (MEP) может приходиться более половины выбросов здания. Общие эксплуатационные выбросы в течение срока службы здания плюс его воплощенные выбросы составляют «углерод за весь срок службы».

Декарбонизация как стратегия управления рисками

Последствия выбора, сделанного в отношении окружающей среды, будут ощущаться на протяжении поколений. Хотя будущее остается неясным, ученые связывают активно возникающие явления засух и лесных пожаров на западе США, увеличение количества ураганов и наводнений на востоке США и рекордные высокие температуры на континенте с антропогенными изменениями атмосферы. Всемирная организация здравоохранения ожидает, что изменение климата будет способствовать как минимум 250 000 дополнительных смертей в год, при этом 3,6 миллиарда человек проживают в районах, в настоящее время подверженных изменению климата.

У инженеров есть этический долг разрабатывать системы, которые ставят на первое место безопасность, здоровье и благополучие населения; Таким образом, инженеры обязаны учитывать, как их проекты способствуют этому продолжающемуся кризису.

Отрасль коллективно берет на себя эту ответственность. По данным AIA, более 1350 архитектурных фирм подписали «Обязательство AIA 2030», отраслевое обязательство по борьбе с изменением климата, направленное на достижение чистого нуля в искусственной среде. Другие популярные отраслевые обязательства касаются более конкретных аспектов выбросов в зданиях, таких как SE2050, отслеживающий структурный воплощенный углерод, или MEP 2040, который требует от подписавших его обязательств взять на себя обязательство, что «все системные инженеры должны выступать за и достигать чистого нулевого уровня выбросов углерода в своих проектах: эксплуатационный углерод к 2030 году и воплощенный углерод к 2040 году».

В Обязательствах Подрядчика отмечается, что «Неустойчивость цепочки поставок, требования к отчетности по выбросам углерода и трудовые стандарты стали финансовыми и операционными рисками», и подрядчикам рекомендуется отслеживать показатели устойчивого развития, «прежде чем эти риски станут проблемами». В своем официальном документе о позиции по изменению климата ASHRAE призывает проектировщиков и лиц, принимающих решения, рассмотреть методы, которые «снижают риск ухудшения состояния окружающей среды и его пагубного воздействия на здоровье и экономику во всем мире посредством таких мероприятий, как разработка руководств по проектированию экологически чистых зданий».

Инженеры также несут ответственность перед своими клиентами. Стратегии декарбонизации по-прежнему пользуются большим спросом, даже несмотря на то, что нормативные барьеры в США возросли из-за отмены кредитов Закона о сокращении инфляции (IRA) и сложных процессов получения разрешений. Исследование 2025 года, опубликованное в Harvard Business Review, показало, что, хотя политическое давление привело к роспуску коалиций и видимым коллективным действиям, большинство компаний соблюдают свои обязательства в области устойчивого развития. А BloombergNEF сообщает, что, хотя инвестиции в возобновляемые источники энергии в США сократились, поскольку инвесторы приспосабливаются к политическим и нормативным изменениям, глобальные инвестиции в переход к энергетике достигли нового рекорда.

Оставляя в стороне несколько мотиваторов, можно сказать, что сила декарбонизации выходит за рамки отраслевых целей и пожеланий клиентов и затрагивает основы хорошего дизайна: стратегии декарбонизации также являются стратегиями управления рисками. При рассмотрении срока службы механических систем декарбонизация может стать основой для повышения устойчивости к неизвестным грядущим изменениям.

Климатический риск

Стратегии декарбонизации можно разделить на три основных направления: сокращение используемой энергии, управление источниками энергии и учет материалов. Поскольку эти стратегии поддерживают цели декарбонизации, они также поддерживают цели управления рисками.

Погода в 2020-х годах отличалась от погоды в 1990-х. Погода становится одновременно теплее и экстремальнее. Регистрируются все более катастрофические погодные явления: засухи на западе США и ураганы на востоке США. Хотя точные изменения трудно предсказать, серьезные изменения в климатических условиях, вероятно, будут продолжать происходить.

Условия окружающей среды являются неотъемлемой частью машиностроения: с чисто психрометрической точки зрения изменения климатических условий будут влиять на размеры и производительность систем, а также на жизнеспособность пассивных стратегий. Хотя точные тенденции будущих температур непредсказуемы, Справочник по основам ASHRAE призывает рассматривать прогнозируемые будущие данные в качестве упражнения по проектированию.

Экстремальные температуры вносят дополнительную неопределенность. В феврале 2021 года сильные зимние штормы в Техасе вызвали крупный энергетический кризис. Миллионы людей остались без электричества, поскольку электростанции, работающие на природном газе, изо всех сил пытались удовлетворить возросший спрос во время резкого похолодания. Энергетические системы могут подвергнуться резкому воздействию колебаний температуры. Поскольку спрос резко возрастает, чтобы успевать за охлаждением летом или отоплением зимой, генерация должна идти в ногу со временем. Эти факторы стресса в сети могут привести к увеличению платы за спрос или привести к отключениям или отключениям электроэнергии.

Катастрофические погодные явления угрожают энергетическим системам еще более напрямую. Ураганы, наводнения, лесные пожары и торнадо могут вызвать отключения электроэнергии продолжительностью от нескольких минут до нескольких дней. Для многих зданий отключение электроэнергии является серьезным неудобством. Для некоторых отключения электроэнергии могут привести к огромным расходам или серьезной угрозе безопасности. Чувствительные здания, такие как лаборатории или больницы, часто не могут позволить себе перебоев в подаче электроэнергии.

Регуляторный риск

Здания продолжают существовать благодаря политическим и нормативным изменениям. Например, в 2025 году произошло множество изменений в отношении федеральной поддержки инициатив в области устойчивого развития, включая замораживание кредитов Министерства энергетики (DOE) и отмену некоторых налоговых льгот IRA.

Другие изменения происходят на уровне штата и муниципалитетов. Двадцать три штата имеют политику разработки планов действий по борьбе с изменением климата, а восемь штатов опубликовали новые или обновленные климатические планы в 2025 году. Все эти планы включают стандарты энергоэффективности зданий, а многие включают энергетические кодексы, стандарты эффективности бытовой техники, а также требования к сравнительному анализу или отчетности. Двенадцать штатов ускорили процесс размещения возобновляемых источников энергии и получения разрешений.

В глобальном масштабе правила также меняются. Соединенное Королевство ужесточило строительные нормы и правила и требования к нулевым выбросам, Австралия ввела правила отчетности о климате, а Франция ввела строгие строительные правила как в отношении эксплуатационных, так и вложенных выбросов.

Независимо от того, где расположено здание, к нему будут применяться изменяющиеся правила. На протяжении всего срока службы системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха к ней, вероятно, будут предъявляться все более высокие стандарты.

Финансовый риск

Финансовая неопределенность, пожалуй, самый простой для количественной оценки риск, но труднее всего прогнозируемый.

В октябре 1973 года текст объявления на всю страницу в газете штата Мэн выражал страх, с которым столкнулись многие американцы в то время: «Хватит ли нефти, чтобы согреть нас этой зимой?» Цена на нефть только что выросла в четыре раза, с $2,90 до $11,65 за баррель из-за нефтяного эмбарго ОПЕК 1973 года и последующего энергетического кризиса. Многие домовладельцы пытались сократить счета за электроэнергию, отключив термостаты и установив лучшую изоляцию. Дровяные печи, угасающая альтернатива мазуту, приобрели популярность, поскольку жители искали способы согреться.

Хотя скачки цен еще не были столь же резкими, как во время нефтяного кризиса 1973 года, стоимость нефти продолжает непредсказуемо колебаться. Поскольку в марте 2026 года геополитический конфликт привел к повышению стоимости бензина, некоторые люди обратились к электромобилям, чтобы оградить себя от непредсказуемых бюджетов.

Электричество также подвержено этим колебаниям. Бюро статистики труда США сообщает, что после пандемии электроэнергия росла примерно в два раза быстрее, чем общая инфляция. Это можно объяснить старением электросетей, а также беспрецедентным ростом спроса, большая часть которого связана с центрами обработки данных, обслуживающими искусственный интеллект. Поскольку коммунальные предприятия пытаются справляться с пиковыми нагрузками, плата за использование электроэнергии приводит к росту затрат на коммунальные услуги.

Стратегия декарбонизации

Рисунок 2. Стратегии декарбонизации можно разбить на три основных направления, каждый из которых имеет преимущества в области управления рисками. С разрешения: SmithGroup

Стратегии декарбонизации будут различаться в зависимости от здания и местоположения, но все их можно разделить на три основных направления.

1. Используйте меньше энергии: Здание, которое потребляет меньше энергии, вносит меньший вклад в окружающую среду при эксплуатации. Он также менее чувствителен к потрясениям в энергетической системе. Здание, которому для работы требуется меньше энергии, будет тратить меньше средств на коммунальные услуги в случае резкого скачка расходов на газ или электроэнергию и будет достигать меньших пиков во время экстремальных погодных явлений. Будет легче хранить достаточно энергии, чтобы компенсировать перебои в поставках, а если энергоснабжения будет недостаточно, это позволит эксплуатировать больше зданий.

Стратегии декарбонизации для использования меньшего количества энергии:

• Выбирайте эффективное оборудование. Проектирование оборудования с более высоким коэффициентом производительности (COP), такого как геотермальные тепловые насосы, поможет использовать одинаковое количество энергии для большего нагрева или охлаждения.
• Оборудование подходящего размера: оборудование неправильного размера будет работать менее эффективно.
• Улучшите оболочку здания: продумайте, где расположено оборудование, а также отверстия в оболочке, чтобы сохранить уже использованную энергию.
• Улавливание ненужной энергии. Такие технологии, как охладители с рекуперацией тепла, могут повторно использовать энергию, которая в противном случае была бы израсходована, что может снизить общее потребление при правильном развертывании.
• Используйте экономайзеры: наружный воздух можно использовать с выгодой, помогая удовлетворить внутреннюю нагрузку здания при подходящих условиях.

2. Учитывайте источники энергии: Здание, спроектированное с использованием надежного источника энергии или генерирующее собственную энергию, защищено от многих ударов. Независимые источники энергии становятся все проще, экологичнее и дешевле устанавливать на месте, а их прямое подключение к проекту может помочь снизить счета за электроэнергию и противостоять перебоям в работе.

Стратегии декарбонизации источников энергии:

• Электрификация. Здания, в которых сжигается ископаемое топливо, всегда будут производить одинаковые выбросы. Здания, подключенные к электрической сети, автоматически станут более экологичными по мере того, как будет продолжать устанавливаться больше возобновляемых источников энергии.
• Проектирование с учетом времени использования. Электричество, получаемое из сети в часы пиковой выработки, особенно от прерывистых возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, приводит к меньшему количеству выбросов категории 2 и меньшим расходам.
• Хранение энергии. Аккумулирование тепла или электричества может помочь системам пережить сбои или изменить время использования.
• Возобновляемая генерация: солнечные панели, ветровая и даже микроядерная генерация могут устранить зависимость проекта от внешних источников энергии.

3. Управляйте поиском материалов: Учет источников материалов и необходимого технического обслуживания снижает выбросы проекта. Это также может стать ключевой стратегией для снижения затрат на строительство и техническое обслуживание и предотвращения проблем в цепочке поставок.

Стратегии декарбонизации материалов:

• Адаптивное повторное использование. Если это возможно, ремонт существующих зданий позволяет избежать материальных затрат (и выбросов) при строительстве с нуля.
• Экологичные хладагенты: хладагенты с высоким ПГП могут вносить значительный вклад в выбросы зданий, а утечки с течением времени потенциально могут усугубить это воздействие. Хладагенты с более низким ПГП позволяют избежать этого риска. Поскольку правила и рекомендации в отношении хладагентов меняются, системы, которые зависят от хладагентов с высоким ПГП, будут сталкиваться с большими ограничениями и их будет сложнее обслуживать.
• Местные источники. Выбросы, связанные с транспортировкой материалов, и риски, связанные со сложными цепочками поставок, можно снизить, если это возможно, используя местные материалы.

Искусство декарбонизации

Механическое проектирование не зря называется дизайном: хорошее проектирование требует творчества. Многие стратегии декарбонизации и управления рисками могут быть противоречивыми, и разные инженеры придут к разным решениям. Хладагенты служат фантастическим примером: некоторые устойчивые хладагенты могут сделать систему более дешевой в обслуживании и облегчить утилизацию, а также могут заставить систему работать с более низким КПД, увеличивая эксплуатационные затраты на электроэнергию и подвергая систему колебаниям цен на энергию.

Затраты, нормативные требования и ограничения на оборудование усложняют задачу. Инженеру предстоит определить подходящий баланс эффективности и снижения выбросов. Взгляд в будущее и рассмотрение рисков, которым будет подвержена система, могут внести ясность. Один проект может отдать приоритет более эффективной системе, другой может выбрать более экологичный хладагент, а третий может рассмотреть комбинацию, в которой приоритетом будет сокращение выбросов углерода в течение всей жизни.

Хотя ни один проект не может реализовать каждую стратегию декарбонизации, каждый проект найдет выгоду в рассмотрении инструментов для более экологичного проектирования. Роль, которую декарбонизация играет в проектировании, будет меняться в зависимости от проекта, клиента и географического региона. Взвешивание декарбонизации с точки зрения управления рисками может переосмыслить процесс механического проектирования с точки зрения немедленных затрат на долгосрочный и ориентированный на будущее подход.

Инженеры-механики имеют уникальную возможность и ответственность создавать системы для более экологичного и безопасного будущего.

Публикация «Улучшенные способы декарбонизации для достижения устойчивости при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования»