ПЕРСПЕКТИВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ДЛЯ ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКИ ОДЕССЫ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

NAUKi PRZYRODNICZE - НАУКИ О ЗЕМЛЕ

ПЕРСПЕКТИВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ДЛЯ ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКИ ОДЕССЫ

Русева Я.П.

кандидат технических наук, доцент кафедры экологии пищевых продуктов и производств

Одесская национальная академия пищевых технологий

ENERGY SAVING PERSPECTIVES FOR RESIDENTIAL DEVELOPMENT OF ODESSA

Ruseva Y.P., Ph.D., Associate Professor of food industry ecology Odessa national academy of food technologies

АННОТАЦИЯ

Изучены возможности сокращения энергопотребления жилой застройкой г. Одесса на основе климатических условий и природных ресурсов местности. На основе этих данных предложены варианты повышения энергоэффективности энергетической системы города с использованием возобновляемых источников энергии.

ABSTRACT

The energy consumption reducing possibilities of Odessa residential buildings are studied on the basis of climatic conditions and natural resources of the area. On the basis of these data options to improve the energy efficiency of the city's energy from renewable energy sources are suggested.

Ключевые слова: энергоэффективность, энергосбережение, солнечные электростанции, ветрогенераторы, тепловые насосы.

Key words: energy efficiency, energy conservation, solar power plants, wind turbines, heat pumps.

Постановка проблемы. В последние годы при анализе положения нашей страны на макроэкономическом уровне все шире применяются специфические термины «энергетическая безопасность» и «эффективность энергопользования», охватывающие весь комплекс вопросов, связанных с надежностью энергообеспечения, социально-экономического развития государства на данный момент и перспективу [1, 74].

С градостроительных позиций есть практический смысл использовать эти емкие и содержательные понятия для оценки способности региональных и местных систем энергоснабжения обеспечивать развитие социальной, экономической и экологической сфер городов при воздействии внешних факторов, т.е. устойчивости функционирования и развития их энергетики.

Анализ последних исследований и публикаций. Экономическая эффективность энергопользования характеризуется величиной суммарных приведенных затрат (Зуд) по каждому звену энергетического процесса, отнесенных на единицу потребленной энергии [2, 61-66].

В настоящее время коэффициент полезного использования первичного энергоресурса (КПИ) и Зуд по городу не определяются, что не позволяет достоверно характеризовать уровень эффективности использования энергоресурсов. Применяемые ныне показатели — удельные расходы условного топлива и удельные затраты на производство тепловой и электрической энергии на энергоисточниках безусловно имеют важное практическое значение, однако они охватывают только генерирующее звено процесса энергоиспользования. Вне поля зрения остаются наиболее ущербные звенья, где потери энергии весьма велики, а стоимость этих потерь наибольшая: сети транспорта и конечного потребления энергии.

Отличие комплексных показателей энергетической и экономической эффективности от ныне применяемых весьма велико. Например, для существующих систем централизованного теплоснабжения с коэффициентом по-

лезного действия (КПД) генерирования тепловой энергии около 82% значение КПИ, включая значительные потери в тепловых сетях и через ограждающие конструкции зданий, составляет не более 45%.

Основным препятствием для применения комплексных показателей энергоэффективности в текущем управлении городским энергохозяйством и проектировании является отсутствие фактических данных по потерям и затратам в звеньях распределительного транспорта и потребления энергии. Необходимы значительные усилия, направленные на то, чтобы знать, где и сколько мы теряем энергии и во что эти потери обходятся [2, 94-98].

Однако, на данный момент авторы проектов, предлагая качественные архитектурно-планировочные решения, при освещении вопросов энергоснабжения вынуждены пользоваться материалами специализированных организаций энергетической отрасли, в которых на данный момент приоритет отдается централизованным системам энергоснабжения с крупными энергоисточниками, протяженными и дорогими энергосетями.

Среди комплекса мероприятий по обеспечению энергетической безопасности страны, направленных на повышение эффективности энергопользования, в первую очередь следует отнести [2, 132]:

- экологическое и экономическое обоснование использования местных энергетических ресурсов;

- повышение энергетической эффективности инженерной инфраструктуры населенных мест путем применения новейших технологий и сокращения потерь первичных ресурсов;

- обоснование применения индивидуальных и локальных систем энергоснабжения, конкурирующих с централизованным энергоснабжением;

- разработку дифференцированных критериев энергетической безопасности городов, согласующихся с энергетической политикой и состоянием энергоснабжения страны в целом.

По данным Минэнергоугольпрома Украины, общая установленная мощность электростанций в целом по стране на начало 2014 г. составляла 54,5 ГВт, из которых 51 % приходится на тепловые электростанции (ТЭС), 25 % атомные электростанции (АЭС), 10 % гидроэлектростанции и гидроаккумулирующие электростанции (ГЭС и ГАЭС), 12 % теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), блок-станции и другие объекты, около 2% на возобновляемые источники энергии, такие, как ветровые (ВЭС) и солнечные (СЭС) электростанции, что является катастрофически мизерным [3].

Как следствие, в проектных предложениях по развитию энергетики городов превалирует ориентация на существующую морально и технически устаревшую инфраструктуру, требующую либо огромных материальных вложений на реконструкцию, либо останется и дальше непозволительно расточительной и нерациональной.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. В условиях развивающейся рыночной экономики традиционный подход вступает в противоречие с реальной жизнью и в долгосрочных градостроительных проектах становится неприемлемым.

Поскольку генеральные планы рассматривают далекую перспективу развития городов, то при их разработке необходимо учитывать не только текущую ситуацию в энергоснабжении потребителей, но и сценарии развития систем энергоснабжения в будущем.

Непременным условием решений по обеспечению энергетической безопасности в городах должна стать высокая энергоэффективность и экологичность, способствующая привлечению инвестиций и развитию рыночных отношений в сфере энергоснабжения [4, 133-134].

Наиболее рациональным в развитии энергетики городов является использование местных энергетических ресурсов (МЭР) и ориентация на местные природно-климатические и гидрогеологические условия [5, 39-45].

В условиях городов к МЭР можно отнести три категории энергоресурсов.

1. Вторичные энергоресурсы (ВЭР) — горючие и тепловые отходы промышленных предприятий, низкопотенциальная теплота городских сточных вод, твердые бытовые отходы, механическая энергия сжатого природного газа и пр.

2. Местные топливные ресурсы — торф, древесное топливо, горючие отходы сельхозпроизводства, специально выращиваемое растительное топливо.

3. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии — гидроэнергия малых рек, энергия ветра, солнечная и геотермальная энергия, низкопотенциальная теплота наружного воздуха, грунта, подземных и поверхностных вод.

Экономическая целесообразность использования местных топливных ресурсов непосредственным образом зависит от их стоимости и затрат в альтернативные варианты топливоснабжения. Имеются резервы по снижению стоимости местных видов топлива, реализация которых возможна лишь при активном участии территориальной власти.

Повышение эффективности энергентической системы является актуальным и для г. Одесса, одного из горо-

дов-милионников Украины, а соответственно и одного из крупнейших потребителей энергетических ресурсов в стране.

Цель статьи. Изучить возможности сокращения энергопотребления жилой застройкой г. Одесса и предложить варианты повышения энергоэффективности энергетической системы города с использованием возобновляемых источников энергии.

Изложение основного материала. На сегодняшний день энергоснабжение города происходит от централизованных систем электро-, газо- и теплоснабжения.

Основную часть электричества Одесса получает от нескольких крупных электростанций страны (Южноукраинской АЭС, Каховская ГЭС и Днестровской ГЭС мощностью 2850 МВт, 351 МВт и 702 МВт, соответственно), а небольшая часть энергии закупается из Молдовы. Остальное электричество город получает от теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) мощностью 32 МВт [6].

Газоснабжение в городе также централизовано как и во всех крупных городах Украины. До недавних пор развитие газификации было основным в процессе урбанизации территорий и удовлетворения потребностей населения в источниках топлива. Однако, в связи со значительным ростом стоимости этого вида топлива стал актуальным поиск других его источников.

Централизованные системы теплоснабжения с теплоэ-летроцентралями, районными котельными и протяженными тепловыми сетями также были и остаются доминирующими и в нашем городе. В то же время за последнее десятилетие энергетическая и экономическая эффективность этих систем заметно упала как в результате сокращения тепловых нагрузок потребителей, изношенности тепловых сетей, так и вследствие ухудшения показателей работы оборудования.

Одновременно с этим у потребителей тепловой и электрической энергии появилась возможность создавать собственные индивидуальные энергоисточники, и число их стало интенсивно возрастать.

В любом случае при выборе типа топливных источников и вида систем электро- и теплоснабжения необходимы технико-экономические расчеты, обосновывающие степень их централизации в городе на перспективу.

Город Одесса расположен на юге Украины на берегу Черного моря (соленость - 13г/л). В связи с этим, в целом климат Одессы умеренно континентальный с мягкой зимой и теплым (иногда знойным) летом [7].

Среднегодовая температура воздуха составляет 10,1 °С, наиболее низкая она в январе ( 1,7 °С), наиболее высокая - в июле (+21,4 °С). В последние 100-120 лет температура воздуха в Одессе, равно как и в целом на Земле, имеет тенденцию к повышению. На протяжении этого периода среднегодовая температура воздуха повысилась по меньшей мере на 1,0 °С.

Наибольшая скорость ветра наблюдается в январе-феврале и в среднем составляет 4,6 м/с, а наименьшая в июне-июле (3,2 м/с). Наибольшую повторяемость в Одессе имеют северные ветры, а наименьшую - юго-восточные.

Наименьшая облачность наблюдается в августе, а наибольшая - в декабре. В среднем в год наблюдается около

53 ясных, 185 облачных и 128 пасмурных дней, при чем основной период ясной погоды наблюдается с мая по октябрь.

В связи с этими данными, перспективными направлениями развития энергосберегающего градостроительства является использование возобновляемых источников энергии для индивидуального энергоснабжения, таких как:

- солнечная энергия;

- ветровая энергия;

- осмотическая энергия;

- энергия кипения низкотемпературных жидкостей.

Солнечная энергия обладает рядом преимуществ, к которым можно отнести возобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии [8].

В связи с тем, что солнечная погода в Одессе наблюдается в течение теплого полугодия, применение солнечных батарей наиболее эффективно именно в это время, что являет-

ся недостатком в их использовании.

Для обеспечения частного дома электроэнергией, достаточной для освещения и работы приборов, нужно соединить 8-10 солнечных баратей размером 65 см на 100 см мощностью 150-160 Вт.

Вообще, чтобы обеспечить энегосистему квартиры в многоквартирном доме мощностью 1,5 кВт, достаточно солнечной батареи мощностью в 1 кВт. Для этого можно использовать стены домов с солнечной стороны здания.

Многочисленные практические эксперименты позволяют рекомендовать универсальную схему решения задач солнечной электростанций для разных городских объектов, в состав которой входят (рис. 1) [9]:

-модуль солнечных батарей на основе отдельных фотоячеек;

- контроллер;

- накопительные аккумуляторы электрической энергии;

- инвертор.

Рис. 1 - Схема индивидуальной солнечной электростанции

Для того, чтобы обеспечить непрерывность электрообеспечения здания круглогодично и не зависеть от интенсивности солнечного излучения, его суточного и сезонного ритма в схему вводят дополнительный источник электроэнергии. Таковыми могут быть центральная электросеть или дизель-генератор.

Но лучшим вариантом такого источника энергии может стать ветрогенератор (рис. 2). Это связано как с очевидными его экологическими преимуществами, так и с преобладанием ветренной погоды в Одессе именно в период ин-соляционной недостаточности, т.е. в холодное полугодие.

Чтобы заставить турбину работать, хватит ветра скоростью 2,5-3 м/с, поэтому ветрогенератор всегда будет подпитывать систему параллельно с солнечными батареями.

Планировочным решением для многоквартирных домов может стать расположение ветрогенераторов на крыше.

Преимуществом ветряного генератора является, прежде всего, то, что в ветряных местах, ветер можно считать неисчерпаемым источником энергии. Кроме того, ветроге-нераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами.

К недостаткам устройств по производству ветряной энергии можно отнести непостоянство силы ветра и малую мощность единичного ветрогенератора. Также ветро-генераторы известны тем, что производят много шума, вследствие чего их стараются строить вдали от мест проживания людей.

Рис. 2 - Схема индивидуальной ветро-солнечной электростанции

В связи с тем, что Одесса - это город у моря, существует еще один новый, но очень перспективный способ получения электроэнергии, который можно использовать для энергообеспечения города в целом [10, 34]. Это преобразование осмотической энергии в электрическую при опреснении морской воды, что сможет к тому же решить проблему недостатка пресной воды.

Расчеты показывают, что при солености морской воды 35 г/л за счет явления осмоса создается перепад давления 2 389 464 Паскаля или около 24 атмосфер. На практике это эквивалентно плотине высотой 240 метров.

Но кроме давления еще очень важной характеристикой является селективность мембран и их проницаемость. Ведь турбины вырабатывают энергию не от перепада давления, а благодаря расходу воды. Подходящая осмотическая мембрана должна выдерживать давление, превышающее в 20 раз давление в привычном водопроводе. При этом иметь высокую пористость, но задерживать молекулы солей. Совершенствование структуры дешевого полиэтилена позволило создать конструкцию спиральных мембран, пригодных для использования в производстве осмотической энергии.

Это направление развития энергетики имеет очевидные преимущества, но на данный момент находится на стадии исследования.

Чтобы избежать негативных последствий и достигнуть мировых стандартов в теплообеспечении индивидуального жилья, необходимо предпринять активные усилия по снижению теплопотерь.

К таким элементам для нашего города, прежде всего, следует отнести установление оптимальных пропорций в развитии централизованного и децентрализованного теплоснабжения, определение величины и обоснованных масштабов использования местных энергетических ресурсов.

Сверхнормативные тепловые потери в сетях в настоящее время оплачиваются потребителями и мало волнуют централизованную систему в части их устранения. Предлагаемый системный подход делает это обстоятельство наглядным и обосновывает необходимость совершенствования самих децентрализованных систем, в частности применяя

тепловые насосы. Последние, являясь экологически чистыми источниками теплоснабжения, могут размещаться непосредственно у потребителя, что не только исключает тепловые потери в сетях, но и повышает КПД процесса генерирования теплоты до уровня, при котором использование электрической энергии оказывается энергетически и экономически обоснованным [11].

Тепловой насос забирает низкотемпературное тепло подземного источника, чтобы отдать его отопительной системе дома. Из чего это тепло извлекать, для теплового насоса не имеет значения. Для него годятся и грунт, и подземные воды, и вода со дна ближайшей реки. Единственное требование: температура этого источника не должна круглый год опускаться ниже 1 °С. Все, что теплее этой отметки, подходит, чтобы тепловой насос его тепловую энергию выжал, усилил, и заставил работать на обогрев дома.

Стабильным источником тепла является грунт. Его способность сначала накапливать энергию солнца, а потом подолгу ее хранить, обеспечивает одинаковую температуру земли на глубине, распложенной ниже точки промерзания. Грунтовая вода также хорошо хранит однажды полученное от солнца тепло. На большой глубине ее температура держится на отметке +4 °С, это означает, что она может быть эффективным теплоносителем. Чтобы заставить это тепло работать на обогрев дома, на участке бурится скважина, куда опускают трубу теплового насоса.

Образно говоря тепловой насос - это «холодильник наоборот» (рис. 3). Кипящие при низкой температуре жидкости (фреон, углекислота и другие), циркулирующие во внешнем коллекторе на глубине 1,5-2,0 м получают тепло от земли (0 +2 °С) и закипают.

По трубам газ поступает в дом. Компрессор сжимает газ, газ при конденсации выделяет тепло, которое нагревает циркулирующий через тепловой насос теплоноситель (вода, антифриз). Нагретая жидкость поступает в бойлер-термос, от которого с помощью циркуляционных насосов теплоноситель поступает в коллектор теплого пола или в батареи. Так как температура теплоносителя (без дополнительного электроподогрева) невысока 40-50 °С, то наиболее эффективным будет применение в качестве системы отопления водяных теплых полов.

Рис. 3 - Схема теплового насоса

Экологические преимущества теплового насоса по сравнению с традиционным отоплением:

- снижение использования добываемой энергии на 34%;

- уменьшение выбросов СО2 на 62%;

- снижение периодических затрат на эксплуатацию зданий (обслуживание) на 44% по сравнению с системами отопления, основанными на газовых бойлерных установках.

Выводы и предложения. Сверхнормативные тепловые потери в сетях в настоящее время оплачиваются потребителями и мало волнуют централизованную систему в части их устранения. Предлагаемый системный подход делает это обстоятельство наглядным и обосновывает необходимость совершенствования самих децентрализованных систем, в частности применяя тепловые насосы. Последние, являясь экологически чистыми источниками теплоснабжения, могут размещаться непосредственно у потребителя, что не только исключает тепловые потери в сетях, но и повышает КПД процесса генерирования теплоты до уровня, при котором использование электрической энергии оказывается энергетически и экономически обоснованным.

Не смотря на то, что внедрение таких мероприятий для повышения энергоэффективности городской застройки довольно дорогостоящее, это имеет ряд как экологических так и экономических преимуществ:

- сокращение или полное отсутствие отрицательного воздействия на окружающую среду процесса выработки энергии;

- в среднем срок окупаемости таких источников энергии составляет около 15 лет, но по истечении данного срока, вложения практически отсутствуют еще в течение порядка 10 лет;

- стоимость 1 кВт такой энергии примерно в 1,5-2 раза ниже традиционной;

- полная независимость от государственных изменений в сфере энергетики.

Практическая ценность комплексного подхода к показателям энергоэффективности состоит в том, что они являются индикатором эколого-энергетической безопасности

функционирования и развития городов и показывают, где сосредоточены основные резервы энергосбережения, открывают возможность оптимального вложения финансовых средств по звеньям энергетического процесса. Кроме того, используя показатели энергоэффективности, можно сопоставлять различные города по уровню энергопотребления и оценивать эффективность предлагаемой стратегии развития их местной энергетики и энергосбережения.

Список литературы

1. Воропай Н.И. Энергетическая безопасность - надежность систем энергетики - надежность энергоснабжения: соотношение понятий и аспектов исследования [Текст] / Н.И. Воропай, Л.Д. Криворуцкий, Н.И. Пяткова // Мет. вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Мурманск, 1996. Вып. 48. С. 74-80.

2. Борголова Е.А. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности: Учеб. пособие для ответственных за энергосбережение [Текст] / Е.А. Борголова, Ф.Ф. Лавриненко, Ю.Ф. Тихоненко, А.В. Стежко, В.А. Брянцев, М.К. Агеев, Ю.Г. Жокин. - Москва, 2013. - 349 с.

3. Эффект рикошета, или как избежать кризиса неплатежей в энергетике Украины [Электронный ресурс], 2015. URL: http://gazeta.zn.ua/energy_market/effekt-rikosheta-ili-kak-izbezhat-krizisa-neplatezhey-v-energetike-ukrainy-_.html

4. Карпов В.Н. Новаторство в высшем энергетическом образовании АПК и решение отраслевой энергетической проблемы [Текст] / В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев // Успехи современного естествознания, 2012. № 12. С. 133-134.

5. Иванух Р. Природно-ресурсный потенциал Украины и пути повышения эффективности его использования [Текст] / Р. Иванух, Б. Данилишин // Экономика Украины, 1995. №11. С.39-45.

6. Лозинский В.М. Светить всегда [Электронный ресурс] / В.М. Лозинский, В.Н. Колесников, Е.С. Катков // Энергетика и Электрификация, 2001. № 9. URL:http://www. oblenergo.odessa.ua/index.php/ua/about/istoriya

7. Вишневским В.И. Климат Одессы [Электронный ресурс], 2007. URL: http://www.meteoprog.ua/ru/climate/ Odesa/

8. Технические характеристики основного оборудования и принцип работы солнечной электростанции [Электронный ресурс], 2005. URL: http://cetus.org.ua/princip-raboty-pv-station.html

9. Схемы работы солнечной электростанции [Электронный ресурс], 2014. URL: http://www.termocool.ru/products/ shemy-raboty-solnechnoj-elektrostantsii

10. Алексеев Б.А. Возобновляемые источники энергии за рубежом [Текст] / Б.А. Алексеев //Энергетика за рубежом. Приложение к журналу «Энергетик». - 2005. - С. 33-42.

11. Принцип работы теплового насоса: как преобразовывает тепло, схема и устройство [Электронный ресурс], 2014. URL: http://term.od.ua/blog/princip-raboti-teplovogo-nasosa/