CC BY
18ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, MATERIALS, SYSTEMS, AND INSTRUMENTS
Статья поступила в редакцию 04.07.11. Ред. рег. № 1068 The article has entered in publishing office 04.07.11. Ed. reg. No. 1068
УДК 620.92
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНЦЕПЦИИ АВТОНОМНОГО ЖИЛОГО ДОМА
В.В. Чемеков
Всероссийский Научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (495) 171-14-23, e-mail: viesh@dol.ru
Заключение совета рецензентов: 08.07.11 Заключение совета экспертов: 10.07.11 Принято к публикации: 12.07.11
При исследовании энергоэффективности систем автономного энергоснабжения индивидуального жилого дома, построенных на основе установок возобновляемой энергетики, стоит сложная задача описания реальных условий их функционирования. Анализ существующих вариантов конструкций жилых домов и их систем энергоснабжения, а также классификация современного индивидуального жилищного строительства по характерным признакам позволит выделить основные направления повышения энергоэффективности и как следствие определить направление развития систем автономного энергоснабжения. Разработанная концепция автономного жилого дома и моделирование, выполняемое в рамках этой концепции, позволяет определить оптимальную величину тепловой энергии необходимой для отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Результаты исследования дают представление о мерах по сокращению использования традиционной энергии и увеличению доли ВИЭ в автономных жилых домах.
Ключевые слова: энергоэффективность, автономный жилой дом, возобновляемые источники энергии, теплоснабжение, тепловой насос.
SUBSTANTIVE PROVISIONS OF THE CONCEPT OF AUTONOMOUS RESIDENTIAL BUILDING
V.V. Chemekov
All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture 2 Veshnyakovsky proezd, Moscow, 109456, Russia Tel.: (495) 171-14-23, e-mail: viesh@dol.ru
Referred: 08.07.11 Expertise: 10.07.11 Accepted: 12.07.11
At research energy efficiencies of systems of independent energy supply of the individual residential building, built on the basis of the equipment of renewable power engineering, there is a challenge of the description of an actual conditions of their operation. The analysis of existing alternatives of constructions of residential buildings and their systems of energy supply, and also grading of modern individual housing construction to characteristic tags will allow to select main routes of rise energy efficiencies and as consequence to define a direction of development of systems of autonomous energy supply. The developed concept of an autonomous residential building and the simulation executable within the limits of this concept, allows to define the optimal value of thermal energy necessary for heating and a hot-water supply. Results of research give representation about measures on abbreviation of usage of traditional energy and increase in a share of a RES in autonomous residential buildings.
Keywords: energy efficiency, autonomous residential building, renewable energy sources, heating, heat pump.
Вячеслав Викторович Чемеков
Сведения об авторе: аспирант, младший научный сотрудник ВНИИ электрификации сельского хозяйства.
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, энергоснабжение, энергоэффективность, автономный жилой дом. Публикации: 16.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Введение
Анализируя различные исследования [1, 2] особенностей индивидуального жилищного строительства в России, выполненные за последние годы, можно выделить несколько характерных типов домов, представляющих большую часть односемейного жилого фонда (табл. 1). Из мелких штучных блоков сегодня строится большая часть индивидуальных
домов. На данный момент около двух третей строящихся малоэтажных индивидуальных домов - кирпичные. Это объясняется тем, что долгое время в России единственным материалом для престижного загородного дома считался кирпич. Новыми технологиями увлекались чаще сами строители, заинтересованные в ускорении и удешевлении проекта, а покупатели до сих пор относятся к инновациям с подозрением.
Таблица 1
Классификация вновь возводимых объектов малоэтажной застройки по типу используемых строительных материалов
Table 1
Classification of newly built single-family houses by the type of building materials
Тип архитектурных систем Тип строительного материала Доля в общем объеме строительства, %
Каменные Кирпичные (силикатный, керамический) 63
Бетонные вибропрессованные блоки (керамзитобетонные, шлакоблоки) < 1
Ячеистый бетон (пенобетон, газобетон) < 1
Железобетон (монолитный, сборный) < 1
Деревянные Массив дерева (рубленые, оцилиндрованное бревно, брус, клееный брус) 14
Панельно-каркасные (деревянный каркас, металлический каркас) 11
Смешанные Кирпично-деревянные и др. 10
Доля деревянного домостроения существенно меньше кирпичного, однако на протяжении последних лет отмечается его активное развитие. Так, по данным маркетинговых исследований [3], объемы деревянного домостроения ежегодно показывают рост до 45%. На современном российском рынке можно обобщенно выделить два основных типа деревянных домов: из массивной древесины (рубленые, брусовые дома, дома из оцилиндрованного бревна и клееного бруса) и панельно-каркасные (в том числе щитовые).
Однако независимо от типа используемых строительных материалов все они обладают низким уровнем теплозащиты, вынуждая владельцев затрачивать на отопление значительные средства или отказываться от проживания за городом в зимнее время.
Анализируя имеющиеся данные, накопленные в ходе проектирования современного индивидуального жилья, можно определить основные требования по повышению энергоэффективности малоэтажных зданий в части архитектурно-строительных и инженерных решений.
Теплопотери через отдельные наружные элементы жилого дома во многом зависят от их теплоизоляционных качеств и площади ограждения. Чтобы понять, за счет чего можно сократить теплопотери дома, рассмотрим гистограмму, построенную по результатам теплотехнического расчета типового для Московской области кирпичного жилого дома общей площадью 200 м2 (рис. 1).
310,6 28801 | □ площадь, м2 ■ теплопотери, Вт |
204
164,7
51,5 3783 5606
4,4 537 2332
стены двери окна пол кровля
Рис. 1. Распределение теплопотерь жилого дома Fig. 1. The distribution of heat losses of residential building
Наибольшая площадь наружных ограждений приходится на наружные стены, поэтому их теплозащитные свойства во многом определяют параметры внутреннего микроклимата. Как правило, в домах с плохо теплоизолированными стенами теряется до 70% тепла.
Оконные и дверные проемы в общей площади наружных ограждений составляют наименьший процент. Однако они имеют худшую теплозащиту, поэтому через заполнения проемов теряется до 6-15% теплоты. В то же время небольшие затраты на повышение теплоизоляции этих элементов дают значительное сокращение расходов на отопление.
Потери тепла в землю через перекрытие первого этажа или пол цокольного этажа в большинстве случаев составляют до 10% общих теплопотерь. При строи-
тельстве дома зачастую теплоизоляция цокольного перекрытия и стен ниже уровня земли не выполняется.
Особенностью одно-двухэтажных домов в сравнении с многоэтажными зданиями является увеличение теплопотерь через кровлю, доля которой достигает 15-20%, а в некоторых случаях до 30% от общих теплопотерь. Это обусловлено тем, что при проектировании и строительстве индивидуальных малоэтажных домов не уделяется должного внимания теплоизоляции перекрытий верхнего этажа или чердачных перекрытий.
В итоге годовое энергопотребление на отопление такого дома составляет более 400-600 кВт-ч/м2 В то время как в европейских странах нормативом установлено годовое удельное потребление тепла не более 60-70 кВт-ч/м2, а в пассивных домах менее 15 кВт-ч/м2 в год. Кроме того, европейские строительные нормы и правила все более ужесточаются и стимулируют тем самым строительство домов, потребляющих еще меньше энергии и использующих энергию от возобновляемых источников. Для этого используется целая система льгот для застройщиков, решивших строить такой дом. А показатели расхода тепла, наряду со стоимостью 1 м2 жилья, являются ключевыми при выборе проекта дома.
Достижение нормативных показателей в Европе идет двумя путями. Первый связан с повышением
Классификация жилых зданий РФ по Classification of Russian residential build]
теплозащиты строительных конструкций, а второй включает еще и подбор комплекта возобновляемых источников энергии в сочетании с использованием энергоэкономной бытовой электротехники.
В России энергоэффективность жилых зданий определяется по классификации, представленной в табл. 2 [3]. Класс здания устанавливается в зависимости от величины отклонения расчетных или измеренных значений удельных расходов тепловой энергии на отопление здания от нормируемого значения, приведенного для соответствующего типа здания. К классам A, B и C относятся здания, проекты которых разработаны по действующим нормам. В процессе реальной эксплуатации энергетическая эффективность таких зданий может отличаться от данных проекта в лучшую (классы A и B) сторону. В случае выявления класса A и B рекомендуется применение органами местного самоуправления или инвесторами мероприятий по экономическому стимулированию. Классы D и E относятся к эксплуатируемым зданиям, возведенным по действующим в период строительства нормам. Класс D соответствует нормам до 1995 г. Эти классы дают информацию органам местного самоуправления или собственникам зданий о необходимости срочных или менее срочных мероприятий по улучшению энергетической эффективности.
Таблица 2
удельному расходу тепловой энергии
Table 2
tigs by specific consumption of heat energy
Обозначение класса Наименование класса энергетической эффективности Величина отклонения расчетного (фактического) значения удельного расхода тепловой энергии на отопление здания от нормативного, % Мероприятия, рекомендуемые органами администрации субъектов РФ
Для новых и реконструированных зданий
А очень высокий менее минус 51 экономическое стимулирование
В высокий от минус 10 до минус 50
С нормальный от плюс 5 до минус 9 —
Для существующих зданий
D низкий от плюс 6 до плюс 75 желательна реконструкция здания
Е очень низкий более 76 необходимо утепление здания в ближайшей перспективе
При проектировании и строительстве современных индивидуальных жилых домов необходимо выполнять требования к тепловой защите зданий для обеспечения комфортного для проживания микроклимата и в то же время минимального расхода тепловой энергии на отопление, горячее водоснабжение и вентиляцию. Основные условия комфорта состоят в том, что температура воздуха в спальных, прачечной и холлах принимается не более +19 °С, кухне и гостиной комнате +20 °С, ванных и санузлах +22 °С при температуре теплого пола во всех помещениях в
пределах +22...+34 °С. При этом подвижность и влажность внутреннего воздуха должна соответствовать требованиям нормативных документов. Температура горячей воды в системе ГВС принята равной +45 °С при минимально допустимой температуре в баке-водонагревателе +60 °С.
Для выполнения данных условий в рамках концепции необходимо определить основные требования, предъявляемые как к технологиям строительства автономного жилого дома, так и к особенностям систем теплоснабжения.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Повышенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций при проектировании индивидуального жилого дома следует принимать не менее нормируемых значений по градусо-суткам отопительного периода для соответствующего района строительства [3]. Однако во многих случаях, особенно при строительстве автономного жилого дома, экономически оправдано увеличение общего сопротивления теплопередаче ограждения сверх требуемых значений за счет применения новых эффективных теплоизоляционных материалов. Например, чтобы достичь уровня энергоэффективности класса В в средней полосе с числом градусо-суток 5000-6000, необходимо увеличить толщину теплоизоляции стен до 20 см. В этом случае приведенный коэффициент теплопередачи составляет примерно 0,40 Вт/м2К, тогда как в пассивных домах с достаточно хорошей теплоизоляцией эта величина равна 0,13 Вт/м2К.
Как видно из рис. 1, потенциал для снижения тепловых потерь есть и в других ограждающих конструкциях. Например, необходимо обеспечить хорошую теплоизоляцию бетонных полов и подземной части наружных стен для сокращения теплопотерь в землю. Так как передача теплоты через конструкцию пола является довольно сложным процессом, определить необходимое количество теплоизоляционных материалов можно по упрощенной методике расчета по зонам, подробно описанной в учебнике [4].
Учет внутренних теплопоступлений Принято считать, что вся энергия, затрачиваемая на освещение, переходит в теплоту, нагревающую воздух помещения, а это довольно существенная прибавка для энергоэффективного автономного дома. Поэтому при тепловом расчете теплопоступление от освещения, как правило, приравнивают к суммарной мощности источников света. Ежегодное же количество теплоты, полученное от электричества, может варьироваться в зависимости от типа источников света, используемого в здании, и при расчетах рекомендуется принимать по данным таблиц [5].
Выделение теплоты людьми зависит от вида деятельности и, следовательно, затраченной ими энергии, а также от температуры воздуха в помещении. Эти теплопоступления также играют существенную роль в тепловом балансе энергоэффективного дома, и при расчете их следует учитывать, пользуясь таблицами [6].
Вентиляция и инфильтрация
Систему вентиляции автономного жилого дома необходимо выполнять принудительной, в виде при-точно-вытяжной системы с обязательной утилизацией теплоты вытяжного воздуха. Только так можно обеспечить нормируемые параметры микроклимата в помещении [6] и значительно сократить расходы на отопление по сравнению с широко распространенной
нерегулируемой вытяжной вентиляцией. В системе с рекуперацией тепла реальная тепловая эффективность достигает 85%. При этом затраты энергии на вентиляцию минимальные, а выгода от сокращения расходов на отопление огромна.
При использовании вытяжной системы наружный воздух легче проникает через все отверстия в оболочке здания, однако с приточно-вытяжной вентиляцией тепло, скорее всего, будет уходить через эти отверстия. Поэтому в любом случае следует обеспечить высокую плотность и герметичность ограждающих конструкций. Например, для энергоэффективных домов с системой вентиляции общий объем проникающего воздуха при перепаде давления в 50 Па не должен превышать величины 0,1 м3/с, а для пассивных домов - не более 0,04 м3/с.
Система отопления
Наиболее оптимальной системой отопления для автономных энергоэффективных домов является система с водяным теплым полом. За счет более низкой температуры теплоносителя и большой теплоотдаю-щей поверхности пола, по сравнению с радиаторной системой, обеспечивается быстрое и равномерное распределение тепла. При этом минимальная температура воздуха в жилой зоне может быть снижена на 2 °С, а это как показывает моделирование, позволяет экономить до 12% энергии. Как правило, система с теплым полом работает в режиме включен/выключен, расход теплоносителя либо нулевой, либо равен максимальному. Если температура в помещении более чем на один градус ниже установленной, расход теплоносителя постоянный, а при превышении заданной температуры расход равен нулю. В интервале установленных температур теплоноситель циркулирует с периодичностью в 5-6 минут. Такая система регулирования отопления позволяет исключить перегрев помещения, а в теплый период отопление находится в режиме ожидания и при необходимости добавляет тепло в любое время года.
Теплый пол, являясь низкотемпературной системой, дает еще больше преимуществ при использовании теплового насоса в качестве основного теплогенератора.
Тепловой насос как основной теплогенератор в системе отопления
Тепловой насос (ТН), используемый в качестве основного теплогенератора, позволяет получать тепловую энергию для отопления и ГВС за счет использования низкопотенциального тепла грунта, грунтовых вод, озер, рек и тепла наружного воздуха и сократить при этом расход первичной энергии на 4565%. Практические исследования нескольких ТН, установленных в жилых домах, показывают, что в среднем коэффициент преобразования грунтовых ТН находится в интервале между 3,3 и 4,0, а воздушных - 2,6-3,1. Детальные исследования по повышению энергоэффективности систем энергоснабжения с использованием низкопотенциального тепла грунта и
ТН в климатических условиях России представлены в работе [5]. Геотермальные теплонасосные установки показывают высокую эффективность даже в холодном климате с температурами в зимний период ниже -30 °С. Воздушные ТН рекомендуется использовать только в южных регионах, где температура зимой опускается не ниже -15 °С, только в этом случае они могут покрыть потребности системы теплоснабжения [7].
Аккумулирование тепловой энергии Аккумулирование тепловой энергии в системе отопления автономного жилого дома - одна из важнейших задач. Необходимость аккумулирования связана в первую очередь с решением проблемы неравномерности в выработке и потреблении тепловой энергии, как по времени, так и по мощности. Исходя из этого, аккумуляторы должны иметь хорошо теплоизолированные емкости. В небольших домах тепловой аккумулятор для системы отопления и ГВС, как правило, совмещен в одном баке с целью экономии места. В некоторых случаях используется два бака-аккумулятора для каждой системы отдельно, что дает определенные преимущества. Тогда аккумулирующая емкость системы отопления обеспечивает согласование разности расходов через ТН и через отопительные контуры, а также резервный запас тепловой энергии. Аккумулятор для ГВС в свою очередь обеспечивает необходимый запас горячей воды. Большое значение при выборе аккумулятора следует уделить его объему, т. к. занижение объема ведет к ухудшению энергоэффективности, а завышение - к увеличению стоимости. Для выбора оптимального варианта рекомендуется пользоваться методикой, приведенной в [8], и данными производителей.
Использование возобновляемых источников энергии Учитывая требования полной автономности индивидуального жилого дома, необходимо максимально использовать имеющиеся ресурсы возобновляемой энергии. Так, в статье [9] приведен пример эффективного использования солнечных коллекторов для ГВС индивидуального жилого дома на основании исследований, выполненных автором. Полученные данные позволяют рассматривать использование солнечной энергии в хозяйственных целях не только как перспективу, но и как реальность, испытанную на практике. А тщательный подбор оборудования и обоснование параметров систем с солнечными коллекторами обеспечивают не только энергетическую, но и экономическую эффективность. Как показывают проведенные исследования, наиболее оптимальным вариантом для южных регионов является солнечная система с коллекторами площадью 8 м2 и баком объемом 1000 л. В этом случае доля солнечной энергии в нагрузке ГВС достигает 95%, а по некоторым оценкам в северных широтах может составлять не менее 50%.
Способы преобразования других ВИЭ достаточно хорошо изучены, а установки на их основе могут обеспечить высокую энергетическую и эксплуатационную эффективность. Вместе с тем улучшение стандартов строительства новых домов может значительно сократить потребление энергии. Все это создает благоприятные условия для комплексного использования ВИЭ, солнечной энергии для отопления и ГВС, ветровой энергии и энергии малых рек для электроснабжения бытовых потребителей и питания теплового насоса. Также перспективно использование установок с концентраторами солнечной энергии для одновременной выработки электрической и тепловой энергии. Все эти технологии комплексного использования ВИЭ нашли свое отражение в разработанной системе автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии [10].
Баланс энергии автономного жилого дома C учетом требований, изложенных выше, разработана структурная схема автономного жилого дома, представленная на рис. 2, и выполнено моделирование его энергопотребления в климатических условиях Краснодарского края [11]. Результаты моделирования представлены в табл. 3, а годовое распределение общего теплопотребления - на рис. 3. Полученные таким образом почасовые значения потребления энергии на отопление и ГВС в дальнейшем позволят определить оптимальную конфигурацию и характеристики основного оборудования системы теплоснабжения.
Таблица 3
Результаты моделирования годового энергопотребления энергоэффективного автономного жилого дома
Table 3
Modelling results of the annual energy consumption of autonomous residential building
Площадь дома, м2 295
Трансмиссионные теплопотери, кВт-ч/год 20 528,21
Теплопотери на вентиляцию, кВт-ч/год 2 773,64
Бытовые теплопоступления, кВт-ч/год 7 721,25
Поступление тепла от солнечной радиации через окна, кВт-ч/год 5 863,48
Теплопотребление в системе ГВС, кВт-ч/год 2 674,90
Полное потребление тепловой энергии, кВт-ч/год 16 295,22
Энергоэффективность здания зависит от многих факторов, начиная с того, насколько качественно построен дом, и заканчивая эффективностью используемого оборудования и систем теплоснабжения. Но наиболее важным и решающим фактором является
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
уровень теплоизоляции. Увеличение теплозащитных свойств ограждающих конструкций ведет к увеличению первоначальных капиталовложений при строительстве дома, однако в дальнейшем позволяет существенно сократить расходы как на саму систему теплоснабжения, так и на покупку энергии. В противном случае первоначальная экономия на тепло-
изоляции ведет к росту стоимости системы теплоснабжения и ежегодных расходов на покупку топлива. Поэтому имеет смысл определить оптимальный вариант, когда уровень теплоизоляции дома, стоимость системы теплоснабжения и ежегодные расходы на энергоносители позволяют минимизировать общие затраты.
Рис. 2. Схема для моделирования автономного жилого дома Fig. 2. Schemes for the modelling of autonomous residential building
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
месяц года
Рис. 3. График годового теплопотребления автономного жилого дома с классом энергоэффективности В Fig. 3. The schedule of the annual heat consumption of autonomous residential building with energy efficiency class B
Список литературы
1. Строительство в России. 2008: Стат. сб. М.: Росстат, 2008.
2. Маркетинговое исследование рынка деревянных домов (вер.9). Маркетинговая Группа «Текарт». http://www.research-techart.ru/research/.
3. СНиП 23-02-2003, «Тепловая защита зданий».
4. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1991.
5. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. 1. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1 / В.Н. Богословский, А.И. Пирумов, В.Н. Посохин и др.; Под. ред. Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1992.
6. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: монография. М.: Изд. дом «Граница», 2006.
7. Чемеков В.В. Оценка эффективности применения тепловых насосов типа «воздух-вода» для теплоснабжения индивидуальных жилых домов в климатических условиях Краснодарского края // Труды 7-й Международной научно-технической конференции (18-19 мая 2010 г., Москва, ГНУ ВИЭСХ). Часть 4. Возобновляемые источник энергии. Местные энергоресурсы. Экология. С. 293-298.
8. Гелиотехника Logasol для горячего водоснабжения и поддержки отопления / Документация для планирования и проектирования. Издание 02/2005. А6.01.1 «Будерус отопительная техника».
9. Харченко В.В., Чемеков В.В. Солнечная энергия для ГВС: от теории к практике // Аква-Терм. 2008. № 2 (42). С. 22-26.
10. Патент РФ № 2350847. Система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии / Стребков Д.С., Харченко В.В., Чемеков В.В. Заявка № 2007133731/03, 10.09.2007. Опуб. 27.03.2009 // Бюлл. № 9.
11. Чемеков В.В. Измерение метеорологических данных для проектирования систем энергоснабжения на основе ВИЭ. Возобновляемые источники энергии. Материалы Шестой всероссийской научной молодежной школы. 25-27 ноября 2008 г., Москва, Часть 2. С. 121-126.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
