В настоящее время цены на энергоносители постоянно повышаются, соответственно, растет цена на тепло и электрическую энергию. Общая жилая площадь используемых зданий в России равна 5 млрд кв. метров. На отопление только жилых домов расходуется 400 млн тонн условного топлива в год или более одной трети добываемых энергоресурсов страны. Эта проблема особенно остро стоит в сельской местности, в которой зачастую отсутствует газоснабжение и теплоснабжение от магистральных газопроводов и теплопроводов, а также существуют перебои с электроснабжением. Поэтому строительство недорогого энергоэффективного комфортабельного жилья является важной задачей для привлечения молодых специалистов в сельскую местность.
Цель исследования – установление экономической эффективности применения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для энергоснабжения энергоэффективного дома в сравнении с традиционными видами энергии.
Энергоэффективный комфортабельный экологический дом — это сооружение, целью которого является обеспечение комфортных условий для проживания людей, минимальное энергопотребление и соблюдение экологической безопасности для окружающей среды [1].
В энергоэффективном доме используются технологии, направленные на:
- снижение потерь тепла;
- рациональное использование энергоресурсов;
- самостоятельную выработку электроэнергии;
- внедрение автоматизированных систем управления.
Первые проектами энергоэффективных домов занялись в США. В настоящее время наиболее успешно ведется работа по строительству энергоэффективных зданий в Европе - регионе, самом зависимом от ввозимых энергоносителей. Опыт европейских стран говорит о том, что даже в жилых зданиях, построенных по старым нормам, можно уменьшить потери энергии.
В Европе существует такая классификация зданий по энергопотреблению [1]:
- «Старое здание» (до 1970-х годов) потребляет 300 кВт·ч/м2 в год.
- «Новое здание» (с 1970-х до 2000 года) потребляет не более 150 кВт·ч/м2 в год.
- «Дом низкого потребления энергии» потребляет не более 60 кВт·ч/м2 в год.
- «Пассивный дом» потребляет не более 15 кВт·ч/м2 в год.
- «Дом нулевой энергии» потребляет 0 кВт ·ч/м2 в год.
- «Дом плюс энергии» или «активный дом» вырабатывает энергии больше, чем потребляет, в результате использования возобновляемых источников энергии.
Во всём мире к 2010 году построено более 8000 пассивных домов, в том числе детских садов, школ, магазинов, офисных зданий. Многие из них расположены в Европе. В таких европейских странах, как, например, Дания, Германия и Финляндия, разработаны специальные государственные целевые программы по постройке домов ультранизкого потребления — порядка 30 кВт·ч/м2 в год.
В районах России с континентальным климатом технология строительства энергоэффективных домов не всегда позволяет обойтись без активного отопления и охлаждения. В существующих зданиях велики тепловые потери через ограждающие конструкции - крыши, стены, пол, окна. Например, тепловые потери обыкновенного кирпичного здания составляют 250-350 кВт/ч с кв. м площади в год.
По внедрению энергоэффективных технологий Россия сильно отстает от европейских стран. Сегодня в нашей стране нулевых домов не наберется и десятка, да и те построены энтузиастами.
В энергосберегающих домах и домах с улучшенными показателями энергосбережения, в которых реализованы высокие технологии, благодаря хорошей теплоизоляции греющее тепло почти не улетучивается через стены и окна. Следовательно, резко снижаются тепловые потери через наружные ограждения. Доля вентиляционной тепловой нагрузки значительно возрастает, и она становится решающим фактором для дальнейшей экономии энергии. Воздухообмен устанавливается на фактическую потребность в зависимости от количества людей в здании. По нормам воздухообмена для жилых помещений на одного человека необходим расход приточного воздуха 60 м3/ч. Это позволяет экономить энергию отопления и обеспечивает создание комфортных условий для человека. Регенерация более 90% тепла позволяет свести к минимуму вентиляционную тепловую нагрузку и снизить затраты на отопление.
В обычных домах вентиляция происходит в результате естественного движения воздуха. Он проходит в помещение через форточки в окнах и затем удаляется вентиляционными системами, которые расположены в комнатах, кухнях и санузлах. В энергоэффективных домах рекомендуется применять герметичные звукоизолирующие мультистеклопакеты. Утилизацию тепла вентиляционного воздуха предлагаем производить с помощью рекуператора с использованием грунтового теплообменника, который служит для предварительного нагрева приточного воздуха, поступающего в рекуператор.
Грунт поверхностных слоев Земли – это природный аккумулятор тепла, он нагревается солнечной радиацией. На глубине около 3 м температура почвы в течение года практически не изменяется: зимой - от +5 до +7 ºС, а летом - от +10 до +12 ºС. В зимний период грунтовой теплообменник может нагреть приточный воздух, поступающий в помещение, на температуру больше 0 ºС, а в летний период – охладить до +18 - +20 ºС.
Рекуперационная система состоит из приточно-вытяжной установки с пластинчатым рекуператором, двумя вентиляторами и грунтовым теплообменником. Грунтовой теплообменник представляет собой трубу, внутри которой движется приточный воздух, нагреваясь через стенки теплом грунта. Наружный воздух подходит уже подогретым к рекуператору. При рациональном размещении воздуховодов можно отобрать у грунта значительное количество тепловой энергии при сравнительно небольших затратах электроэнергии, необходимой для работы вентиляторов. Диаметр и длина воздуховода определяется в зависимости от расхода воздуха и уровня капитальных и эксплуатационных затрат. Эксплуатационные затраты таких систем равны затратам на работу приточно-вытяжных вентиляторов и затратам по периодической замене фильтров.
Для средней полосы России в зимний период среднесуточная температура на протяжении 80 дней составляет - 5 ºС. Для доведения ее до комфортной необходимо нагревать воздух до +20 ºС. При отсутствии системы утилизации тепла необходим нагрев воздуха на температуру Δt = 25 ºС. При использовании грунтового теплообменника происходит подогрев наружного воздуха до температуры +5 ºС (Δt = 10 ºС). При последующем использовании приточно-вытяжной установки с пластинчатым рекуператором воздух подогревается до +12 ºС (Δt = 7 ºС). Приточно-вытяжной агрегат работает в разные периоды времени с разной производительностью. Принимаем, что 50% времени система вентиляции работает с полной производительностью.
В межсезонье на протяжении 180 дней среднесуточная температура составляет +5 ºС. Для доведения ее до комфортной необходимо нагревать воздух до температуры +20 ºС. При отсутствии системы утилизации тепла необходимо нагревать воздух на Δt = 15 ºС. При использовании грунтового теплообменника происходит нагрев наружного воздуха до температуры +10 ºС (Δt = 5 ºС). При дальнейшем использовании пластинчатого рекуператора воздух подогревается до +15 ºС (Δt = 5 ºС).
В летний период на протяжении 60 дней среднесуточная температура составляет около +20 ºС, но в это время днем температура на протяжении примерно 8 часов равна +26 ºС. Для охлаждения воздуха до температуры +20 ºС обычно используются кондиционеры. Их холодильная мощность должна обеспечить охлаждение на Δt = 6 ºС. При использовании грунтового теплообменника воздух предварительно охлаждается до +22 ºС (Δt = 4 ºС). Летом рекуператор не используется, воздух проходит по байпасной линии. Принимаем, что холодильная установка работает на полную мощность 70% времени в течение 8 часов в сутки.
Концепция энергоэффективного дома предусматривает сбережение природных ресурсов. С этой целью необходимо применять возобновляемые и нетрадиционные источники энергии [2].
Для подтверждения целесообразности и экономической эффективности строительства энергоэффективного жилья в сельской местности произведены экономические расчеты. В качестве примера взят энергоэффективный дом площадью 280 кв. м на две семьи из 10 человек.
Для энергоэффективного дома использованы современные теплоизоляционные материалы, позволяющие снизить потери тепла до 30 кВт/м2 в год.
Для нашего энергоэффективного дома предлагаем полностью заменить использование традиционных источников энергии возобновляемыми и нетрадиционными источниками [3]:
- отопление с помощью теплового насоса (теплые полы);
- горячее водоснабжение с помощью гелиоустановки или теплового насоса;
- холодоснабжение для хранения продуктов в хранилище с использованием теплового насоса;
- кондиционирование воздуха с использованием рекуператора и теплового насоса;
- электроснабжение с использованием ветроэнергетической установки и солнечных батарей;
- газоснабжение с использованием биогазовой установки;
- использование рекуператора тепла с грунтовым теплообменником для утилизации тепла вентиляционного воздуха.
Определены необходимые виды энергии и стоимость оборудования для такого дома и подсобного хозяйства. В результате расчета необходимых мощностей подобрано оборудование для энергоэффективного дома, которое представлено в таблице 1.
Таблица 1 - Стоимость оборудования, использующего возобновляемые источники энергии, для энергоэффективного дома площадью 280 кв. м
№ |
Наименование оборудования |
Стоимость, тыс. руб. |
Электроэнергия (электрооборудование) |
||
1 |
Ветроэнергетическая установка, 1 кВт |
35 |
2 |
Солнечные батареи, 600 Вт |
28 |
3 |
Дизель-генератор (резервный), 1 кВт |
20 |
Биогазовое топливо (приготовление пищи, содержание коров) |
||
4 |
Биогазовая установка, (9,5 м3 газа в месяц) |
30 |
Горячее водоснабжение |
||
5 |
Гелиоустановка, 15 м3 горячей воды месяц (аккумулятор - 500 л) |
55,7 |
Отопление (охлаждение) |
||
6 |
Тепловой насос, 1,2 кВт |
30 |
Рекуперация тепла системы вентиляции |
||
8 |
Рекуператор с грунтовым теплообменником |
50 |
Итого: |
248,7 |
Произведен расчет экономической эффективности использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для энергоснабжения энергоэффективного дома в сравнении с применением традиционных видов энергии. Результаты расчета представлены в таблице 2.
Для определения интегрального экономического эффекта использованы готовые коэффициенты дисконтирования, полученные из отношения для каждого года: k = , где n – порядковый номер каждого года жизни проекта. При жизненном цикле проекта в течение 5 лет нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений будет на уровне E = 0,2.
Таблица 2 - Результаты экономической эффективности использования
нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для дома площадью 280 кв. м
Показатели |
Базовый вариант |
Предлагаемый вариант |
+/- к базовому варианту |
Капитальные затраты, руб. |
119500 |
248700 |
+129200 |
Затраты электроэнергии, кВт·ч |
5520 |
1051,2 |
-4468,8 |
Затраты на электроэнергию, руб. |
22168 |
2574 |
-19594 |
Затраты на газообразное топливо, руб. |
105300 |
- |
+105300 |
Дополнительные затраты на содержание оборудования: - ремонт и техническое обслуживание; - амортизация |
7850
|
24870
|
-17020
|
Срок окупаемости, лет |
|
2,9 |
|
Чистый доход, руб. |
|
|
93700 |
Интегральный экономический эффект с учетом фактора времени, руб. |
|
|
66850 |
Дисконтированный срок окупаемости, лет |
|
4 |
Полученные результаты показывают экономическую эффективность использования нетрадиционных источников энергии для энергоэффективного дома площадью 280 кв. м на две семьи из 10 человек [4-6]. Она составила 93700 руб., срок окупаемости капитальных вложений - 2,9 года.
Таким образом, экономические расчеты подтверждают необходимость строительства недорогого комфортабельного энергоэффективного жилья экономкласса в сельской местности с использованием нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
Рецензенты:
Таршис Ю.Д., д.т.н., профессор, действительный член Международной академии информатизации, г. Ярославль.
Краснов С.А., д.т.н., профессор, президент Ярославского областного отделения МАИ, г.Ярославль.