Экологическое обоснование использования альтернативных источников энергии на примере жилого дома

Экологическое обоснование использования альтернативных источников энергии на примере жилого дома

Введение

Актуальность темы. Глобальные и локальные катастрофы, разрушительные катаклизмы, происходящие в последнее время во все нарастающем масштабе, являются, что уже теперь ясно как ученым, так и простым людям, следствием разрушительного, технократизированного образа жизни людей. Причем многие факты об этих процессах, скрываемые раньше, в последнее время все чаще появляются в средствах массовой информации. Открытым текстом говорят и пишут о всеобщем потеплении климата, ведущем к повышению уровня Мирового океана, что в скором времени может привести к потопу, подобному тем, что происходили в древности, и вызвано это резким увеличением выбросов в атмосферу углекислого газа, которые возрастают на 1-2% каждые 10 лет. Воздух отравлен токсичными продуктами индустриальной деятельности человека (всем известный смог) настолько, что во многих городах просто нечем дышать. Происходит резкое сокращение лесных запасов, легких нашей планеты вследствие хищнической вырубки и гибели из-за неблагоприятных условий существования. Налицо резкое истощение и эрозия почвы из-за индустриальных, интенсивных методов обработки, таких как глубокая вспашка, массовое использование минеральных удобрений и ядохимикатов, бездумная ирригация.

Довольно долго в России считалось, что «Господь наградил Россию углём, газом и нефтью», поэтому для производства альтернативной энергии нет стимулов. За последние пять-семь лет в России возрос интерес к более интенсивному использованию возобновляемых источников энергии. По мнению аналитиков BritishPetroleum, с добычей нефти у нас возникнут проблемы уже в 2025 - 2035 годах. И хотя в России пока не принято ни одного закона по этой теме, в аналитической справке Комитета Госдумы по энергетике, транспорту и связи сказано: «В связи с истощением месторождений нефти и природного газа российская энергетика в течении XXI века обязана претерпеть существенные структурные изменения. Россия ставит цель снижения удельной энергоёмкости экономики к 2020 г. в 2 раза по сравнению с 2000.

Стратегическими целями использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива являются:

сокращение потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;

снижение экологической нагрузки от топливно-энергетического комплекса;

энергообеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним сезонным завозом топлива.

Традиционное производство и использование энергии связаны с загрязнением окружающей среды. Так, например, при сжигании ископаемых видов топлива, образуются токсичные газы и вещества, отрицательно воздействующие на окружающую среду. Потребление энергии по всему миру в ближайшие годы будет возрастать, и мы не сможем отказаться от ископаемых видов топлива. Последствием будет растущее загрязнение окружающей среды на местном, региональном и глобальном уровнях. Рациональное использование энергии, сокращение потребления энергоносителей, а также применение технологий, не наносящих ущерба окружающей среде, представляют собой важные инструменты в сфере охраны окружающей среды. Существенная роль в снижении уровня экологического загрязнения от использования традиционных видов топлива принадлежит расширению применения возобновляемых источников энергии.

В начале 2006 года министерство промышленности и энергетики России совместно с РАО ЕЭС в инициативном порядке разработало проект концепции и проект закона «О поддержке использования возобновляемых источников энергии в Российской Федерации». В законе заложен механизм государственной поддержки развития этого важного сектора энергетики.

Тема загородного и сельского жилья, использующего возобновляемые источники энергии, актуальна не только с точки зрения экологичности, но и с точки зрения развития направления архитектуры жилого малоэтажного дома.

Цель работы - разработка расчетным способом экологического обоснования энергонезависимого дома.

Задачи исследований:

исследование основных альтернативных источники энергии в России и за рубежом: низкопотенциальная тепловая энергия, энергия солнца и энергия ветра;

характеристика энергонезависимого дома;

расчеты и экологическое обоснование энергонезависимого дома;

экономическая эффективность использования низкопотенциальной тепловой энергии, энергии солнца и энергии ветра.

Объект исследований - энергонезависимый дом.

Предмет исследований - экологическое обоснование энергонезависимого дома расчетным методом.

1. Исследование основных альтернативных источников энергии в России и за рубежом: низко потенциальная тепловая энергия, энергия солнца и энергия ветра

.1      Теоретическое обоснование экодома, как жилища

Необходимость проектирования и строительства жилых домов с низким энергопотреблением (ДНЭ) вызвана рядом причин. Из-за экологического и энергетического кризисов возникает острая необходимость в сохранении природных ресурсов всех видов. Большинство жилых домов до настоящего времени построено без учета всех требований теплоизоляции, по типовым проектам, в которых не учтены климатические особенности различных регионов России. В условиях юга России мало используются новейшие технологические разработки, которые могут удешевить строительство и эксплуатацию зданий. Отсутствует экспериментальное строительство жилых домов с низким энергопотреблением. Комплексно не применяются мероприятия в области техники повторного использования тепла, устройства теплоизоляции, правильной ориентации зданий и других основных принципов рационального использования энергии. Поэтому сегодня жилые дома в России потребляют энергии в 2,5-4,4 раза больше, чем жилые дома с низким энергопотреблением, построенные за рубежом.

За рубежом вопросами проектирования энергосберегающих жилых домов с использованием возобновляемых источников энергии занимались: А. Дэвис, Р. Шуберт, Р. Липмайстер, С.В. Заколей, Р.С. Грилей, Р.П. Оулетт, Д. Ватсон, Б. Андерсон, Е. Харкнесс, М. Мехта, М. Телкес, Томасон, С. Байер, Г. Берндт, В. Файст, Э. Морган, Ф. Тромба, Мишель, С. Танаки, Р. Суда и др [4].

Среди зарубежных исследователей этой проблематики необходимо отметить архитекторов: С. Зоколей, С. Удел, Б. Андерсон, Д. Ватсон, А. Шуберт, Г, Хилльманн.

Среди современных зарубежных исследователей можно упомянуть архитекторов - Петера и Бренду Вале, Сьюзан Роаф.

Использование альтернативных (возобновляемых) источников энергии в архитектуре малоэтажных жилых домов непосредственно связано с проблемой энергосбережения в жилищном строительстве. В основе исследований по энергосбережению лежат труды по изучению народного жилища, из которых нужно отметить работы, где рассматриваются традиционные жилища Севера и Сибири, таких авторов как: А.В. Ополовников, И.Э. Грабарь, С.Я. Забелло, М.В. Красовский, И.В.Маковецкий, П.А. Раппопорт, Е.А. Ащепков, Ю. С. Ушаков.

Многие исследователи в России и за рубежом работали над проблемами учета природно-климатических факторов при проектировании жилых зданий: М.М. Атаева, А.М. Береговой, К.А. Биркая, Н.П. Былинкин, В.И. Галевко, Б.И. Гиясов, Б.М. Давидсон, С.П. Дьяков, А.В. Ершов, Я.Т. Кравчук, Е.А. Леонтьев, З.П. Ломтатидзе, Т.С. Маргианашвили, Т.Б. Рапопорт, М.С. Туполев, С.В. Ушаков, С.М. Шафранский и др. [4].

Изучением теплотехнических свойств ограждающих конструкций и утеплителей занимались: Г.А. Айрапетов, В.С. Беляев, Г.П. Бойков, И.Н. Бутовский, М.Н. Кокоев, Ю.А. Матросов, В.В. Наседкин, А.Г. Перехоженцев, Б.М. Простаков, В.Т. Федоров, Л.Т. Хохлова, Шаронова О.В. и др.

В области светового климата и инсоляции исследования проводили М.И. Бжахов, А.А. Верховский, Х.М. Гуклетов, Л.Л. Дашкевич, Н.В. Оболенский, В.К. Савин и др.

Возможность использования возобновляемых источников энергии при проектировании жилых домов в России и бывшем СССР изучали: В.А. Акопджанян, М.М. Захидов, Н.И. Масленников, А.А. Саидов, Н.П. Селиванов, Е.В. Плюхин, С.В. Ушаков и др.

Над научно обоснованным формированием микроклимата и экологии жилых территорий работали В.А. Блинов, Н.М. Гусев, Г.К. Климова, В.Е. Каменкова, И.В. Маргиани, Н.П. Титова, В.И. Фельдман и др.

Принципы проектирования народного жилища раскрыты также в работе Б.М. Полуя. Помимо этого в его работе исследованы приёмы проектирования в экстремальных климатических условиях Севера.

Большое внимание изучению традиционных жилищ уделено в работах Т.А. Маркуса и Н.И. Масленникова.

В настоящее время основой для проектно-нормативной базы является СНиП 2.08.01.-89 «Жилые здания» и СНиП 31-02-2001 «Дома жилые одноквартирные».

Исследованиями в области использования возобновляемых источников энергии в архитектуре занимались: А.Н. Сахаров, И.И. Анисимова, Э.В. Сарнацкий, С. К. Саркисов, Н.П. Селиванов, Г.И. Полторак. Диссертации на эту тему были написаны М.М. Захидовым, Н.И. Масленниковым, М.А. Демидовой, С.С. Ушаковым, В.А. Акопджанян [4].

Исследования выше перечисленных авторов приходятся на 80-е года прошлого века. В это время сформировалось начало типологии «солнечных» домов и их деление на активный и пассивный способ использования солнечной энергии.

В СССР типологией домов, использующих солнечную энергию, занимался А.Н. Сахаров и И.И. Анисимова. Ими так же была составлена типология ветровых установок и возможность их монтажа на жилые дома.

В 1976 г был проведён международный студенческий конкурс на тему «Посёлк для 50 жителей с автономной системой энергообеспечения». Победителем конкурса стал проект, разработанный студентами МАрхИ.

В МАрхИ с 1977 года идут исследования и проектирование жилых и общественных зданий с солнечным энергообеспечением.

Был спроектирован комплекс зданий с солнечным тепло-хладоснабжением в Крыму, в районе Алушты (КиевЗНИИЭП).

Экспериментальные проекты были разработаны институтом Дагестангражданпроект на научном полигоне «Солнце» в 1983 - 1986гг [26].

Архитекторами Н.И.Маслённиковым и Е.В. Плюхиным был разработан экспериментальный проект малоэтажного жилого дома усадебной застройки с гелиосистемами для отопления и горячего водоснабжения.

В современных работах немалую роль уделяют использованию возобновляемых источников энергии в архитектуре такие авторы, как - В.А.Новиков, Н.А.Сапрыкина, A.M. Баталов, О.Д. Бреславцев, Н.Н. Гераскин, А. Ю. Табунщиков, И.В. Черешнев.

Экспериментальные жилые дома с использованием возобновляемых источников энергии строятся в Екатеринбургской области, в Барнауле, а также в Новосибирске Новосибирским институтом теплофизики.

Индивидуальные застройщики частных домов на юге России часто используют для горячего водоснабжения солнечные коллекторы.

Помимо многочисленных частных домов, проектируемых с использованием возобновляемых источников энергии, в Европе, активно действуют программы по проектированию «экологических поселений», поддерживающимися государственными и региональными программами. Такие, как жилые дома в Хокертоне (Великобритания), «солнечные посёлки» в Германии (например, посёлок Аахен-Лауренсберг, посёлок Бекум), район Виикки в Финляндии, посёлок Амерсфурт (Нидерланды), район в городе Охусе (Дания), район в Тронхейме (Норвегия) [4].

По мнению Казанцева П.А. экологический дом - это рационально построенная конструкция дома с усовершенствованными с помощью новых технологий обслуживающими инженерными системами жизнеобеспечения, как правило, автономными для одного или нескольких домов.

Как следует из самого названия, экологичность является основным качеством дома, из которого вытекают остальные. Экологичность по Казанцеву подразумевает ненанесение вреда природе и человеку, минимальное загрязнение окружающей среды как прямое, так и косвенное.

Прямое загрязнение - это применение «грязных» (токсичных) материалов, загрязнение отходами жизнедеятельности и непосредственное использование невозобновимых источников энергии: нефти, газа, угля и др. Непосредственное использование невозобновимых источников предполагает применение ископаемого топлива для автономного энергообеспечения дома, например, сжиженного газа для приготовления пищи, угля и нефтепродуктов для отопления и производства горячей воды (автономные котлы и газогенераторы), бензина и солярки для производства электроэнергии (дизельные миниэлектростанции).

Косвенное загрязнение - это опосредованное использование невозобновимых источников энергии через использование централизованных сетей для энергоснабжения и канализации отходов дома, а также применение стройматериалов (даже экологически чистых), для производства которых используются «грязные» технологии.

Из этого следует, что экологичность подразумевает отказ, как от прямого, так и от косвенного загрязнения природы. Из этого вытекает, во-первых, необходимость автономности, т.е. независимости от централизованных сетей энергоснабжения и канализации, чтобы исключить использование косвенных источников загрязнения, а также массовых производителей стройматериалов, использующих в большинстве случаев «грязные» технологии. Это значит, что экодом должен обеспечиваться теплом, электроэнергией, горячей и холодной водой только за счет внутренних источников и иметь автономную систему канализации и утилизации бытовых отходов. Поскольку должно быть исключено и прямое загрязнение (использование ископаемого топлива для внутреннего использования), то экодом должен обеспечиваться энергией только за счет альтернативных возобновимых источников - солнца, ветра, воды, растений.

Накопление тепла - важнейшая характеристика экодома. Она обеспечивается конструктивными, архитектурно-планировочными решениями, применением эффективных утеплителей, использованием аккумуляторов тепла и т.д. Экономия тепла достигается минимизацией количества и размеров отапливаемых помещений, поддержанием разумной температуры в жилых помещениях.

Накопление и экономия электроэнергии достигается использованием высокоэкономичных источников света и бытовых приборов, а также электроаккумуляторов.

Экономия и накопление воды предполагает разделение ее на чистую питьевую и воду для технических нужд, повторное использование последней, применение различных резервуаров для ее накопления и эффективных водосберегающих приборов.

Отказ от прямого загрязнения подразумевает использование в конструкции дома нетоксичных, безопасных для здоровья материалов, необходимость хорошей вентиляции и применения различных систем очистки и полной утилизации продуктов жизнедеятельности. Еще один аспект экологичности - возможность полной утилизации стройматериалов по истечении их срока службы.

Комфортность предполагает удобство и благоприятные условия проживания. Другими словами дом должен быть светлым, сухим, зимой теплым, летом прохладным, иметь свежий воздух, достаточное (но разумное) количество жилых и подсобных помещений и развитую систему хладообеспечения.

Красота относится к эстетической (а точнее к духовной) категории и является важным элементом экодома. Проще говоря, дом должен иметь привлекательный, радующий взгляд вид.

Низкая стоимость - важнейшее качество экодома, поскольку предполагает доступность его по цене большей части населения. Он по крайней мере должен быть сопоставим по затратам на строительство с традиционным домом (в идеале быть дешевле), а в части эксплуатации - значительно дешевле его. Вообще стоимость экодома прямо и непосредственно связана с остальными его качествами, а в некоторых случаях является определяющей категорией для выбора конкретных решений. Например, тщательное сохранение тепла в доме, приводящее к использованию дополнительных нестандартных конструкторских решений и материалов, вызвано не в последнюю очередь дороговизной автономных источников энергии (ВЭС, солнечных модулей и т.п.). Ясно, что можно было бы так тщательно не бороться за сохранение тепла, горячей воды и электроэнергии, а решить проблему в лоб: установить ветроэлектростанцию (ВЭС) мощностью, скажем 20-30 квт и греть электричеством котлы отопления и горячей воды. Стоимость такой ВЭС была бы намного выше стоимости дома. Это, конечно крайность, есть другие более рациональные приемы отопления неутепленного дома (например, газогенераторными печами большой мощности), но и они экономически менее целесообразны, чем усиление теплоизоляции корпуса в совокупности с максимальным использованием «бесплатной» солнечной энергии.

Уменьшению стоимости экодома способствует также выбор дешевых (но качественных) материалов, широкое использование местного сырья для исключения дальних транспортных перевозок и сокращения использования тяжелой строительной техники, возможность самостоятельного изготовления некоторых строительных материалов и элементов инженерных систем, применение высокотехнологичного прогрессивного миниоборудования для строительства.

Некоторые разработки экодомов и его элементов уже можно использовать на практике. В России складываются благоприятные условия для массового строительства экологического жилья, так как благодаря смене экономического устройства сворачивается строительство многоквартирных домов и начинает интенсивно развиваться индивидуальное строительство. Надо направить усилия на то, чтобы те, кто может и строит себе дома, начали строить именно экодома [12].

.2      Энергосбережение в экодоме

По данным Центра ООН по населённым пунктам использование энергии в жилищно-коммунальном секторе составляет 40 % от общего количества, вырабатываемого в мире. Выбросы в атмосферу окислов серы и углекислого газа от эксплуатации жилья составляют 70 % и 50 % соответственно. Однако при использовании традиционных и современных экологических технологий дом может не только не нарушать баланса в окружающей среде, но и способствовать его восстановлению [5].

В само понятие «Экодом» уже заложено энергосбережение, энергоэффективность.

«Экодом» предполагает минимальное энергопотребление энергии и эффективное его использование внутри дома. Кроме этого, «Экодом» встраивается в каждое конкретное место и использует те ресурсы, которым это место располагает. Использование нетрадиционных источников энергии (солнце, ветер, реки, водоёмы, геотермальные источники) обязательно рассматривается.

За то, короткое время, которое предоставлено, мы хотим обратить ваше внимание на основы энергосбережения и энергоэффективности в "Экодоме" и основы использования нетрадиционных источников энергии [15].

Часто ставится два вопроса: где взять энергию (электрическую, тепловую) и сколько это будет стоить? Совершенно не задаётся вопрос: как рационально и эффективно использовать эту энергию? Без этого главного вопроса другие два часто становятся просто непреодолимым препятствием. Только сначала решив этот главный вопрос, можно рассматривать остальные. Тогда они уже будут не такими непреодолимыми.

Поэтому предлагаем сначала рассматривать вопрос об эффективном использовании энергии, а уж затем, как получать энергию и сколько это будет стоить.

Первое, с чего начинается энергосбережение - это высокое термическое сопротивление наружных ограждающих конструкций. Это наиболее эффективное инвестирование в энергосбережение. Не обеспечив этого параметра дома, бессмысленно говорить об экономии энергии или использовании солнца для отопления. Я считаю, что термическое сопротивление стен должно быть не менее R=6 (м² К)/Вт.

Согласно последних изменений СНиП для одноквартирного дома в климатических условиях Оренбурга, термическое сопротивление стен должно быть R=3 (м²К)/Вт. Если же построить дом с термическим сопротивлением с R не менее 10, то создаются предпосылки отопление дома от работы обычных бытовых приборов, лампочек освещения и тепла, находящихся в нём людей.

Второе. Энергию следует подразделять по качеству на энергию высокого качества и более низкого. Например, электрическая энергия в стабильной сети 220 V 50 Гц - это энергия высокого качества. Её целесообразно использовать только там, где без неё невозможно обойтись: холодильник, компьютер, телевизор, насос, бытовые приборы с электродвигателями.

Для освещения или для работы чайника и электроплиты совершенно не обязательно иметь переменный ток высокого качества. Здесь может быть низкое качество электроэнергии и постоянный ток. Некоторые бытовые приборы имеют коллекторные двигатели (например, пылесос) и поэтому они могут работать и от 220 В постоянного тока.

Совершенно не рационально использовать электричество для отопления. При получении электрической энергии на тепловых станциях коэффициент полезного действия (КПД) по электричеству составляет около 30 %. Автономные дизель генераторы так же имеют КПД 30 %. Поэтому сжигать органическое топливо для выработки электрической энергии, которая будет использоваться на отопление - неразумно. Более эффективным в этом случае будет непосредственное сжигание органического топлива для получения тепла на отопление.

Компрессионные тепловые насосы, работающие от электричества высокого качества, перекачивают тепло из низкотемпературных источников (река, водоём, грунтовые воды) в систему отопления и горячего водоснабжения дома. При этом затрачивается электрической энергии до 30 % от общего количества полученного тепла. Если это электричество получено при сжигании органического топлива, то экономия топлива равна нулю [17].

Тепловая энергия - это энергия низкого качества. Её и рационально использовать на нужды отопления и горячего водоснабжения, а также приготовления пищи. В качестве источников этой энергии могут быть традиционное топливо: уголь, дрова, газ, так и нетрадиционные источники: солнечная энергия, биогаз.

Третье. Аккумулирование энергии - тепловой, электрической. Аккумулирование энергии серьёзный фактор экономии энергии в автономном доме. Аккумулирование позволяет перераспределять получение и потребление энергии во времени. Например, солнце греет днём, а максимальная нагрузка на отопление ночью (суточное аккумулирование), или летом избыток солнечного тепла - а зимой недостаток (сезонное аккумулирование).

Аккумулирование позволяет накапливать энергию маленькими порциями, а отдавать - большими. Частая ошибка: например, максимальное потребление электрической энергии 5 кВт, и заказчик говорит, что ему нужна электрическая станция мощностью 5 кВт. А это соответствующая стоимость. Кроме того, эта станция должна работать именно тогда, когда необходима эта мощность. Но ведь такая мощность нужна не всё время, а только на какой-то период? Поэтому при наличии аккумулирования электрической энергии, мощность электрической станции уже может быть значительно меньшей, следовательно, дешевле. Кроме этого, при потреблении электрической энергии электрическая станция может и не работать, а включаться в другое время. В этом случае, электрической станцией уже может быть ветрогенератор или солнечный модуль, или мини ГЭС, или генератор с двигателем внутреннего сгорания, работающим на биогазе.

Принцип аккумулирования распространяется так же и на тепловую энергию. Избыток тепла сбрасывается в тепловой аккумулятор и потребляется по мере надобности. Тепловые аккумуляторы бывают водяные, грунтогравийные и химические. Первые два представляют собой части конструкции дома. Химические же используют специальные вещества, сохраняющие тепло в виде химических связей. Они прекрасно сохраняют большие количества тепловой энергии многие месяцы без потерь. Например, в 3 м³ химического вещества можно за лето накопить достаточное количество тепла на весь последующий отопительный период.

Четвёртое. Сама архитектура и конструкция дома должна способствовать эффективному накоплению и использованию энергии. "Экодом" - это дом-коллектор, дом-аккумулятор и дом-термос.

Дом-коллектор, архитектура дома способствует максимальному проникновению солнечных лучей внутрь дома в отопительный период и минимальному - в жаркий период года. Зоны дневного пребывания освещаются непосредственно солнечным светом, а спальни и подсобные помещения располагаются на теневой стороне дома. Коридоры, туалеты, ванные комнаты освещаются солнечным светом через колодцы-световоды с крыши дома. Кроме этого, дом имеет солнечные коллектора для нагрева воды или/и воздуха для горячего водоснабжения и, возможно, отопления.

Дом-аккумулятор. Внутри дома располагаются большие массы для поглощения тепла. Здесь накапливаются избытки тепла, не вызывая перегрева в доме, и отдаётся тепло, когда его недостаёт.

Дом-термос. Конструкция дома сохраняет тепло с минимальными потерями экостроительство дом жизнеобеспечение энергосбережение

Пятое. Использование в доме энергоэффективного оборудования. Существуют различные типы бытовых электроприборов, котлов, светильников отличающиеся друг от друга энергоэффективностью. Например, лампы дневного света потребляют меньше энергии, чем лампы накаливания.

Энергоэффективные лампы "OSRAM" при одинаковой силе света потребляют в 5 раз меньше электрической энергии, чем лампы накаливания, и служат в 10 раз дольше.

Шестое. Использование автоматизации. Например, освещение включается только там, где находятся люди. При движении человека по дому в тёмное время суток свет автоматически включается и выключается. Известно, что солнечных модулей на 100-200 Вт, аккумуляторной батареи и датчиков присутствия достаточно для обеспечения освещением полностью автономного дома [15].

.3      Отопление дома. Низкопотенциальная тепловая энергия

При покупке автомобиля мы руководствуемся не только его дизайном и расцветкой, а уделяем внимание и техническим характеристикам, таким, как вид и расход топлива, тип коробки передач, скоростные возможности, легкость в управлении и т.д.

Современный дом - сложное техническое сооружение со множеством технических характеристик. Важнейшим из них является аналог расхода топлива у автомобиля - затраты на отопление в натуральном и денежном выражении. В различных домах они могут отличаться в десятки раз [20].

Тепловые потери дома зависят от физико-географических условий, в первую очередь от суровости зимы. Теплопотери в первом приближении пропорциональны снижению температуры и длительности периода с низкими температурами. Поэтому суровость отопительного сезона характеризуется числом градусо- дней (ГСОП) - произведением среднего отклонения температуры ниже 18 градусов на среднюю продолжительность в сутках отопительного периода. Временные границы отопительного сезона по российским нормативам (в других странах они могут быть иными) определяются устойчивым переходом среднесуточных температур наружного воздуха через +8 °С. ГСОП задается в виде карты с изолиниями либо в виде таблицы с усредненными значениями для районов страны.

В первом приближении теплопотери зданий зимой пропорциональны понижению температур и длительности отопительного периода. Это учитывается таким параметром, как ГСОП - градусо-сутки отопительного периода. В Росии ГСОП подсчитывается как сумма разностей температуры в 18°С и среднесуточных температур для каждого дня за период, когда эти температуры опускались ниже 8°С, причем сумма считается не по конкретному году, а по усредненному по многолетним наблюдениям [8-26].

Таким образом, затраты на отопление в том или ином географическом районе пропорциональны этому показателю.

Для России ГСОП равен 4800 в районе Москвы с размахом от 1044 в Сочи до 12045 в Оймяконе. В США аналогичный показатель колеблется (исключая Аляску) от 0 до 3000, в Нью-Йорке - 2200. Для Германии характерны значения 2100 - 2900, В Берлине - 2400, для Швеции - 3400 - 4000, в Стокгольме - 3500, в Гетеборге - 3000, в Париже - 1800. Как видно из этих цифр, в США например, вдвое-втрое менее напряженный отопительный сезон, чем среднероссийский. Существуют данные о среднестатистическом потреблении тепла на отопление старых жилищ, в России это 400 - 600 (вероятное среднее 425), в США - 220, в Швеции, Финляндии - 135, в Германии 260 кВтч/м²-год соответственно.

Дом является единой теплоэнергетической системой, в которой помимо собственно отопления постоянно идет множество энергетических процессов, сопровождающихся выделением тепла. Это работа бытовых приборов и устройств, освещения, отдача тепла горячей водой, нагрев солнцем стен и проходящими через окна лучами предметов интерьера и т.д. И наконец, сами люди и домашние животные выделяют заметные количества тепла. Так, взрослый человек, занятый легким трудом, рассеивает мощность 200-300 ватт, при увеличении физической активности это значение увеличивается многократно. Расчеты позволяют оценить тепловыделение семьи из четырех человек с учетом факторов среднего времени пребывания и характера физической нагрузки в 1-1,5 МВт-час за отопительный сезон.

Тепло рассеивается также осветительными и другими электробытовыми приборами (2-3 МВт/час), горячей водой (2-3 МВт/час), плитой для приготовления пищи (1-1,5 МВт-час), биотуалетом (0.5-1 МВт-час). Солнечное излучение, проходя сквозь окна и нагревая стены, дает в среднем еще несколько МВт-час. Если суммировать эти теплопоступления, то получим порядка 10 МВт/час за отопительный сезон, что примерно равно потребности тепла на обогрев хорошо утепленного дома с удельным показателем теплопотребления для средне российских условий 30-40 кВт-час/м-год. Поэтому нет смысла утеплять дом до бесконечности, ибо, переусердствовав, можно столкнуться с необходимостью охлаждения домов даже зимой, когда внутренние тепловыделения заметно превысят теплопотери. Таким образом, достаточно в зависимости от широты местности утеплить дом до такой степени, чтобы его теплопотери в холодный период были в среднем равны внутренним тепловыделениям. Расчеты показывают, что для средней полосы России для этого достаточно слоя менее чем полуметровой толщины какого-либо из эффективных современных теплоизоляционных материалов с показателем удельной теплопроводности 0,04-0,05 Вт/м-градус (уже известны и более хорошие показатели). Следовательно, для жилищ повсеместно кроме, возможно, отдельных районов с экстремально суровым климатом, в принципе отпадает необходимость в системе отопления. Это может внести заметные изменения в облик жилых районов городов, поскольку до сих пор сооружения и сети систем централизованного теплоснабжения оказывали влияние на их формирование.

В энеpгoпассивном доме не нужна система отопления. Погодные условия, определяющие теплопотери, и внутренние тепловыделения дома подвержены колебаниям во времени. Из-за их непостоянства может чрезмерно изменяться и температура внутри дома. Для компенсации этих периодически возникающих отклонений можно применить систему терморегулирования, выполненную как маломощная система отопления эпизодического действия. Питаться теплом она может от сезонных или краткосрочных тепловых аккумуляторов, заряжаемых от возобновляемых источников энергии.

Система обогрева энергоэффективного дома может содержать основную и вспомогательную системы. Основная обычно состоит из солнечного теплового коллектора и теплоаккумулятора, запасающего тепло по суточным и сезонным циклам. Конструкции аккумуляторов тепла могут быть различными: в Швеции и Норвегии предпочитают твердотельные аккумуляторы под домом; в США и Германии - жидкостные внутри дома (на 200 кв. м жилой площади - около 15 тонн воды). Обычно такие системы стоят недешево, однако их можно сделать менее дорогими, используя местные материалы и комплектующие [17].

Нами будет рассмотрено отопление дома с помощью теплового насоса. Еще в позапрошлом веке британский физик Уильям Томпсон придумал устройство, которое назвал “умножителем тепла”, что и заложило фундамент для развития данной технологии.

Тепловой насос - это многофункциональный прибор, сочетающий в себе функции отопительного котла, источника горячего водоснабжения и кондиционера. Основное отличие от всех остальных источников тепла заключается в исключительной возможности использовать возобновляемую низкотемпературную энергию окружающей среды на нужды отопления и нагрева воды. Эти устройства именуют "тепловыми насосами", благодаря способности, так сказать, "перекачивать" тепло из низкотемпературного источника в высокотемпературный. Такие системы работают без использования топлива и практически не производят вредных выбросов в атмосферу, кроме всего прочего, они экономят до 80% энергии, направляемой на отопление. Эту энергию устройство получает из окружающей среды, а значит платить нужно только за те 20% энергии, которые расходуются на работу циркуляционных насосов и компрессора.

Принцип работы теплового насоса представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Принцип работы теплового насоса

Нам знакома эта технология на примере обычного бытового холодильника. Это устройство состоит из двух теплообменников (конденсатора и испарителя) и компрессора. Эти агрегаты объедены в общий контур. Контур заполняется хладагентом (фреоном), который обладает очень низкой температурой кипения (порядка -20°С). Проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ при низком давлении и низкой температуре.

Таким образом, тепловой насос - представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Такой холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его внутрь дома, можно таким простым способом обогревать помещение.

Процесс работы теплового насоса заключается в следующем:

проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю, теплоноситель нагревается на несколько градусов. Теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, внутри теплового насоса отдает взятое из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса;

внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент

превращается из жидкого состояния в газ;

попав из испарителя в компрессор, хладогент сжимается, и при этом его температура повышается;

после этого нагретый газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). Там осуществляется теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Таким образом, хладагент передает свое тепло в системе отопления, охлаждается и снова возвращается в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам;

пройдя через редукционный клапан хладагент поступает в испаритель, при этом давление понижается, и цикл повторяется снова.

Тепловые насосы являются универсальными устройствами. В теплое время года их используют для охлаждения воздуха в помещениях, а в холодное время года при их помощи помещения отапливают. Принцип работы теплового насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Тепло при этом получается из воздуха, который находится в помещении и отдается водоему или земле [3-18].

В зависимости от наиболее приемлемого источника низкопотенциального тепла в данной местности применяется несколько типов тепловых насосов, рисунки 1.2 - 1.3.

Общим для них является использование воды в качестве источника низкопотенциального тепла. Если на необходимой глубине доступны грунтовые воды, то применяется тепловой насос типа “вода-вода” или “вода-воздух”.

Поскольку вода обладает высокой теплоемкостью, то эффективность системы будет достаточно высока. А постоянная температура грунтовых вод около +8 °C +12°C гарантирует оптимальный источник низкопотенциального тепла. При этом грунтовые воды направляются из одной скважины в тепловой насос, отдают там тепловую энергию, а затем перекачиваются в другую скважину, которая удалена на некоторое расстояние.

Также применяется насос с закрытым циклом и водоразмещенным теплообменником - специальная жидкость (теплоноситель) прокачивается по коллекторам (трубкам), находящимся в водоеме, и отдает или забирает тепло у воды. Дом имеет смысл отапливать тепловой энергией открытого водоёма в том случае, если здание находится от водоёма ближе 100 метров, и глубина водоёма, а также береговая линия соответствуют условиям, требуемым для прокладки коллектора. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 300 метров. Преимуществом такого способа является его относительная дешевизна.

Системы для грунта разделяются на вертикальные игоризонтальные, рисунок 1.4 - 1.5.

Горизонтальные земляные теплообменники используют солнечную энергию, которая накапливается в верхних слоях грунта. Температура почвы остается на довольно высоком уровне даже в холодное время года. По трубам коллектора, погруженного на определенную глубину, течет незамерзающая жидкость, которая переносит полученное тепло к испарителю теплового насоса.

Существуют различные способы использования энергии почвы:

-  горизонтальный коллектор располагается на глубине около 1,2-1,3м. Горизонтальный коллектор применяется, если есть достаточно площади для его укладки;

-       намного меньше места требуют вертикальные геотермальные теплообменники, состоящие из трубок, через которые прокачиваетсятеплоноситель. Они размещаются вертикально в земле и уходят в глубину до 200 метров (чаще всего 50 - 100 метров). Такие зонды вводятся буровым инструментом. Геотермальные зонды состоят из замкнутых труб, которые отбирают тепло так же, как почвенный коллектор. Количество тепла, которое отбирает зонд, составляет от 30 до 100 Вт на метр зонда, что в значительной мере зависит от особенностей строения грунта;

-       для применения траншейного коллектора необходимо немного меньше пространства. Потребуется приблизительно в 1-1,5 раза больше территории, чем отапливаемое пространство;

Данный метод имеет самую высокую эффективность работы теплонасоса, малый расход электроэнергии и относительно дешевое тепло - на 1 кВт электроэнергии получают до 5 кВт тепловой энергии, но требует больших первоначальных капиталовложений.

Рисунок 1.2 - Насосы “Вода-вода” и “Воздух-вода”

Рисунок 1.3 - Насос с закрытым циклом и водоразмещенным теплообменником

Рисунок 1.4 - Системы для грунта горизонтальные

Рисунок 1.5 - Системы для грунта вертикальные

Также применяют на практике теплонасосы в которых источником низкопотенциальной энергии используется воздух снаружи помещения. Именно из него отбирается тепло для отопления. Такие системы еще называют “воздушными теплонасосами”. Они разработаны и успешно используются в более теплых, чем Украина, странах, где не бывает значительных морозов - южных штатах США, Греции, Японии и т.д. Такие насосы не требуют грунтовых и бурильных работ. Но их не рекомендуется использовать в Украине, так как воздух как источник тепла имеет недостаток: при низких температурах от -10°C производительность и коэффициент трансформации теплового насоса значительно падает.

В странах Европейского союза, Китая и Японии поощряют применение тепловых насосов. В Швеции, Испании, Великобритании и Китае эффективно работает программа получения субсидий за установку этого оборудования. Во Франции у населения есть возможность оформить налоговый кредит за энергосбережение и использование возобновляемых источников энергии. Национальные нормы потребления энергии Германии предъявляют строгие требования к энергоэффективности зданий, и это фактически мотивирует использование низкотемпературных систем отопления. Европейский союз также ввел Директиву по Энергетическим Показателям Зданий для улучшения показателей энергоэффективности строений и, как результат, тепловые насосы составляют около четверти всего Европейского рынка всех устройств, предназначенных для обогрева помещений. А правительство Швеции к 2020 году планирует стать первой страной в мире, которая будет пользоваться для энергоснабжения исключительно возобновляемыми источниками энергии [17].

Геотермальные ресурсы РФ представлены в рисунке 1.6 [23].

Рисунок 1.6 - Геотермальные ресурсы РФ

.4      Энергия солнца

Первичной энергией для жизни на Земле за небольшим исключением является солнечная. Она, как показывают расчеты, в большинстве районов Земли может быть и основным источником энергии для экодома. Идея «солнечного дома» имеет солидный возраст, а если обратиться к традиционным верованиям, имеет еще и мистическое обоснование. Экологически «сознательное» здание должно максимально полно использовать солнечное излучение. При отсутствии атмосферы на Земле на перпендикулярную излучению площадку в 1 м падало бы 1400 Вт энергии. Эта величина называется солнечной постоянной. Она колеблется в зависимости от активности Солнца, но незначительно. При отсутствии облаков земная атмосфера рассеивает около 20% всей солнечной радиации. В целом, в ясный солнечный день около 80% энергии солнечного излучения достигает земной поверхности. В среднем же из-за экранирования облаками земной поверхности доходит 52% солнечной энергии. Всего на Землю на уровне моря приходит ежегодно около 800 триллионов мегаватт часов солнечной энергии, что примерно в восемь тысяч раз больше, чем вся современная выработка энергии человеком.[16]

.4.1   Солнечные батареи

Первая солнечная батарея была разработана группой американских ученых в 1954году. Изобретателям удалось достичь 6 % КПД.

Уже спустя 4 года солнечная батарея стала основным источником электроэнергии на космических кораблях во всем мире. Но приборы не были совершенными, и ученые продолжали работу в этом направлении.

В семидесятых годах кремниевая солнечная батарея имела КПД 10 %. Эти устройства вполне успешно использовали на космических аппаратах, но смысла использовать их на Земле не было. Причем и цена этих устройств была немаленькой, что легко можно объяснить дороговизной материала, используемого для их изготовления.

Сдвиги в развитии альтернативных источников электроэнергии были отмечены только в девяностых годах. Группа ученых из США смогла добиться значительного повышения эффективности солнечных батарей, путем создания особого цветосенсибилизированного их типа.

Отличались эти солнечные батареи простотой производства, невысокой себестоимостью материалов, экономичностью.

Производство солнечных батарей было налажено в конце восьмидесятых. Солнечные батареи, которые выпускаются сегодня, имеют КПД чуть больше 20 %.

Ныне солнечные батареи, солнечная энергетика, хоть всё ещё и не является ведущей энергоотраслью на планете, всё же находит применение в очень многих областях нашей жизни. Основным материалом для производства солнечных элементов по сей день остаётся достаточно распространенный химический элемент - кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Кремниевая солнечная батарея - наиболее известный преобразователь - позволяет в среднем получать, напряжение 0,6В. Ее средняя эффективность преобразования составляет 10-25 % (максимальное значение - 41 %). Коэффициент полезной мощности (отношение полученной средней мощности к мощности, которая может быть получена при постоянном преобразовании солнечной энергии) 15-20 %. Ток, генерируемый солнечной батареей, пропорционален интенсивности падающего света. Для увеличения тока солнечные батареи можно соединить параллельно, что не вызывает затруднений. Но последовательное их соединение для увеличения напряжения проблематично. Перспективны и солнечные батареи, выполненные на органических материалах и оптоволокна на основе сенсибилизированных красителей (Dye-sensitizedsolarcells, DSSC). Хотя срок их службы составляет всего от одного до пяти лет, они дешевы, прозрачны, работают при низких уровнях, освещённости. К тому же их изготавливают путем печати на подложки большой площади. Такие солнечные батареи могут успешно применяться в системах питания устройств со средним сроком службы: медицинских приборах одноразового действия, торговых бирках, электронных этикетках.

Разработаны солнечные батареи со сроком службы до 20 лет - на основе нанокремния, диселенида меди-индия-галлия, а также тонкопленочные на основе теллурида кадмия.

Преобразование энергии в солнечных элементах происходит вследствие, так называемого, фотовольтаического эффекта в неоднородных полупроводниках при воздействии на них солнечного излучения. По своему строению солнечный элемент напоминает бутерброд, который состоит из двух полупроводниковых пластинок. Внешняя пластинка содержит избыток электронов, а внутренняя пластинка - недостаток. Попадание фотона света на внешнюю пластинку вызывает выбивание из нее электрона и переход его на внутреннюю пластину, что и создает электрический ток [2].

Наиболее широкое распространение солнечные батареи имеют в США и странах Европы, в Японии, Корее, Китае. В Европе, например, где вопросам экологии уделяется очень большое внимание, существуют специальные госпрограммы поддержки солнечной энергетики. Например, в некоторых районах владельцы домов с солнечными батареями отдают выработанную за день солнечную энергию в общую сеть, за что получают льготы при оплате электроэнергии. В Германии избыток электроэнергии, вырабатываемой летом частными солнечными батареями, покупают энергосберегающие компании, несмотря на ее несколько более высокую стоимость по сравнению с «обычной», с целью поддержки развития «зеленых технологий». Благодаря государственной программе, компенсирующей до 70 процентов затрат на так называемую «соляризацию» домов и льготы при оплате, в ФРГ на «солнечное» электричество переходит до полумиллиона квадратных метров крыш в год. Первый такой правительственный проект финансовой поддержки владельцев «солнечных» домов был принят немцами еще в 1990 году и назывался тогда «1000 солнечных крыш». Вслед за Германией подобный проект, но уже под названием «100000 солнечных крыш» был принят для всех стран-членов Евросоюза (ЕС). В Японии и США аналогичные проекты назывались соответственно «70000 солнечных крыш» и «1000000 солнечных крыш». Даже Монголия присоединилась к новому движению: «100000 солнечных юрт» - так назывался её проект.

Строительство «солнечных» домов на Западе давно уже является признаком респектабельности и, несмотря на длительный срок окупаемости (7-10 лет), пользуется все возрастающей популярностью. Новые дома в Испании также согласно государственной программе строятся с солнечными батареями на крышах. В Голландии недалеко от городка Херхюговард создан экспериментальный район, названный «Город Солнца». Электроэнергия здесь вырабатывается с помощью солнечных панелей, установленных на крышах домов. В среднем один дом в «Городе Солнца» вырабатывает до 25 кВт электроэнергии. В перспективе предполагается увеличить общую мощность «Города Солнца» до 5МВт. И это лишь некоторые факты поощрения использования энергии Солнца на государственном уровне.

По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики* (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами снизится до уровня менее 0,10 € за кВт/ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт/ч для установок в жилых зданиях. Согласно прогнозу EPIA, к 2030 г. солнечные батареи будут производить до 2646 ТВт электроэнергии, удовлетворяя от 8.9 до 13.8 % мировых потребностей. Годовой объем рынка фотовольтаики достигнет €454 млрд. К 2025 году, благодаря фотоэнергетике, будут сокращены выбросы в окружающую среду на 353 млн. тонн. Этот показатель эквивалентен объему выбросов в Австралии и Новой Зеландии, или 150 угольных электростанций [6].

В России значимой поддержки солнечной энергетики на государственном уровне нет, кроме нескольких деклараций о важности развития этой отрасли и правительственного распоряжения. Объяснить это можно и наличием больших запасов углеводородов и тем, что стоимость солнечного электричества в нашей стране пока ощутимо выше, чем «обычного». А вот в ЕС, к примеру, из-за более качественного развития солнечной энергетики удаётся стоимость эту постоянно и довольно быстрыми темпами снижать. Ныне она уже может конкурировать со стоимостью традиционного электричества.

Понятно, что Россия не слишком солнечная страна - от этого КПД «солнечных» технологий ниже, чем, к примеру, где-нибудь в Испании. Значит и степень распространения по территории страны ниже. И всё же, перспективы у солнечной энергетики очевидно есть и в нашей стране. Наиболее велики они, конечно, на юге: в Краснодарском и Ставропольском краях, Астраханской, Волгоградской, Ростовской областях, других южных регионах России. Впрочем, в стране есть регионы даже более подходящие для развития солнечной энергетики, чем традиционные «юга». Исследования, проведенные лабораторией возобновляемых источников энергии Института высоких температур РАН, показали, что в России наиболее «солнечными» являются регионы Приморья и юга Сибири. В некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока годовая солнечная радиация составляет 1300 кВт-ч/м², превосходя значения для южных регионов России. И здесь использование установок, преобразующих солнечную энергию, возможно в течение круглого года. Первая же солнечная электростанция появилась в нашей стране менее двух лет назад - 29 сентября 2010 года, в Белгородской области мощностью 100 кВт. Пока это - экспериментальный пилотный проект. В целом же, проекты, связанные с солнечной энергетикой в нашей стране есть, но они пока бессистемны. Доля энергетики на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в топливном балансе России скромна - около 1 %, и большая часть энергетических потребностей покрывается за счет теплоэлектростанций. В правительственном распоряжении, подписанном в январе прошлого года, прописано намерение увеличить объем производства и потребления электрической энергии с использованием ВИЭ до 4,5 % в 2020 году. Пока же Россия не упоминается ни в одном из аналитических обзоров ООН, касающихся состояния фотовольтаики в мире.

В 2009 году в России открыта солнечная электростанция в Белгородской области мощностью - 100 кВт. К 2013 году планируется открыть солнечную электростанцию такой же мощности в Ольхонском районе Иркутский области. Тамже, в Иркутской области ныне создаётся высокотехнологичный производственный комплекс по производству поликремния на базе предприятий компании «NitolSolar». Объем средств, инвестируемых в этот проект «Роснано», - 7,5 млрд. рублей [6].

«Солнечные» технологии находят ныне применение в различных сферах жизни и деятельности людей. В том числе в области создания климата. Речь не о глобальном климате на планете, хотя и здесь экологически чистая солнечная энергетика не приносит никакого вреда: выбросов загрязняющих веществ, разрушения озонового слоя. Речь всё же о климате в отдельно взятой квартире, доме, офисе. С 2012 года крупнейший мировой производитель климатической техники - GD MideaHoldingCo., Ltd (бренд MDV) - начнёт поставку в нашу страну своих новых сплит-систем Solarpower DC-Inverter.

.4.2   Солнечные коллекторы

Люди нагревали воду при помощи Солнца с давних времен, до того, как ископаемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике. Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий. Покрашенная в черный цвет поверхность сильно нагревается на солнце, тогда как светлые поверхности нагреваются меньше, белые же меньше всех остальных. Это свойство используется в солнечных коллекторах - наиболее известных приспособлениях, непосредственно использующих энергию Солнца. Коллекторы были разработаны около двухсот лет назад. Самый известный из них - плоский коллектор - был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым по имени Гораций де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах ХIX века.

Технология изготовления солнечных коллекторов достигла практически современного уровня в 1908 году, когда Вильям Бейли из американской "Carnegie Steel Company" изобрел коллектор с теплоизолированным корпусом и медными трубками. Этот коллектор весьма походил на современную термосифонную систему (см. ниже). К концу первой мировой войны Бейли продал 4 000 таких коллекторов, а бизнесмен из Флориды, купивший у него патент, к 1941 году продал почти 60 000 коллекторов. Введенное в США во время второй мировой войны нормирование меди привело к резкому падению рынка солнечных обогревателей.

До всемирного нефтяного кризиса 1973 года эти устройства пребывали в забвении. Однако кризис пробудил новый интерес к альтернативным источникам энергии. В результате возрос спрос и на солнечную энергию [35].

Солнечный водонагреватель (солнечный коллектор) - это устройство, которое предназначено для поглощения солнечной энергии, которая переносится видимым и ближним инфракрасным излучением и для последующего ее превращения в тепловую энергию, пригодную для использования.

Солнечные жидкостные коллекторы представляют собой плоские нагревательные панели с внутренними каналами. Эти панели с рабочей стороны покрыты специальным селективным составом, благодаря которому панель поглощает до 95% падающей солнечной энергии, а излучает обратно только 8-11 %. Панель размещена в алюминиевой рамке, которая спереди покрыта ударопрочным стеклом, а сзади утеплителем. Солнечные коллекторы размещают, как правило, на крыши под расчётным углом. Солнечные лучи нагревают жидкость в каналах коллектора, которая самотёком или при помощи маленького насоса подаётся в бойлер с теплообменником для нагрева воды на хозяйственные нужды. Такая система из 4 коллекторов "Радуга" и бойлера обеспечивает автономный дом горячей водой с мая по сентябрь-октябрь.

Тепловые солнечные коллекторы превращают энергию солнечного излучения непосредственно в тепло, нагревая теплоноситель - воду, антифриз, воздух. Достоинством тепловых солнечных преобразователей является высокий КПД и относительно низкая стоимость. У современных коллекторов КПД достигает 45-60 %.

Теплообмен в вакуумном солнечном коллекторе происходит следующим образом:

-       поглощение солнечного излучения. Солнечный луч попадает на абсорбер гелиоколлектора (специальное покрытие, которое характеризуется повышенной способностью поглощать тепловую энергию) превращается в тепло и передается во внутреннюю часть трубки, откуда тепло передается в систему отопления;

-       передача тепла. Тепловые медные трубки вакуумного трубчатого солнечного коллектора, которые размещены внутри стеклянной трубки получают тепловую энергию от абсорбера. Низкокипящая жидкость начинает кипеть, пар этой жидкости поднимается вверх. Происходит процесс передачи тепла от всей трубки по длине к верхней колбе (конденсатор);

-       теплообмен между колбой (конденсатором) и теплосборником. Пар низкокипящей жидкости собран в верхней части трубки под воздействием теплообмена с теплосборником, через который прокачивается антифриз и который имеет температуру значительно ниже, конденсируется. При конденсации происходит передача тепла от низкокипящей жидкости к антифризу, сконденсированная жидкость по медным стенкам тепловой трубы стекает в низ и процесс поглощения солнечного луча начинается опять. Нагретый антифриз попадает в от гелиоколлектора в бак-аккумулятор;

-       сбережение солнечной энергии. Антифриз (незамерзающая жидкость) забрав тепло от солнечного коллектора передает его через теплообменник в бак-аккумулятор, вследствие этого температура антифриза снижается и он направляется к солнечному водонагревателю за новой порцией тепловой энергии. Температура воды в баке-аккумуляторе постепенно повышается, а определенный объем бака позволяет обеспечить достаточное аккумулирование солнечной тепловой энергии для ваших потребностей.

Рисунок 1.9 - Теплообмен в вакуумном солнечном коллекторе

Эффективность солнечных коллекторов повышается, если они снабжены теми или иными концентраторами излучения. В зависимости от наличия или отсутствия концентраторных устройств тепловые коллекторы разделяются на плоские и концентраторные. Плоские коллекторы наиболее просты и дешевы, однако дают лишь низкотемпературное тепло, сфера применения которого в домовом энергохозяйств ограничена. Концентраторные коллекторы более эффективны но достаточно сложны, в том числе в эксплуатации, и дороги из-за необходимости поворотных систем слежения за Солнцем. Поэтому в домашней энергетике они почти не используются. Плоский тепловой коллектор представляет собой плоский ящик с прозрачным покрытием, обращенным к Солнцу, и теплоизолированными, во избежание теплопотерь, остальными поверхности. Внутри находится система трубопроводов для теплоносителя (воздуха или жидкости) с крылышками из теплопроводного материала, увеличивающими эффективность теплосбора. В качестве прозрачного экрана используется стекло с максимальным пропускание солнечного спектра. Крылышки и сами каналы покрываются каким-либо темным составом либо селективным покрытием. Последнее подбирается так, что хорошо поглощает солнечное излучение (соответствующее телу, нагретому до 6300°К), но в свою очередь слабо излучает при обычных земных температурах (порядка 300°К). Это уменьшает теплопотери коллектора собственным тепловым излучением, но удорожает изделие. Если откачать из коллектора воздух, то его собственные тепло- потери уменьшатся. Так устроены вакуумные коллекторы, однако в этом случае вакуум удается соблюсти только внутри цилиндрических стеклянных трубок, окружающих каналы с теплоносителем. Плоский лист стекла не в состоянии выдержать атмосферное давление, составляющее 10 тонн на квадратный метр [8-17].

Спектральный состав солнечного излучения приведен в таблице 1.1 Устройства, преобразующие солнечную энергию в тепло, используют длинноволновую (инфракрасную) часть спектра, преобразующие в электроэнергию,- коротковолновую. Как видно из таблицы, тепловое солнечное излучение на уровне земной поверхности в энергетическом выражении в 1,2 раза превышает оптическое [24].

Таблица 1.1 - Энергетический спектр солнечного излучения

В центральной Европе годовой приход солнечной радиации составляет 1,1 МВт-ч/м²-год, в районах Сахары - 2,3 МВт-ч/м²-год. В России приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность колеблется от 0,7 МВт-ч/м²-год на севере до 1,5 МВт-ч/м²-год на юге. В таблице 1.2 приведены эти показатели для некоторых российских городов [15].

Таблица 1.2 - Среднегодовой приход солнечной энергии на горизонтальную площадку

Элементарный расчет показывает, что в средней полосе России двухэтажный коттедж, занимающий в плане 100 м², за год получает от солнца более 160 МВт-час энергии, что превышает всю его годовую потребность даже при нынешнем расточительном потреблении энергии.

.5     
Энергия ветра

Ветер дует везде - на суше и на море. Человек не сразу понял, что перемещение воздушных масс связано с неравномерным изменением температуры и вращением Земли, но это не помешало нашим предкам использовать ветер для мореплавания. Ветровая энергия порождается энергией Солнца и представляет одну из ее разновидностей. Энергия ветра используется уже несколько тысячелетий, еще в древней Персии работали ветряные мельницы с вертикальной осью вращения. Позже появились мельницы с горизонтальной осью, использовавшиеся вплоть до недавнего времени.

Ветер как источник энергии весьма привлекателен, потому что он всегда присутствует в атмосфере вследствие воздействия солнечной радиации. Использование ветровой энергии исключает тепловые выбросы в атмосферу, как это имеет место при использовании ископаемых топлив и ядерной энергии. В отличие от гидроэнергии и энергии проливов, также обусловленных солнечной радиацией, энергия ветра имеется повсюду, что позволяет избежать сложных устройств для её передачи. И, кроме того, энергия ветра не загрязняет окружающую среду.

Недостатки этой системы очевидны: непостоянный, переменчивый характер ветров, неравномерность распределения во времени и пространстве. Для повышения эффективности ветровых установок необходимо накапливать выработанную ими энергию, а затем расходовать её более или менее непрерывно. Поэтому часто ветроустановки комбинируют с другими ВИЭ, например солнечными [8].

.5.1 История ветрогенератора

Первый ветрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 году. В России в начале 20 века Н.Е. Жуковским была разработана теория ветряного двигателя, которую его ученики расширили и довели до практического использования. В первой половине столетия ветроэнергетика стремительно развивается во всем мире. С 1929 по 1936 года в СССР разрабатываются установки мощностью 1000 кВт и 10000 кВт. Эти установки планировались для работы на сеть. В 1933 году в Крыму устанавливается ВЭС мощностью 100 кВт с диаметром колеса 30 м. Развитие этого направления достигло своего пика, когда в 1957 году была изготовлена ветряная турбина мощностью 200 квт. Но вскоре их вытеснили мегаватные станции, работающие на традиционном топливе. В течение Второй Мировой войны датская машиностоительная компания F.L.Smidt построила двух- и трехлопастные ветряные турбины. Эти машины генерировали постоянный ток. Трехлопастной аппарат с острова Водо, построенный в 1942 году, был частью ветро-дизельной системы, которая обеспечивала электроснабжение острова. Более тысячи ветротурбин было поставлено в PalmSprings (Калифорния) в начале восьмидесятых. Дания в настоящее время имеет приблизительно 2000 мегаватт ветряной энергии и около 6000 действующих ветряных турбин. 80% этих турбин принадлежат частным лицам или местным кооперативам. Самая большая в мире «ветряная ферма» находится в Дании, город Middelgrunden. Она состоит из 20 турбин Bonus 2 МВт, общая мощность которых составляет 40 МВт [22].

.5.2   Зависимость скорости ветра от характера поверхности

Количество энергии, содержащейся в ветре пропорционально площади сечения воздушного потока и скорости ветра в третьей степени. Другими словами, если скорость ветра возрастает в 2 раза, то количество энергии, которое можно будет получить, возрастёт в 8 раз. Существование такой зависимости заставляет очень тщательно выбирать место расположения ветрового двигателя. Если можно найти участок, где скорость ветра хотя бы на 3,5 км/ч больше, чем на остальной территории, то это гарантирует выработку огромного количества энергии за весьма короткое время.

Есть два основных вида данных (прежде всего, это результаты наблюдений метеорологической службы), которые характеризуют ветровые условия каждого конкретного участка. К ним относятся:

-       сведения об участках, на которых отмечались, самые большие скорости ветра;

-       направление преобладающих ветров;

-       сведения о характере изменений скорости ветра за годы наблюдений;

-       данные о годовом ветровом режиме;

-       продолжительности таких периодов.

Любые данные, полученные через метеослужбу, пригодны только для проработки основных решений. Каждый конкретный участок может иметь ветровые характеристики, отличные от тех, что даёт метеослужба, так как этот участок и метеостанция находятся в различных топографических условиях.

Второй вид данных - это результаты наблюдений непосредственно на участке строительства, продолжительность которых должна быть не менее двух лет. Наблюдения следует вести в разных точках участка и на разных отметках (скорость ветра с высотой увеличивается, потому что исключается воздействие препятствий, находящихся на поверхности земли). Наблюдения, проведённые на различных высотах, позволяют оценить постоянства ветровых характеристик. Чем больше «разброс» результатов наблюдений, тем большей переменчивостью и турбулентностью характеризуется ветер и тем менее пригоден выбранный участок.

Как показывают опыты, большие преимущества для установки ветряных двигателей имеют гладкие холмы, если они окружены свободным пространством в радиусе 5-6 км. При установке двигателя на склоне холма важно, чтобы уклон был такой, при котором ветровой поток не разбивается с увеличением скорости. Разделение воздушного потока приводит к возникновению турбуленции, которую следует избегать. Отдельные холмы предпочтительнее, чем гряды холмов. Возрастание скорости воздушного потока может происходить вдоль любой стороны холма в то время, как у гряда холмов это явление наблюдается только вдоль одного определённого направления. Окружающее пространство должно быть, по возможности свободно, свободно от деревьев, крупных камней и других предметов, которые могут создать турбулентные потоки.

Генри Клюз в своей работе «Получение электроэнергии от ветра» предложил метод интерполяции результатов кратковременных наблюдений для получения сведений долговременного характера. суть метода заключается в том, что результаты ежедневных измерений в течение месяца, проведённые на данном участке, сравниваются с результатами многолетних наблюдений ближайшей метеостанции для того же месяца. По результатам сравнений определяют интерполирующие коэффициенты, которые позволят получить среднегодовые показатели ветровых характеристик выбранного участка [8]. На рисунке 1.11 показаны ветровые ресурсы РФ [37].

Рисунок 1.11 - Ветровые ресурсы РФ

Выводы по первой главе

В первой главе мы рассмотрели определение экодома и альтернативные источники энергии, которые можно использовать в современном домостроении.

Экологический дом - это рационально построенная конструкция дома с усовершенствованными с помощью новых технологий обслуживающими инженерными системами жизнеобеспечения, как правило, автономными для одного или нескольких домов.

«Экодом» предполагает минимальное энергопотребление энергии и эффективное его использование внутри дома. Кроме этого, "Экодом" встраивается в каждое конкретное место и использует те ресурсы, которым это место располагает.

В малоэтажном жилом доме можно использовать следующие возобновляемые источники энергии:

-       низкопотенциальная тепловая энергия (геотермальная энергия): водоёма, почвы и грунта;

-       энергия солнца;

-       энергия ветра.

Низкопотенциальная тепловая энергия представляет собой выработку энергии из окружающей среды. Тепловой насос использует геотермальную энергию, т.е. энергию земли. Тепловой насос имеет возможность использовать возобновляемую низкотемпературную энергию окружающей среды на нужды отопления и нагрева воды.

Энергия солнца. Солнце является основным источником энергии на Земле. При отсутствии облаков земная атмосфера рассеивает около 20% всей солнечной радиации. В целом, в ясный солнечный день около 80% энергии солнечного излучения достигает земной поверхности. С помощью солнечной энергии можно обеспечивать дом теплом, горячим водоснабжением и электричеством. Тепло и ГВС обеспечивают солнечные коллекторы, электричеством солнечные батареи.

Оборудования солнечных коллекторов и батарей для выработки энергии используют инфракрасное излучение, которое составляет 54% из всего спектра солнечного излучения у поверхности земли.

Энергия ветра. Про энергию ветра можно сказать, что ветер дует везде, и в тех районах, где среднегодовая скорость ветра равна 4-5 м/с, можно рассматривать проекты ветроэлектростанции. Энергией ветра вырабатывают электричество с помощью ветрогенераторов.

Количество энергии, содержащейся в ветре пропорционально площади сечения воздушного потока и скорости ветра в третьей степени. Другими словами, если скорость ветра возрастает в 2 раза, то количество энергии, которое можно будет получить, возрастёт в 8 раз.

2. Экологическое обоснование использования альтернативных источников энергии при проектировании объектов жилищно-гражданского назначения (на примере жилого дома)

2.1    Климатическая характеристика Оренбургской области

Территория Оренбургской области имеет благоприятные условия по показателю природно-климатических условий, а среднегодовые значения ее климатических параметров (по потенциалу загрязнения атмосферы по зонам) относятся к категории «низкий» и благоприятны для условий рассеивания вредных веществ в атмосфере.

В соответствии со СНиП 11-02-97 «Строительная климатология» рассматриваемая территория относится к III климатическому району.

Климат района резко континентальный, что объясняется его значительной удаленностью от морей и близостью к полупустыням Казахстана. Климатические условия обследованной территории характеризуются большой амплитудой колебания годовой и суточной температур, сильными ветрами, непродолжительным весенним и продолжительным осенним периодами. Среднемесячная температура воздуха самого холодного месяца - января - минус 13,1 ⁰С, а самого жаркого месяца - июля - плюс 22,1 ⁰С. Зима длится 4,5 месяца. Минимальная зимняя температура достигает минус 40-44 ⁰С. Лето имеет примерно такую же продолжительность с максимальной температурой плюс 44 ⁰С. Продолжительность периода с положительными температурами     - 149 дней.

Ветер отличается крайней изменчивостью, как по направлению, так и по скоростному режиму. В среднем, всего 45 дней в году бывают безветренными.

Скорость ветра, повторяемость превышения которой для данного района составляет 5 %, достигает 9 м/сек. Максимальная скорость ветра равна 15 м/сек. Зимой преобладает восточное и юго-западное направление ветра, летом - восточное и западное. Средняя скорость ветра составляет 4,0 м/сек. На территории изысканий характерны особенно сильные ветры, дующие зимой во время снежных буранов и летом в периоды, характеризующиеся низкой относительной влажностью и высокой среднесуточной температурой.

Подобный ветровой режим и равнинный характер местности способствуют выносу загрязняющих веществ. Коэффициент рельефа местности равен 1. Перепад высот не превышает 50 м на 1 км. Коэффициент, зависящий от стратификации атмосферы и определяющий условия горизонтального и вертикального рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе, равен 180. Малое количество дней с туманами и незначительное количество приземных инверсий с низкой интенсивностью, повторяемость которых составляет не более 0,4 км, предотвращают аккумуляцию загрязняющих веществ. В таблице 2.1 приведены данные по природно-климатическим условиям исследуемого района.

Таблица 2.1 - Природно-климатические условия исследуемого района (по МС Оренбург)

Общая продолжительность солнечного сияния составляет - 2198 часов. Наибольшая продолжительность отмечается в июле (322 часа), наименьшая - в декабре (55 часов). Отношение наблюдаемой продолжительности солнечного сияния к теоретически возможной в среднем составляет 49 %, достигая для летних месяцев 64 % и снижаясь в декабре до 22 %. В среднем, в течение года отмечается 73 дня без солнца.

Изменение интенсивности солнечной радиации и радиационного баланса в течение суток, прежде всего, зависит от высоты солнца над горизонтом. Поэтому максимальное значение солнечной радиации приходится на полдень, причем как при ясной погоде, так и при облачной. Средние максимальные значения прямой солнечной радиации, поступающей на перпендикулярную поверхность, достигают 1,3 кал/см² мин.

Солнечных и ветровых ресурсов в нашем регионе вполне достаточно, чтобы активно использовать альтернативную энергетику [35].

2.2 Архитектурно-конструктивная часть

На рисунке 2.1 показана планировка исследуемого объекта.

Рисунок 2.1 - Планировка дома

Рациональная организация помещения была выполнена согласно нормам из СНиП 2.08.01-89 Жилые здания [27].

Здание имеют надземную часть - ту, что возвышается над уровнем земли, и подземную, которая расположена ниже тротуара или отмостки. Часть здания по высоте, ограниченная полом и перекрытием или полом и покрытием, составляет этаж. Этажи надземной части зданий, у которых полы находятся не ниже планировочной отметки земли (тротуара, отмостки), называются надземными. Этажи подземной части, полы которых находятся ниже уровня отмостки, но не более чем на половину высоты расположенных в нем помещений - цокольные, а с отметкой пола ниже отмостки более чем на половину высоты расположенных в нем помещений - подвальные. Этаж, в котором размещают инженерное оборудование и коммуникации, называется технический. Технический этаж размещают в цокольной части здания, над верхним этажом или в середине здания. Чердачное помещение под крутой с изломом крышей (преимущественно в жилых зданиях) называется мансардой.

В данном случае этажи находятся на отметке ±0,000 и +3,300. На первом уровне огромное пространство четко разделено на зоны в зависимости от функциональности:

-       зона отдыха (данная зона включает в себя помещения гостиной);

-       зона приема гостей (столовая, кухня);

-       второстепенные помещения (гостевой санузел).

В исследуемом объекте применена каркасная технология. При этом конструкция каркаса разработана таким образом, чтобы обеспечить максимально возможный коэффициент однородности всех ограждающих поверхностей. Для элементов несущих конструкций были применены несколько исполнений строганных пиломатериалов нормированной влажности - сплошных и клееных. Наибольшее сечение пиломатериала для каркасной стеновой конструкции - клееный столб 200×300 мм, наименьшее - строганный брусок 46×46 мм. Балки перекрытий и стропил выполнены из клееных элементов сечением 66×300, а главные прогоны - из клееных элементов ЛВЛ сечением 75×400. Вся несущая конструкция образована пространственной решёткой сложной формы, обеспечивающей прочность и жёсткость всей конструкции.

Высота этажа составляет 3 метра, высота крыши 2 метра, общая высота фундамента 0,75 метра. Площадь дома S = 122 м².

Помещения дома как видно из рисунка 2.1 были распланированы следующим образом:

- гостиная S =29,35 м²;

кухня S = 14,5 м²;

спальня S = 10,4 м²;

коридор S = 35,8 м²;

сан. узел S = 6,44 м²;

крыльцо S = 6,6 м²;

гаражS = 15,5 м²;

кладовая S = 3,255 м².

Здание обеспечено естественной вентиляцией, а также вентиляционными каналами и сплит-системой. Преимущества такого типа строительства:

-       сокращение сроков строительства и стоимости;

-       высокое сопротивление, в том числе землетрясений (сейсмичность здания составляет 7 градусов);

-       хорошая термо- и теплоизоляция.

Теплопотери в доме значительно снижены за счёт качественной и максимально эффективной теплоизоляции. В проекте используется теплоизоляция в плитах ISOVER Каркас-П32, которую позаимствовали из проекта «Активный дом», обладающий максимально низким коэффициентом теплопроводности и специально разработанный для каркасных домов. Внутренняя сторона стен обшита гипсокартоном высокой плотности, что придаёт лёгкой деревянной каркасной конструкции дополнительную теплоёмкость.

Дом использует различные источники энергии, которые интегрированы в единую систему. Дом включает следующие системы источников энергии:

-       солнечные батареи;

-       солнечные коллекторы;

-       ветряные генераторы;

-       теплонасосы.

Одним из основных источников жизнеобеспечения дома является энергия солнца, как наиболее доступная на сегодняшний день. Солнечные коллекторы установлены в комбинациях с мансардными окнами, является визуально привлекательным и простым в эксплуатации. Также среди инженерных систем, положительно влияющих на энергобаланс здания нужно выделить высокоэффективный тепловой насос и систему теплового пола, систему вентиляции, солнечные батареи и ветряные генераторы для производства электричества.

2.3    Фундамент - основа дома

Фундамент здания представляет собой его нижнюю или подземную часть, предназначенную для передачи нагрузки от веса здания на основание. Выбор фундамента определяется инженерно-геологическими характеристиками строительной площадки, а также технологической и экономической целесообразностью.

Глубина залегания фундамента. В зависимости от глубины залегания и способа передачи нагрузки на грунт, различают две категории фундаментов:

-       мелкозаглубленный фундамент используется в зданиях из «легких» материалов (например, деревянный брус) и возводится в открытом котловане. Такие фундаменты предают давление на грунт только через подошву. Схема такого фундамента разрабатывается только после проведения расчетов деформаций грунтового основания, особенно в случае пучинистого грунта. Поэтому фундамент в таких зданиях является активным элементом конструкции:

-       чем выше жесткость сооружения, тем меньше деформации грунтового основания;

-       заглубленный фундамент закладывается глубоко под землей и предназначен для строительства зданий, изготовленных из «тяжелых» материалов (бетон, кирпич, камень и т.д.). Технология возведения фундаментов этого типа не требует создания котлованов - элементы фундамента погружают в грунт или формируются при помощи специальных устройств. Поэтому заглубленный фундамент передает нагрузку по двум направлениям: по подошве и по боковой поверхности(благодаря действию сил трения).

Способы опоры на грунт. В зависимости от способа опоры на грунт различают 4 типа фундаментов, которые отличаются друг от друга конструкцией и технологией изготовления:

-       ленточный фундамент представляет собой непрерывную конструкцию, возводимую под стены здания или под основания отдельных конструкций (колонн или опор). Поэтому такой фундамент имеет вид ленты и изготавливается как подземная монолитная (заливка бетона по всему периметру стен) или сборная (состоит из готовых бетонных блоков) конструкция. Чтобы изготовить монолитный фундамент на дне котлована производится монтаж опалубки и изготавливается конструкция из арматурного каркаса. Затем в опалубку заливается бетон. Для защиты фундамента от влаги и повышения их морозостойкости их смазывают маслами, покрывают битумом или специальной пленкой. Для изготовления фундамента ленточного типа в зависимости от степени пучения грунта могут использоваться различные ЖБК (железобетонные конструкции):

-       очень сильное: монолитный железобетон;

-       сильное: монолитный железобетон или блоки, соединенные между собой;

-       среднее: монолитный бетон или блоки в перевязке на растворе;

-       слабое: монолитный бетон или уложенные свободно блоки, а также бут, цементогрунт или бутобетон.

-       плитный фундамент устанавливается под всей площадью кирпичного или деревянного сооружения. В основе такого фундамента лежит сборная решетчатая (перекрестные балки или бетонные блоки) или монолитная плита из железобетона. Такой фундамент обычно используется на местности с высоким уровнем грунтовых вод и слабых неоднородных грунтов. Так как после монтажа плит практически всегда происходит горизонтальное или вертикальное смещение грунта, такой фундамент еще называют плавающим фундаментом;

-       фундамент свайный состоит из отдельных свай, которые сверху перекрываются балкой или монолитной плитой. Такой фундамент используют в тех случаях, когда требуется передать на слабый грунт большие нагрузки от тяжелых опор, колонн, плитных конструкций кирпичного или каменного здания. Это наиболее доступный фундамент, цена которого зависит от его типа и материала изготовления. Различают набивные и забивные сваи. Набивные сваи изготавливают путем заполнения полости бетонной смесью. Забивные сваи бывают деревянными, металлическими или железобетонными. Железобетонные сваи наиболее распространены благодаря своей прочности и долговечности. Деревянные сваи более доступны, но подвержены процессам гниения;

-       винтовой фундамент является одной из разновидностей свайного, обладая при этом рядом преимущества. Для установки такого фундамента не требуется проводить гидрогеологические испытания местности, он может устанавливаться в труднодоступных местах. Монтаж фундамента занимает всего несколько дней, при этом не требуется тяжелая строительная техника, а готовый фундамент не подвержен усадке. В основе фундамента на винтовых сваях лежит стальная труба, нижняя часть которой имеет режущие лопасти определенной формы. Лопасти позволяют распределить нагрузку на большую площадь грунта и препятствуют вырыванию сваи из торфяного или песчаного грунта [12].

В нашем случае он должен удовлетворять следующим критериям:

-       долговечность более 100 лет;

-       применимость для любых грунтов;

-       простота изготовления;

-       экологичность;

-       экономичность;

-       сопротивление теплопередаче R не меньше 5. (Мера теплосопротивления теплоизоляционного материала, чем больше значение R,тем больше теплозащитное свойство)

Этим критериям удовлетворяет фундамент в виде плиты специальной конструкции, который представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Железобетонный фундамент в виде плиты

Приведем пример проекта фундамента на буронабивных сваях, объединенных в общую конструкцию ростверком - железобетонной лентой шириной 300 мм и высотой 400-700 мм. По всей площади дома заливают плиту толщиной 200 мм. От грунта её отделяет теплоизоляционная прослойка, которая повышает комфортность строения, обеспечивает экономию энергоресурсов и предотвращает конденсацию влаги в толще плиты.

Технологическая последовательность:

-  в грунте высверливают скважины;

-       в скважины опускают арматурные каркасы;

-       монтируют арматурный каркас ростверка;

-       устанавливают опалубку из ламинированной фанеры для бетонирования ростверка;

-       для бетонирования столбов под веранду изготавливают опалубку из досок;

-       заливают ростверк. Бетонную смесь подают бетононасосом;

-       внутренние "ячейки" ростверка засыпают песком с последующим трамбованием;

-       когда железобетон наберет достаточную прочность, производят распалубку ростверка. На этом этапе внутри фундамента прокладывают водопроводные и канализационные трубы;

-       на песчаную засыпку помещают плиты пенополистирола. Затем настилают гидроизоляцию, монтируют арматурный каркас и заливают бетон. В результате по всей площади дома получают железобетонную плиту;

-       фундамент готов. Под стенф выполнена бетонная полоса высотой 5см, приподнимающая брус над плитой. Возвышение выравнивают "в ноль", чтобы полностью исключить перекос и другие геометрические деформации стен [12].

Затраты на фундамент. Площадь фундамента равна примерно S = 124 м², объём примерно V = 37 м³. Стоимость возведения одного кубического метра фундамента составляет примерно 2500 рублей. Итого стоимость фундамента нашего объекта составит 92 500 рублей.

2.4    Ограждающие конструкции и внутренние стены

Что же представляет собой каркасный дом. В основе его конструкции лежит каркас из пиломатериалов. Часто такие дома собираются на заводе в виде панелей, снабженных не только утеплителем и пленками, но и всеми необходимыми технологическими проемами для окон, дверей и др. Снаружи каркасные дома могут быть обшиты ориентированно-стружечной влагостойкой плитой и другими материалами. Готовые каркасные и каркасно-панельные дома с внешней стороны облицовываются сайдингом и отделочным кирпичом. В последнее спрос растёт накаркасные и панельно-каркасные дома с внешней отделкой (например, блок-хаус), имитирующей традиционный брусовый или бревенчатый дом.

Высокая скорость строительства сравнительно недорогих каркасных домов делает их чрезвычайно выгодными для самых широких слоев населения. Кроме того, стоит учесть, что построенный по такой технологии коттедж будет долговечным и экологичным.

Одним из основных преимуществ технологии является отсутствие усадки, позволяющее производить внутреннюю отделку сразу же после строительства. Выбор толщины и теплотехнических характеристик стеновых материалов дает возможность спроектировать ограждающие конструкции с минимальными теплопотерями и, следовательно, значительно снизить расходы на обогрев помещений. Легкость же конструкции позволяет использовать относительно дешевые столбчатые фундаменты. Размеры основных элементов каркасно-панельных домов унифицированы, что позволяет выбрать любой вид отделки как снаружи, так и внутри. Вследствие этого фасад любого каркасного дома может имитировать дерево или кирпич - в зависимости от желания клиента.

Каркасные дома на сегодняшний день являются прекрасной возможностью для быстрого и экономичного строительства малоэтажных зданий. Каркасный дом представляет собой готовый комплект, состоящий из строительных элементов дома:

-       несущий каркас: опорные балки и балки перекрытий;

-       каркасные перегородки;

-       оконные и дверные блоки;

-       перекрытия;

-       кровля;

-       наружная и внутренняя обшивки.

Для строительства экодома можно применять любые материалы и конструкции, которые удовлетворяют следующим критериям:

-    долговечность более 70 лет;

-       сопротивление теплопередаче R не меньше 6;

-       экологичность;

-       широкое применение местных материалов;

-       экономичность.

Одним из наиболее эффективных и технологичных является каркасный дом.

Каркас технологический или конструкционный - основа строительства экодома. Каркасная технология обеспечивает максимальное энергосбережение за счет наличия нескольких «слоев» конструкции стен и эффективного утепления [12-22].

Рассматриваемый нами объект деревянный дом, в котором стены образованы деревянным теплоизолированным каркасом. Техническим заданием на проектирование нашего объекта были определены теплотехнические требования к ограждающим конструкциям. По примеру конструкторского бюро «НЛК Домостроение» выполнено беспрецедентные требования по энергосбережению. Стена проектирована не сплошной, а решетчатой. Толщина каркаса стен 550 мм без учёта слоёв внутренней и наружной отделки. Деревянный каркас выполнен так, чтобы минимизировать потери тепла, обеспечит герметичность высокой степени, жёсткость конструкции, удобство и простоту монтажа. Конструкция стены универсальна: может быть уменьшена по толщине или увеличена согласно требованиям по уровню энергосбережения.

Для элементов несущих конструкций были применены несколько исполнений строганных пиломатериалов нормированной влажности - сплошных и клееных. Наибольшее сечение пиломатериала для каркасной стеновой конструкции - клееный столб 200×300 мм, наименьшее - строганный брусок 46×46 мм. Балки перекрытий и стропил выполнены из клееных элементов сечением 66×300, а главные прогоны - из клееных элементов ЛВЛ сечением 75×400. Вся несущая конструкция образована пространственной решёткой сложной формы, обеспечивающей прочность и жёсткость всей конструкции.

Для соединений был применён современный высокоэффективный крепёж европейского производства. Внутренние полости пространственной решетчатой деревянной конструкции предназначены для заполнения теплоизоляцией. Каркас устроен так, что при незначительных конструктивных изменениях величина сопротивления теплопередаче ограждающих элементов дома может быть увеличена или уменьшена согласно требованиям технического задания [32].

Наш объект в целом будет представлять современный каркасный деревянный дом с отменными техническими характеристиками, результат творческой плодотворной работы специалистов нескольких европейских стран.

Если 1 м²каркасного дома обойдётся нам в 10-12 тысяч рублей, то за всю деревянную каркасную конструкцию затраты составят 1 220 000-1 464 000 рублей.

2.5 Характеристика и расчёты солнечных батарей

Важнейшим вопросом является выбор угла наклона панели. Имея в виду возможность круглогодичного использования, следует предпочесть угол на 15° больше географической широты (к тому же, чем больше наклон, тем меньше на панели будут задерживаться пыль и снег). Для Оренбургской области это примерно 65-67°, благо возможность установить панель с ориентацией на юг под таким наклоном у нас имеется. Кстати, если не предполагается зимнее использование солнечных батарей, они вполне могут быть размещены на стене или скате крыши, ориентированном не на юг, а на запад или на восток, причём в этом случае лучше увеличить наклон панелей по сравнению с оптимальным для лета или вообще установить панели вертикально, так как в утренние и вечерние солнце стоит близко к горизонту.

Наклон выбран. Теперь можно приступать к оценке потенциальной производительности солнечных батарей, или, что то же самое, к оценке количества солнечных модулей, необходимых для работы системы в желаемом режиме. Оценку следует провести как минимум для худшего месяца (для Оренбургской области это декабрь), для большей части года (февраль - ноябрь) и для летнего максимума ( июль).

Стандартная инсоляция рассчитывается для площади в 1 квадратный метр. Однако точная площадь элементов солнечной панели нам не известна. Зато известна её номинальная мощность, которая определяется для стандартного потока света в 1 кВт/м² при 25°С. Этого вполне достаточно. Таким образом, выработку фотоэлектрической панели рассчитывается по следующей формуле:

                    (1)

где E_сб - выработка энергии солнечной батареей;_инс - месячная инсоляция квадратного метра (из таблицы инсоляции);_сб - номинальная мощность солнечной батареи;

η - общий КПД передачи электрического тока по проводам, контроллера солнечной батареи и инвертора при преобразовании низковольтного постоянного напряжения в стандартное (если предполагается использовать низковольтное напряжение напрямую, то при достаточно толстых проводах η можно приравнять к 1, т.е. не учитывать);_инс - максимальная мощность инсоляции квадратного метра земной поверхности. Инсоляция и желаемая выработка должны быть в одних и тех же единицах (либо киловатт-часах, либо джоулях).

Соответственно, зная месячную инсоляцию, можно найти номинальную мощность солнечной батареи, требуемую для обеспечения необходимой месячной выработки.

                                   (2)

Как правило, максимальная мощность солнечной батареи, заявленная производителем, достигается при напряжении на её выходе, превышающем напряжение аккумуляторных батарей на 15-40%. Большинство недорогих контроллеров заряда могут либо подключать нагрузку напрямую, «просаживая» выходное напряжение батарей намного ниже оптимального, либо просто отсекать этот «излишек». Поэтому эти потери также можно заложить в КПД, уменьшив его на 10-25% (потери мощности меньше потерь напряжения, поскольку при повышенной нагрузке «проседание» напряжения компенсируется некоторым увеличением тока, хотя и не полностью; более точно значение можно определить, лишь зная зависимость напряжения от тока нагрузки для конкретной батареи). Однако существуют модели контроллеров, которые удерживают эти потери в пределах 2-5%.

Мощность солнечного излучения меняется от месяца к месяцу, а номинальная мощность солнечной батареи неизменна, и именно на неё следует ориентироваться при выборе места для установки и определении затрат. Формула (2) удобна, чтобы оценить номинальную мощность батареи для конкретных условий инсоляции, но мало подходит для оценки её возможностей в течении всего года [21].

Для начала рассмотрим схему электрического питания от солнечных батарей и разберёмся в структуре и каким-образом работает вся система. На рисунке 2.4 показана схема электрического питания солнечных батарей.

Рисунок 2.4 - Схема электрического питания от солнечных батарей

Вся установка состоит из солнечных батарей, контроллера, обеспечивающего зарядку аккумуляторных батарей, и инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный. Вся система работает в автоматическом режиме.

Рассмотрим поочередно структурные единицы, входящие в систему.

Регулятор зарядки - разрядки (контроллер заряда) - устройство предохранения батареи аккумулятора от чрезмерной разрядки и разрядки. В первом случае устройство отключает нагрузку в случае снижения напряжения батареи аккумулятора ниже напряжения отключения. Во втором - ограничивает зарядный ток при достижении напряжения завершения зарядки.

Аккумулятор - накопитель выработанной электроэнергии, позволяющий функционировать устройствам - потребителям даже при нулевом уровне облучения солнечной батареи. Стоит отметить, что для гарантированного бесперебойного электроснабжения желательным является введение в систему альтернативного источника электропитания (например, стандартного дизельного генератора).

Инвертор - устройство-преобразователь постоянного электрического тока в ток переменный. В том случае, если солнечная батарея устанавливается только для подачи электричества только на устройства-потребители постоянного тока (радиоаппаратура, освещение), инвертор может быть выведен из солнечной системы электроснабжения. На рисунке 2.5 показана система работы солнечных батарей.

Рисунок 2.5 -Система работы солнечных батарей

Солнечные батареи должны вырабатывать каждый день среднее, ежесуточно потребляемое количество электроэнергии, плюс 20-30 % на потери энергии при заряде/разряде аккумуляторной системы.

Для расчёта солнечных систем электроснабжения одноэтажного дома площадью 122 м², нужно определить требуемую мощность и количество фотоэлементов солнечной батареи, ёмкость аккумуляторных батарей, и мощности контроллера зарядки-разрядки и инвертора.

Для нашего дома будет использоваться солнечная панель марки Exmork 230Вт 24В Mono. Характеристика солнечной панели:

-       имеет номинальную мощность в 230 ватт, номинальное напряжение 24 вольта;

-       состоит из монокристаллических кремниевых модулей;

-       материал рамки - анодированный алюминий;

-       светопроницаемость закалённого стекла - 97 %;

-       эффективность фотоэлектрического преобразования - 17,8 %;

-       вес - 19,0 кг;

-       размер одной панели - 1482x992x45 мм (1,5м²);

-       срок службы: не менее 30 лет;

-       цена одной панели - 13200 рублей.

Для всей системы также подобраны: контроллер заряда, инвертор, аккумулятор.

Контроллер заряда для солнечных батарей марки CQ2450. Характеристика контроллера:

-       номинальное напряжение - 24 В;

-       максимальный ток на входе - 50 А;

-       мощность подключаемых солнечных батарей - до 1200 ватт;

-       номинальная мощность - 1200 ватт;

-       КПД - 95%;

-       рабочая температура -25 ºC +55 ºC;

-       цена контроллера - 6400 рублей.

Инвертор специально предназначенный для автономных систем марки Hefei 1 кВт 24В.Предусмотрена работа с ветрогенераторами, солнечными батареями, гибридными автономными системами (ДГУ, бензогенераторы, ветровые установки, солнечные модули и т.д.). Характеристика инвертора:

-       производитель - HefeiWinPower (Китай);

-       постоянная мощность нагрузки - 1 кВт;

-       КПД: не менее 90 %;

-       рабочий диапазон: от -20 +50⁰С;

-       температура хранения (или непродолжительной эксплуатации): -30°C до +70°C;

-       вес: 25,8 кг;

-       размеры: 500х250х250 мм;

-       напряжение на выходе: 220В;

-       шумность: ≤40дБ;

-       цена инвертора - 15000 рублей.

Аккумуляторная батарея герметизированная марки HZY24-200 производства HAZE (Англия - КНР) изготовлена по технологии GEL. Характеристика аккумулятора:

-       напряжение аккумулятора - 24 В;

-       ёмкость аккумулятора - 200 Ач;

-       вес аккумулятора        66,0 кг;

-       цена аккумулятора - 19200 рублей.

Расчет фотоэлектрической системы состоит из 4-х основных этапов:

-    определение нагрузки и потребляемой энергии;

-       определение значений необходимой мощности инвертора и емкости аккумуляторной батареи;

-       определение необходимого количества фотоэлектрических модулей исходя из данных по приходу солнечной радиации в месте установки системы;

-       расчет стоимости системы.

Для начала определим перечень электропотребителейдома с учетом количества комнат, их назначения, расположения электропотребителей, произведем расчет освещения с учетом минимальной освещенности помещений. В таблице 2.2 показан перечень электропотребителей. В таблице 2.3 показан расход электроэнергии оборудованием.

Таблица 2.2- Перечень электропотребителей с указанием средней мощности

Таблица 2.3- Расход электроэнергии оборудованием

Фактическое потребление электроэнергии в час рассчитывается по формуле:

, кВт (3)

Фактическое потребление электроэнергии за год определяется по формуле:

, кВт (4)

Коэффициент использования можно рассчитать, например так: для кондиционера - примерное время работы 55 дней, следовательно, Кисп.эл. = 55÷365 = 0,15.

В результате фактическое потребление электроэнергии за год равна:

 или 5,765 кВт/ч для электрооборудования.

В таблице 2.4 показан расход энергии на освещение комнат.

Таблица 2.4- Определение расхода энергии на освещение комнат

Найдем общее количество ламп и определим суммарную мощность освещения.

Количество энергосберегающих ламп, номинальной мощностью 25Вт, 20Вт, 15Вт, составляет - 20 штук.

В результате расчётов получилась суммарная номинальная мощность всех ламп, таблица 2.5. В таблице 2.6 показан расход электрожнергии при освещении.

Таблица 2.5- Суммарная номинальная мощность всех ламп.

Таблица 2.6 - Расход электроэнергии при освещении

Суммарное потребление энергии на электрооборудование и освещение составляет: 5,765+0,082 = 5,847 кВт/час или 50503,6 + 718,32 = 51221,92 кВт/год, если округлить значения, то данные будут следующими: 5,85 кВт/ч и 51222 кВт/год.

Для расчёта солнечных систем электроснабжения нужно определить требуемую мощность и количество фотоэлементов солнечной батареи, ёмкость аккумуляторных батарей и мощности контролёра зарядки-разрядки и инвертора.

Суммарная мощность всех подключаемых устройств с учётом коэффициента использования:

Р_сум = W_{факт/час.}. (5)

Р_сум = 5,85 кВт

Мощность инвертора:

 = 7,31 кВт (6)

Необходимое значение зарядной ёмкости аккумуляторных батарей:

(7)

где U_акк- напряжение аккумуляторных батарей, В;

H_акк - глубина разрядки аккумуляторной батареи, %.

Необходимая мощность и количество фотоэлементов.

Для этого надо знать значение солнечной радиации в период работы системы электроснабжения, чтобы вычислить количество пиковых часов данной местности.

Среднемесячные значения этого показателя приведены в таблице 2.7 ниже. Взяв из таблицы значение, необходимо помножить его на количество дней в данном месяце, а затем разделить на 1000. Таким образом, мы получим некоторую условную величину определяющую количество пиковых часов - время, в течении которого электромагнитное излучение солнца имеет интенсивность в 1000 Вт/м².

Количество пиковых часов находится по следующей формуле:

 (8)

где N - количество пиковых часов; n_дн- количество дней в месяц.

Таблица 2.7- Среднемесячная инсоляция на горизонтальной поверхности (кВт/м²)

Из таблицы 2.7 видно, что для Оренбургской области среднее значение солнечной радиации равна 3,54 кВт/м².

Среднее количество пиковых часов с годовым значение солнечной радиации:

Для минимального значения радиации в декабре:

Рассчитаем количество энергии за контрольный период (декабрь), вырабатываемое фотоэлементом, так как в декабре самое минимально значение солнечной радиации:

 (9)

где К - поправочный коэффициент, учитывающий снижение уровня облучения солнечной батареи и падения мощности фотоэлементов в результате нагрева (летом -0,5, зимой -0,7);

Рэ - мощность фотоэлемента.

Суммарная энергия фотоэлементов должно быть не меньше суммарного потребления энергии устройствами потребителями.

 (10)

Из полученных данных количество солнечных батарейравна:

По данным из расчётов можно выяснить количества и стоимость оборудований:

-       25 штук солнечных панелей обойдутся на 330000 рублей;

-       5 штук контроллеров будут стоить 32000 рублей;

-       штуки аккумулятора будут стоить 57600 рублей;

-       штуки инвертора будут стоить 45 000 рублей;

-       итого: 464 600 рублей.

Расчет проведен при условии, что все электроприборы и электроосвещение подключены к источнику одновременно и бесперебойно обеспечиваются питанием.

В результате расчета получилось слишком большое потребление энергии, поэтому произведем расчет при уменьшенном коэффициенте использования электроприборов, а для освещения будем использовать светодиодные лампы.

В таблице 2.8 показан расход электроэнергии на оборудование.

Таблица 2.8 - Расход электроэнергии оборудованием

В результате фактическое потребление электроэнергии за год имеет значение 21763,44 кВт или 2,52 кВт/ч для электрооборудования.

В таблице 2.9 показан расход энергии на освещение.

Таблица 2.9 - Расход энергии на освещение комнат (освещенность рабочих поверхностей и помещений для различных сфер деятельности соответствует государственным нормативам, указанным в СНиП 23.05.2010)

Из таблицы 2.9 можно увидеть, что мы будем использовать два типа светодиодных ламп по номинальным мощностям 6 Вт и 7 Вт.

Семиватная модель марки SNeppiLamp 7/12 - сверхяркая светодиодная лампа освещения. Обычно монтируется во встраиваемые светильники, однако цилиндрическая поверхность лампы позволяет использовать и другие крепления. Мощность потребления - 7 Вт, 12-24 В, аналог 100-ваттной лампы накаливания, очень удобная и безопасная. В нашем случае такие лампы будут использоваться в гостиной, кухне и спальне.

Шестиватная модель марки Ecos Lx-6w - светодиодная лампа, аналог лампы накаливания мощностью 55 Вт. Имеет широкий спектр применения, как в быту, так и в офисных помещениях. Может использовать в качестве штатного освещения. В нашем случае Ecos Lx-6w будет использоваться в остальных помещениях дома.

Найдем общее количество ламп и определим суммарную мощность освещения.

Количество светодиодных ламп, номинальной мощностью 7Вт и 6Вт, составляет - 23 штуки.

В результате расчётов получилась суммарная номинальная мощность всех ламп, таблица 2.10.

Таблица 2.10 - Суммарная номинальная мощность всех ламп.

В таблице 2.11 показан расход электроэнергии при освещении

Таблица 2.11 - Расход электроэнергии при освещении.

Суммарное потребление энергии на электрооборудование и освещение составляет:

Если округлить значения, то данные будут следующими: 2,53 кВт/ч и 21870 кВт/год.

Таким образом, рассчитано суммарное потребление энергии при одновременном включении всего электрооборудования и освещения.

Суммарная мощность всех подключаемых устройств с учётом коэффициента использования:

Р_сум= W_{факт/час},

Р_сум = 2,53кВт/час

Мощность инвертора:

Необходимое значение зарядной ёмкости аккумуляторных батарей:

Необходимая мощность и количество фотоэлементов.

Рассчитываем количество энергии за контрольный период (декабрь), вырабатываемое фотоэлементом, так как в декабре самое минимально значение солнечной радиации:

Суммарная энергия фотоэлементов должно быть не меньше суммарного потребления энергии устройствами потребителями.

Из полученных данных количество солнечных батарейравна:

экодом тепловой энергия солнечный

Стоимость всех систем:

-       стоимость солнечных модулей Exmork 230Вт 24В Mono: 145200 рублей;

-       стоимость контроллера заряда марки CQ2450, 3 штуки: 19 200 рублей;

-       стоимость инвертора марки Hefei 1 кВт 24В, 2 штуки: 30 000 рублей;

-       стоимость аккумуляторных батарей марки HZY24-200, 2 штуки: 38400 рублей.

-       итого: 232800 руб.

Расчет проведен при условии, что все электроприборы и электроосвещение подключены к источнику одновременно и бесперебойно обеспечиваются питанием. После уменьшения коэффициента использования электроприборов (К_исп) и замены энергосберегающих ламп на светодиодные, стоимость всех систем стала дешевле в 2 раза.

Проведём расчёт платежа за энергопотребление в год, жилим домом при отсутствии солнечных батарей. Наши данные имеют следующие значения: W_{факт/год}= 21870 кВт/год, 1 кВт = 2 руб. Перемножив эти значения, найдём платёж за электроэнергию, потреблённую за год. Р_год= 43740 руб/год. Получив данный результат можно найти срок окупаемости (О_ср..) всей солнечной системы, используемой для выработки электрической энергии, разделив итоговую сумму всех систем на плату за электроэнергию за год:

2.6   Характеристика и расчёт ветряного генератора

Использование энергии ветра помогает решить многие проблемы энергоснабжения удаленных объектов и загородных домов и получить независимость от местных энергоснабжающих организаций.

Для небольшого загородного дома при наличии среднегодовой скорости ветра более 4 м/с достаточно ветроустановки (ВЭС) мощностью:

Около 150-200 Вт для покрытия базовых потребностей в электроэнергии - освещение, телевизор, связь, радио, другая маломощная нагрузка. Если в доме есть небольшой холодильник, то нужна ветроустановка мощностью 0,5-1 кВт.

От 1 до 5 кВт для электроснабжения почти полностью потребителей в загородном доме, включая стиральную машину, холодильник, компьютеры и т.п. В периоды сильного и продолжительного ветра излишки вырабатываемой электроэнергии могут использоваться для отопления помещений.

Перед тем как будет продемонстрирован пример выбора ветроэлектростанции (ВЭС), следует узнать, какие бывают ветрогенераторы, каким образом поток воздуха трансформируется в электрическую энергию и сколько такой энергии можно будет получить на своем участке.

По устройству ветряка и положению его в потоке ветра системы ветродвигателей разделяют на три класса:

Крыльчатые ветрогенераторы. Имеют ветроколесо с тем или иным числом крыльев. Плоскость вращения ветроколеса у крыльчатых ветродвигателей перпендикулярна направлению ветра, следовательно, ось вращения параллельна ветру (рисунок 2.6,а). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей достигает ξ = 0.42.

Карусельные и роторные ветрогенераторы. Имеют ветроколесо (ротор) с лопастями, движущимися в направлении ветра. Ось вращения ветроколеса занимает вертикальное положение (рисунок 2.6,б). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей равен от 10 до 18 %.

Барабанные ветрогенераторы. Имеют такую же схему ветроколеса, как и роторные, и отличаются от них лишь горизонтальным положением ротора, т. е. ось вращения ветроколеса горизонтальна и расположена перпендикулярно потоку ветра (рисунок 2.6,г). Коэффициент использования энергии ветра этих ветряков от 6 до 8 % [8-37]. На рисунке 2.6 показаны системы ветродвигателей.

а) - крыльчатые ветродвигатели; б) - роторные ветрогенераторы; в) - карусельные ветрогенераторы; г) - барабанные ветрогенераторы

Рисунок 2.6 - Системы ветродвигателей

Так как крыльчатые ветрогенераторы работают значительно эффективнее карусельных и роторных, то для нашего дома эффективнее будет использовать крыльчатые ветрогенераторы.

Классификация по количеству лопастей:

двухлопастные;

трехлопастные;

многолопастные (4 и более лопастей).

Для выработки необходимого количества электроэнергии требуется не факт вращения, а выход на необходимое количество оборотов.

Каждая лопасть (дополнительная) увеличивает общее сопротивление ветрового колеса, что делает выход на рабочие обороты генератора более сложным. Таким образом, многолопастные установки действительно начинают вращаться при меньших скоростях ветра, однако они применяются в случае, когда имеет значение сам факт вращения, то например, при перекачке воды. Для выработки электроэнергии ветрогенераторы с большим количеством лопастей практически не применяются. К тому же на них не рекомендуется установка редуктора, так как это усложняет конструкцию, а также делает ее менее надежной.

Рассмотрим принцип действия и схему ветроэлектростанции [17].

Как видно из рисунка 2.7 поток ветра, стремящийся к лопастям ветряка, активирует ротор и сами лопасти. Далее ротор и лопасти приводят в движение главный вал, а он в свою очередь вращает редуктор и в результате вращения генератора на выходе получаем электричество. На рисунке 2.8 показана схема ветроэлектростанции.

Рисунок 2.7 - Принцип получения электричества

Рисунок 2.8 - Схема ветроэлектростанции

Схема ветроэлектростанции идентична солнечной электростанции, которая состоит из ветрогенератора, зарядного устройства (контроллера), обеспечивающего зарядку аккумуляторных батарей, и инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный. Вся система также работает в автоматическом режиме.

Перед установкой ветрогенератора необходимо понять, есть ли смысл ставить его в нашей местности. Для оценки эффективности установки ветрогенератора из кадастра ветроэнергетических ресурсов должны быть определены следующие основные показатели для предполагаемого места установки ветроэлектростанции:

среднегодовая V_сp.год.и среднемесячная V_cp.мес. скорость ветра (м/с);

время энергозатиший и отключения ВЭУ из-за сильного ветра t, (час).

В таблице 2.12 даны средние скоростные показатели ветра Оренбургской области [21].

Таблица 2.12 - Среднемесячная скорость ветра на высоте 12-30 метров над поверхностью земли

Всего в году примерно 45 безветренных дней, или t = 1080 часов.

Нами выбрана модель ветрогенератора марки Exmork 750 Вт, 24. Рассмотрим основные характеристики и выработку электроэнергии ветрогенератора.

Данные изделия производятся для эксплуатации в быту: частные коттеджи, личные строения, небольшие потребители электричества: 220В 50 Гц. Ветрогенератор при вращении генерирует электричество, которое используется для заряда аккумуляторов. Накопленный в аккумуляторах ток с помощью инвертора преобразуется в 220В 50 Гц.

Характеристика Exmork 750 Вт, 24:

-       Мощность при 10 м/с - 900 ватт;

-       Мощность при 9 м/с - 825 ватт;

-       Мощность при 5 м/с - 100 ватт;

-       Начало вращения - с 2,5 м/с;

-       Дипазон ветра генерации 3-25 м/с, свыше 20 м/с включается защитное торможение

-       Количество лопастей - 3 штуки

-       Диаметр ротора - 2,7 м.

-       Способ крепления на мачту «труба в трубу» (внешний диаметр мачты под фланец ветряка - 89 мм.)

Рассчитаем мощность, вырабатываемую ветроустановкой, и построим зависимость вырабатываемой мощности от скорости ветра для заданного участка.

Методика расчета:

Площадь, ометаемая ветроколесом равна:

                           (11)

где D - диаметр ветроколеса, м.

Определяется мощность, вырабатываемая ветроустановкой:

                        (12)

где ρ- плотность воздуха, равная 1,23 кг/м3;- скорость ветра, м/с;

ξ- коэффициент использования энергии ветра;

η - коэффициент, учитывающий потери при передаче мощности от вала ветроколеса до рабочей машины (КПД ВЭУ). Для расчёта принимаем η = 0,8.

Мощность, вырабатываемая ветроустановкой, рассчитывается для всего

Диапазона скоростей, указанных в технической характеристике ВЭУ. Данные расчета мощности в интервале от v_min до v_р занесём в таблицу 2.12. Поданным таблицы 2.12 построить зависимость Р=f(v), указав на ней характерные точки: v_min, Р_min, v_р, Р_р, v_max.

Определить годовую выработк уэлектроэнергии W_Г за счет ВЭУ:

                                  (13)

где Т - время работы ветроустановки в год, ч.

Определить среднегодовую обеспеченность электроэнергией частного дома от ВЭУ:

                               (14)

Расчёт мощности. Исходные данные берём с технической характеристики ветрогенератора Exmork.

Площадь, ометаемая ветроколесом:

Мощность, вырабатываемая ветроустановкой при рабочей скорости вращения ветроколеса:

Аналогичнымобразомсчитаетсямощностьдлядругихскоростейветравдиапазонеотv_minдоv_рсинтерваломв 1,0 м/с. Данные заносятся в таблицу 2.13, по которым строится зависимость Р=f(v). В нашем случае v_min= 2,5 м/с.

Таблица 2.13 - Результаты расчета зависимости мощности ВЭУ от скорости ветра

Годовая выработка электроэнергии W_Г за счет ВЭУ при условии постоянства среднегодовой скорости ветра v=5,5 м/с (см. таблица 2.13).

Среднегодовая обеспеченность электроэнергией частного дома от ВЭУ:

То есть, в нашем случае потребность в электроэнергии электробытовых приборов в частном доме примерно на 8% может быть обеспечена за счет ветроэнергетической установки.

Поставив на своём участке хотя бы небольшой ветрогенератор вместо дизель- или бензоэлектростанции, вы внесете свой вклад в дело сохранения природы, сокращения выбросов вредных и парниковых газов и предотвращения изменения климата.

Даже если вы подключены к сети централизованного электроснабжения, использование энергии ветра для ваших нужд тоже будет полезно природе, потому что сети получают электроэнергию, сжигая уголь, мазут или газ, или даже на атомных станциях.

.7      Характеристика и расчёт солнечного коллектора

Существуют различные виды солнечных коллекторов, имеющих свои положительные и отрицательные стороны:

-       вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде;

-       вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником;

-       вакуумный коллектор с термотрубками;

-       плоский солнечный коллектор.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде. В таком коллекторе вакуумные трубки соединены с накопительным баком. Из контура теплообменника вода течёт прямо в трубки, нагревается и возвращается обратно. Такие системы еще называют термосифонными. К преимуществам этих систем относится непосредственная передача тепла воде без участия других элементов. Термосифонные системы работают на принципе явления естественной конвекции, когда теплая вода стремится вверх. В термосифонных системах бак должен быть расположен выше коллектора. Когда вода в трубках коллектора нагревается, она становится легче и естественно поднимается в верхнюю часть бака. Более прохладная вода в баке течет вниз в трубки, таким образом, обеспечивается циркуляция во всей системе. В маленьких системах бак объединен с коллектором и не рассчитан на магистральное давление, поэтому термосифонные системы нужно использовать либо с подачей воды из вышерасположенной емкости, либо через уменьшающие давление редукторы. Такая система имеет минимальное гидравлическое сопротивление.

Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником. Такой коллектор имеет все преимущества и особенности предыдущего типа коллекторов. Отличием является наличие встроенного в бак эффективного теплообменника, что позволяет подсоединить коллектор с баком к напорной сети водоснабжения. При этом в трубках по-прежнему практически нет давления. Одним из преимуществ также является возможность заполнения водонагревательного контура незамерзающей жидкостью, что позволяет использовать его и при небольших минусовых температурах(до минус 5-10 градусов). Другим преимуществом является то, что в коллекторе не откладываются соли жесткости и другие загрязнения, так как объем теплоносителя один и тот же, а расходуемая вода проходит только по внутреннему медному теплообменнику.

Вакуумный коллектор с термотрубками. Главным элементом солнечных коллекторов данной конструкции является термотрубка - закрытая медная труба с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Работа высокотехнологичных вакуумных трубок основана на простом принципе тепловой трубы, которая представляет собой полый медный стержень, запаянный с обоих концов с расширением в верхней части. Внутри него находиться нетоксичная жидкость (иноргатик). При нагревании жидкости до температуры кипения она закипает и в парообразном состоянии поднимается в верхнюю часть - наконечник (конденсатор), температура на котором может достигать 250-380°С. И там конденсируется, отдавая тепло. А конденсат стекает по стенкам трубки вниз и процесс повторяется. Тепловая трубка вставляется в стеклянную трубу и фиксируется между двумя алюминиевыми ребрами. Форма ребер такова, что площадь их контакта с тепловой трубкой и внутренней поверхностью вакуумной трубы максимальна. Такая модель ребер обеспечивает максимальную передачу тепла к медной тепловой трубке, а потом теплоносителю в проточном теплообменнике. Внутренняя полость тепловой трубки - вакуумирована, поэтому эта жидкость испаряется даже при температуре около 30 °С. При меньшей температуре трубка «запирается» и дополнительно сохраняет тепло. Вакуумные трубки показывают превосходные результаты и в облачные дни, потому что трубы способны поглощать энергию инфракрасных лучей, которые проходят через облака. Благодаря изоляционным свойствам вакуума воздействие ветра и низких температур на работу вакуумных труб незначительно.

Плоский солнечный коллектор. Плоский коллектор - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя. Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Чаще всего используют медь, т.к. она лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области.

Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

В нашей работе мы будем использовать вакуумный коллектор с термотрубками марки ES58-1800-15R4. Данный коллектор состоит из вакуумных трубок 15 штук, возможна круглогодичная эксплуатация в наших условиях. Цена одного солнечного коллектора 15 800 рублей. Наш выбор остановился именно на вакуумном коллекторе с термотрубками, т.к. эффективность работы данного солнечного коллектора 100% круглый год, которая видна из таблицы 2.14.

Таблица 2.14 - Эффективность работы солнечных коллекторов

Рассмотрим схему обвязки стандартной солнечной водонагревательной установки (рисунок 2.9) для приготовления горячей воды с описанием основного оборудования и запорной арматуры. Эту схему можно использовать как базовую.

Рисунок 2.9 - Схема солнечной водонагревательной установки

Первичный контур состоит из солнечных коллекторов, системы трубопроводов, насоса, мембранного расширительного бака и теплообменника. В виду того что в солнечных коллекторах возможны высокие температуры трубопроводы необходимо делать из металлических труб - медных или из нержавеющей стали. Медные трубы целесообразно соединять твердой пайкой. Во всяком случае, на расстоянии не менее 5 метров от солнечных коллекторов все соединения должны быть выполнены на твердой пайке. Теплообменники могут быть как встроенные в баки-аккумуляторы (обычно змеевиковые), так и расположенные отдельно (например, пластинчатые). Обычно для баков-аккумуляторов объемом до 1000 литров используются встроенные в бак теплообменники, свыше пластинчатые. Можно использовать как баки-аккумуляторы свыше 1000 литров со встроенными теплообменниками, так и баки-аккумуляторы меньшего объема с пластинчатыми теплообменниками. Но в этих случаях необходимо особенно внимательно относится к расчету достаточности поверхности теплообмена, и сравнивать стоимости полученных решений. Достаточным условием для определения поверхности теплообмена встроенных змеевиковых теплообменников является соотношение 0,15 - 0,2 м² поверхности теплообмена на 1 м² поверхности солнечного коллектора. Шаровые краны 3 и 4 предназначены для отсечения теплообменника бака-аккумулятора. Краны 7 и 8 предназначены для перекрытия насосной сборки. Кран 7 совместно с кранами 9 и 10 используется для заправки теплоносителя. Кран 11 используется как спускной кран при сливе теплоносителя, слив теплоносителя через краны 9 и 10 затруднен из-за обратного клапана 13. Шаровой кран 12 предназначен для выпуска воздуха через воздухоотводчик 17 в процессе заправки теплоносителем системы. После запуска системы и удаления воздуха из нее кран 12 должен быть закрыт во избежание испарения теплоносителя через открытые воздухоотводчики в периоды стагнации солнечных коллекторов. Так же первичный контур должен быть укомплектован фильтром 18, манометром, предохранительным клапаном 15 настроенным на 6 бар. В поле солнечных коллекторов нужно стараться избегать установки запорной арматуры, иногда целесообразно устанавливать предохранительный клапан 6 бар в поле солнечных коллекторов.Со стороны бака-аккумулятора горячей воды необходимо на вводе холодной воды предусмотреть установку обратного клапана 14, для избежания попадания горячей воды в холодный водопровод, в случае расширения при нагреве воды. Так же предусмотреть в случае если данное оборудование отсутствует в комплектации бака-аккумулятора, предохранительный клапан 16 в 6 бар и кран 5 для выпуска воздуха во время заполнения бака водой. Возможна установка дополнительного мембранного бака для системы ГВС. В качестве догревателя дублера на схеме показан ТЭН 18.

Рассчитаем площадь солнечного коллектора для обеспечения потребителя горячей водой в количестве m килограмм в сутки с заданной температурой Т_К, ^оК в зимний период (с ноября по февраль). Определим количество коллекторов n для выработки необходимого объема горячей воды и рассчитаем их стоимость. Расчет проведём для каждого месяца заданного периода.

Методика расчета:

Определяется количество удельной энергии, вырабатываемой солнечным коллектором в зимний период для каждого месяца:

        (15)

где К_f- коэффициент переноса солнечной энергии к жидкости. Этот коэффициент показывает долю теплового потока Q_в.уд., передаваемого воде, и в расчетах принимается равным 0,85;

Н - суммарная солнечная дневная радиация на горизонтальную поверхность;

τ - коэффициент пропускания солнечного излучения прозрачным покрытием (с учетом поглощения солнечного излучения поверхностью коллектора принимаем τ =0,9 - для одинарного стеклянного покрытия, τ = 0,8 для двойного стеклянного покрытия, τ = 0,81 для силикатного стекла);

Т_П- температура приемной поверхности коллектора, ⁰К;

Т_О.С. - температура окружающей среды, ^оК;_П- термическое сопротивление приемной поверхности типичного коллектора (R_П= 0,13 м^{2 о}К/Вт - для одинарного стекла, R_П= 0,22 м^{2 о}К/Вт - для двухслойного стекла; R_П= 0,4 м^{2 о}К/Вт - для силикатного стекла).

Температура приемной поверхности коллектора рассчитывается по выражению:

⁰К,                                                 (16)

где Т_Б- температура воды в баке-аккумуляторе к концу дня (в расчетах принимается равной заданной конечной температуре Т_К).

Определяется количество энергии для нагрева необходимого количества воды в сутки до заданной температуры для каждого месяца расчетного периода i:

,              (17)

где m - масса горячей воды, кг;- теплоемкость воды (С=4,19 кДж/кг· ^оК);

Т_К- конечная температура нагрева, ^оК;

Т_Н- начальная температура нагрева (принимается равной температуре окружающей среды для расчетного периода времени).

Площадь солнечного коллектора определяется отношением

,                                         (18)

Исходя из расчетной площади СК, определяется количество коллекторов n для расчетного периода времени использования. Для расчета принимаем площадь одной вакуумной трубки коллектора 0,08 м² .

Рассчитывается стоимость требуемого количества коллекторов по их максимальному значению из расчетных месяцев.

Расчёт солнечного коллектора.

Возьмём следующие исходные данные:

Масса горячей воды, m =50 кг; конечная температура нагрева, Т_К= 70 ^оC; вид стеклянного покрытия - двухслойное; расчетный период - с ноября по февраль, период с минимальным поступлениемсолнечной радиации; суммарная солнечная дневная радиация на горизонтальную поверхность Н=1,2 кВт (ноябрь) или 4,3 МДж, Т_О.С.= 269 ⁰К.

Температура приемной поверхности СК:

⁰К

Количество удельной энергии, вырабатываемой солнечным коллектором в зимний период за ноябрь:

Количество энергии для нагрева воды в сутки до заданной температуры для ноября:

Площадь солнечного коллектора:

Количество вакуумных трубок солнечных коллекторов для ноября:

Наш коллектор состоит из 15 вакуумных трубок, т.е. нам понадобятся примерно 5 штук коллекторов.

Для других месяцев расчет количество СК аналогичный. Для рекомендации к установке принимаем наибольшее количество СК, полученное для каждого из месяцев.

Расчёт для декабря. Исходные данные те же, кроме: Н=0,8 кВт=2,87 МДж; Т_О.С.= 263 ⁰К

Температура приемной поверхности СК:

⁰К

Количество удельной энергии, вырабатываемой солнечным коллектором в зимний период за декабрь:

Количество энергии для нагрева воды в сутки до заданной температуры для декабря:

Площадь солнечного коллектора:

Количество вакуумных трубок солнечных коллекторов для декабря:

Отсюда следует, что нам понадобятся примерно 9 штук коллекторов для декабря.

Расчёт для января. Исходные данные те же, кроме: Н=0,97 кВт=3,48 МДж; Т_О.С.= 260 ⁰К

Температура приемной поверхности СК:

⁰К

Количество удельной энергии, вырабатываемой солнечным коллектором в зимний период за январь:

Количество энергии для нагрева воды в сутки до заданной температуры для мая:

Площадь солнечного коллектора:

Количество солнечных коллекторов для января:

Из этого следует, что на январь месяц нам понадобятся 7 штук коллекторов.

Расчёт для февраля. Исходные данные те же, кроме: Н=1,85 кВт=6,64 МДж; Т_О.С.= 261 ⁰К

Температура приемной поверхности СК:

⁰К

Количество удельной энергии, вырабатываемой солнечным коллектором в зимний период за февраль:

Количество энергии для нагрева воды в сутки до заданной температуры для мая:

Площадь солнечного коллектора:

Количество солнечных коллекторов для января:

Из этого следует, что на февраль месяц нам понадобятся примерно 4 штуки коллектора.

Из расчётов видно, что наибольшее количество солнечных коллекторов понадобиться в декабре, 9 штук. Однако такое большое количество коллекторов в летнее время не понадобиться, например, в мае с солнечной радиацией в 5,85 кВт/м²нам понадобиться всего лишь один коллектор для нагрева 50 литров воды. Поэтому для зимнего периода можно взять среднее количество солнечных коллекторов (примерно 7 штук), а в летний период использовать только один коллектор (с мая по август).

Рассмотрим стоимость всей установки солнечного коллектора в зимний период времени, т.к. максимальное количество используемых коллекторов приходится именно в это период.

Цена одного солнечного коллектора - 15 800 рублей. Нам понадобятся 7 штук, что составляет 110 600 рублей.

Контроллер в сборе стоит - 6000 рублей. Система автоматического управления солнечными коллекторами.

Накопительный бак (бойлер) марки SR100/1 (100 л), цена - 20 570 рублей.

Насосная рабочая станция для циркуляции жидкости в системе солнечного коллектора косвенного нагрева. Цена - 14 500 руб.

Всего система обойдётся 151 670 рублей.

.8      Характеристика и применение теплонасоса в доме

Система теплонасоса в нашем доме будет использоваться для отопления и частичного горячего водоснабжения. Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии (электрических, газовых и дизельных) заключается в том, что при производстве тепла до 80 процентов энергии извлекается из окружающей среды. Тепловой насос «выкачивает» энергию из окружающего воздуха, грунта, скальной породы или озера, накопленную за теплое время года.

На сегодняшний день в России стоимость производства тепловой энергии значительно зависит от вида «топлива»: самым дешевым является природный газ, затем электроэнергия и дизельное топливо. Однако цена на энергоносители неуклонно растет.

Устройство теплового насоса имеет модульную конструкцию, занимает мало места и не нарушает интерьер дома. Тепловые насосы представляет собой законченное изделие, готовая теплоснабжающая установка. Внутри установки находится бойлер емкостью 150-180 литров (либо внешний бойлер до 1000 л). Установка состоит из внешнего контура (коллектора), собирающего тепло окружающей среды и несущего антифриз (гликоль или 30% этиловый или метиловый спирт), насоса системы отопления и внутреннего насосного контура, несущего хладагент (фреон) систем автоматического регулирования и контура системы отопления помещения. При установке необходимо подключить ряд трубопроводов - контуры коллектора и отопления, горячую и холодную воду. Устройство занимает мало места, имеет приятный внешний вид, напоминающий холодильник. Что касается уровня шума - работу установки можно сравнить с работой бытового холодильника. При производстве установки используются проверенные годами схемные решения, и можно считать, что такая котельная собрана в заводских условиях, подтвержденных сертификатом ISO 9001. Схема работы теплового насоса представлена на рисунке 2.10.

Во многих моделях тепловых насосов установлен дополнительный электронагреватель для подогрева в дни резкого похолодания, которые бывают не так часто. При проектировании отопительной системы, мощность теплового насоса рассчитывается из максимальной потребности тепла, т.е. для покрытия тепловой нагрузки в самый холодный зимний день.

Необходимые требования к источнику энергии. Источником энергии может служить грунт, скальная порода, озеро, воздух (для специальных моделей), вообще любой источник тепла с температурой плюс 1 градус Цельсия и выше, доступный в зимнее время. Это может быть река, море, сточные воды, выход теплого воздуха из системы вентиляции или дымовых труб, а также система охлаждения какого-либо промышленного оборудования. Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду.

Рисунок 2.10 - Схема работы теплового насоса

Преимущества использования тепловых насосов заключаются в следующем:

-       компактные размеры отопительной установки (размеры теплового насоса, зачастую не превышают размеров бытового холодильника);

-       срок службы теплового насоса до капитального ремонта составляет 10-15 отопительных сезонов, а срок службы остального оборудования - 20-50 лет;

-       возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы;

-       безопасность, которая обусловлена отсутствием открытого огня и продуктов горения (тепловые насосы взрыво и пожаробезопасны);

-       экологически чистая технология производства тепловой энергии (в тепловых насосах используется озонобезопасный вид фреона);

-       надежная автоматическая работа системы отопления, не требующая постоянного контроля;

-       комфорт. Отсутствие неприятных запахов жидкого топлива и мусора от использования твердого топлива, отсутствие дымовых труб.

Технология позволяет вырабатывать 2,5-5 кВт тепловой энергии при расходе 1 кВт электроэнергии. Т.е. эффективность (или условный КПД) системы составляет 250-500 % в сравнении с традиционным преобразованием электроэнергии в тепловую. Экономия энергетических ресурсов достигает 70 %.

При этом важно понимать, что теплопотери в обогреваемом помещении не должны составлять более 100 Вт/м² площади.

В таблице 2.15 показаны приблизительные данные зависимости площади помещения и параметров оборудования.

Таблица 2.15 - Данные зависимости площади помещения и параметров оборудования

В нашем объекте нами будет использован грунтовый теплонасос (геотермальный) вертикального расположения в виде скважины. При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину глубину. Из геотермальной скважины теплоноситель подается на теплообменник (испаритель), где во внутреннем контуре ТНУ происходит кипение фреона с поглощением большого количества тепла и переход его из жидкого в газообразное состояние. Далее фреон попадает в компрессор, где происходит сжатие. По закону сохранения энергии, при уменьшении объема увеличивается давление и температура на выходе из компрессора, которая в конденсаторе (теплообменник отопительного контура) передается теплоносителю в контур отопления и ГВС. Передав поглощенное при кипение тепло, фреон поступает через расширительный клапан, на испаритель и цикл повторяется снова. Для теплового насоса мощностью 10 кВт требуется скважина глубиной 170-190 м. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько неглубоких, более дешевых скважин через 10-20 м друг от друга, не на одной линии течения грунтовых вод. Необходимо получить общую расчетную глубину, на которой трубопровод будет находиться в грунтовых водах. Минимальная теплоотдача от 1 погонного метра скважины составляет 50-60 кВт-ч тепловой энергии в год.

Для дома выбран тепловой насос марки Mammoth,3 в 1, L024WHE-BLA/CS, 1,53 м³/ч. Краткая характеристика данного теплонасоса:

-       тепловые насосы Mammoth, 3 в 1 имеет разнообразные варианты монтажа в комбинациях, использующих бойлер\драйкулер, а так же геотермальном использовании с применением грунтовых сточных вод или земли, как источника тепла. Применяемый в них фреон R 410A является экологически безопасным;

-       корпус изготовлен из гальванизированной стали G-60. Изоляция корпуса толщиной 15 мм, плотность изолирующего материала 48 кг\м.куб. Днище изолировано тем же материалом для предотвращения конденсации и снижении шумовых характеристик;

-       фреоновый контур включает в себя герметичный компрессор, трех сварных пластинчатых теплообменников фреон-вода, терморасширительного вентиля, впускных вентилей, реверсивного вентиля и контрольно-защитных устройств. Высокоэффективные пластинчатые теплообменники изготовлены из нержавеющей стали и обладают высокими антикоррозийными характеристиками;

-       подключение насосов. Система предусматривает подключение трех насосов;

Как видно из таблицы 2.15 для обогрева нашего дома достаточно потребления электроэнергии теплонасосом мощности равной в 1,5 кВт. Вся система теплонасоса в итоге обойдётся в 508 тыс. рублей включая всё оборудование.

К нашему теплонасосу мы подключим систему теплого пола для отопления дома. Марка теплого пола ArnoldRak, производство Германия. Теплый пол ArnoldRak представляет собой двужильный нагревательный мат который очень удобен при монтаже, т.к. второй конец кабеля теплого пола не нужно тянуть обратно к терморегулятору. Подключается теплый пол только с одной стороны. Это самый тонкий (диаметром всего 2 мм) двухжильный экранированный кабель с односторонним подключением на стекловолоконной сетке (мате). Изоляция - тефлон. Полногранный экран из луженой меди. Рабочее напряжение 220-230 V. Холодные провода подключения от 2 до 3 метров. Ширина мата 50 см, длина от 2 до 26 м. Мощность 160 Вт/м². Предназначен для укладки в пол под плитку без формирования бетонной стяжки. Теплый пол полностью безопасен в применении, как в сухом, так и во влажном помещении. Теплый пол укладывается на полезную площадь, под мебель теплый пол не укладывается.

Отапливаемая площадь дома равна S=108,5 м², из них 12 м² составляет северная сторона стены дома.

Стоимость 10 м² теплого пола ArnoldRak составляет 13 000 рублей. Общая сумма затрат на теплый пол составит 141 050 рублей.

Общая сумма затрат на полное обеспечения дома отоплением составит 649 050 рублей.

2.9   
Автономность исследуемого объекта

«Автономный дом» - это «энергонезависимый дом», «умный дом» с системой жизнеобеспечения замкнутого цикла.

Принципы проектирования «автономного дома»:

-       дом является «энергонезависимым домом»;

-       в доме присутствует система жизнеобеспечения замкнутого цикла.

Автономный дом должен управляться компьютерной системой, т.е. вся система жизнеобеспечения дома должна быть запрограммирована. В идеале - владелец такого дома может прожить без внешних коммуникаций и общения с «внешним» (вне дома) миром.

Система «умный дом» - это высокотехнологичная система, позволяющая объединить все коммуникации в одну и поставить её под управление искусственного интеллекта, программируемого и настраиваемого под все потребности и пожелания хозяина. Отопление, освещение, водопровод, сигнализация - всё это можно подчинить централизованному контролю с помощью системы «умный дом».

«Умный дом» - единая система управления в доме, офисе, квартире или здании, включающая в себя датчики, управляющие элементы и исполнительные устройства. Управляющие элементы принимают сигналы с датчиков и контролируют работу исполнительных устройств, действуя согласно заданным алгоритмам. Современный «умный дом» объединяет следующие системы:

-       отопление дома (посредством радиаторов или теплых полов);

-       вентиляция и кондиционирование;

-       охранная и охранно-пожарная сигнализация;

-       система контроля доступа;

-       контроль аварийных ситуаций: утечки воды, газа, аварии в электросети;

-       видеонаблюдение (локальное и удаленное);

-       сети связи (интерком, телефония, компьютерные локальные сети и интернет);

-       управление внутренним и уличным освещением;

-       управление распределением видео и аудиопотоков и по помещениям (мультирум);

-       управление обогревом ливневой канализации, ступеней лестниц и дорожек;

-       контроль над энергопотреблением, ограничение пиковых нагрузок и распределение нагрузок по фазам питающей сети;

-       управление источниками резервного электропитания: аккумуляторными ИБП и дизель-генераторами;

-       управления канализационных насосных станций и системам автополива зеленых территорий;

-       управление воротами и шлагбаумами;

-       управление шторами, рольставнями и жалюзи;

-       контроль лифтов и эскалаторов;

-       удаленный мониторинг и управление всеми системами дома через интернет.

-       «умный дом» представляет собой совокупность датчиков, детекторов, извещателей, выключателей и кнопок, электроклапанов, реле, контроллеров, различных исполнительных механизмов и устройств управления (пульты дистанционного управления, карманный или персональный компьютер, мобильный телефон, сенсорный экран). Между собой устройства могут быть связаны посредством слаботочных и силовых кабелей, а также радиоканала.

По типу топологии система может быть нескольких типов:

-       распределенная система. Системы такого типа появились на рынке первыми. Система состоит из связанных между собой автономных элементов ввода и вывода, связанных общей шиной, радиоканалом или электросетью. Наиболее известные системы такого типа: ModBus, X10, LonWorks, EIB, C-Bus и прочие. Преимущество такого подхода в легкой расширяемости системы, недостаток в ограниченных возможностях и более высокой стоимости;

-       централизованная система. Такая система состоит из контрольной панели, управляющей множеством исполнительных и извещательных устройств, каждое из которых связано с контрольной панелью кабелем или по радиоканалу. Преимущества системы в практически неограниченных возможностях и легкости программирования;

-       частично централизованная система. При этом контрольные блоки управляют устройствами какой-то одной зоны, например, комнаты или этажа. Сами блоки при этом связаны между собой и допускают централизованной управление и программирование.

Контроллеры, датчики, провода и исполнительные устройства спрятаны в стенах дома и управляют процессами электроснабжения, отопления, освещения, вентиляции, создавая комфортную среду для хозяина при его минимальном участии. Элементы освещения сами меняют яркость в зависимости от времени суток и местонахождении человека, вентиляция и тёплые полы обеспечивают максимальный комфорт, системы управления энергопотреблением дома автоматически перераспределяют нагрузку в соответствии с программой.

В нашем исследуемом объекте будем использовать систему автономного дома «Micros+». По установке данной системы занимается компания города Оренбурга «Точка комфорта», использующая бельгийскую технику «Micros+»(компании Teletask).

Компания Teletask (Бельгия) - производитель оборудования системы домашней автоматизации (СДА),которая существует на мировом рынке уже 30 лет. Компания, в отличие от других фирм, производящих оборудование для систем Умный дом, изначально разрабатывала системы для домашней автоматизации. Главный офис компании и производство находится в Бельгии (в городе Гент). На российском рынке компания Teletask представляет проект «Micros+».

«Micros+» - это второе поколение модулей Micros. Первое поколение этих устройств выпускалось с 1996 по 2005 годы. «Micros+» начали выпускать с 2006 года. При его разработке были учтены все нюансы и опыт эксплуатации предыдущего модуля «Micros.

Для реализации системы Умный дом к «Micros+» подключаются различные нагрузки, датчики и инженерные системы. Также к нему подключаются устройства управления: от обычных выключателей до сенсорных экранов и компьютера. Управление системой Умный дом на базе «Micros+» может осуществляться с помощью iPhone, iPad, Smartphone.

Система Умный дом на базе модуля «Micros+» позволяет:

-         управлять светом, отоплением и тёплыми полами, вентиляцией и кондиционированием, шторами и жалюзи, воротами и калиткой, поливом, системой антиобледенения, запуском генератора и прочими инженерными системами и электрическими нагрузками;

-       контролировать и предотвращать аварийные ситуации, связанные с протечками, отключением электроснабжения, аварией котла, следить за уровнем топлива в баке резервного генератора и т.д.;

-       осуществлять функцию охранной сигнализации;

-       управлять аудио/видео техникой и системой Мультирум;

-       программировать систему Умный дом под свои желания;

-       экономить средства при эксплуатации загородного дома и квартиры;

-       создавать комфортные, удобные для жизни сценарии для себя и своей семьи.

Модуль «Micros+» может устанавливаться в дом как индивидуально, так и в качестве центрального модуля системы Teletask. Он является модулем, к которому возможно подключать другие устройства системы Умный дом, производимые компанией Teletask. В едином корпусе «Micros+» объединяет превосходный функционал, который позволяет создать комфорт в доме. «Micros+» удобен в монтаже, настройке и программировании.

При индивидуальной установке в загородный дом функционала«Micros+» может хватить на дом до 120-150 м².

При использовании «Micros+» как центрального элемента, к существующему функционалу добавляется любой набор функций. В этом случае «Micros+» может устанавливаться в коттеджи площадью до 650-700м² [40].

Рассмотрим стоимость автоматизации нашего объекта. Стоимость введения системы умного дома компании «Точка комфорта» для 1 м² составляет в среднем 4800 рублей. Для нашего исследуемого объекта площадью 122 м² стоимость установки системы автоматизации «Micros+» составит 585 600 рублей.

Подведём итоги.

Теперь проведём экономическую и экологическую оценку использования альтернативных источников энергии в исследуемом проекте жилого дома. И дадим экологическое обоснование использования альтернативных источников энергии при проектировании жилого дома.

С экономической точки зрения строительные и инженерно-технические затраты составили 2 964 820 рублей, которые видны из таблицы 2.16.

Таблице 2.16 - Общие затраты на строительство объекта

Без ведённых инженерных систем дом обошёлся бы нам 2,26 раза дешевле, т.е. на 1 652 320 рублей.

Для экономической оценки проведём расчёт срока окупаемости нашего объекта.

Рассчитаем годовые затраты традиционного дома. Для этого надо рассчитать годовую плату за энергопотребление и отопление.

-       энергопотребление. В нашем случае такой дом площадью 122 м² потребляет 21 870 кВт/год, но также надо учесть, что горячее водоснабжение осуществляется электрокотлом и поэтому для традиционного дома энергопотребление возрастёт примерно на 7800 кВт/год, т.к. в нашем исследуемом объекте горячее водоснабжение осуществляется солнечными коллекторами и частично теплонасосом. В итоге электропотребление составляет W_{фак/год}= 29 670 кВт/год. Плата за год составит, при цене 1кВт 2 рубля, P_год = 59 340 рублей;

-       отопление. Отапливаемая площадь составляет примерно 100 м². В таблице 2.17 показан расход на отопление помещения площадью 100 м², газового отопления. Таблица позаимствована из электронного ресурса компании «Pellet&BriquetteMachine».

Таблица 2.17 - Расход на отопление помещения площадью 100 м²

Общая плата за энергопотребление и отопление в традиционном доме составит Р_общ.= 101 385 рублей.

Так как затраты на все инженерные системы составляют 1 652 320 рублей, то в нашем случае срок окупаемости исследуемого объекта составит:

лет

В итоге можно сделать вывод о большом сроке окупаемости инженерных систем. И это, прежде всего, связано с системой теплонасоса, установление которой составляет примерно 650 тысяч рублей, но срок службы теплонасоса примерно 100 лет, замены будет подвергаться только компрессор (примерно раз в 15 лет). Использование инженерных систем по нашему мнению с экономической точки зрения всё равно смотрится выгодным, т.к. с каждым годом растут цены на энергоресурсы, т.е. плата будет только расти. А напротив цены на инженерные системы, использующие альтернативные источники энергии, будет уменьшаться.

Экологическое обоснование.

Строительный и жилищно-коммунальный секторы оказывают мощное негативное воздействие на природную среду. По данным Центра ООН по населенным пунктам использование древесины в жилищном строительстве составляет 25 % от общего ее потребления, камня, песка, гравия - 40 %, пресной воды - 16 %, энергии - 40 %. Выбросы в атмосферу окислов серы и углекислого газа от эксплуатации жилья составляют 70 % и 50 % соответственно. Однако при использовании традиционных и современных экологических технологий дом может не только не нарушать баланса в окружающей среде, но и способствовать его восстановлению.

Об эффективности применения инженерных технологий могут говорить следующие цифры. По данным лаборатории, нетрадиционной энергетики ИМПТ ДВО РАН, используемые нами системы должны обеспечить снижение выбросов в атмосферу (в сравнении жилым домом сопоставимых размеров и традиционной системой отопления,):

-  до 5700 кг СО₂, до 185 кг SО₂, до 17,5 кг NО₂, до 17580 кг загрязнённых дымовых газов в год;

-       снизить потребление атмосферного кислорода до 3690 кг, в год;

-       уменьшить количество отходов до 1325 кг золы, в год.

Актуальность перехода на массовое экологическое домостроение обусловлена острой нехваткой жилья и высоким темпом роста цен на энергоносители. Жилищно-коммунальный сектор, являясь одним из основных источников загрязнения атмосферы и подземных вод, создает большое количество бытового мусора, пагубно влияет на экологическую обстановку в городе.

Экологические проблемы и возрастающий дефицит энергии требуют новых решений в архитектуре малоэтажного жилого дома. Вкладом архитектуры в защиту окружающей среды является создание зданий, которые бы уменьшали затраты энергии на отопление, горячую воду, электрический ток из традиционных источников энергии. Это возможно, благодаря лучшей теплоизоляции зданий, оптимизации технических процессов, применения энергосберегающих решений при проектировании зданий, оснащение зданий приборами по улавливанию энергии от возобновляемых источников и их дальнейшей переработки для потребителя.

Выводы по второй главе

Во второй главе нами спроектирован энергонезависимый дом, использующий альтернативные источники энергии в качестве ресурсов для дома, такие как: солнечные батареи и коллекторы, ветрогенераторы и теплонасосы. Также рассмотрены природно-климатические условия данного региона. Проведена экономическая и экологическая оценка.

Солнечных и ветровых ресурсов в нашем регионе вполне достаточно, чтобы активно использовать альтернативную энергетику. Общая продолжительность солнечного сияния составляет 2198 часов, а в среднем за год 73 дня без солнца. Средняя скорость ветра равна 5,5 м/с, а в год 45 безветренных дней.

Дом по плану одноэтажный, подобно старой русской избе имеет цельный объём, но в современной интерпретации. Экологический дом проектируется с учётом климатических условий. Дом продолговатый, длинной стороной ориентирован на запад-восток, имеет смещённый скат, обращённый на юг, и располагается не перпендикулярно югу(северу), а под углом, чтобы ветры с восточной(западной)стороны не врезались в стену, а обтекали её. Площадь дома S = 122 м².

Скат, обращённый на южную сторону, играет важную роль в энергобалансе дома и позволяет аккумулировать энергию солнца благодаря стратегически расположенным мансардным окнам, солнечным батареям и коллекторам. Все окна оснащены солнцезащитными элементами (маркизетами), которые при открытии увеличивают освещение и обогрев, или при закрытии предотвращают перегрев.

Фундамент нашего объекта представляет собой железобетонный фундамент в виде плиты. Стоимость строительства фундамента нашего объекта составляет 75 000 рублей.

Ограждающие конструкции и внутренние стены представлены в виде каркаса, как в проекте «Активный дом» в России.

Каркасные дома являются прекрасной возможностью для быстрого и экономичного строительства малоэтажных зданий. Каркасный дом представляет собой готовый комплект, состоящий из строительных элементов дома. Рассматриваемый нами объект деревянный дом, в котором стены образованы деревянным теплоизолированным каркасом.

Затраты на деревянную каркасную конструкцию составили1 220 000 рублей.

Расчёты и затраты на солнечные батареи.

Нами рассмотрены солнечные батареи марки марки Exmork 230Вт 24В Mono, состоящий из монокристаллических кремниевых модулей. Рассмотрена схема работы солнечных батарей.

Расчёты проведены двумя способами.

-       в первом случае результаты показали, что при использовании максимального значения коэффициента использования энергии и энергосберегающих ламп затраты на солнечные панели высокие (464 600 рублей), также и количество солнечных панелей тоже (25 шт).

-       во втором результаты показали уменьшение затрат на солнечные панели в 2 раза. Коэффициент использования энергии был уменьшён и энергосберегающие лампы заменены на светодиодные. В итоге затраты на солнечные батареи равны 232 800 рублям, а солнечных панелей стало 11 штук (16,5 м²).

Расчёты и затраты на ветрогенераторы. Рассмотрена система работы ветрогенератора.

Нами выбран ветрогенератор марки Exmork 750. Для нашего объекта используется один ветрогенератор. Расчёт показал, что в год данный ветрогенератор снабжает электроэнергией 8 % потребителей в зависимости от мощности потребления энергии, к ним можно почти отнести всю бытовую технику и освещение, кроме электроплиты, стиральной машины и холодильника. Ветрогенератор обойдётся в 34 000 рублей.

Солнечные коллекторы в нашем объекте используются для снабжения дома горячей водой. Рассмотрены виды коллекторов и схема водонагревательной солнечной установки. В нашем проекте используется вакуумный коллектор с темотрубками марки ES58-1800-15R4, который работает круглый год.

Расчёты проведены для зимнего периода (с ноября по февраль), т.к. в этот период самые минимальные показатели по солнечной инсоляции. В итоге для нашего объекта в зимний период достаточно 7 штук солнечных коллекторов, на что будет затрачено, с учётом всех оборудований, 151 670 рублей. Однако рекомендуется ещё поставить дополнительно водогрейный котёл, для подстраховки в зимний период. А в летний период ( с мая по август) достаточно использование одного коллектора.

Последней рассмотренной нами системой стал теплонасос. Система теплонасоса в нашем доме используется для отопления и частичного горячего водоснабжения, рассмотрена схема и работа теплонасосов, и определен тип теплонасоса, грунтовый теплонасос (геотермальный) вертикального расположения в виде скважины.

Для дома выбран тепловой насос марки Mammoth ,3 в 1, L024WHE-BLA/CS. Для обогрева нашего дома достаточно потребления электроэнергии теплонасосом мощности равной в 1,5 кВт. Вся система теплонасоса в итоге обойдётся в 508 тысяч рублей, включая всё оборудование.

К теплонасосу подключается система теплого пола для отопления дома, марки ArnoldRak, производство Германия. Отапливаемая площадь дома равна S = 108,5 м², из них 12 м² составляет северная сторона стены дома. Общая сумма затрат на теплый пол составит 141 050 рублей.

В итоге затраты на обеспечения дома отоплением составят 649 050 рублей. Затраты большие по сравнению с другими системами, но вполне оправданные:

-       во-первых, у теплонасоса большой срок службы (не менее 20 лет);

-       во-вторых, КПД теплонасосов 150-200 %, они используют 80 % получаемой энергии, нам придётся платить за оставшиеся 20 %, которые в нашем случае оправдают солнечные панели.

Заключительным шагом нашего проекта стало подключение нашего дома в систему умного дома, т.е. автономного дома, управляемого компьютером. Нами выбрана местная компания по установке такой системы «Точка комфорта», использующая бельгийскую технику «Micros+»(компании Teletask). Затраты на обеспечение дома системой умного дома составят 585 600 рублей.

Экономическая оценка показала, что срок окупаемости исследуемого объекта велика, составляет 16 лет. Который связан с большими затратами на теплонасосы (649 050 руб.) и подключением системы умного дома (585 600 руб.).

Экологическое обоснование использования альтернативных источников энергии. По данным лаборатории, нетрадиционной энергетики ИМПТ ДВО РАН, используемые нами системы должны обеспечить снижение выбросов в атмосферу (в сравнении жилым домом сопоставимых размеров и традиционной системой отопления,):

-  до 5700 кг СО₂, до 185 кг SО₂, до 17,5 кг NО₂, до 17580 кг загрязнённых дымовых газов в год;

-       снизить потребление атмосферного кислорода до 3690 кг, в год;

-       уменьшить количество отходов до 1325 кг золы, в год.

Актуальность перехода на массовое экологическое домостроение обусловлена острой нехваткой жилья и высоким темпом роста цен на энергоносители. Жилищно-коммунальный сектор, являясь одним из основных источников загрязнения атмосферы и подземных вод, создает большое количество бытового мусора, пагубно влияет на экологическую обстановку в городе. Поэтому за экологическим домостроением, будущее нашего общего дома - планета земля.

Заключение

Литературный обзор показал, что разработкой экологических домов учёные занимаются почти с середины 20 века. Уже тогда учёные считали использование альтернативных (возобновляемых) источников энергии в архитектуре малоэтажных жилых домов непосредственно связано с проблемой энергосбережения в жилищном строительстве. Первыми исследователями СССР в этой области были А.Н. Сахаров и И.И. Анисимова (1970-е года).

На современном этапе развития экожилья приоритетными задачами являются не только энергосбережение (экономичность), а сбалансированное использование природных ресурсов и уменьшение вредных воздействий на окружающую среду.

В данном проекте мы рассмотрели строительство энергонезависимого дома, использующего альтернативные источники энергии в качестве энерго- и теплообеспечения. Нами рассмотрены и проведены расчёты по следующим системам энергообеспечения:

-       низкопотенциальная тепловая энергия (теплонасос);

-       энергия солнца;

-       энергия ветра.

Сперва мы рассмотрели характеристики и схемы работ всех используемых инженерных систем.

Далее были проведены расчёты.

Расчёты по солнечным батареям показали, что для нашего исследуемого объекта, потребляющего около 22 000 кВт/год электроэнергии, понадобятся 11 штук солнечных панелей, которые обойдутся нам в 232 000 рублей.

Расчёты по солнечным коллекторам были проведены для зимнего периода (ноябрь-февраль). В итоге для нашего объекта в зимний период достаточно 7 штук солнечных коллекторов, на что надо будет затратить, с учётом всех оборудований, 151 670 рублей.

Расчёты по ветрогенераторам показали, что в год выбранный нами ветрогенератор может снабжать электроэнергией 8% потребителей в зависимости от мощности потребления энергии, к ним можно почти отнести всю бытовую технику и освещение, кроме электроплиты, стиральной машины и холодильника. Один ветрогенератор обойдётся в 34 000 рублей. А подключать его можно будет к системе солнечных батарей, т.е. в одну единую цепь.

Расчёт по тепловому насосу. Тепловой насос в нашем объекте используется в качестве отопительной системы. Вся система теплонасоса обойдётся в 508 тысяч рублей, включая всё оборудование. Отапливаемая площадь дома равна S = 108,5 м², из них 12 м² составляет северная сторона стены дома. Общая сумма затрат на теплый пол составит 141 050 рублей. В итоге затраты на полное обеспечение дома отоплением составит 649 050 рублей.

Заключительным шагом нашего проекта стало подключение нашего дома в систему умного дома, т.е. автономного дома, управляемого компьютером. Нами выбрана местная компания по установке такой системы «Точка комфорта», использующая бельгийскую технику «Micros+»(компании Teletask). Затраты на обеспечение дома системой умного дома составят 585 600 рублей.

Проведя экономическую и экологическую оценку можно сделать следующее заключение:

-       с экономической точки зрения, после включения в наш исследуемый объект всех инженерных систем, срок окупаемости нашего дома составил 16 лет, что не очень-то смотрится на фоне экономичности энергонезависимых домов. Однако на это следует смотреть оптимистично, т.к. цены на энергию и ресурсы будут расти, а стоимость инженерных систем уменьшаться в нашем быстро развивающемся и конкурирующем рынке. Также надо заметить, что в нашем проекте мы предлагаем комплексно использовать всю инженерную систему, использующую альтернативные источники энергии, плюс включаем систему умного дома, который является не дешевой роскошью (около 600 000 рублей).

-  с экологической точки зрения, тут можно сказать результаты на лицо. Весь дом почти независим от окружающего мира, он полностью автономен, всеми энергоресурсами и теплом он обеспечивает себя сам. При этом не будет происходить никаких вредных выбросов в окружающую среду, т.к. дом не использует природный газ, электричеством обеспечивают ветрогенераторы и солнечные батареи, а не происходит где-то добыча и сжигание природных ресурсов для обеспечения дома энергией. Также в экологическом доме здоровый микроклимат, который обеспечивается системой умного дома и рационального использования конструкции здания. Если верить лаборатории, нетрадиционной энергетики ИМПТ ДВО РАН, используемые нами системы должны обеспечить снижение выбросов в атмосферу (в сравнении жилым домом сопоставимых размеров и традиционной системой отопления,): до 5700 кг СО₂, до 185 кг SО₂, до 17,5 кг NО₂, до 17580 кг загрязнённых дымовых газов в год; снизить потребление атмосферного кислорода до 3690 кг, в год; уменьшить количество отходов до 1325 кг золы, в год.

Подведя итоги можно сказать, что за экологическими (энергонезависимыми, автономными) домами, будущее нашего региона, не только региона, а страны и планеты в целом. Потому что именно такими путями развития можно добиться баланса, гармонии с окружающей средой.

Список использованной литературы

1       АфанасьеваO.K. Архитектура сооружений, использующих альтернативные источники энергии. Ветер / О.К. Афанасьева // Архитектурная наука и образование. - Москва: Архитектура-С, 2005. - с.117.

         Афанасьева O.K. Архитектура сооружений, использующих альтернативные источники энергии. Солнце / О.К. Афанасьева // Архитектурная наука и образование: Тезисы докладов научной конференции, МАрхИ - Москва: Архитектура-С, 2006. - с.106-107.

         Афанасьева O.K. Архитектура малоэтажных домов с использованием возобновляемых источников энергии / О.К. Афанасьева // Учебное пособие. - Москва, 2007. - 230с.

         Афанасьева О.К. Творческие концепции архитектурной деятельности / О.К. Афанасьева // Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности: дисс. работа. - Москва,2009. - 149 с.

         Безруких П.П. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / П.П. Безруких, Ю.Д.Арбузов, Г.А. Борисов, В.И. Виссарионов, В.М. Евдокимов, Н.К. Малинин, Н.В. Огородов, Н.В. Пузаков, Г.И. Сидоренко, А.А. Шпак // СПБ, Наука - Москва: Экология и ресурсы РФ, 2002. - 160с.

         Вавилов А.В.Нучно-технические проблемы перевода производства строительных материалов на альтернативные виды топлива /Вавилов А.В., Саевич С.М.// Солнечная энергетика. Эффективность и анализ. Технические решения: сборник докладов IV ежегодной научно-технической конференции. - М., 2010.- 106с.

7       Давидсон Б. М. Архитектура жилища и местный климат на примере Уральского региона / Б.М. Давидсон // Диссертационная работа на соис. уч. степ.канд. арх. - Москва,1985. - 153с.

8         Дэвис А. Альтернативные источники энергии в строительном проектировании / А. Дэвис, Р. Шуберт // пер. с англ. А.С.Гусева; под ред. Э.В. Сарнацкого. - Москва, 1983. - 200с.

9       Зуборев В.В. Использование энергии ветра в районах Севера / В.В. Зуборев, В.А. Мипин, Н.Р.Степанов // Наука. - Л. 1989. - 240с.

         Казанцев П.А. Загородный дом / П.А. Казанцев // Дом витражами на юг: ст. журнала Загородный дом - Хабаровск 2010.-№2. - с.36-39.

         Казанцев П.А. Солнечный дом для Приамурья и Приморья /П.А. Казанцев, О.П. Ковалев, А.В. Волков // Современные технологии / Архитектура и строительство Дальнего Востока - Хабаровск 2007. - № 11-12. - с.50-70.

         Казанцев П.А. Основы экологической архитектуры. / П.А. Казанцев // Учебное проектирование энергоэффективных зданий / Теория и практика энергоэффективной архитектуры. Lambertacademic publishing, Saarbrucen, Germany - Хабаровск, 2012. - 205 с.

         Кирпичникова И.М. Возобновляемые источники энергии /И.М. Кирпичникова, Е.В.Соломин //Издательство ЮУрГУ: учебное пособие к К-434 практическим занятиям/ И.М. Кирпичникова - Челябинск, 2009. - 50 с.

         Кореньков В.Е. Основные природно-климатической типологии жилища / В.Е. Кореньков // М.,1993 - 214с.

         Лапин Ю.Н. Экожилье - ключ к будущему. / Ю.Н. Лапин //учебное пособие 2004 г.

         Лучков Б.А. Солнечный дом - Солнечный город / Б.А. Лучков // "Наука и Жизнь", 2002. - № 12.- с.22-26.

         Лапин Ю.Н. Автономные экологические дома / Ю.Н. Лапин // - М: Алгоритм, 2005.- 416с.

         Лидоренко Н. С. Нетрадиционная энергетика / Н.С. Лидоренко, Д.С. Огребков// М. - 1986. - 310с.

         Маркус Т. А. Здания, климат, энергия./ Т.А. Маркус, Э.Н. Моррис // М. - 1985. - 226с.

         Молчанов, В.М. К вопросу строительства экодомов и экопоселений в Южно-Российском регионе. Сибирская архитектурно-художественная школа / В.М. Молчанов, Т.Е. Фомина; под ред. Е.Н. Лихачева // Материалы Всероссийской научно-практической конференции (г. Новосибирск, 12 марта 2001). - Новосибирск :Агенство "Сибпринт", 2001. - С. 52-54.

         Новиков В. А. Солнечный дом с автономной системой обеспечения / В.А. Новиков, А.А. Горшков // научная работа, Региональный конкурс научно- исследовательских, проектных и творческих работ среди молодежи «НАУЧНЫЙ ОЛИМП» - Оренбург , 2012.- 86с.

         Огородников И.А. Материалы конференции факультета «Технолигии и предпринимательство» Новосибирского государственного педагогического университета / И.А. Огородников // Экодом для России, 2010.- 116с.

         Поваров O.A. «Использование тепла земли для локального теплоснабжения» / О.В. Бритвин , А.И. Никольский, Г.В. Томаров, Г.П. Василиев // Геотермальные ресурсы 2002.- с.24.

         Сарнацкий Э. В. Использование солнечной энергии для теплоснабжения зданий / Э.В. Сарнацкий, Ю.А. Константиновский, А.И. Заваров// Киев, 1985 - 256с.

         Сахаров А. Н. Архитектурное проектирование малоэтажных домов с солнечным энергообеспечением / А.Н. Сахаров, И.И. Анисимова // Курс лекций. М., 1983- 312с.

         Селиванов Н.П. Энергоактивные здания / Н.П. Селиванов, А.И. Мелуа, С.В. Зоколей [и др.] // под ред. Э.В. Сарнацкого и Н.П. Селиванова. - М. :Стройиздат, 1988. - 376 с.

         СНиП 2.08.01.-89 «Жилые здания»

         СНиП 31-02-2001 «Дома жилые одноквартирные».

         СНиП 11-02-97 «Строительная климатология».

         СНиП 23.05.2010 Освещенность рабочих поверхностей и помещений для различных сфер деятельности.

         Старков А.Н. Атлас ветров России / RussianWindAtlas / А.Н. Старков, Л. Ландберг, П.П. Безруких, M.M. Борисенко // Национальная лаборатория Riso и Российско-Датский институт энергоэффективности 2000.

         Статья издания «Загородный проект»: проект «Первый Активный дом в России». - Москва, 2011-25с

         Стретенцев В.В.Применение инновационных решений в малоэтажном домостроении / В.В. Стретенцев // Вестник Дальневосточного государственного технического университета: статья изд. - 2010.- № 2 (4) - с. 92-103.

         Фомина, Т.Е. Природно-климатические факторы, формирующие жилище в Южно-Российском регионе / Т.Е. Фомина // Международная научно-практическая конференция "Архитектура и экология". Тезисы докладов. - Ростов н/Д. : Ин-т архит. и иск-ва ЮФУ, 2007. - С. 260-263.

35     Чибилёв А. А. <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B8%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D1%91%D0%B2,_%D0%90%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D1%80_%D0%90%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87> Оренбуржье - край благословенный / А. А. Чибилёв// Оренбург: Оренбургское книжное издательство, 2008. - 256 с.

         Шершнев В.Н. Солнечные системы теплоснабжения / В.Н. Шершнев, Н.А. Дудаев// М.,2006 - 127с.

         Шефтер Я.И. Использование энергии ветра / Я.И. Шефтер // учеб.пос. М.:Энергоиздат, 1983 - 200с.

         Экзархо В.М. Концептуальный проект экожилища / В.М. Экзархо //Статьи журнала «ЭСКО»:М. - 2006 - №12. - 21-27с.

         http://ecoclub.nsu.ru/altenergy/images/karta2.gif (солнечные ресурсы).

40     http://www.umno.su

Приложение А

(обязательное)

Расчёты энергонезависимого дома

Таблица 1 -Расчет количества энергии, вырабатываемой фотоэлементами

Таблица 2 -Расчёт годовой выработки электроэнергии ветрогенератором

Таблица 3 -Расчёт количества энергии для нагрева воды солнечным коллекторам и количества солнечных коллекторов.

Таблица 4 - Расчёт мощности теплового насоса и теплого пола