CC BY
76
ВЕСТНИК лтчп.11
10/2013
УДК 628.8:697.1
Е.Г. Соловьёва, А.Н. Кондратенков
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЯ В УСЛОВИЯХ II КЛИМАТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ
Даны краткое описание и сравнительный анализ стоимости устройства и эксплуатации основных видов альтернативных источников энергии для одноквартирного жилого дома. Представлена новая схема автономной системы энергоснабжения здания. Материалы статьи будут полезны при определении электрической нагрузки и при выборе целесообразной системы, обеспечивающей максимально автономное энергоснабжение одноквартирного дома.
Ключевые слова: ветроэлектрическая установка, солнечные панели, тепловой насос, инверторный кондиционер, альтернативные источники энергии, автономная система энергоснабжения.
Глобальное изменение климата, связанное с выбросами СО2 в результате сжигания топлива для получения электроэнергии, проявило необходимость проектирования новых типов домов, а именно проектирования зданий с «нулевым» (максимально приближенных к нулевому) энергопотреблением. Технологии этих зданий получили наибольшее развитие в Европе (в частности, в Германии), где преобладает теплый и мягкий климат. На территории средней полосы России во II климатической зоне (Московская, Псковская, Вологодская и другие области) климатические условия более суровые, чем в Европе.
Исходя из вышеперечисленного, необходимо проанализировать возможности использования существующих альтернативных источников энергии на предмет создания автономной системы энергоснабжения одноквартирного жилого дома в условиях II климатической зоны. Для этого необходимо рассчитать энергопотребление дома на семью и рассмотреть возможности каждого альтернативного источника по автономному обеспечению энергией этого дома.
Чтобы знать, на какие мощности необходимо подбирать электрооборудование при автономном энергообеспечении дома, необходимо определить реальные потребности в электроэнергии проживающей в доме семьи. В табл. 1 приведены расчеты энергопотребления индивидуальных домов на семью с разным демографическим составом.
Стоит отметить что, электрокотел — основной потребитель электроэнергии в автономном доме. Он работает 214 дней в году (СНиП 23-01—99* «Строительная климатология»). Потребляемая мощность котла в течение этих восьми месяцев будет неравномерной. В начале и в конце отопительного сезона требуемая мощность минимальна, в середине зимнего периода — мощность максимальна. Нужно также учесть, что котел работает не круглые сутки, а с перерывами.
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология УЕБТЫНС
_мвви
Табл. 1. Энергопотребление семьи с разным демографическим составом, чел.
Источник потребления Мощность мах, кВт Использование, ч в сут Энергопотребление, кВтч
В сутки В месяц В год
5 3 5 9 3 5 9 3 5 9 3 5 9
Уличное светодиодное освещение 0,41 3 3,5 5 1,04 1,42 2,61 31,8 43,3 79,6 382 520 955
Внутреннее освещение энергосберегающими лампами 0,44 12 12 14 4,44 5,33 7,77 135 163 237 1625 1950 2844
Холодильник 0,1 24 24 24 1,2 2,4 3,6 36,6 73,2 110 439 878 1318
Электроплита 1 1 2 3 1 2 6 30,5 61 183 366 732 2196
Вытяжка 0,08 1 2 3 0,08 0,16 0,3 2,44 4,88 9,15 29,3 58,6 110
Стиральная машина 2,5 0,3 0,6 1,2 0,75 1,5 3 22,9 45,8 91,5 275 549 1098
Посудомоечная машина 1,5 1 2 4 1,5 3 6 45,8 91,5 183 549 1098 2196
Чайник 1,5 0,6 0,8 1,2 0,9 1,2 1,8 27,5 36,6 54,9 329 439 659
Пылесос 2 0,1 0,2 0,5 0,2 0,4 1 6,1 12,2 30,5 73,2 146 366
Утюг 1,5 0,1 0,2 0,4 0,15 0,3 0,6 4,6 9,15 18,3 54,9 110 220
Парогенератор 2 0,1 0,2 0,4 0,2 0,4 0,8 6,1 12,2 24,4 73,2 146 293
Блендер 0,6 0,1 0,2 0,4 0,06 0,12 0,24 1,83 3,66 7,32 21,96 44 88
Телевизор 0,3 16 16 16 2,4 4,8 7,2 73,2 146 219,6 878 1756 2635
Компьютер 0,6 16 16 16 6,4 9,6 16 195 293 488 2342 3514 5856
Видеопроигрыватель 0,04 2 3 5 0,08 0,12 0,2 2,44 3,66 6,1 29,3 44 73,2
Акустическая система 0,06 2 3 5 0,12 0,18 0,3 3,66 5,49 9,15 43,9 66 110
Дрель 1 0,2 0,3 0,4 0,2 0,3 0,4 6,1 9,15 12,2 73,2 110 146
Лобзик 1,2 0,2 0,3 0,4 0,24 0,36 0,48 7,32 10,9 14,6 88 132 176
Бормашинка 1,2 0,1 0,2 0,3 0,12 0,24 0,36 3,66 7,32 10,98 43,9 87,8 132
Кондиционер 1,5 2 2 2 2 3 5 61 91,5 152,5 732 1098 1830
Насос системы водоснабжения 0,8 6 6 6 2,4 4,8 7,2 73,2 146 219,6 878 1756 2635
Бойлер 15 4,26 4,78 6,41 25 40 75 760 1200 2286 9116 14380 27435
Циркуляционный насос 0,2 2 2 2 0,4 0,4 0,4 12,2 12,2 12,2 146,4 146 146,4
Установка биоочистки 0,114 6 6 6 0,48 0,68 1 14,6 21 33,5 175,6 250 402
X 51 83 147 1564 2523 4494 18769 30273 53933
ВЕСТНИК лтчп.11
10/2013
Время, ч, необходимое для нагрева воды в баке накопительного водонагревателя определяется по формуле
'ь - и
Т = 0,001163^ -1—1
Ж
где 0,001163 — удельная теплоемкость воды, кВт • ч; Т — время нагрева, ч; V — объем бака, л; и2 — температура на выходе водонагревателя, °С; и1 — температура на входе в водонагреватель; Ж — мощность, кВт.
В соответствии с прил. 3 СНиП 2.04.01—85* «Внутренний водопровод и канализация зданий. Системы внутреннего холодного и горячего водоснабжения», норма расхода воды потребителями для жилых зданий составляет 300 л/ сут на человека, из которых 105 л/сут используется на горячее водоснабжение.
Годовой расход электричества — 214Тю, где ю — удельная мощность котла, кВт.
С учетом того, что на 10 м2 требуется 1 кВт электроэнергии, для дома площадью отапливаемой части 150 м2 потребуется котел с удельной мощностью 15 кВт.
Принимаем расчетную эквивалентную мощность энергоснабжения: 3000 кВтч в мес. Подбираем оборудование и сравниваем альтернативные системы энергоснабжения. Результаты приведены в табл. 2.
Табл. 2. Сводная сравнительная таблица систем альтернативной энергии
Система Потребляемая мощность Выходная мощность Стоимость устройства, тыс. р. Срок службы, лет Эксплуатационные расходы Окупаемость системы, лет Недостатки системы
Солнечные панели — 4 6800* 30 Смена аккумуляторных батарей каждые 12 лет 53,6 Снижение эффективности работы фотоэлектрических элементов до 0,9 за год
Ветрогене-раторы — 4 769 15...25 То же 6,28 Шум от ветроустановок с горизонтальной осью
Солнечный коллектор — 4 610 Не менее 15 — 4,8 —
Воздушный тепловой насос 3 9 274 15.20 — 2,16 Высокая пусковая мощность. 0,25 от вырабатываемой энергии. Низкая эффективность при температурах ниже -15 °С
Грунтовый тепловой насос 3 9 402,5 50 Антифриз 3,18 Требует большой участок, не имеющий посадок
Грунтовый зонд 1,86 8,26 494 до 80 То же 3,9 Дороговизна устройства, сложность проведения ремонтных работ
*Расчет проводился исходя из условий самого пасмурного дня.
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология УЕБТЫНС
_мвви
Итак, системы, работающие в условиях II климатической зоны, можно разделить на две группы:
1) системы, обеспечивающие электроснабжение объекта:
солнечные панели;
ветрогенераторы.
2) системы, работающие на отопление здания:
солнечные коллекторы;
воздушный тепловой насос;
грунтовый тепловой насос неглубокого заложения;
грунтовый зонд.
Из табл. 2 видно, что владелец дома с альтернативными источниками энергии в среднем через 5 лет каждый год будет иметь дивиденды порядка 120 тыс. р.
У всех систем есть один большой и общий недостаток — они не могут «в одиночку» обеспечить автономное энерго- и теплоснабжение.
Предлагается новая система энергоснабжения, основанная на сокращении электропотребления за счет перехода на отопление с помощью теплового насоса. Таким образом, существенно сокращается нагрузка на электросеть. В сравнении с домом, отапливаемым напрямую от электросети, дом, оборудованный системой отопления от теплового насоса, будет в 4...5 раз меньше потреблять электричества на отопление. И с учетом коэффициента преобразования расход на отопление для дома на 5 человек составит 0,25 760 = 190 кВтч. Таким образом, по табл. 1 ежемесячное потребление коттеджа 1564 - 760 + 190 = 994 кВтч в мес., 33 кВтч — в сут, 1,4 кВтч — почасовое потребление.
Так как система энергоснабжения работает совместно с системой аккумуляторов, необходимо учесть также факт, что наиболее недолговечными являются аккумуляторные батареи. Срок их службы (в нашем случае) составляет 12 лет в буферном режиме, т.е. дозарядка аккумуляторов должна производиться постоянно, в бесперебойном режиме (рис. 1).
Ветроустановка Солнечные панели Аккумулятор Грунт. ТН Бытовые приборы Отопление Горячее водоснабжение
Рис. 1. Схема предлагаемой системы автономного энергоснабжения
Чтобы определить «пробелы» в работе нашей системы электроснабжения, состоящей из ветроустановки и системы солнечных панелей, соединим графики инсоляции и скорости ветра для Московского региона. Благо, коллеги [2] уже потрудились, распределение среднедневных сумм солнечной радиации и скорости ветра в течение года, характерные для данного места, приведены на рис. 2.
ВЕСТНИК
МГСУ-
10/2013
Рис. 2. Годовые среднедневные распределения сумм солнечной радиации (круглый маркер) и скорости ветра (треугольный маркер) [1, с. 70—76]
Из рисунка видно:
1) подобранный ветрогенератор включается и начинает вырабатывать энергию при скорости ветра 1,5 м/с. Дней с меньшими ветрами в году (значения под нижней жирной сплошной линией) немного и все они находятся в хорошо инсолируемом периоде — летом (прямоугольник, выделенный штрих-пунктирной линией). Но, чтобы ветрогенератор выдавал номинальную мощность скорость ветра должна быть 6,5 м/с. Расчетной при определении мощности ветроэлектроустановки будет являться средняя скорость ветра (жирная пунктирная линия) за отопительный период (прямоугольные области выделенные сплошной жирной линией);
2) однако дней со скоростью менее среднего значения довольно много, будет возникать дефицит поступления электроэнергии. Поскольку за летний период солнечной энергии поступает достаточно для компенсации недостаточности электроэнергии, вырабатываемой ветрогенератором, подбор количества солнечных панелей будем вести в диапазоне отопительного периода.
Анализируя график на рис. 3, можно определить, что солнечные панели за отопительный период максимально вырабатывают 45 % от номинальной мощности. Таким образом, мощность солнечной панели SunwaysFSM составит 0,45 230 Вт7 ч = 0,725 кВтч в сут. А, учитывая суточное электропотребление отопительной системы коттеджа на 5 человек в 33 кВтч, нам потребуется 33 кВтч/0,75 кВтч = 46 панелей общей стоимостью 4611 тыс. р. = 506 тыс. р. без стоимости монтажа и контроллера.
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология
VESTNIK
MGSU
0,70
I 0,60
01
* 0,50
Л
1 0,40
LC
S 0,30
"I 0,20
é 0,10 0,00
Рис. 3. График выработки энергии от солнечной панели (кривая — данные по месяцам, прямая — среднегодовая выработка) [2]
Выясним стоимость основного источника электроэнергии — ветроуста-новки.
Средняя скорость ветра за отопительный период в Московской области составляет 5 м/с. Выбранная нами ветроэлектроустановка начинает вырабатывать электричество при скорости ветра, равной 1,5 м/с, а номинальную мощность вырабатывает при скорости 7,5 м/с. Значит, КПД ветроэлектической установки (ВЭУ) при средней скорости ветра будет 0,7. Требуемая номинальная мощность ВЭУ составит 1,4 кВтч/0,7 = 2 кВтч.
Итого нам потребуется 2 комплекта ветроустановки Sokol Air Vertical-1 кВт [3] общей стоимостью 2-144 тыс. р. = 288 тыс. р. С учетом стоимостей аккумуляторных батарей, инвертора, монтажных и пусконаладочных работ общая стоимость ВЭУ составит 507 тыс. р.
Стоимость устройства системы автономного отопления и горячего водоснабжения (ГВС) на основе грунтового зонда составит 665 тыс. р.
Общая стоимость устройства систем автономного электро- и теплоснабжения дома на 5 человек составит 1699,6 тыс. р.
Срок окупаемости составит 13,4 лет.
Срок службы системы электроснабжения составляет 20.. .30 лет, грунтового зонда — 80 лет. Очевидно, что через 13 лет автономная система электро- и теплоснабжения начинает работать на владельцев дома, принося (или экономя) ежегодно 130 тыс. р. Основным эксплуатационным расходом каждые 12 лет остаются аккумуляторные батареи.
Библиографический список
1. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания // АВОК-ПРЕСС. 2003. Режим доступа: http://www.abokbook.ru. Дата обращения: 11.03.13.
2. Бродач М.М. Инженерное оборудование высотных зданий // АВОК-ПРЕСС. 2011. Режим доступа: http://www.abokbook.ru. Дата обращения: 21.03.13.
3. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий // АВОК-ПРЕСС. 2012. Режим доступа: http://www. abokbook.ru. Дата обращения: 28.03.13.
4. Попель О.С. Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии // Энергосбережение. 2006. № 3. Режим доступа: http://www.abok.ru. Дата обращения: 29.12.12.
Годичный график. кВт ч/день
4
Яне Фев Man Апр Май Итон Июл Авг Сен Окт Ноя Дек
ВЕСТНИК ,n/on4.
10/2013
5. Солнечная батарея ФСМ-150 / Фабрика Тока — резервное и автономное электроснабжение. Режим доступа: http://www.fabrikatoka.ru. Дата обращения: 02.12.12.
6. Ветрогенератор Sokol Air Vertical — 1 кВт / Энергетическая компания «Энергия Дисижн». Режим доступа: http://www.e-ds.ru. Дата обращения: 29.11.12.
Поступила в редакцию в сентябре 2013 г.
Об авторах: Соловьёва Елена Георгиевна — аспирант кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, elenasolovyova@mail.ru;
Кондратенков Анатолий Наумович — кандидат технических наук, профессор кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, elenasolovyova@mail.ru.
Для цитирования: Соловьёва Е.Г., Кондратенков А.Н. Система автономного энергоснабжения здания в условиях II климатической зоны // Вестник МГСУ 2013. № 10. С. 200—207.
E.G. Solovyova, A.N. Kondratenkov
INDEPENDENT POWER SUPPLY SYSTEM OF A BUILDING IN THE SECOND CLIMATE ZONE
The article contains a brief description and comparative analysis of the organization and maintenance cost of alternative energy sources for a single-family house in the second climate zone conditions. For this aim, building energy consumption was calculated taking into account different family demography. Equivalent power supply of the building was admitted and on its basis the cost and payback of alternative energy systems were calculated. These energy systems are: solar panels and air-source heat pumps, ground-source probe and ground-source solar collectors, wind turbines, heat pumps. Comparative analysis was carried out using the following parameters: input and output power, device cost, service life, payback, operating costs and system drawbacks. Existing alternative sources of energy for individual dwelling can be divided into two basic groups: providing power supply and accumulating heat energy. Systems payback average time makes up 5 years. But all the systems have one common and essential drawback — they cannot provide independent energy and heat supply «sin-gle-handed». A new total energy system layout is presented. The principle of power supply system operation is based on compensation of the shortage of energy produced by another source. In our case solar panels and wind turbines are interchangeable. Calculation of a system generating electricity from solar panels was made in case that panels generate maximum 45 % of nominal output during heating season. The system operating with the help of wind turbine is calculated assuming that average wind velocity during heating season in Moscow region is 5 meters per second. Thermal energy is provided from ground-source heat pumps. Arrangement cost of indirect heating system and hot water supply on the basis of ground-source probe will be 665 000 rubles. Total cost of arrangement of independent power-and-heat supply system for a dwelling having 5 residents makes up 1699,6 thousand rubles. Payback time is 13,4 years. The article can be useful for power load determination and for appropriate system choice, that provides maximum independent energy supply for a single-family house.
Key words: wind turbines, solar panels, heat pump, inverter air conditioner, alternative sources, independent power supply system.
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология
VESTNIK
MGSU
References
1. Tabunshchikov Yu.A., Brodach M.M., Shilkin N.V. Energoeffektivnye zdaniya [Energy-saving Buildings]. AVOK-PRESS Publ., 2003. Available at: http://www.abokbook.ru Date of access: 11.03.13.
2. Brodach M.M. Inzhenernoe oborudovanie vysotnykh zdaniy [Technical Equipment of High-rise Buildings]. AVOK-PRESS Publ., 2011. Available at: http://www.abokbook.ru Date of access: 21.03.13.
3. Tabunshchikov Yu.A., Brodach M.M. Matematicheskoe modelirovanie i optimizatsiya teplovoy effektivnosti zdaniy [Mathematical Modeling and Optimization of Heat Efficiency of Buildings]. AVOK-PRESS Publ., 2012. Available at: http://www.abokbook.ru Date of access: 28.03.13.
4. Popel' O.S. Avtonomnye energoustanovki na vozobnovlyaemykh istochnikakh energii [Independent Power Supply Systems Using Renewable Energy Sources]. Energosberezhe-nie [Energy Efficiency]. 2006, no. 3. Available at: http://www.abok.ru Date of access: 29.12.12.
5. Solnechnaya batareya FSM-150 [Solar Panel FSM-150] Fabrika Toka — rezervnoe i avtonomnoe elektrosnabzhenie [Cur Factory — Standby and Independent Power Supply], Available at: http://www.fabrikatoka.ru Date of access: 02.12.12.
6. Energy Company "Energy Decision". Vetrogenerator "Sokol Air Vertical - 1 kVt" [Wind Turbine "Sokol Air Vertical — 1 kW]. Available at: http://www.e-ds.ru Date of access: 29.11.12.
About the authors: Solovyova Elena Georgievna — postgraduate student, Department of Architecture of Civil and Industrial Buildings, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoye shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; elena-solovyova@mail.ru;
Kondratenkov Anatoliy Naumovich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Architecture of Civil and Industrial Buildings, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoye shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; elenasolovyova@mail.ru.
For citation: Solovyova E.G., Kondratenkov A.N. Sistema avtonomnogo ener-gosnabzheniya zdaniya v usloviyakh II klimaticheskoy zony [Independent Power Supply System of a Building in the Second Climate Zone]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 10, pp. 208—215.
