Экологическое обоснование использования альтернативных источников энергии на примере жилого дома

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Актуальность темы. Глобальные и локальные катастрофы, разрушительные катаклизмы, происходящие в последнее время во все нарастающем масштабе, являются, что уже теперь ясно как ученым, так и простым людям, следствием разрушительного, технократизированного образа жизни людей. Причем многие факты об этих процессах, скрываемые раньше, в последнее время все чаще появляются в средствах массовой информации. Открытым текстом говорят и пишут о всеобщем потеплении климата, ведущем к повышению уровня Мирового океана, что в скором времени может привести к потопу, подобному тем, что происходили в древности, и вызвано это резким увеличением выбросов в атмосферу углекислого газа, которые возрастают на 1-2% каждые 10 лет. Воздух отравлен токсичными продуктами индустриальной деятельности человека (всем известный смог) настолько, что во многих городах просто нечем дышать. Происходит резкое сокращение лесных запасов, легких нашей планеты вследствие хищнической вырубки и гибели из-за неблагоприятных условий существования. Налицо резкое истощение и эрозия почвы из-за индустриальных, интенсивных методов обработки, таких как глубокая вспашка, массовое использование минеральных удобрений и ядохимикатов, бездумная ирригация.

Довольно долго в России считалось, что «Господь наградил Россию углём, газом и нефтью», поэтому для производства альтернативной энергии нет стимулов. За последние пять-семь лет в России возрос интерес к более интенсивному использованию возобновляемых источников энергии. По мнению аналитиков BritishPetroleum, с добычей нефти у нас возникнут проблемы уже в 2025 - 2035 годах. И хотя в России пока не принято ни одного закона по этой теме, в аналитической справке Комитета Госдумы по энергетике, транспорту и связи сказано: «В связи с истощением месторождений нефти и природного газа российская энергетика в течении XXI века обязана претерпеть существенные структурные изменения. Россия ставит цель снижения удельной энергоёмкости экономики к 2020 г. в 2 раза по сравнению с 2000.

Стратегическими целями использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива являются:

- сокращение потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;

- снижение экологической нагрузки от топливно-энергетического комплекса;

- энергообеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним сезонным завозом топлива.

Традиционное производство и использование энергии связаны с загрязнением окружающей среды. Так, например, при сжигании ископаемых видов топлива, образуются токсичные газы и вещества, отрицательно воздействующие на окружающую среду. Потребление энергии по всему миру в ближайшие годы будет возрастать, и мы не сможем отказаться от ископаемых видов топлива. Последствием будет растущее загрязнение окружающей среды на местном, региональном и глобальном уровнях. Рациональное использование энергии, сокращение потребления энергоносителей, а также применение технологий, не наносящих ущерба окружающей среде, представляют собой важные инструменты в сфере охраны окружающей среды. Существенная роль в снижении уровня экологического загрязнения от использования традиционных видов топлива принадлежит расширению применения возобновляемых источников энергии.

В начале 2006 года министерство промышленности и энергетики России совместно с РАО ЕЭС в инициативном порядке разработало проект концепции и проект закона «О поддержке использования возобновляемых источников энергии в Российской Федерации». В законе заложен механизм государственной поддержки развития этого важного сектора энергетики.

Тема загородного и сельского жилья, использующего возобновляемые источники энергии, актуальна не только с точки зрения экологичности, но и с точки зрения развития направления архитектуры жилого малоэтажного дома.

Цель работы - разработка расчетным способом экологического обоснования энергонезависимого дома.

Задачи исследований:

-исследование основных альтернативных источники энергии в России и за рубежом: низкопотенциальная тепловая энергия, энергия солнца и энергия ветра;

-характеристика энергонезависимого дома;

-расчеты и экологическое обоснование энергонезависимого дома;

-экономическая эффективность использования низкопотенциальной тепловой энергии, энергии солнца и энергии ветра.

Объект исследований - энергонезависимый дом.

Предмет исследований - экологическое обоснование энергонезависимого дома расчетным методом.

1. Исследование основных альтернативных источников энергии в России и за рубежом: низко потенциальная тепловая энергия, энергия солнца и энергия ветра

1.1 Теоретическое обоснование экодома, как жилища

Необходимость проектирования и строительства жилых домов с низким энергопотреблением (ДНЭ) вызвана рядом причин. Из-за экологического и энергетического кризисов возникает острая необходимость в сохранении природных ресурсов всех видов. Большинство жилых домов до настоящего времени построено без учета всех требований теплоизоляции, по типовым проектам, в которых не учтены климатические особенности различных регионов России. В условиях юга России мало используются новейшие технологические разработки, которые могут удешевить строительство и эксплуатацию зданий. Отсутствует экспериментальное строительство жилых домов с низким энергопотреблением. Комплексно не применяются мероприятия в области техники повторного использования тепла, устройства теплоизоляции, правильной ориентации зданий и других основных принципов рационального использования энергии. Поэтому сегодня жилые дома в России потребляют энергии в 2,5-4,4 раза больше, чем жилые дома с низким энергопотреблением, построенные за рубежом.

За рубежом вопросами проектирования энергосберегающих жилых домов с использованием возобновляемых источников энергии занимались: А. Дэвис, Р. Шуберт, Р. Липмайстер, С.В. Заколей, Р.С. Грилей, Р.П. Оулетт, Д. Ватсон, Б. Андерсон, Е. Харкнесс, М. Мехта, М. Телкес, Томасон, С. Байер, Г. Берндт, В. Файст, Э. Морган, Ф. Тромба, Мишель, С. Танаки, Р. Суда и др [4].

Среди зарубежных исследователей этой проблематики необходимо отметить архитекторов: С. Зоколей, С. Удел, Б. Андерсон, Д. Ватсон, А. Шуберт, Г, Хилльманн.

Среди современных зарубежных исследователей можно упомянуть архитекторов - Петера и Бренду Вале, Сьюзан Роаф.

Использование альтернативных (возобновляемых) источников энергии в архитектуре малоэтажных жилых домов непосредственно связано с проблемой энергосбережения в жилищном строительстве. В основе исследований по энергосбережению лежат труды по изучению народного жилища, из которых нужно отметить работы, где рассматриваются традиционные жилища Севера и Сибири, таких авторов как: А.В. Ополовников, И.Э. Грабарь, С.Я. Забелло, М.В. Красовский, И.В.Маковецкий, П.А. Раппопорт, Е.А. Ащепков, Ю. С. Ушаков.

Многие исследователи в России и за рубежом работали над проблемами учета природно-климатических факторов при проектировании жилых зданий: М.М. Атаева, А.М. Береговой, К.А. Биркая, Н.П. Былинкин, В.И. Галевко, Б.И. Гиясов, Б.М. Давидсон, С.П. Дьяков, А.В. Ершов, Я.Т. Кравчук, Е.А. Леонтьев, З.П. Ломтатидзе, Т.С. Маргианашвили, Т.Б. Рапопорт, М.С. Туполев, С.В. Ушаков, С.М. Шафранский и др. [4].

Изучением теплотехнических свойств ограждающих конструкций и утеплителей занимались: Г.А. Айрапетов, В.С. Беляев, Г.П. Бойков, И.Н. Бутовский, М.Н. Кокоев, Ю.А. Матросов, В.В. Наседкин, А.Г. Перехоженцев, Б.М. Простаков, В.Т. Федоров, Л.Т. Хохлова, Шаронова О.В. и др.

В области светового климата и инсоляции исследования проводили М.И. Бжахов, А.А. Верховский, Х.М. Гуклетов, Л.Л. Дашкевич, Н.В. Оболенский, В.К. Савин и др.

Возможность использования возобновляемых источников энергии при проектировании жилых домов в России и бывшем СССР изучали: В.А. Акопджанян, М.М. Захидов, Н.И. Масленников, А.А. Саидов, Н.П. Селиванов, Е.В. Плюхин, С.В. Ушаков и др.

Над научно обоснованным формированием микроклимата и экологии жилых территорий работали В.А. Блинов, Н.М. Гусев, Г.К. Климова, В.Е. Каменкова, И.В. Маргиани, Н.П. Титова, В.И. Фельдман и др.

Принципы проектирования народного жилища раскрыты также в работе Б.М. Полуя. Помимо этого в его работе исследованы приёмы проектирования в экстремальных климатических условиях Севера.

Большое внимание изучению традиционных жилищ уделено в работах Т.А. Маркуса и Н.И. Масленникова.

В настоящее время основой для проектно-нормативной базы является СНиП 2.08.01.-89 «Жилые здания» и СНиП 31-02-2001 «Дома жилые одноквартирные».

Исследованиями в области использования возобновляемых источников энергии в архитектуре занимались: А.Н. Сахаров, И.И. Анисимова, Э.В. Сарнацкий, С. К. Саркисов, Н.П. Селиванов, Г.И. Полторак. Диссертации на эту тему были написаны М.М. Захидовым, Н.И. Масленниковым, М.А. Демидовой, С.С. Ушаковым, В.А. Акопджанян [4].

Исследования выше перечисленных авторов приходятся на 80-е года прошлого века. В это время сформировалось начало типологии «солнечных» домов и их деление на активный и пассивный способ использования солнечной энергии.

В СССР типологией домов, использующих солнечную энергию, занимался А.Н. Сахаров и И.И. Анисимова. Ими так же была составлена типология ветровых установок и возможность их монтажа на жилые дома.

В 1976 г был проведён международный студенческий конкурс на тему «Посёлк для 50 жителей с автономной системой энергообеспечения». Победителем конкурса стал проект, разработанный студентами МАрхИ.

В МАрхИ с 1977 года идут исследования и проектирование жилых и общественных зданий с солнечным энергообеспечением.

Был спроектирован комплекс зданий с солнечным тепло-хладоснабжением в Крыму, в районе Алушты (КиевЗНИИЭП).

Экспериментальные проекты были разработаны институтом Дагестангражданпроект на научном полигоне «Солнце» в 1983 - 1986гг [26].

Архитекторами Н.И.Маслённиковым и Е.В. Плюхиным был разработан экспериментальный проект малоэтажного жилого дома усадебной застройки с гелиосистемами для отопления и горячего водоснабжения.

В современных работах немалую роль уделяют использованию возобновляемых источников энергии в архитектуре такие авторы, как -- В.А.Новиков, Н.А.Сапрыкина, A.M. Баталов, О.Д. Бреславцев, Н.Н. Гераскин, А. Ю. Табунщиков, И.В. Черешнев.

Экспериментальные жилые дома с использованием возобновляемых источников энергии строятся в Екатеринбургской области, в Барнауле, а также в Новосибирске Новосибирским институтом теплофизики.

Индивидуальные застройщики частных домов на юге России часто используют для горячего водоснабжения солнечные коллекторы.

Помимо многочисленных частных домов, проектируемых с использованием возобновляемых источников энергии, в Европе, активно действуют программы по проектированию «экологических поселений», поддерживающимися государственными и региональными программами. Такие, как жилые дома в Хокертоне (Великобритания), «солнечные посёлки» в Германии (например, посёлок Аахен-Лауренсберг, посёлок Бекум), район Виикки в Финляндии, посёлок Амерсфурт (Нидерланды), район в городе Охусе (Дания), район в Тронхейме (Норвегия) [4].

По мнению Казанцева П.А. экологический дом - это рационально построенная конструкция дома с усовершенствованными с помощью новых технологий обслуживающими инженерными системами жизнеобеспечения, как правило, автономными для одного или нескольких домов.

Как следует из самого названия, экологичность является основным качеством дома, из которого вытекают остальные. Экологичность по Казанцеву подразумевает ненанесение вреда природе и человеку, минимальное загрязнение окружающей среды как прямое, так и косвенное.

Прямое загрязнение - это применение «грязных» (токсичных) материалов, загрязнение отходами жизнедеятельности и непосредственное использование невозобновимых источников энергии: нефти, газа, угля и др. Непосредственное использование невозобновимых источников предполагает применение ископаемого топлива для автономного энергообеспечения дома, например, сжиженного газа для приготовления пищи, угля и нефтепродуктов для отопления и производства горячей воды (автономные котлы и газогенераторы), бензина и солярки для производства электроэнергии (дизельные миниэлектростанции).

Косвенное загрязнение - это опосредованное использование невозобновимых источников энергии через использование централизованных сетей для энергоснабжения и канализации отходов дома, а также применение стройматериалов (даже экологически чистых), для производства которых используются «грязные» технологии.

Из этого следует, что экологичность подразумевает отказ, как от прямого, так и от косвенного загрязнения природы. Из этого вытекает, во-первых, необходимость автономности, т.е. независимости от централизованных сетей энергоснабжения и канализации, чтобы исключить использование косвенных источников загрязнения, а также массовых производителей стройматериалов, использующих в большинстве случаев «грязные» технологии. Это значит, что экодом должен обеспечиваться теплом, электроэнергией, горячей и холодной водой только за счет внутренних источников и иметь автономную систему канализации и утилизации бытовых отходов. Поскольку должно быть исключено и прямое загрязнение (использование ископаемого топлива для внутреннего использования), то экодом должен обеспечиваться энергией только за счет альтернативных возобновимых источников - солнца, ветра, воды, растений.

Накопление тепла - важнейшая характеристика экодома. Она обеспечивается конструктивными, архитектурно-планировочными решениями, применением эффективных утеплителей, использованием аккумуляторов тепла и т.д. Экономия тепла достигается минимизацией количества и размеров отапливаемых помещений, поддержанием разумной температуры в жилых помещениях.

Накопление и экономия электроэнергии достигается использованием высокоэкономичных источников света и бытовых приборов, а также электроаккумуляторов.

Экономия и накопление воды предполагает разделение ее на чистую питьевую и воду для технических нужд, повторное использование последней, применение различных резервуаров для ее накопления и эффективных водосберегающих приборов.

Отказ от прямого загрязнения подразумевает использование в конструкции дома нетоксичных, безопасных для здоровья материалов, необходимость хорошей вентиляции и применения различных систем очистки и полной утилизации продуктов жизнедеятельности. Еще один аспект экологичности - возможность полной утилизации стройматериалов по истечении их срока службы.

Комфортность предполагает удобство и благоприятные условия проживания. Другими словами дом должен быть светлым, сухим, зимой теплым, летом прохладным, иметь свежий воздух, достаточное (но разумное) количество жилых и подсобных помещений и развитую систему хладообеспечения.

Красота относится к эстетической (а точнее к духовной) категории и является важным элементом экодома. Проще говоря, дом должен иметь привлекательный, радующий взгляд вид.

Низкая стоимость - важнейшее качество экодома, поскольку предполагает доступность его по цене большей части населения. Он по крайней мере должен быть сопоставим по затратам на строительство с традиционным домом (в идеале быть дешевле), а в части эксплуатации - значительно дешевле его. Вообще стоимость экодома прямо и непосредственно связана с остальными его качествами, а в некоторых случаях является определяющей категорией для выбора конкретных решений. Например, тщательное сохранение тепла в доме, приводящее к использованию дополнительных нестандартных конструкторских решений и материалов, вызвано не в последнюю очередь дороговизной автономных источников энергии (ВЭС, солнечных модулей и т.п.). Ясно, что можно было бы так тщательно не бороться за сохранение тепла, горячей воды и электроэнергии, а решить проблему в лоб: установить ветроэлектростанцию (ВЭС) мощностью, скажем 20-30 квт и греть электричеством котлы отопления и горячей воды. Стоимость такой ВЭС была бы намного выше стоимости дома. Это, конечно крайность, есть другие более рациональные приемы отопления неутепленного дома (например, газогенераторными печами большой мощности), но и они экономически менее целесообразны, чем усиление теплоизоляции корпуса в совокупности с максимальным использованием «бесплатной» солнечной энергии.

Уменьшению стоимости экодома способствует также выбор дешевых (но качественных) материалов, широкое использование местного сырья для исключения дальних транспортных перевозок и сокращения использования тяжелой строительной техники, возможность самостоятельного изготовления некоторых строительных материалов и элементов инженерных систем, применение высокотехнологичного прогрессивного миниоборудования для строительства.

Некоторые разработки экодомов и его элементов уже можно использовать на практике. В России складываются благоприятные условия для массового строительства экологического жилья, так как благодаря смене экономического устройства сворачивается строительство многоквартирных домов и начинает интенсивно развиваться индивидуальное строительство. Надо направить усилия на то, чтобы те, кто может и строит себе дома, начали строить именно экодома [12].

1.2 Энергосбережение в экодоме

По данным Центра ООН по населённым пунктам использование энергии в жилищно-коммунальном секторе составляет 40 % от общего количества, вырабатываемого в мире. Выбросы в атмосферу окислов серы и углекислого газа от эксплуатации жилья составляют 70 % и 50 % соответственно. Однако при использовании традиционных и современных экологических технологий дом может не только не нарушать баланса в окружающей среде, но и способствовать его восстановлению [5].

В само понятие «Экодом» уже заложено энергосбережение, энергоэффективность.

«Экодом» предполагает минимальное энергопотребление энергии и эффективное его использование внутри дома. Кроме этого, «Экодом» встраивается в каждое конкретное место и использует те ресурсы, которым это место располагает. Использование нетрадиционных источников энергии (солнце, ветер, реки, водоёмы, геотермальные источники) обязательно рассматривается.

За то, короткое время, которое предоставлено, мы хотим обратить ваше внимание на основы энергосбережения и энергоэффективности в "Экодоме" и основы использования нетрадиционных источников энергии [15].

Часто ставится два вопроса: где взять энергию (электрическую, тепловую) и сколько это будет стоить? Совершенно не задаётся вопрос: как рационально и эффективно использовать эту энергию? Без этого главного вопроса другие два часто становятся просто непреодолимым препятствием. Только сначала решив этот главный вопрос, можно рассматривать остальные. Тогда они уже будут не такими непреодолимыми.

Поэтому предлагаем сначала рассматривать вопрос об эффективном использовании энергии, а уж затем, как получать энергию и сколько это будет стоить.

Первое, с чего начинается энергосбережение - это высокое термическое сопротивление наружных ограждающих конструкций. Это наиболее эффективное инвестирование в энергосбережение. Не обеспечив этого параметра дома, бессмысленно говорить об экономии энергии или использовании солнца для отопления. Я считаю, что термическое сопротивление стен должно быть не менее R=6 (м² К)/Вт.

Согласно последних изменений СНиП для одноквартирного дома в климатических условиях Оренбурга, термическое сопротивление стен должно быть R=3 (м²К)/Вт. Если же построить дом с термическим сопротивлением с R не менее 10, то создаются предпосылки отопление дома от работы обычных бытовых приборов, лампочек освещения и тепла, находящихся в нём людей.

Второе. Энергию следует подразделять по качеству на энергию высокого качества и более низкого. Например, электрическая энергия в стабильной сети 220 V 50 Гц - это энергия высокого качества. Её целесообразно использовать только там, где без неё невозможно обойтись: холодильник, компьютер, телевизор, насос, бытовые приборы с электродвигателями.

Для освещения или для работы чайника и электроплиты совершенно не обязательно иметь переменный ток высокого качества. Здесь может быть низкое качество электроэнергии и постоянный ток. Некоторые бытовые приборы имеют коллекторные двигатели (например, пылесос) и поэтому они могут работать и от 220 В постоянного тока.

Совершенно не рационально использовать электричество для отопления. При получении электрической энергии на тепловых станциях коэффициент полезного действия (КПД) по электричеству составляет около 30 %. Автономные дизель генераторы так же имеют КПД 30 %. Поэтому сжигать органическое топливо для выработки электрической энергии, которая будет использоваться на отопление - неразумно. Более эффективным в этом случае будет непосредственное сжигание органического топлива для получения тепла на отопление.

Компрессионные тепловые насосы, работающие от электричества высокого качества, перекачивают тепло из низкотемпературных источников (река, водоём, грунтовые воды) в систему отопления и горячего водоснабжения дома. При этом затрачивается электрической энергии до 30 % от общего количества полученного тепла. Если это электричество получено при сжигании органического топлива, то экономия топлива равна нулю [17].

Тепловая энергия - это энергия низкого качества. Её и рационально использовать на нужды отопления и горячего водоснабжения, а также приготовления пищи. В качестве источников этой энергии могут быть традиционное топливо: уголь, дрова, газ, так и нетрадиционные источники: солнечная энергия, биогаз.

Третье. Аккумулирование энергии - тепловой, электрической. Аккумулирование энергии серьёзный фактор экономии энергии в автономном доме. Аккумулирование позволяет перераспределять получение и потребление энергии во времени. Например, солнце греет днём, а максимальная нагрузка на отопление ночью (суточное аккумулирование), или летом избыток солнечного тепла - а зимой недостаток (сезонное аккумулирование).

Аккумулирование позволяет накапливать энергию маленькими порциями, а отдавать - большими. Частая ошибка: например, максимальное потребление электрической энергии 5 кВт, и заказчик говорит, что ему нужна электрическая станция мощностью 5 кВт. А это соответствующая стоимость. Кроме того, эта станция должна работать именно тогда, когда необходима эта мощность. Но ведь такая мощность нужна не всё время, а только на какой-то период? Поэтому при наличии аккумулирования электрической энергии, мощность электрической станции уже может быть значительно меньшей, следовательно, дешевле. Кроме этого, при потреблении электрической энергии электрическая станция может и не работать, а включаться в другое время. В этом случае, электрической станцией уже может быть ветрогенератор или солнечный модуль, или мини ГЭС, или генератор с двигателем внутреннего сгорания, работающим на биогазе.

Принцип аккумулирования распространяется так же и на тепловую энергию. Избыток тепла сбрасывается в тепловой аккумулятор и потребляется по мере надобности. Тепловые аккумуляторы бывают водяные, грунтогравийные и химические. Первые два представляют собой части конструкции дома. Химические же используют специальные вещества, сохраняющие тепло в виде химических связей. Они прекрасно сохраняют большие количества тепловой энергии многие месяцы без потерь. Например, в 3 м³ химического вещества можно за лето накопить достаточное количество тепла на весь последующий отопительный период.

Четвёртое. Сама архитектура и конструкция дома должна способствовать эффективному накоплению и использованию энергии. "Экодом" - это дом-коллектор, дом-аккумулятор и дом-термос.

Дом-коллектор, архитектура дома способствует максимальному проникновению солнечных лучей внутрь дома в отопительный период и минимальному - в жаркий период года. Зоны дневного пребывания освещаются непосредственно солнечным светом, а спальни и подсобные помещения располагаются на теневой стороне дома. Коридоры, туалеты, ванные комнаты освещаются солнечным светом через колодцы-световоды с крыши дома. Кроме этого, дом имеет солнечные коллектора для нагрева воды или/и воздуха для горячего водоснабжения и, возможно, отопления.

Дом-аккумулятор. Внутри дома располагаются большие массы для поглощения тепла. Здесь накапливаются избытки тепла, не вызывая перегрева в доме, и отдаётся тепло, когда его недостаёт.

Дом-термос. Конструкция дома сохраняет тепло с минимальными потерями экостроительство дом жизнеобеспечение энергосбережение

Пятое. Использование в доме энергоэффективного оборудования. Существуют различные типы бытовых электроприборов, котлов, светильников отличающиеся друг от друга энергоэффективностью. Например, лампы дневного света потребляют меньше энергии, чем лампы накаливания.

Энергоэффективные лампы "OSRAM" при одинаковой силе света потребляют в 5 раз меньше электрической энергии, чем лампы накаливания, и служат в 10 раз дольше.

Шестое. Использование автоматизации. Например, освещение включается только там, где находятся люди. При движении человека по дому в тёмное время суток свет автоматически включается и выключается. Известно, что солнечных модулей на 100-200 Вт, аккумуляторной батареи и датчиков присутствия достаточно для обеспечения освещением полностью автономного дома [15].

1.3 Отопление дома. Низкопотенциальная тепловая энергия

При покупке автомобиля мы руководствуемся не только его дизайном и расцветкой, а уделяем внимание и техническим характеристикам, таким, как вид и расход топлива, тип коробки передач, скоростные возможности, легкость в управлении и т.д.

Современный дом -- сложное техническое сооружение со множеством технических характеристик. Важнейшим из них является аналог расхода топлива у автомобиля -- затраты на отопление в натуральном и денежном выражении. В различных домах они могут отличаться в десятки раз [20].

Тепловые потери дома зависят от физико-географических условий, в первую очередь от суровости зимы. Теплопотери в первом приближении пропорциональны снижению температуры и длительности периода с низкими температурами. Поэтому суровость отопительного сезона характеризуется числом градусо- дней (ГСОП) -- произведением среднего отклонения температуры ниже 18 градусов на среднюю продолжительность в сутках отопительного периода. Временные границы отопительного сезона по российским нормативам (в других странах они могут быть иными) определяются устойчивым переходом среднесуточных температур наружного воздуха через +8 °С. ГСОП задается в виде карты с изолиниями либо в виде таблицы с усредненными значениями для районов страны.

В первом приближении теплопотери зданий зимой пропорциональны понижению температур и длительности отопительного периода. Это учитывается таким параметром, как ГСОП - градусо-сутки отопительного периода. В Росии ГСОП подсчитывается как сумма разностей температуры в 18°С и среднесуточных температур для каждого дня за период, когда эти температуры опускались ниже 8°С, причем сумма считается не по конкретному году, а по усредненному по многолетним наблюдениям [8-26].

Таким образом, затраты на отопление в том или ином географическом районе пропорциональны этому показателю.

Для России ГСОП равен 4800 в районе Москвы с размахом от 1044 в Сочи до 12045 в Оймяконе. В США аналогичный показатель колеблется (исключая Аляску) от 0 до 3000, в Нью-Йорке - 2200. Для Германии характерны значения 2100 - 2900, В Берлине - 2400, для Швеции - 3400 - 4000, в Стокгольме - 3500, в Гетеборге - 3000, в Париже - 1800. Как видно из этих цифр, в США например, вдвое-втрое менее напряженный отопительный сезон, чем среднероссийский. Существуют данные о среднестатистическом потреблении тепла на отопление старых жилищ, в России это 400 -- 600 (вероятное среднее 425), в США -- 220, в Швеции, Финляндии -- 135, в Германии 260 кВтч/м²-год соответственно.

Дом является единой теплоэнергетической системой, в которой помимо собственно отопления постоянно идет множество энергетических процессов, сопровождающихся выделением тепла. Это работа бытовых приборов и устройств, освещения, отдача тепла горячей водой, нагрев солнцем стен и проходящими через окна лучами предметов интерьера и т.д. И наконец, сами люди и домашние животные выделяют заметные количества тепла. Так, взрослый человек, занятый легким трудом, рассеивает мощность 200--300 ватт, при увеличении физической активности это значение увеличивается многократно. Расчеты позволяют оценить тепловыделение семьи из четырех человек с учетом факторов среднего времени пребывания и характера физической нагрузки в 1-1,5 МВт-час за отопительный сезон.

Тепло рассеивается также осветительными и другими электробытовыми приборами (2-3 МВт/час), горячей водой (2-3 МВт/час), плитой для приготовления пищи (1-1,5 МВт-час), биотуалетом (0.5-1 МВт-час). Солнечное излучение, проходя сквозь окна и нагревая стены, дает в среднем еще несколько МВт-час. Если суммировать эти теплопоступления, то получим порядка 10 МВт/час за отопительный сезон, что примерно равно потребности тепла на обогрев хорошо утепленного дома с удельным показателем теплопотребления для средне российских условий 30-40 кВт-час/м-год. Поэтому нет смысла утеплять дом до бесконечности, ибо, переусердствовав, можно столкнуться с необходимостью охлаждения домов даже зимой, когда внутренние тепловыделения заметно превысят теплопотери. Таким образом, достаточно в зависимости от широты местности утеплить дом до такой степени, чтобы его теплопотери в холодный период были в среднем равны внутренним тепловыделениям. Расчеты показывают, что для средней полосы России для этого достаточно слоя менее чем полуметровой толщины какого-либо из эффективных современных теплоизоляционных материалов с показателем удельной теплопроводности 0,04-0,05 Вт/м-градус (уже известны и более хорошие показатели). Следовательно, для жилищ повсеместно кроме, возможно, отдельных районов с экстремально суровым климатом, в принципе отпадает необходимость в системе отопления. Это может внести заметные изменения в облик жилых районов городов, поскольку до сих пор сооружения и сети систем централизованного теплоснабжения оказывали влияние на их формирование.

В энеpгoпассивном доме не нужна система отопления. Погодные условия, определяющие теплопотери, и внутренние тепловыделения дома подвержены колебаниям во времени. Из-за их непостоянства может чрезмерно изменяться и температура внутри дома. Для компенсации этих периодически возникающих отклонений можно применить систему терморегулирования, выполненную как маломощная система отопления эпизодического действия. Питаться теплом она может от сезонных или краткосрочных тепловых аккумуляторов, заряжаемых от возобновляемых источников энергии.

Система обогрева энергоэффективного дома может содержать основную и вспомогательную системы. Основная обычно состоит из солнечного теплового коллектора и теплоаккумулятора, запасающего тепло по суточным и сезонным циклам. Конструкции аккумуляторов тепла могут быть различными: в Швеции и Норвегии предпочитают твердотельные аккумуляторы под домом; в США и Германии - жидкостные внутри дома (на 200 кв. м жилой площади - около 15 тонн воды). Обычно такие системы стоят недешево, однако их можно сделать менее дорогими, используя местные материалы и комплектующие [17].

Нами будет рассмотрено отопление дома с помощью теплового насоса. Еще в позапрошлом веке британский физик Уильям Томпсон придумал устройство, которое назвал “умножителем тепла”, что и заложило фундамент для развития данной технологии.

Тепловой насос - это многофункциональный прибор, сочетающий в себе функции отопительного котла, источника горячего водоснабжения и кондиционера. Основное отличие от всех остальных источников тепла заключается в исключительной возможности использовать возобновляемую низкотемпературную энергию окружающей среды на нужды отопления и нагрева воды. Эти устройства именуют "тепловыми насосами", благодаря способности, так сказать, "перекачивать" тепло из низкотемпературного источника в высокотемпературный. Такие системы работают без использования топлива и практически не производят вредных выбросов в атмосферу, кроме всего прочего, они экономят до 80% энергии, направляемой на отопление. Эту энергию устройство получает из окружающей среды, а значит платить нужно только за те 20% энергии, которые расходуются на работу циркуляционных насосов и компрессора.

Принцип работы теплового насоса представлен на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 - Принцип работы теплового насоса

Нам знакома эта технология на примере обычного бытового холодильника. Это устройство состоит из двух теплообменников (конденсатора и испарителя) и компрессора. Эти агрегаты объедены в общий контур. Контур заполняется хладагентом (фреоном), который обладает очень низкой температурой кипения (порядка -20°С). Проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ при низком давлении и низкой температуре.

Таким образом, тепловой насос - представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Такой холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его внутрь дома, можно таким простым способом обогревать помещение.

Процесс работы теплового насоса заключается в следующем:

- проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю, теплоноситель нагревается на несколько градусов. Теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, внутри теплового насоса отдает взятое из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса;

- внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент

превращается из жидкого состояния в газ;

- попав из испарителя в компрессор, хладогент сжимается, и при этом его температура повышается;

- после этого нагретый газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). Там осуществляется теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Таким образом, хладагент передает свое тепло в системе отопления, охлаждается и снова возвращается в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам;

- пройдя через редукционный клапан хладагент поступает в испаритель, при этом давление понижается, и цикл повторяется снова.

Тепловые насосы являются универсальными устройствами. В теплое время года их используют для охлаждения воздуха в помещениях, а в холодное время года при их помощи помещения отапливают. Принцип работы теплового насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Тепло при этом получается из воздуха, который находится в помещении и отдается водоему или земле [3-18].

В зависимости от наиболее приемлемого источника низкопотенциального тепла в данной местности применяется несколько типов тепловых насосов, рисунки 1.2 - 1.3.

Общим для них является использование воды в качестве источника низкопотенциального тепла. Если на необходимой глубине доступны грунтовые воды, то применяется тепловой насос типа “вода-вода” или “вода-воздух”.

Поскольку вода обладает высокой теплоемкостью, то эффективность системы будет достаточно высока. А постоянная температура грунтовых вод около +8 °C +12°C гарантирует оптимальный источник низкопотенциального тепла. При этом грунтовые воды направляются из одной скважины в тепловой насос, отдают там тепловую энергию, а затем перекачиваются в другую скважину, которая удалена на некоторое расстояние.

Также применяется насос с закрытым циклом и водоразмещенным теплообменником - специальная жидкость (теплоноситель) прокачивается по коллекторам (трубкам), находящимся в водоеме, и отдает или забирает тепло у воды. Дом имеет смысл отапливать тепловой энергией открытого водоёма в том случае, если здание находится от водоёма ближе 100 метров, и глубина водоёма, а также береговая линия соответствуют условиям, требуемым для прокладки коллектора. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 300 метров. Преимуществом такого способа является его относительная дешевизна.

Системы для грунта разделяются на вертикальные игоризонтальные, рисунок 1.4 - 1.5.

Горизонтальные земляные теплообменники используют солнечную энергию, которая накапливается в верхних слоях грунта. Температура почвы остается на довольно высоком уровне даже в холодное время года. По трубам коллектора, погруженного на определенную глубину, течет незамерзающая жидкость, которая переносит полученное тепло к испарителю теплового насоса.

Существуют различные способы использования энергии почвы:

- горизонтальный коллектор располагается на глубине около 1,2-1,3м. Горизонтальный коллектор применяется, если есть достаточно площади для его укладки;

- намного меньше места требуют вертикальные геотермальные теплообменники, состоящие из трубок, через которые прокачиваетсятеплоноситель. Они размещаются вертикально в земле и уходят в глубину до 200 метров (чаще всего 50 - 100 метров). Такие зонды вводятся буровым инструментом. Геотермальные зонды состоят из замкнутых труб, которые отбирают тепло так же, как почвенный коллектор. Количество тепла, которое отбирает зонд, составляет от 30 до 100 Вт на метр зонда, что в значительной мере зависит от особенностей строения грунта;

- для применения траншейного коллектора необходимо немного меньше пространства. Потребуется приблизительно в 1-1,5 раза больше территории, чем отапливаемое пространство;

Данный метод имеет самую высокую эффективность работы теплонасоса, малый расход электроэнергии и относительно дешевое тепло - на 1 кВт электроэнергии получают до 5 кВт тепловой энергии, но требует больших первоначальных капиталовложений.

Рисунок 1.2 - Насосы “Вода-вода” и “Воздух-вода”

Рисунок 1.3 - Насос с закрытым циклом и водоразмещенным теплообменником

Рисунок 1.4 - Системы для грунта горизонтальные

Рисунок 1.5 - Системы для грунта вертикальные

Также применяют на практике теплонасосы в которых источником низкопотенциальной энергии используется воздух снаружи помещения. Именно из него отбирается тепло для отопления. Такие системы еще называют “воздушными теплонасосами”. Они разработаны и успешно используются в более теплых, чем Украина, странах, где не бывает значительных морозов - южных штатах США, Греции, Японии и т.д. Такие насосы не требуют грунтовых и бурильных работ. Но их не рекомендуется использовать в Украине, так как воздух как источник тепла имеет недостаток: при низких температурах от -10°C производительность и коэффициент трансформации теплового насоса значительно падает.

В странах Европейского союза, Китая и Японии поощряют применение тепловых насосов. В Швеции, Испании, Великобритании и Китае эффективно работает программа получения субсидий за установку этого оборудования. Во Франции у населения есть возможность оформить налоговый кредит за энергосбережение и использование возобновляемых источников энергии. Национальные нормы потребления энергии Германии предъявляют строгие требования к энергоэффективности зданий, и это фактически мотивирует использование низкотемпературных систем отопления. Европейский союз также ввел Директиву по Энергетическим Показателям Зданий для улучшения показателей энергоэффективности строений и, как результат, тепловые насосы составляют около четверти всего Европейского рынка всех устройств, предназначенных для обогрева помещений. А правительство Швеции к 2020 году планирует стать первой страной в мире, которая будет пользоваться для энергоснабжения исключительно возобновляемыми источниками энергии [17].

Геотермальные ресурсы РФ представлены в рисунке 1.6 [23].

Рисунок 1.6 - Геотермальные ресурсы РФ

1.4 Энергия солнца

Первичной энергией для жизни на Земле за небольшим исключением является солнечная. Она, как показывают расчеты, в большинстве районов Земли может быть и основным источником энергии для экодома. Идея «солнечного дома» имеет солидный возраст, а если обратиться к традиционным верованиям, имеет еще и мистическое обоснование. Экологически «сознательное» здание должно максимально полно использовать солнечное излучение. При отсутствии атмосферы на Земле на перпендикулярную излучению площадку в 1 м падало бы 1400 Вт энергии. Эта величина называется солнечной постоянной. Она колеблется в зависимости от активности Солнца, но незначительно. При отсутствии облаков земная атмосфера рассеивает около 20% всей солнечной радиации. В целом, в ясный солнечный день около 80% энергии солнечного излучения достигает земной поверхности. В среднем же из-за экранирования облаками земной поверхности доходит 52% солнечной энергии. Всего на Землю на уровне моря приходит ежегодно около 800 триллионов мегаватт часов солнечной энергии, что примерно в восемь тысяч раз больше, чем вся современная выработка энергии человеком.[16]

1.4.1 Солнечные батареи

Первая солнечная батарея была разработана группой американских ученых в 1954году. Изобретателям удалось достичь 6 % КПД.

Уже спустя 4 года солнечная батарея стала основным источником электроэнергии на космических кораблях во всем мире. Но приборы не были совершенными, и ученые продолжали работу в этом направлении.

В семидесятых годах кремниевая солнечная батарея имела КПД 10 %. Эти устройства вполне успешно использовали на космических аппаратах, но смысла использовать их на Земле не было. Причем и цена этих устройств была немаленькой, что легко можно объяснить дороговизной материала, используемого для их изготовления.

Сдвиги в развитии альтернативных источников электроэнергии были отмечены только в девяностых годах. Группа ученых из США смогла добиться значительного повышения эффективности солнечных батарей, путем создания особого цветосенсибилизированного их типа.

Отличались эти солнечные батареи простотой производства, невысокой себестоимостью материалов, экономичностью.

Производство солнечных батарей было налажено в конце восьмидесятых. Солнечные батареи, которые выпускаются сегодня, имеют КПД чуть больше 20 %.

Ныне солнечные батареи, солнечная энергетика, хоть всё ещё и не является ведущей энергоотраслью на планете, всё же находит применение в очень многих областях нашей жизни. Основным материалом для производства солнечных элементов по сей день остаётся достаточно распространенный химический элемент -- кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Кремниевая солнечная батарея - наиболее известный преобразователь - позволяет в среднем получать, напряжение 0,6В. Ее средняя эффективность преобразования составляет 10-25 % (максимальное значение - 41 %). Коэффициент полезной мощности (отношение полученной средней мощности к мощности, которая может быть получена при постоянном преобразовании солнечной энергии) 15-20 %. Ток, генерируемый солнечной батареей, пропорционален интенсивности падающего света. Для увеличения тока солнечные батареи можно соединить параллельно, что не вызывает затруднений. Но последовательное их соединение для увеличения напряжения проблематично. Перспективны и солнечные батареи, выполненные на органических материалах и оптоволокна на основе сенсибилизированных красителей (Dye-sensitizedsolarcells, DSSC). Хотя срок их службы составляет всего от одного до пяти лет, они дешевы, прозрачны, работают при низких уровнях, освещённости. К тому же их изготавливают путем печати на подложки большой площади. Такие солнечные батареи могут успешно применяться в системах питания устройств со средним сроком службы: медицинских приборах одноразового действия, торговых бирках, электронных этикетках.

Разработаны солнечные батареи со сроком службы до 20 лет - на основе нанокремния, диселенида меди-индия-галлия, а также тонкопленочные на основе теллурида кадмия.

Преобразование энергии в солнечных элементах происходит вследствие, так называемого, фотовольтаического эффекта в неоднородных полупроводниках при воздействии на них солнечного излучения. По своему строению солнечный элемент напоминает бутерброд, который состоит из двух полупроводниковых пластинок. Внешняя пластинка содержит избыток электронов, а внутренняя пластинка -- недостаток. Попадание фотона света на внешнюю пластинку вызывает выбивание из нее электрона и переход его на внутреннюю пластину, что и создает электрический ток [2].

Наиболее широкое распространение солнечные батареи имеют в США и странах Европы, в Японии, Корее, Китае. В Европе, например, где вопросам экологии уделяется очень большое внимание, существуют специальные госпрограммы поддержки солнечной энергетики. Например, в некоторых районах владельцы домов с солнечными батареями отдают выработанную за день солнечную энергию в общую сеть, за что получают льготы при оплате электроэнергии. В Германии избыток электроэнергии, вырабатываемой летом частными солнечными батареями, покупают энергосберегающие компании, несмотря на ее несколько более высокую стоимость по сравнению с «обычной», с целью поддержки развития «зеленых технологий». Благодаря государственной программе, компенсирующей до 70 процентов затрат на так называемую «соляризацию» домов и льготы при оплате, в ФРГ на «солнечное» электричество переходит до полумиллиона квадратных метров крыш в год. Первый такой правительственный проект финансовой поддержки владельцев «солнечных» домов был принят немцами еще в 1990 году и назывался тогда «1000 солнечных крыш». Вслед за Германией подобный проект, но уже под названием «100000 солнечных крыш» был принят для всех стран-членов Евросоюза (ЕС). В Японии и США аналогичные проекты назывались соответственно «70000 солнечных крыш» и «1000000 солнечных крыш». Даже Монголия присоединилась к новому движению: «100000 солнечных юрт» -- так назывался её проект.

Строительство «солнечных» домов на Западе давно уже является признаком респектабельности и, несмотря на длительный срок окупаемости (7-10 лет), пользуется все возрастающей популярностью. Новые дома в Испании также согласно государственной программе строятся с солнечными батареями на крышах. В Голландии недалеко от городка Херхюговард создан экспериментальный район, названный «Город Солнца». Электроэнергия здесь вырабатывается с помощью солнечных панелей, установленных на крышах домов. В среднем один дом в «Городе Солнца» вырабатывает до 25 кВт электроэнергии. В перспективе предполагается увеличить общую мощность «Города Солнца» до 5МВт. И это лишь некоторые факты поощрения использования энергии Солнца на государственном уровне.

По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики* (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами снизится до уровня менее 0,10 € за кВт/ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт/ч для установок в жилых зданиях. Согласно прогнозу EPIA, к 2030 г. солнечные батареи будут производить до 2646 ТВт электроэнергии, удовлетворяя от 8.9 до 13.8 % мировых потребностей. Годовой объем рынка фотовольтаики достигнет €454 млрд. К 2025 году, благодаря фотоэнергетике, будут сокращены выбросы в окружающую среду на 353 млн. тонн. Этот показатель эквивалентен объему выбросов в Австралии и Новой Зеландии, или 150 угольных электростанций [6].

В России значимой поддержки солнечной энергетики на государственном уровне нет, кроме нескольких деклараций о важности развития этой отрасли и правительственного распоряжения. Объяснить это можно и наличием больших запасов углеводородов и тем, что стоимость солнечного электричества в нашей стране пока ощутимо выше, чем «обычного». А вот в ЕС, к примеру, из-за более качественного развития солнечной энергетики удаётся стоимость эту постоянно и довольно быстрыми темпами снижать. Ныне она уже может конкурировать со стоимостью традиционного электричества.

Понятно, что Россия не слишком солнечная страна -- от этого КПД «солнечных» технологий ниже, чем, к примеру, где-нибудь в Испании. Значит и степень распространения по территории страны ниже. И всё же, перспективы у солнечной энергетики очевидно есть и в нашей стране. Наиболее велики они, конечно, на юге: в Краснодарском и Ставропольском краях, Астраханской, Волгоградской, Ростовской областях, других южных регионах России. Впрочем, в стране есть регионы даже более подходящие для развития солнечной энергетики, чем традиционные «юга». Исследования, проведенные лабораторией возобновляемых источников энергии Института высоких температур РАН, показали, что в России наиболее «солнечными» являются регионы Приморья и юга Сибири. В некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока годовая солнечная радиация составляет 1300 кВт-ч/м², превосходя значения для южных регионов России. И здесь использование установок, преобразующих солнечную энергию, возможно в течение круглого года. Первая же солнечная электростанция появилась в нашей стране менее двух лет назад -- 29 сентября 2010 года, в Белгородской области мощностью 100 кВт. Пока это - экспериментальный пилотный проект. В целом же, проекты, связанные с солнечной энергетикой в нашей стране есть, но они пока бессистемны. Доля энергетики на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в топливном балансе России скромна -- около 1 %, и большая часть энергетических потребностей покрывается за счет теплоэлектростанций. В правительственном распоряжении, подписанном в январе прошлого года, прописано намерение увеличить объем производства и потребления электрической энергии с использованием ВИЭ до 4,5 % в 2020 году. Пока же Россия не упоминается ни в одном из аналитических обзоров ООН, касающихся состояния фотовольтаики в мире.

В 2009 году в России открыта солнечная электростанция в Белгородской области мощностью -- 100 кВт. К 2013 году планируется открыть солнечную электростанцию такой же мощности в Ольхонском районе Иркутский области. Тамже, в Иркутской области ныне создаётся высокотехнологичный производственный комплекс по производству поликремния на базе предприятий компании «NitolSolar». Объем средств, инвестируемых в этот проект «Роснано», -- 7,5 млрд. рублей [6].

«Солнечные» технологии находят ныне применение в различных сферах жизни и деятельности людей. В том числе в области создания климата. Речь не о глобальном климате на планете, хотя и здесь экологически чистая солнечная энергетика не приносит никакого вреда: выбросов загрязняющих веществ, разрушения озонового слоя. Речь всё же о климате в отдельно взятой квартире, доме, офисе. С 2012 года крупнейший мировой производитель климатической техники -- GD MideaHoldingCo., Ltd (бренд MDV) -- начнёт поставку в нашу страну своих новых сплит-систем Solarpower DC-Inverter.

1.4.2 Солнечные коллекторы

Люди нагревали воду при помощи Солнца с давних времен, до того, как ископаемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике. Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий. Покрашенная в черный цвет поверхность сильно нагревается на солнце, тогда как светлые поверхности нагреваются меньше, белые же меньше всех остальных. Это свойство используется в солнечных коллекторах - наиболее известных приспособлениях, непосредственно использующих энергию Солнца. Коллекторы были разработаны около двухсот лет назад. Самый известный из них - плоский коллектор - был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым по имени Гораций де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах ХIX века.