Вопросы энергосбережения являются наиболее важными в реализации программ по устойчивому развитию малых городов и районов Беларуси. Существенное снижение потребления тепловой энергии на отопление, подогрев воды и технологические нужды необходимо как строящимся, так и эксплуатируемым объемным сооружениям (жилым и производственным зданиям, объектам соцкультбыта и т.д.).
Особенно актуально строительство энергоэффективных зданий в агрогородках и на объектах сельского агроэкотуризма, развитие которых призвано существенно повлиять на экономические показатели республики.
Сегодня в усадебных жилых домах, как правило, используются традиционные системы водяного отопления с автономными источниками теплоснабжения. Этими источниками являются котлоагрегаты на газообразном, жидком и в большей степени твердом виде местного топлива – дровах. В последнее время получает распространение топливная щепа.
Учитывая большие масштабы строительства усадебных домов в агрогородках, предусматривается сооружение их как энергоэффективных с использованием нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, а также альтернативных систем отопления и электроснабжения.
Энергоэффективный дом – это дом, в котором ничтожно малы расходы на отопление, что делает его фактически энергонезависимым (при безусловном соблюдении санитарных и гигиенических норм). Он призван быть комфортной средой обитания для его жильцов, обеспечивать требуемую температуру, чистый воздух и хорошую освещенность внутри помещения. Чтобы такой дом стал реальностью, необходимо выполнение следующих основных условий: создание надежной эффективной системы отопления, теплоизоляции и принудительной системы вентиляции.
Современные автоматические пелетные твердотопливные котлы как компоненты энергонезависимых систем
В Беларуси имеется опыт возведения энергоэффективных экологически чистых усадебных домов с нетрадиционными ограждающими конструкциями из соломенных блоков с весьма высоким значением сопротивления теплопередаче, превышающим нормативное, и минимальным энергопотреблением.
А как быть с уже построенными усадебными домами, полностью газифицированными? За последнее время цены на газ существенно увеличились и наметилась тенденция его дальнейшего подорожания.
Все это заставляет владельцев усадебных домов принимать решение: продолжать пользоваться газом или, наоборот, возвращаться к уже известным местным видам топлива (дровам, торфяным брикетам и т.п.)? Конечно, ощутив преимущества газа, хочется более эффективного топлива, обладающего высокой теплотворной способностью и позволяющего автоматизировать процесс равномерного отопления в течение суток, удобного для складирования и не требующего для этого большого помещения.
Сегодня в Беларуси появилось такое топливо, и его изготовляют многие предприятия. Это древесные гранулы, или пеллеты. Поскольку данный вид топлива востребован в большом количестве за рубежом, его выгодно производить на экспорт. Но в связи с прогнозируемым постоянным подорожанием газа древесные гранулы в ближайшем времени, безусловно, в полной мере будут востребованы и гражданами нашей страны. Уже сегодня необходимо готовить всю инфраструктуру, связанную с их обеспечением.
Как представляется, начало в этом деле должно быть положено архитекторами и проектировщиками, занимающимися усадебным строительством. Создаваемая система топливообеспечения предусматривает наличие склада и доставку (по заявке владельца) древесных гранул, необходимых на весь отопительный период. Объем топлива будет зависеть прежде всего от объема отапливаемого помещения. Исходя из того, что плотность древесных гранул колеблется в пределах 630–730 кг/м3, нетрудно с учетом часового расхода топлива определить объем склада для него, который должен находиться вблизи от энергоустановки. Положительный эффект предлагаемых энергетических установок, работающих на древесных гранулах, – возможность автоматического управления подачей топлива с целью поддержания заданной температуры теплового потока, что позволяет экономить топлива значительно больше по сравнению с классическими твердотопливными котлоагрегатами. В настоящее время энергетические установки, работающие на древесных гранулах, завозятся в страну извне, однако их производство готовится в Беларуси.
Вопросы эффективного топливообеспечения усадебных домов целесообразно прорабатывать сегодня на уровне высших учебных заведений. Возможно выполнение комплексных проектов на рассматриваемую тему студентами нескольких специальностей: архитектурной, строительной и энергетической. Талантливо исполненные проекты объемно-планировочной структуры усадебного дома и прилегающего участка будут реализованы на практике и позволят нашим домовладельцам эффективно использовать местные виды топлива – древесные гранулы.
Использование солнечных тепловых коллекторов
Мировой кризис обозначил проблемы не только финансовых, но и сырьевых рынков. Это отчетливо выявило необходимость активного внедрения дублирующих теплогенерирующих систем, использования альтернативных источников энергообеспечения. В настоящее время в БНТУ ведутся разработки в области применения солнечной энергии, поиска источников тепла, позволяющих компенсировать или дополнять существующие классические теплогенераторы.
В частности, предлагается изготовление и поставка устройств “Солнечный тепловой коллектор” (далее СТК) для получения и восстановления (компенсации) энергии, предназначенной для обогрева жилых и производственных помещений. На прототип полезной модели № 4823 “Солнечный коллектор для подогрева приточного воздуха” БНТУ (авторы А.В. Вавилов и С.М. Саевич) получен патент (рис. 1).
Основные технические функции СТК:
– нагрев солнечным излучением наружного воздуха и подача его принудительным образом во внутренние помещения;
– рекуперация тепла посредством теплообмена воздушных потоков выходящего и входящего воздуха;
– повышение теплового сопротивления наружной стены (по аналогии с пассивной термосанацией);
– улучшение воздухообмена в помещениях.
Нагрев теплообменной поверхности в устройстве происходит естественным путем благодаря использованию свойств солнечного излучения (физическая константа солнечной постоянной около 1400 Вт•м2/ч). Для расчетов экономической эффективности предлагаемого устройства можно использовать величину, эквивалентную 1.100.000–1.150.000 Вт•м2 за год, и усредненного КПД преобразования 30%. При этом с каждого квадратного метра конструкции СТК получим не менее 330.000 Вт тепловой энергии за год. Для справки: количество тепловой энергии, получаемое с 1 м2 поверхности СТК, по сезонам составит: зимой 30.000 Вт, весной 120.000 Вт, осенью 60.000 Вт.
В связи с тем что коллектор организует принудительное упорядоченное направление воздушных потоков, наибольшую часть тепловой энергии он будет возвращать методом рекуперации, восстанавливая потери обменом тепла, генерированного основной системой отопления. Восстановление тепловой энергии осуществляется посредством размещенного внутри СТК теплообменного пассивного контура (рекуператора). Благодаря этому процессу повышается эффективность основной системы отопления, обладающей механизмом автоматического регулирования подогрева и контролем температуры воздуха. После прохождения воздуха через простой тканевой фильтр внутри помещения возникнет небольшое избыточное давление, которое перераспределит воздушные потоки, перенаправив их в рекуператор. При достаточном количестве солнечных дней устройство СТК сможет конкурировать по теплоотдаче с основной системой отопления.
Управление работой устройства осуществляется в автоматическом и ручном режимах.
Казалось бы, самый простой способ сэкономить энергию в эксплуатируемом здании – ограничить или даже устранить вентиляцию, являющуюся источником половины всех тепловых потерь. Однако это неприемлемо по нескольким причинам. Человек до 90% своего времени проводит внутри помещения. В течение суток в воздух помещения выделяется значительное количество химических веществ и биологических агентов. Многие из них всего лишь неприятны для обоняния, некоторые же могут оказывать вредное воздействие на организм в целом, если вдыхаются на протяжении длительного времени. По этой причине качество воздуха, которым мы дышим, настолько же важно, как и качество воды, которую пьем.
Солнечный тепловой коллектор как устройство, использующее принцип принудительной вентиляции наружного воздуха в обитаемые помещения, безусловно, улучшит качество воздушной среды. Насколько – будет зависеть исключительно от количества такого воздухообмена, т.е. от длительности применения СТК.
Наличие одновременно поглощающих и изолирующих свойств позволяет ему сохранять тепло в стене – устройство в холостом режиме эксплуатации выполняет функцию пассивного утеплителя наружной поверхности стены, заменяя стандартную термошубу либо применяясь вместе с ней как дополнительная активная составляющая. СТК обладает указанными свойствами независимо от климатических условий и имеет внутри “тепловой замок”, предотвращающий потери тепла в режиме простоя.
Конструкция устройства проста, поэтому монтаж может производиться самим потребителем. Изготавливать СТК желательно по размерам, предоставляемым заказчиком, учитывая конструктивные особенности оборудуемых зданий: расстояние между оконными проемами, междуэтажными, дверными, формой фронтона, возможностью захвата одним устройством нескольких помещений с целью установки дополнительных каналов воздухообмена и максимально эффективным использованием наружной поверхности стены.
Основные экономические затраты и технологические аспекты применения различных теплогенерирующих устройств по сравнению с “классической” СТК и СТК с узлом рекуперации представлены в таблице.
Сопоставление затрат на существующие и предлагаемые системы отопления
Тип топлива, наименование
Цена
1 кВт тепловой энергии с учетом КПД теплогенераторов, руб. РБ
Стоимость теплогенерирующего оборудования на 1 кВт при амортизации в течение 15 лет, долл. США
Стоимость дополнительного оборудования,
долл. США
(не менее)
Стоимость подключения,
долл. США
(не менее)
Стоимость обслуживания, долл. США
(не менее)
Периодичность обслуживания, раз в год
Необходимость содержания службы по ТО (наименование)
Побочные продукты
Примечание
Дрова
22–25
3
10
200
10
2
МЧС
Зола, СО2, парниковые газы
Организация хранения и заготовки топлива, утилизации золы, опасность угарных газов, пожарная опасность
Солярка
(котел)
310
2,3
900
450
10
1
МЧС
СО2, характерный запах топлива
Организация хранения топлива, пожарная опасность
Газ природный (котел)
52–64
3,5
120
200
5
1
МЧС, газовая служба
Характерный запах одоранта
Пожарная опасность
Электроэнергия (электрокотел)
995
2,5
300
25
5
1
Энергосбыт, Электросеть, Энергонадзор
Электромагнитные излучения
Пожарная и электрическая опасность
Солнечное тепло СТК
12–18
13,5
0
34
0,05
2
нет
нет
Улучшение воздушной среды
Пассивный рекуператор СТК
0
4,8
0
0
0
2
нет
нет
Компенсация тепловых потерь
Потребность в год на отопление помещения площадью 100 м2 (высота потолка 2,7 м) около 24 200 кВт (87 гДж)
При расчетах финансовых затрат на эксплуатацию теплогенераторов в течение 15 лет для обогрева помещения объемом 270 м3 потребуется (бел. руб.): дров на сумму около 8 млн, солярки – около 113 млн, газа природного – около 21 млн, электроэнергии – около 361 млн, электроэнергии для работы СТК – 1,8 млн (при устройстве СТК размером 35 м2), затраты при эксплуатации пассивного рекуператора СТК равны 0 в течение всего срока эксплуатации. Вывод: наиболее оптимальным с точки зрения затрат является устройство совмещенной системы отопления, состоящей из воздухогрейного котла на дровах, работающего с автоматикой в режиме тления, и панели СТК с рекуператором. При этом общая стоимость эксплуатационных затрат за 15 лет может составить около 5,5 млн руб. Отдельно устройство СТК с рекуператором может дать экономию до 60–75% общих затрат на обогрев. В расчетах не учитывались затраты тепловой энергии на подогрев воды для хозяйственно-
бытовых нужд и на монтаж конвекционных приборов, труб и запорно-регулирующих узлов.
Системный подход к электроснабжению индивидуального дома
В настоящее время при обсуждении вопросов автоматизации для построения систем типа “интеллектуальный дом”, т.е. самоуправляющихся энергоэффективных высокоавтоматизированных комплексов для индивидуального жилого дома, упускается из виду один немаловажный фактор: серьезная проблема со стабильностью и качеством электроснабжения удаленных территорий. О проблемах электроснабжения села можно и не говорить! Как ни странно, вины энергоснабжающих организаций в этом практически нет: существенная удаленность энергопотребителей от подстанций, неравномерность загрузки фаз, использование многими потребителями несертифицированных электроустройств и прочее сводят на нет возможность применения специальных узлов и систем управления энергопотреблением конечных пользователей. Уже сегодня при монтаже современных газовых или жидкостных котлоагрегатов для подключения автоматики к электросети в обязательном порядке рекомендуется применение блоков бесперебойного питания от компьютеров и других бытовых устройств.
Системы интеллектуального управления требуют особого подхода в связи с наличием большого количества датчиков, вентиляторов, насосов, исполнительных устройств. Для обеспечения стабильной работы всех электрически управляемых узлов необходимо получить стабильный источник электроснабжения.
В качестве стандартного электрооборудования каждого индивидуального жилого дома рекомендуем использовать блок непрерывного питания “on-line”, работающий с использованием следующих принципов (схема 1):
– фильтрация помех питающей сети и преобразование нестабильного напряжения питающей сети в низкое напряжение постоянного тока (поз. 1);
– зарядка промежуточного буфера на аккумуляторах (поз. 3);
– преобразование постоянного тока в переменный и получение стабильного выходного напряжения с требуемыми характеристиками (поз. 2).
Такая схема с использованием промежуточного буфера из аккумуляторов позволит в перспективе применить внешнюю систему дополнительного электроснабжения с низким энергетическим балансом, например малогабаритный ветрогенератор с тихоходным пропеллером (наименьший вред окружающей среде) (поз. 4) на базе генератора от автомобиля. Возможно использование в качестве зарядного устройства фотоэлектрической панели (поз. 5). Потенциально лучшим вариантом является термоэлектрический генератор энергии, снимаемой с поверхности СТК при сохранении ее основной функции. Практически с площади, равной 1 м2, возможно получение электрической энергии около 25–50 Вт/ч. При эксплуатации тепловой панели площадью 30–35 м2 можно получить энергию около 1000 Вт/ч, что достаточно для зарядки аккумуляторного буфера и существенной компенсации электрических затрат строения. Кроме того, метод управления элементами термогенерации шунтированием позволит регулировать температуру поверхности панели в периоды активного солнца и отсутствия отбора тепла на обогрев помещений строения (особенно актуально летом).
Данная система электроснабжения предохранит электротехнические узлы дома от повреждения и обеспечит необходимым электроснабжением в режиме экономного расходования тепла. Если при изготовлении таких промежуточных систем внедрить в них элементы интеллекта, т.е. добавить процессор, отключающий блок от внешней электросети при переполнении заряда аккумулятора, то можно получить дополнительно существенный источник экономии электроэнергии, автономность которого будет зависеть от емкости наращиваемого промежуточного буфера. При использовании блока мощностью не менее 5000 ВА и промежуточного буфера емкостью около 250 А/ч возможно стабильное получение около 2,0 кВт энергии. Если учесть, что основное энергопотребление приходится на темное время суток, при использовании энергоэффективных ламп освещения и эксплуатации экономичных приборов автономность строения может приблизиться к 90%.
При таком алгоритме управления не встанет вопрос, кому реализовать избыток электроэнергии. Кроме того, немаловажным фактором является возможность производства таких устройств на существующей технической базе предприятий Беларуси.
Инновационный подход в обучении энергосбережению – интерактивное направление “технотуризм”
В Республике Беларусь кроме отдельных агроусадеб, обеспечивающих индивидуальный отдых, стали появляться целые комплексы массового агротуризма наподобие успешно функционирующих “Дудуток”.
Нами предлагается развитие нового направления в сфере туризма – технотуризма. Формирование его базы возможно на основе отработанного механизма деятельности “Дудуток” с внесением элемента новизны, заключающегося в объединении старины и современных научных достижений. Объекты технотуризма новой волны должны, на наш взгляд, стать научно-познавательными производственными микрокомплексами, наглядно представлять энерго- и ресурсосберегающие технологии, использовать современные агротехнические принципы получения экологически чистой пищевой продукции.
Помимо элементов старины (демонстрация энергосберегающих достижений наших предков) в такой комплекс необходимо интегрировать следующие современные экологические и энергосберегающие элементы:
– промышленное производство грибов, получение биогумуса и биогаза;
– демонстрацию систем, использующих солнечную энергию для подогрева воздуха и воды;
– саморегулирующиеся теплицы и парники;
– устройство рекуператоров тепла, высокоэффективных печей;
– технологии производства топливных гранул;
– демонстрацию изделий, изготовленных из переработанных отходов, и т.п. Не исключается устройство демонстрационной плотины типа мини-ГЭС для организации демонстрационного освещения. Предлагаемая система отопления строений – воздух, подогретый в энергоэффективных котлах и принудительно подаваемый посредством металлических коробов, спрятанных за декоративную стенку. Топливом для котлов будут служить пеллеты.
Все объекты базы технотуризма – это последовательный обучающий комплекс, ведущий линию экологии от древности к современности, наглядное пособие для туристов и учащихся, главная цель которого – формирование нового поколения с устойчивым позитивным восприятием инновационных и перспективных технологий.
Принцип обучения новейшим энергосберегающим технологиям и экологическим подходам, реализованный в таком проекте, должен стать основой и главным стержнем всех элементов, экспонируемых на объекте технотуризма – агротуризма новой волны. В настоящее время подход совмещения различных элементов, их демонстрация на площадке под открытым небом наиболее востребованы как с точки зрения привлечения интереса к постоянно действующей выставке оборудования в естественных условиях, так и с целью обучения современным технологиям в интерактивном режиме. Возможно включение такого объекта в программу образовательного характера национальной системы просвещения с обязательным посещением – это может явиться гарантированным источником дохода и возврата вложений в реализацию проекта.