О потенциале использования альтернативных источников энергии в формировании энергоэффективности зданий Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

DOI:

УДК 551.435

О ПОТЕНЦИАЛЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬ ТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ФОРМИРОВАНИИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ

Черныш Надежда Дмитриевна - доцент кафедры архитектурных конструкций, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, chernysh-nadejda@yandex.ru

Сидякина Анастасия Юрьевна - студент магистратуры, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, anastasia.sidiakina@yandex.ru

Аннотация: в статье приведены сведения о направлениях развития современной энергетики на основе использования возобновляемых энергетических источников. Это вызвано постепенным уменьшением природных ресурсов, ростом цен на них. Рассмотрены источники альтернативной энергии, используемые в России и Белгородской области, отражены преимущества и недостатки при их использовании. Выявлен потенциал и уровень использования альтернативных источников энергии в Белгородской области, их влияние на энергоэффективность объектов.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, альтернативная энергетика, энергосбережение, энергоэффективность зданий.

Яаиболее характерным

направлением развития современной энергетики на сегодняшний день является использование невозобновляемых энергетических источников. К основным энергоносителям относят нефть, газ и уголь. В России с их помощью производят около 80 % энергии. Однако, при современном уровне добычи разведанных запасов, угля может хватить на 400 лет, нефти - на 42 года, газа - на 61 год [1]. В связи с уменьшением запасов традиционных источников энергии и постепенным повышением их стоимости все большее количество стран начинают искать новые пути решения данной проблемы. Во многих странах использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии занимает заметную долю в электроснабжении и обеспечении теплом.

По мнению специалистов, наибольшим потенциалом экономии энергии обладают здания [1]. Поэтому для решения данного вопроса в современном строительстве в основном используют два направления повышения энергоэффективности зданий: экономия энергии и использование альтернативных источников энергии.

В настоящее время используют несколько видов повышения энергоэффективности

строений. К первому виду относят пассивны е дома, в которых, как правило, основная экономия энергии происходит за счет теплоизоляции здания. Вторым видом считают дома с нулевым энергопотреблением, основные мероприятия по экономии энергии которых заключаются в использовании альтернативных энергетических источников. Третий тип сооружений, называемый активными домами, обеспечивает экономию энергии при теплоизоляции здания и подключении альтернативных источников энергии [2].

В России на данном этапе одной из важных задач определено использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Это продиктовано рядом факторов, к числу которых относят преобладание на большей части территории сурового климата, требующего существенных энергозатрат на отопление и содержание зданий, и наличие обширных земель, затрудняющих обеспечение надежного и эффективного энергосбережения на всей территории.

К основным альтернативным источника м относят энергию солнца, ветра, движущейся воды, тепло земли и энергию биомассы. При этом следует учитывать, что энергоснабжение с использованием возобновляе-

© ®

Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.

мых источников энергии, называемой «регенеративной энергией» и «зеленой энергией», вырабатываемой природными источниками, оказывает на экологию минимальное воздействие. Однако, использование альтернативных источников энергии связано с неравномерностью энергий во времени дня, суток, года.

Энергия солнца может быть преобразована в электроэнергию и тепловую энергию, для чего могут быть использованы несколько способов; фотовольтаика, гелиотермаль-ная энергетика, термовоздушные электростанции, солнечные аэростатные электростанции; применены пассивные или активные схемы с использованием термодинамического, фотоэлектрического и других методов. Применяемые способы основаны на работе большой поверхности, собирающей потоки для обработки и накопления в аккмуляторах.

Следует отметить, что с 2010 года на территории России самая крупная солнечная электростанция действует в Яковлев-ском районе Белгородской области, где солнечный парк включает 1320 модулей фотоэлектрических преобразователей поликристаллического и аморфного типов с активной поверхностью 1046 м , номинальной пиковой мощностью 100 кВт. Объём выработки электроэнергии зависит от погоды, сезона и времени суток. При разработке данного проекта учтена среднегодовая продолжительность солнечности, которая составляет 2300 часов в год.

Непосредственное использование

солнечной энергии в зданиях обеспечивают гелиосистемы и их составляющие части -солнечные модули (батареи, панели, коллекторы). Распространена следующая классификация гелиоустановок: по способу преобразования солнечной энергии (нагрев теплоносителя, электрохимический, фотоэлектрический, барогальванический и др.); по форме солнечных коллекторов - плоские и концентрирующие; по типу теплоносителя (вода, воздух). Гелиосистемы позволяют направить накопленную лучистую энергию солнца для теплоснабжения, для горячего водоснабжения, для выработки электрического тока, для охлаждения, опреснения воды и др. [3]. Однако эффективность работы

солнечных панелей зависит от ряда фактор о в : температуры наружного воздуха и пов е р х ности батареи; угла падения солнечных лучей; наличия или отсутствия антибликового покрытия; мощности светового потока. Например, достижение максимальной производительности панели возможно при падении света на нее под угол 90° [4].

По оценкам специалистов возможности использования ветровой энергии в России составляют до 30 % от вырабатываемой в стране электроэнергии. Энергию ветра используют для получения электроэнергии с помощью ветрогенераторов. На участке строительства здания с частыми сильными порывами ветра данные установки способны к полному обеспечению небольшого дома электроэнергией. Суть их работы заключается в следующем: энергия ветра приводит в движение лопасти ветровой турбины, которая затем передает энергию на вал, соединенный с редуктором и приводящий в действие электрогенератор. Для электроснабжения частного дома достаточно ветро-генератора мощностью до 100 КВт [5].

При оценке ветрового режима Белгородской области установлен потенциал в использовании ветровой энергетики: преобладание в холодный период года ветров южного и юго-западного направлений, в теплый - западного и северовосточного направлений, при средней год овой скорости ветра от 2,1 до 4,1 м/сек.

В Яковлевском районе Белгородской области с 2010 года осуществляют выработку альтернативной энергии ветроэлектрические установки мощностью 20 кВт каждая, с номинальным напряжением 380 +/- 10 % В, с в ыд ачей электроэнергии при скорости ветра 3,5 м/сек. Ветрогенераторы мощностью 5...20 кВт позволяют обеспечить энергией частные дома, малые предприятия или фермы.

Поскольку эффективность ветроустано-вок зависит от скорости ветра, целесообразно сочетание ветрогенератора совместно с солнечными батареями.

Энергию воды традиционно используют для получения электрической энергии. В связи с проблемой сохранения окружающей среды, снижения влияния на экологию действующих турбинных ГЭС, создание малой

гидроэнергетики (мини- и микроГЭС) признано одним из эффективных направлений развития альтернативной энергетики. Принцип работы мини- и микроГЭС практически не отличается от работы станций большой мощности; основан на использовании силы напора воды [6]. Малые гидроэлектростанции различают: бесплотинные, рукавные, гирляндной конструкции с гидровинтами, водяное колесо с лопастями, вертикальный ротор Дарье, подводный пропеллер - «ветряк».

Россия обладает высоким потенциалом для развития гидроэнергетики, однако в силу ряда причин, особенностей законодательства, в использовании данного ресурса имеет отставание от других стран. Справедливости ради, следует учитывать, что впервые мини-ГЭС (более 7 тысяч) на территории современной России были созданы в середине двадцатого века (в послевоенные годы).

Речная сеть Белгородской области составляет 5000 км, сформирована 480 речками и ручьями длиной более 3 км, малыми реками длиной менее 10 км, 70 реками длиной от 10 до 25 км, 35 рек в пределах области (например, Айдар, Псёл, Сейм) имеют длину более 25 км, незначительное количество рек имеют длину территории свыше 100 км: Оскол (226 км), Ворскла (118 км), Север-ский Донец (102 км). При этом почти все реки характеризует низкий напор. Применение минигидроэлектростанции для получения автономной электроэнергии при строительстве частных домов в настоящее время затруднено. При этом на комбинате «КМАруда» микро-ГЭС мощностью 5 кВт установлена на системе оборотного водоснабжения и производимую энергию используют для наружного освещения территории и электрообогрева помещений. По оценкам специалистов энергия мини- и микроГЭС для Белгородской области существенно дороже в сравнении с другими источниками.

Помимо этого используют водные теплообменники в качестве альтернативного источника для отопления дома. Для эффективного их использования необходимо соблюдение следующих, сложно выполнимых в большинстве случаев, условий: расположение дома от водоема не дальше 100 м, погружение труб теплообменника на

тр ех метровую глубину, площадь водоема не меньше 200 м2, водоем не должен промерзать до дна в зимнее время, водоем не должен быть общественным [7].

Энергию земли также рассматривают в качестве альтернативных источников энергии и используют для отопления зданий з и мой и кондиционирования летом. Существует несколько способов производства энергии: тепловые электростанции (забор энергии грунтовых вод - гидротермальная энергия), грунтовые теплообменники (использование тепла грунта - петротер-мальная энергия) с помощью геотермальных насосов, воздушных коллекторов, вертикальных и горизонтальных коллекторов [8]. Причем область использования последнего вида коллекторов ограничена регионами с преобладающим теплым климатом: допустимая глубина промерзания почвы в пределах 1...1,5 м. Следует обратить внимание на тот ф акт, что реальной базой геотермальной энергетики с учетом опыта различных стран и России может быть использование природного пара и термальных вод. В России наиболее перспективны для развития данного направления Ставропольский край, Дагестан, остров Сахалин, Курильские острова и Камчатка.

Структура геотермальной системы состоит из двух контуров: внутреннего и внешнего. Принцип работы внешнего контура основан на преобразовании тепла с низким потенциалом в тепло с высоким пот е н циалом; предполагает нагрев теплоносителя до температуры грунта. Необходимо учитывать, что геотермальные системы работают на электроэнергии, при этом на каждые потраченные 1 кВт вырабатывают до 3...6 кВт энергии.

В рамках соглашения о сотрудничестве с Фондом ЖКХ в Белгороде в 2011 г. реали-з о в ан проект по строительству трехэтажного жилого дома общей площадью 1109 м2. Для т е п л о снабжения установлена теплонасосная система, использующая тепло поверхностных слоев Земли, при чем было рассчитано, чт о г еотермальное отопление в летний период заменит кондиционер. При этом удорожание строительства составило 18 тыс. руб/м2 при планируемом сроке окупаемости примерно 15 лет. Спустя несколько лет

эксплуатации выявлены проблемы использования геотермального отопления: средняя температура в квартирах в зимний период с большими затратами поддерживается в пределах 19...20 градусов. Повышению эффективности геотермальных систем отопления способствует использование вместе с газовыми и электрическими котлами.

Переработка органических отходов в биогаз с дальнейшим получением электроэнергии (биогазовая энергетика) также возможная альтернатива природному газу и централизованному электроснабжению. Биотопливо классифицируют в зависимости от способов его получения, по агрегатному состоянию и видам использования. К твердым видам биотоплива относят дрова, топливные брикеты или пеллеты, газообразные - это биогаз и биоводород, а жидкие -биоэтанол, биометанол, биобутанол, димети-ловый эфир и биодизель.

В результате ведения сельского хозяйства происходит скопление значительного количества органических отходов и оптимальным будет использование их в качестве возобновляемых источников энергии биотоплива. Переработка биомассы в биореакторе образует биогаз, в состав которого входит 60 % метана, 35 % углекислого газа и 5 % прочих примесей [9]. После очистки биогаз применяют для отопления электроснабжения зданий. Оставшиеся после переработки отходы можно использовать в качестве удобрения.

На территории Белгородской области развитие биоэнергетики связывают с необходимостью переработки отходов агропромышленного комплекса: суммарный годовой объем отходов отраслей птицеводства, свиноводства и разведения КРС в регионе превышает 15 млн. т. Крупнейшая первая в стране биогазовая станция введена в эксплуатацию в 2012 г. в Прохоровском районе Белгородской области. Мощность установки на сегодняшний день 3,6 МВт; выработка электроэнергии 29,3 млн. кВт/ч; выработка тепловой энергии 27,3 тыс. Гкал, что достаточно для обеспечения потребностей 45 тыс. жителей в сутки. Дополнительно получение органических биоудобрений 90 тыс. т при переработке 95 000 т сырья.

Сведения о возобновляемых источниках энергии приведены в табл.

Сфера альтернативной энергии на сегодняшний день во многих странах активно развивается. Это происходит из-за постепенного уменьшения количества исчерпаемых природных ресурсов и благодаря постоянному росту цен на них. В России в настоящий момент малое количество строительных объектов используют альтернативную э н е р ги ю. Это связано с наличием больших запасов полезных ископаемых, реализуемых в целях традиционного энергоснабжения. Однако наша страна обладает большим потенциалом для применения источников воз о б н овляемой энергии, основанным на разнообразии климатических зон, рельефа местности и наличием большой площади территории. Поэтому для активного использования альтернативной энергии в России необходима соответствующая законодательная база, осуществление разработки конкретной тарифной системы и организация процесса заключения договоров для покупки энергии государством. «Если не создавать нормативную базу для ВИЭ, мы будем заложниками существующей углеводородной модели энергетики» [10].

Несмотря на преимущества энергоэффективных зданий их объединяет один существенный недостаток - стоимость строительства примерно на 20 % выше [11, 12]. Однако вложение значительных денежных инвестиций для создания такого типа зданий со временем окупится. К основным факторам, от которых зависит срок окупаемости, относятся: размер тарифа на энергоресурсы и количество экономии коммунальных ресурсов.

Таким образом, на основании анализа литературы по основным аспектам можно сделать вывод: электроэнергетика - одна из ведущих отраслей, от которой во многом зависит уровень развития экономики страны; говорить о полном замещении традиционных запасов альтернативными источниками энергии пока рано; недостаточно говорить о внедрении новых методов, нужно добиться, чтобы они действительно работали.

Таблица

Сводные данные о получении энергии от альтернативных источников

Наименование устройства Условия для установки Особенности конструкции Преимущества Недостатки

Солнечные батареи Расположение здания, отсутствие возможности попадания тени на батарею, уровень инсоляции, большая площадь для установки Солнечная панель - контроллер -аккумулятор -инвентор - электрооборудование Автономность, экономичность, износ батарей происходит очень медленно, возможность наращивания панелей, бесшумные Высокая цена, большой срок окупаемости, зависят от погоды, большая площадь для установки, низкий КПД

Гелиоустановки Расположение здания, уровень инсоляции Со лнечный коллектор - контроллер -бак теплообмена -циркуляционный насос - расширительный бак -резервный ТЭН Длительный срок эксплуатации, короткий срок окупаемости, низкая стоимость, экономичность, легкость в эксплуатации, бесшумные Зависят от погоды и климата, негативно влияют перепады напряжения

Ветрогенераторы Среднегодовая скорость ветра от 4 м/с, открытая территория Ветрогенератор - контроллер -аккумуляторы -инвентор -потребители Автономность, простота обслуживания, не надо ориентировать на ветер Непостоянность в етра, наличие шума, большой срок окупаемости, высокая цена, сильные радиопомехи

Минигидро-электростанции Наличие речки или реки Гидравлическая турбина -напорный бак -генератор Долговечность, практическая бесшумность, не зависят от погодных условий, не влияет на качество воды Угроза для жизни обитателей водной фауны, большой срок окупаемости, высокая стоимость

Водный теплообменник Расстояние от здания 100 м, погружение труб на 3-х м глубину, S водоема >200 м2, водоем не должен промерзать до дна, не должен быть общественным Водный зонд -тепловой насос -аккумулятор тепла - отопительный контур Быстрый срок окупаемости, бесшумность, высокий КПД, обратимость системы Большая площадь в одоема, зависят от интенсивности солнечной радиации, сложность монтажа

Горизонтальный теплообменник Большая площадь участка, погружение больше глубины промерзания Грунтовый зонд -тепловой насос -аккумулятор тепла - отопительный контур Относительно низкая стоимость и простота обслуживания, высокий КПД, долговечность, обратимость системы, бесшумность Б ольшая площадь участка, зависят от интенсивности солнечной радиации

Вертикальный теплообменник Скважины 30...50 м глубиной каждая Грунтовый зонд -тепловой насос -аккумулятор тепла - отопительный контур Небольшая площадь участка, высокий КПД, долговечность, обратимость системы, бесшумность Устройство глубоких скважин, высокая стоимость, сложность монтажа

Биореактор Наличие большого количества органических отходов Емкость сбора сырья - насосная станция - реактор -газгольдер - кон-денсато-отводчик -когенерационный блок Автономность, не зависят от погодных условий, высокий КПД Низкая скорость переработки, возможность разгерметизации, малая теплота сгорания у биоэтанола

По совокупности полученных данных можно сделать вывод, что способствовать развитию области экономики Белгородской области может сочетание традиционных способов выработки энергии с альтернативными.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дектерев С.А., Канаткин А.С. Международный опыт использования в архитектуре альтернативных источников энергии // Режим доступа: http://kanatkin.ru/ mezhdunarodnyiy-opyit-ispolzovaniya-v-arhitekture-alternativnyih-istochnikov-energii/ (Дата обращения 20.03.2019).

2. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003. 200 с.

3. Голованова Л.А., Блюм Е.Д. Энергоэффективные строительные конструкции и технологии // Ученые заметки ТОГУ. 2014. № 4. С. 71-77.

4. Черныш Н.Д., Тарасенко В.Н. Современные условия создания комфортного средового пространства // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 1. С. 101-104.

5. Ветроэнергетика в России, развитие технологии в ветроэнергетике // Режим доступа: http://vetrodvig.ru/istoriya-razvitiya/ vetryanye-melnicy-v-rossii/vetroenergetika-v-rossii/ (Дата обращения 20.03.2019).

6. Фадеева Г.Д., Паршина К.С., Родина Е.В. Повышение энергеэффективности жилого фонда за счёт малозатратных технологий (на примере г. Пензы) // Молодой ученый. 2013. № 6. С. 156-158.

7. Чистович С.А., Аверьянов В.К., Темпель Ю.А., Быков С.И. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления. Л.: Стройиздат, 1987. 248 с.

8. Фадеева Г.Д., Паршина К.С., Давыдов А.С. Строительство малоэтажного жилья: зарубежный опыт // Молодой ученый. 2013. № 5. С. 111-113.

9. Октябрьский Р.Д., Старжинский Е.А., Ильинец В.Н. Энергоэффективность проектируемых зданий. М.: ГАСИС. 2008. 17 с. // Режим доступа: http://dogend.ru/docs/index-399288.html (Дата обращения 20.03.2019).

10. Экоэнергетика в современном строительстве и архитектуре // Режим доступа: https://econet.ru/articles/148681-ekoenergetika-

v-sovremennom-stroitelstve-i-arhitekture (Дата обращения 20.03.2019).

11. Файст, В. Основные положения по проектированию пассивных домов. М.: Изд-во АСВ, 2008. 68 с.

12. Черныш Н.Д., Сидякина А.Ю. Специфика формирования архитектурной городской среды с учетом планировочного решения зданий на примере объектов гражданских обрядов // Вектор ГеоНаук. 2018. Т.1. №3. С. 65-72.

REFERENCES

1. Dekterev S.A., Kanatkin A.S. Mezhdu-narodnyj opyt ispol'zovaniya v arhitekture al'ternativnyh istochnikov energii // Rezhim dostupa: http://kanatkin.ru/mezhdunarodnyiy-opyit-ispolzovaniya-v-arhitekture-alternativnyih-istochnikov-energii/ (Data obrashcheniya 20.03.2019).

2. Tabunshchikov YU.A., Brodach M.M., Shilkin N.V. Energoeffektivnye zdaniya. M.: AVOK-PRESS, 2003. 200 s.

3. Golovanova L.A., Blyum E.D. Ener-goe ffektivnye stroitel'nye konstrukcii i tekhnologii // Uchenye zametki TOGU. 2014. № 4. S. 71-77.

4. Chernysh N.D., Tarasenko V.N. Sovremennye usloviya sozdaniyakomfortnogo sredovogo prostranstva // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2017. № 1. S. 101-104.

5. Vetroenergetika v Rossii, razvitie tekhnologii v vetroenergetike // Rezhim dostu-pa : http://vetrodvig.ru/istoriya-razvitiya/ vetryanye -melnicy-v-rossii/vetroenergetika-v-rossii/ (Data obrashcheniya 20.03.2019).

6. Fadeeva G.D., Parshina K.S., Rodina E.V. Povyshenie energeeffektivnosti zhilogo fonda za schyot malozatratnyh tekhnologij (na primere g. Penzy) // Molodoj uchenyj. 2013. № 6. S. 156-158.

7. Chistovich S.A., Aver'yanov V.K., Tempel' Yu.A., Bykov S.I. Avtomatiziro-vannye sistemy teplosnabzheniya i otopleniya. L.: Strojizdat, 1987. 248 s.

8. Fadeeva G.D., Parshina K.S., Davydov A.S. Stroitel'stvo maloetazhnogo zhil'ya: zarubezhnyj opyt // Molodoj uchenyj. 2013. № 5. S.111-113.

9. Oktyabr'skij R.D., Starzhinskij E.A., Il'inec V.N. Energoeffektivnost' proektiruemyh zdanij. M.: GASIS. 2008. 17 s. // Rezhim

dostupa: http://dogend.ru/docs/index-

399288.html (Data obrashcheniya 20.03.2019).

10. Ekoenergetika v sovremennom stroitel'stve i arhitekture // Rezhim dostupa: https://econet.ru/articles/148681-ekoenergetika-v-sovremennom-stroitelstve-i-arhitekture (Data obrashcheniya 20.03.2019).

11. Fajst, V. Osnovnye polozheniya po proektirovaniyu passivnyh domov. M.: Izd-vo ASV, 2008. 68 s.

12. Chernysh N.D., Sidyakina A.Yu. Specifika formirovaniya arhitekturnoj gorodskoj sredy s uchetom planirovochnogo resheniya zdanij na primere ob"ektov grazhdan-skih obryadov // Vektor GeoNauk. 2018. T.1. №3. S. 65-72.

ABOUT THE POTENTIAL USAGE OF ALTERNATIVE ENERGY SOURCES IN THE FORMATION ENERGETICAL EFFICIENCY OF BUILDINGS

Chernish N.D., Sidyakina A. Yu.

Annotation: the article provides information about directions of modern energy development based on the use of renewable energy sources. It is caused by gradual decrease of natural resources, an increase in their prices. The sources of alternative energy used in Russia and the Belgorod region are considered. The advantages and disadvantages of using them are reflected. Also we can find the potential and level of usage of alternative energy sources in Belgorod region, their impact on energetical efficiency of objects.

Key words: renewable energy sources, alternative energetics, energy saving, energetical efficiency of buildings.

© Черныш Н.Д., Сидякина А.Ю., 2019

Черныш Н.Д., Сидякина А.Ю. О потенциале использования альтернативных источников энергии в формировании энергоэффективности зданий // Вектор ГеоНаук. 2019. Т.2. №2. С. 38-44.

Chernish N.D., Sidyakina A.Yu., 2019. About the potential usage of alternative energy sources in the formation energetical efficiency of buildings. Vector of Geosciences. 2(2): 38-44.