Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Автономный дом 17
1.1. Концепция автономного энергоэффективного здания 17
1.1.1. Общие принципы и архитектурно-строительные приемы проектирования энергоэффективных зданий 18
1.1.2. Пути повышения энергетической эффективности зданий 23
1.1.2.1. Расположение и форма дома 23
1.1.2.2. Ограждающие конструкции 24
1.2. Использование энергии в автономном доме, основные энергоемкие процессы 28
1.2.1. Отоплением приготовление пищи. 30
1.2.2. Горячее водоснабжение 33
1.2.3. Электробытовые приборы 35
Глава 2. Рассматриваемые способы электроснабжения автономного сельского дома 39
2.1 Одиночные солнечные и ветровые электрические системы 40
2.2. Комбинированные электрические системы 41
Глава 3. Методология выбора системы электроснабжения автономного потребителя 49
3 1 Общая структура и основные положения методологии выбора системы электроснабжения автономного потребителя. 49
3.2. Предлагаемая экономическая модель 56
3.2.1, Структура расходов на производство энергии 56
3.2.1.1, Общие капиталовложения 57
3.2.1.2. Расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание 60
3.2.1.3. Топливные затраты 60
3.2.1.4. Расходы на капитальный ремонт 61
3.2.1.5. Социальные и экологические издержки 62
3.2.1.6. Остаточная стоимость оборудования 62
3.2.2. Полные приведенные и уравненные годовые расходы на производство электроэнергии 63
3.3. Алгоритм выбора системы электроснабжения автономного потребителя и программа на его основе 65
ГЛАВА 4. Рекомендации по применению ветро-солнечных систем для электроснабжения типичных автономных сельских потребителей 73
4.1. Примеры типичных потребителей 73
4.2. Целесообразность использования систем на основе энергии солнца и ветра для электроснабжения типичных маломощных автономных потребителей 85
Выводы 100
Литература 102
Приложения 112
- Общие принципы и архитектурно-строительные приемы проектирования энергоэффективных зданий
- Одиночные солнечные и ветровые электрические системы
- Полные приведенные и уравненные годовые расходы на производство электроэнергии
- Целесообразность использования систем на основе энергии солнца и ветра для электроснабжения типичных маломощных автономных потребителей
Общие принципы и архитектурно-строительные приемы проектирования энергоэффективных зданий
Перед тем, как приступать к строительству автономного дома, вне зависимости от назначения, следует особое внимание уделить вопросам энергетической эффективности. Задача состоит в том, чтобы, не снижая качественные показатели и уровни современных стандартов жизни, минимизировать бесполезные потери энергии на различные процессы в жилище, учитывая неизбежные ограничения на производство энергии в автономных условиях.
Для осуществления задач сведения к минимуму энергозатрат необходимо рассматривать автономный дом как некую энергетическую систему с зависящими друг от друга частями, взаимосвязанную с энергетической ситуацией в окружающей здание среде и активно воспринимающую рассеянную низкопотенциальную энергию ВИЭ с трансформацией ее до требуемого уровня. Но поскольку вклад ВИЭ нередко ограничен по различным причинам, здание должно иметь наименьшие потери энергии в окружающую среду [34]. На сегодня практически любая задача по энергосбережению разрешима инженерными средствами. Добиваясь этого конструктивными мерами, следует учитывать взаимосвязь здания с окружающим пространством — архитектуру, традиции, экологию...
Например, нагревательная система - это не просто печь, а "система нагрева -передачи", которая вырабатывает энергию в печи и затем передает ее по всему дому посредством вентиляционной системы. Можно установить самую передовую энергоэффективную печь, но еслм система вентиляции будет несовершенной (утечки воздуха или плохая изоляция), стеньг, чердак, окна и двери не будут также хорошо изолированы, то дом в целом не будет в состоянии обеспечить необходимый уровень комфорта и экономии энергии для обогрева внутренних помещении. Значительный эффект, выраженный в сокращении расхода энергии на отопление и пр. может быть также достигнут и в существующих зданиях, за счет проведения специальных мер по повышению энергетической эффективности жилища (замена ипи переоборудование окон и фасадов для лучшего использования возможностей естественного освещения и одновременно повышения герметичности, утепление стен и т.д.).
Общие принципы и архитектурно-строительные приемы разработки энергоэффективных зданий формулируются исходя из требований, которые определяются основным функциональным назначением здания и стремлением к повышению энергетической экономичности и экологического комфорта. Отличительная особенность энергоэффективных зданий любого типа заключается в том, что здание должно проектироваться в соответствии с архитектурными приемами (базирующимися на изучении местных климатических условий], обеспечивающими оптимизацию неизбежных энергетических потерь и максимально возможное использование естественной энергии окружающей среды, при этом его конструкции наделяются способностью улавливать, преобразовывать и передавать во внутренние помещения энергию возобновляемых источников [5, 34, 75].
Основная задача, которая ставится на этапе разработки автономного эиергоэффективного дома, заключается в правильном выборе методов проектирования и их сочетаний, наиболее эффективных для условий каждой конкретной местности При этом используется принцип полифункциональности проектирования конструкций, который воплощается через конструктивный или функциональный признаки. В первом случае элементы здания совмещают с конструктивными элементами энергетической установки, предназначенной для использования соответствующего ВИЭ. Во втором случае наделяют тот или иной элемент здания, целое здание или группу зданий дополнительными энергетическими функциями, например, используя дом или его часть в качестве затеняющего или направленно отражающего солнечную энергию экрана либо диффузора ВЭУ. Конструктивный и функциональный признаки могут быть совмещены в одном техническом решении, взаимно дополняя и усиливая эффект энергетической активности.
Наибольший эффект повышения энергетической эффективности здания достигается в том случае, если задача решается комплексно есеми доступными средствами. При этом можно выделить два основных направления: ? сокращение энергозатрат на термоизоляцию путем применения улучшенных технических решений в проектируемом здании; ? использование в энергетическом балансе здания энерпии ВИЭ, в силовом поле которых оно находится; Общее для всех видов энергоэффективных зданий сокращение собственных энергозатрат удовлетворяется на основе единых технических средств, которые сводятся к следующим требованиям [75]. На стадии предварительного проектирования: изучение местных природно-климатических факторов района строительства с энергетической точки зрения. Привязка проектируемого здания на площадке, которая из числа равно возможных имеет наиболее благоприятные условия, т.е. в максимальной степени нейтрализует негативные факторы внешней среды. проведение специальных мероприятий по искусственной нейтрализации неблагоприятных природных воздействий путем целенаправленной организации рельефа и выполнение других ландшафтных мероприятий. размещение нескольких объектов с целью оптимизации энергетического баланса одного или всех объектов, образующих группу, путем защиты одного объекта другим или взаимного перераспределения внешней или внутренней энергии. На стадии архитектурного проектирования здания: ? целенаправленный выбор формы и ориентации здания или его части с целью повышения энергетической эффективности с учетом свойств энергетического поля ВИЭ, взаимодействующих со зданием. ? введение внешних конструктивных элементов, обеспечивающих дополнительный приток к зданию энергии возобновляемого источника. ? сочетание и комбинирование различных приемов, изложенных ниже. На стадии конструктивной разработки зданий: При проектировании автономного здания необходимо обеспечить повышение сопротивления теплопередаче из внутренних помещений наружу и одновременно предусмотреть поступление солнечной энергии в помещения, например, через окна, выходящие на юг. Летом в условиях избыточных теплопоступлений преследуется противоположная цель - обеспечение повышенной солнцезащиты, например, путем применения затеняющих устройств, и отвода теплоты из помещений. Для достижения этих целей используются следующие основные принципы, с помощью которых регулируются все процессы теплообмена в здании: Сведение до минимума теплопередачи наружу_здания_(зимой. в некоторых случаях -летом). Этот принцип осуществляется посредством теплоизоляции. Чем теплоизоляция лучше, тем меньшее влияние оказывают низкие температуры на внутренний микроклимат. Вместе с тем в жаркое время года ограждения с хорошими теплозащитными качествами предохраняют помещения от перегрева.
Одиночные солнечные и ветровые электрические системы
К основным процессам, имеющим для обитателей сельских удаленных домов первостепенное значение, следует отнести: возмещение теплопотерь здания зимой (или охлаждение летом), горячее водоснабжение, приготовление пищи, связь с внешним миром и электропитание бытовых приборов и освещение. Учитывая же неизбежно возникающие ограничения на производство энергии в автономных условиях, обусловленные стоимостными, техническими и прочими внешними факторами, использование электроэнергии ипиг как правило, дорогого жидкого ископаемого топлива для обеспечения всех перечисленных процессов не представляется возможным. По этой причине именно на стадии предварительного проектирования автономного жилища необходимо решить вопросы, касающиеся способов энергоснабжения основных процессов в доме-На этапе разработки системы отопления, горячего водоснабжения, освещения и др., как и при проектировании самого жилища, следует особое внимание обратить на оптимизацию расхода энергии на эти процессы, везде и всюду следуя принципам рационального использования энергии (РИЭ) [102].
Потребление энергии может быть различно при равных предоставляемых услугах, те. бытовые приборы одного назначения, выполняющие одни и те же функции, могут сильно отличаться по величине потребляемой энергии, поэтому при возможности выбора между различными типами оборудования или моделями бытовых приборов, которые предполагается использовать, следует предпочесть ншбагюв лрошводотепьные и зффеустмвныв в DTHOWBHMM потрв&лвнмя энергии. Рациональный выбор способов энергоснабжения домашних приборов (минимальная потребляемая мощность на единицу производимой полезной продукции) позволит уменьшить мощность требуемой энергетической установки, что в свою очередь может весьма ощутимо сказаться на величине начальных капиталовложений и, как следствие, ка выборе той или иной системы э л ектроснабжен и я,
Следование принципам РИЭ при проектировании автономных и/или удаленных жилищ особенно важно в тех случа , когда энергоснабжение дома предполагается обеспечивать за счет установо на основе ВИЭ. Оптимизация услуг конечного пользования с целью достиЖения РИЭ позволит лучше использовать преимущества ВИЭ при одновр$менном сокращении величины начальных капиталовложений в системы энергообеспечения на основе ВИЭ [102].
Подход к получению общего результата, превосходящего сумму отдельно взятых элементов ВИЭ и РИЭ (синергия ВИЭ/РИ )р уж9 эффективно используется для электрификации удаленных сельских областей. Так, дом, использующий фотоэлектричество и высокоэффективное обору оэание, потребляет, при равном комфорте и предоставляемых услугах (ЬсвещеНиЄі телевидение, охлаждение), электричества меньше в отношении 3/Єїт чем дом с обычными неоптимизирсаанными приборами [102].
Если есе конструкции дома - стены, гюп окна, крыша - наделены достаточными теплозащитными свойствами, то при любой системе отопления в доме будет долго держаться тепло, что особенно важно в автономных условиях.
С целью оптимизации расхода энергии на обогрев здания в зимнее время следует максимально использовать солнечное тепло, которое улавливается и аккумулируется в ограждающих конструкциях =амого здания: в полу, стенах, потолке. Довольно простым и одновременно Достаточно эффективным способом пассивного солнечного отопления дома ЯВЛЯБТСЯ «массивная стена» (стена Тромба-Мишеля). Как видоизмененный вариан.т системы «массивная стенал можно рассматривать оранжерею, где обычноь расстояние между стеклом и стеной, равное 100 - 120 мм, увеличено до, 2 м. Это помещение можно использовать как небольшую теплицу - для выращивания растений, но оно служит также и источником теплоты для комнаты, расположенной за ней. Дневная температура в оранжерее может быть очень высокой, а ночью она падает практически до уровня температуры воздуха снаружи. Можно снизить теплопотери оранжереи, используя в ночное время трансформируемые теплоизоляционные покрытия. Простейшим из них является подвижная штора с наружной стороны остекления [16, 23, 34, 45J.
В системе, разработанной в Нью-Мексико (автор Стив Баер), применены большие складывающиеся ставни. Их внутренняя поверхность отделана алюминием, так что, когда ставни закрывают стекло, повышается защитный эффект за счет дополнительного отражения излучения от стекла [75].
Летом возможно перегревание при использовании системы «массивная стена». Этого можно избежать, используя различные затеняющие устройства. Простейшим является матерчатый занавес, который поднимается, когда требуется отопление, и опускается, когда обогрев не нужен.
Необходимо отметить то, что а отношении стоимости "солнечные" и "энерго эффективные" дома очень незначительно отличаются от обычных. Опыт Австрии показал, что строительство с использованием пассивных солнечных систем увеличивает общие установленные расходы менее чем на 4% при достижении сокращения энергозатрат на отопление дома до 75% [103].
Однако ни один вид пассивной системы не может полностью удовлетворять потребности в отоплении во всех ситуация поскольку нецелесообразно создавать систему в расчете на самые неблагоприятные условия, т.к. она была бы слишком дорогой и не использовалась бы на Полную мощность большую часть расчетного отопительного периода. Поэтому различные гелиосистемы следует использовать в сочетании с «активными» системами отопления.
Существуют различные «активныев способы отопления индивидуальных домов. Однако в автономных условиях н представляется возможным применение систем отопления, в которых испопь,Эуется жидкое топливо, газ или дорогая в производстве электрическая энергия, с другой стороны, большинство областей России обладает избыточной лесообеспеченностью [57], По этой причине для отопления автономного дома целесообразно использовать традиционные дровяные печи, весьма распространенные в сельской местности, в комбинации с пассивной солнечной системой. этом случае есть целый ряд преимуществ. В печах можно сжигать разнообразное несортовое топливо, которое самостоятельно заготавливается население . Печь обладает высокой теппоаккумулирующей способностью (существуют различные современные энергоэффектиэные конструкции), поэволяе одновременно отапливать помещение и приготавливать пищу [33]. При рациональном подходе одной печью можно обогревать до четырех комнат одновременно. Чем на большее количество комнат рассчитана печь, тем больше ее размеры (таблица 12). Боковые стенки печи, как правило, выделяют больше тепла, чем передняя и задняя. Это обстоятельстве следует учитывать при расположении печи для отопления той или иной комнаты [33, 91]
Полные приведенные и уравненные годовые расходы на производство электроэнергии
Способы электрификации автономных сельских потребителей, рассматриваемые в предлагаемой работе, можно условно разделить на две основные группы — традиционные (подключение к централизованной энергосистеме и ЖТЭ) и системы на основе ВИЭ. Поскольку каждый из вариантов обладает как преимуществами, так и неизбежными недостатками, нельзя с уверенностью сказать, что та или иная система электроснабжения более предпочтительна, нежели другая для обеспечения потребностей в энергии сельских жителей в автономных условиях. Например, электрификация автономного жилища при помощи ЖТЭ характеризуется небольшими начальными капиталовложениями, но весьма ощутимыми ежегодными топливными расходами и затратами на поддержание работоспособности установки, в то же время, для систем на основе ВИЭ характерны высокие начальные стоимости оборудования, но незначительные текущие расходы [52, 100, 102]. В связи с этим выбор наиболее эффективной как в техническом, так и в экономическом отношениях системы электроснабжения автономного жилища в каждом конкретном случае должен быть всесторонним и базироваться на сравнительном технико-экономическом анализе всех выгод и недостатков различных вариантов, доступных в любом конкретном месте, который содержит следующие пункты; анализ и изучение ресурсов различных источников энергии -традиционных и возобновляемых, доступных в рассматриваемом месте; разработка концепции энергоэффективного жилища, преследующая цель сокращения неизбежных потерь энергии; анализ потребностей жителей автономного дома и определение способов энергоснабжения всех основных процессов; разработка и оптимизация соответствующих систем энергоснабжения; анализ технической выполнимости проекта; Поскольку в техническом отношении все рассматриваемые способы электроснабжения (как традиционные, так и на основе ВИЭ) в настоящее время одинаково выполнимы, выбор различных вариантов в предлагаемой методологии базируется непосредственно на сравнительном экономическом анализе расходов на производство энергии. Причем, при возможности потребителя финансировать проекты из собственных средств будут анализироваться суммарные расходы в течение всего экономического срока службы системы, а в случае получения кредита - годовые затраты на производство энергии, заметим, и в том и в другом случае - не стоимости производства энергии. Этот принцип был принят за основу по двум причинам: Во-первых, критерии целесообразности применения различных способов электрификации (см. далее), можно получить из условия равенства стоимостей производства электроэнергии, исходя же из того, что количество энергии, используемой потребителем при любом способе производства должно быть эквивалентным (из условия обеспечения одного уровня комфорта для потребителя), именно расходы на производство энергии обретают особую значимость. Во-вторых, непосредственно для потребителя важнейшим показателем, определяющим выбор системы электроснабжения, скорее являются именно асходь материальньгх средств либо в течение года, либо полные затраты по всему сроку службы системы, а не стоимость энергии, реально мало говорящее понятие для потребителя. Причина использования двух экономических категорий, характеризующих одни и те же статьи расходов на производство энергии, кроется в принципиальном различии способов финансирования, рассматриваемых в предлагаемой работе, а именно: при возможности получения кредита под проект электрификации для потенциального потребителя важнейшим показателем экономической эффективности использования некоторого варианта электрификации будут ежегодные расходы, которые определяются выплатами ло кредиту плюс текущие ежегодные затраты на производство энергии. при финансировании из собственных - полные расходы в течение всего экономического периода действия проекта, включающие единовременные затраты (на покупку, доставку и установку оборудования) плюс все текущие расходы за весь срок службы системы. В том случае, если экономические характеристики нескопьких способов электрификации совпадают, возникает вопрос - какую именно систему применять? Дпя ответа на этот вопрос предлагается воспользоваться следующей схемой отдачи приоритета в применении некоторой системы электроснабжения (в порядке убывания): 1. Подключение к централизованной энергосистеме обладает при выполнении всех требуемых условий наивысшим приоритетом, вследствие предоставпения потребителю наибольших выгод. 2. Электроснабжение на основе одиночных ФЭС или ВЭС (в районах с относительно стабильными высокими значениями прихода СР и скоростей ветра) занимает второе место из-за надежности, долговечности, минимальных текущих расходов и «дружелюбности» этих систем по отношению к окружающей среде и человеку. 3. Комбинированная ветро-фотоэлектрическая система, использование которой для электроснабжения автономных потребителей предполагается в областях с большими колебаниями сезонных климатических условий. 4. Гибрид на основе ЖТЗ и ФЭУ или ВЭУ. За счет применения установок на осноее ВНЭ в подобных системах отрицательные качества ЖТЭ приобретают меньшее значение за счет сокращения текущих расходов, шума и увеличения надежности энергоснабжения при одновременном повышении качества жизни потребителя. 5. Одиночная система электроснабжения на базе ЖТЭ обладает наименьшим приоритетом среди рассматриваемых способов электрификации. В общем виде в соответствии с приведенной схемой отдачи приоритета проведение экономического анализа с целью определения интереса относительно способа электроснабжения автономного сельского дома следует разделить на следующие этапы сравнения: 1. все автономные системы электроснабжения и подключение к централизованной энергетической сети. В этом, как и в остальных случаях, производится сравнение общих расходов на рассматриваемые варианты в соответствии с условиями финансирования, т.е.:
Целесообразность использования систем на основе энергии солнца и ветра для электроснабжения типичных маломощных автономных потребителей
Для проверки соответствия системы электроснабжения потребностям рассматриваемых типичных нагрузок автономных потребителей был проведен расчет при помощи специально созданной рабочей компьютерной программы и получены данные по вырабатываемой системой энергии в течение суток для каадого месяца года, которые представлены на рисунках 4,1-4,3 для варианта №1 типичной нагрузки автономных потребителей (полученные характеристики в процентном соотношении практически идентичны для всех трех рассматриваемых вариантов типичных нагрузок автономных потребителей).
Расчет, проведенный согласно предложенным теоретическим основам, показал, что каждая из систем на основе энергии солнца и ветра способна удовлетворить потребности нагрузок автономных потребителей. Однако, как видно из графиков на рисунках 4.1 и 4.2, в случае применения одиночных установок, исходя из требований по удовлетворению определенной степени обеспеченности электроснабжения потребителя, возникла необходимость значительного запаса мощности энергетических установок при расчете систем на наихудшие условия источников энергии.
Как следствие из этого, наблюдается избыточная выработка электроэнергии одиночными системами в трехкратном размере в периоды с наиболее благоприятными характеристиками прихода СР и скорости ветра
В то же время, комбинированные ветроч отоэлектрические системы при значительно меньших мощностях входящих компонентов (ФЭУ и ВЭУ) в сравнении с одиночными системами вырабатывают энергию на достаточном для удовлетворения потребностей рассматриваемых нагрузок автономных потребителей и одновременно стабильном уровне в течение всего года, что видно из рисунка 4,3.
Что касается обеспеченности электроснабжения потребителя, то ее (обеспеченности) требуемая степень определяется емкостью АБ, рассчитанной на соответствующее число дней автономности электроснабжения в отсутствие энергоисточника (солнца или ветра). Как было отмечено, каждая из систем на основе энергии солнца или ветра способна удовлетворить потребности типичных нагрузок автономных потребителей (в техническом отношении). Однако какую из них целесообразнее применять, или же в каких случаях эти системы следует использовать в сравнении с традиционными способами электрификации? На эти вопросы, согласно разработанной методологии, можно получить ответь і только при проведении экономического анапиза, В соответствии с предложенной методологией следующим после определения основных технических характеристик (расчетных мощностей установок) этапом является выяснение целесообразности использования рассматриваемых способов электрификации в сравнении друг с другом, в частности, систем на основе энергии солнца и ветра с ЖГЭ и подключением к централизованной энергетической сети. В этом разделе преследуется цель установить границы эффективного применения систем на основе энергия солнца и ветра для электрификации типичных маломощных потребителей в автономных условиях проживания в соответствии с анализом, основанным на определении минимального значения -критерия, - при котором выгодно использовать интересующий потребителя способ электроснабжения. Данный анализ можно условно разделить на три этапа: 1. определение минимального теоретического значения некоторого критерия; 2. определение реального (характерного) для условий данной местности значения того же параметра; 3. сравнение теоретического значения с реальным для рассматриваемого критерия. В качестве основного критерия целесообразности использования любой автономной энергетической установки в сравнении с подключением к централизованной энергетической сети следует использовать некоторое минимальное расстояние от местонахождения автономного жилища до энергетической сети. А при сравнении систем на основе ВИЭ (в нашем случае одиночная ФЭС или ВЭС и комбинированная ветро-солнечная система) с ЖТЭ -минимальная стоимость. Далее при определении искомых критериев сравнение рассматриваемых проектов электрификации будет проводиться при одних и тех же условиях финансирования. Все используемые технические я экономические параметры эквивалентны соответствующим характеристикам в программе «AulonomousHome», принятых по умолчанию. С учетом этого, выражения для определения полных расходов на электроэнергию, получаемую рассматриваемыми способами, приведенных (затрат) к величинам настоящей стоимости, примут следующий вид.
