Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

СРАВНЕНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ДОМА ДЛЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА РОССИИ

Гринкруг Н.В. 1 Костиков С.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
Статья посвящена проблеме проектирования и строительства энергоэффективных малоэтажных зданий на территории Дальневосточного округа России. В статье приводиться технико-экономический анализ и сравнение комбинированных инженерных сетей здания. В сравнении было рассмотрено всего 5 вариантов инженерных систем, которые используют различные виды топлива для системы отопления и ГВС: электричество, природный газ, каменный уголь, топочный мазут и центральные тепловые сети. В качестве выводов, авторы приводят наиболее экономически целесообразный вариант комбинированной системы в современных экономических условиях.
энергоэффективный дом
отопительная система
солнечные батареи
солнечные коллекторы
1. Использование энергии и энергоэффективность в российском жилищном секторе / Центр по эффективному использованию энергии. – М.: М., 2014. – 37 с.
2. Cleandex: Энергоэффективные дома по-русски. Обзор проектов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.cleandex.ru/articles/2012/09/07/energoeffektivnye_doma_porusski_obzor_proektov
3. Википедия: Энергоэффективность зданий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wi kipedia.org/wiki/Энергоэффективность (дата обращения 22.05.2014).
4. Риановости: Рейтинг стран по стоимости электроэнергии в 2014 году [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ria.ru/infografika/20141120/1033874028.html.
5. Сеппанен О. Требования к энергоэффективности зданий в странах ЕС // Энергосбережение. – 2010. – № 7.

В России, повышением энергоэффективности зданий начали заниматься относительно недавно. Толчком для более массового проектирования и строительства энергоэффективных зданий стало принятие Федерального Закона Российской Федерации от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ». Несмотря на то, что уже прошло более 5 лет с принятия Федерального Закона об энергосбережении, все еще существует проблема нехватки нормативно-правовой базы и опыта для реализации энергоэффективных зданий в различных климатических поясах России [1].

Согласно данным [2], с 2010 по 2013 было построено 60 малоэтажных энергоэффективных зданий с энергоэффективности классом А и В. Из 60 зданий, в Дальневосточном Федеральном Округе было построено всего 2 подобных объекта.

На сегодняшний день наиболее известна следующая классификация зданий по уровню энергопотребления [3]:

1) «старое здание» (построены до периода 1970-х годов): уровень энергопотребления составляет около 300 кВт·ч/м²·год;

2) «Новое здание» (построены с 1970-х до 2000 года): уровень энергопотребления не более 150 кВт·ч/м²·год;

3) «Дом низкого потребления энергии» (период строительства не ранее 2002 года): уровень энергопотребления не более 60 кВт·ч/м² ·год;

4) «Пассивный дом»: уровень энергопотребления не более 15 кВт·ч/м²·год;

5) «Дом нулевой энергии»: 0 кВт·ч/м²·год;

6) «Активный дом»: здание, которое вырабатывает больше энергии, чем потребляет.

Цель исследования. Целью исследования является определение наиболее экономически целесообразного варианта комбинированной системы для энергоэффективного малоэтажного здания, который предполагается разместить в климатических условиях Дальневосточного региона России. Поднятая тема в данной статье является актуальной и имеет большую научно-техническую и практическую значимость, в частности для тех, кто занимается проектированием энергоэффективных домов для Дальневосточных районов России.

Для проведения технико-экономического анализа различных видов комбинированных инженерных сетей, был выбран типовой проект индивидуального двухэтажного дома для проживания семьи из 4-5 человек. На рисунке 1 изображен план первого этажа со схематичным отображением комбинированной инженерной системы.

grin1.tiff

Рис. 1. План этажа энергоэффективного дома с изображением комбинированной инженерной системы

Основные объемно-планировочные и архитектурно-конструктивные решения здания приведены в табл. 1. В табл. 2 представлена энергетическая потребность здания.

Таблица 1

Описание объемно-планировочных и конструктивных решений здания

Наименование

Описание

Размеры здания

По осям А-В – 11,0 м; по осям 1-3 – 12,0 м

Высота здания

9,0 м

Площадь здания

Общая площадь – 264 м2; жилая площадь – 167 м2

Конструктивная схема

Бескаркасная

Фундамент

Фундаментная плита

Ограждающие конструкции

Пустотный керамический кирпич

Теплоизоляционный материал

Минеральная вата «Эковата»

Перекрытия

Ж/б плиты перекрытия

Кровля

Полувальмовая

Кровельный материал

Металлочерепица

Окна

3-х камерные стеклопакеты

Входные двери

Двери с термопорогом

Таблица 2

Энергетическая потребность здания

Наименование инженерной системы

Количество потребляемой энергии

Система отопления

70 Гкал/год

Система ГВС

1,6 Гкал/год

Система электроснабжения

от 11 000 до 25 000 кВт·ч

Потребность в электроэнергии сильно зависит от применяемого типа теплового источника. Так при использовании теплового насоса, максимальная потребность в электроэнергии составит максимум 25 000 кВт·ч, из которых 7500 кВт·ч необходимо на бытовые нужды, а остальные 17 500 кВт·ч необходимо затратить на систему отопления и ГВС. При использовании газовых, жидкостных или твердотопливных котлов, наблюдается резкое снижение потребления электроэнергии. В таблице 3 приведены возможные варианты исполнения комбинированной инженерной системы с использованием различных видов тепловых источников и количеством дополнительного оборудования в виде солнечных батарей и коллекторов, пластинчатых рекуператоров.

Таблица 3

Варианты для сравнения комбинированных инженерных систем энергоэффективного дома

Наименование

оборудования

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

Вариант 5

Теплоснабжение

Тепловой насос «вода-вода»

Газовый котел

Твердотопливный котел

Мазутный котел

Центральные

тепловые

сети

Электроснабжение

солнечные батареи + центральные электросети

солнечные батареи + центральные электросети

солнечные батареи + центральные электросети

солнечные батареи + центральные электросети

солнечные батареи + центральные электросети

Горячее водоснабжение

Гелиосистема + тепловой насос

Гелиосистема + газовый котел

Гелиосистема + Твердотопливный котел

Гелиосистема + Мазутный котел

Гелиосистема + Центральные

тепловые

сети

Вентиляция и кондиционирование

Пластинчатый рекуператор

Пластинчатый рекуператор

Пластинчатый рекуператор

Пластинчатый рекуператор

Пластинчатый рекуператор

Далее приводится выводы проведенного технико-экономического расчета эффективности использования тех или иных технологических решений инженерных сетей. Все необходимые технико-экономические расчеты были проведены исходя из климатических условий города Комсомольска-на-Амуре, где средняя температура воздуха отопительного периода составляет –10,8°С.

На рис. 3 представлен график суммарных годовых эксплуатационных затрат на систему отопления и ГВС с различными вариантами тепловых источников. Расчетные значения графика были получены исходя из следующей формулы:

grink1.wmf

где K  – затраты на покупку оборудования за расчетный период 25 лет, руб; grink2.wmf  – безразмерный коэффициент, учитывающий инфляционные издержки в Российской Федерации за расчетный период; grink3.wmf – затраты на покупку топлива за расчетный пер. 25 лет, руб.

grink4.wmf

где grink5.wmf – требуемая годовая тепловая мощность, ккал; grink6.wmf – низшая теплотворная способность, ккал/м3 (ккал/кг); h – коэффициент полезного действия отопительного оборудования, %; цi – цена соответствующего энергоресурса за grink7.wmf год, руб.

grin2.wmf

Рис. 3. Суммарные годовые эксплуатационные затраты на систему отопления и ГВС

grin4.wmf

Рис. 4. Суммарные годовые эксплуатационные затраты на систему отопления и ГВС с учетом работы пластинчатого рекуператора

На рис. 4 представлен график суммарных годовых эксплуатационных затрат на систему отопления и ГВС с различными вариантами тепловых источников, но уже с учетом работы пластинчатого рекуператора. КПД рекуператора принимаем 80 %.

Проанализировав графики на рис.4 и 5, был сделан следующий вывод: при использовании пластинчатого рекуператора с КПД 80 %, годовые эксплуатационные затраты сократились на 20-25 %.

В табл. 2 было указано, что тепловая энергия для горячего водоснабжения будет поступать из двух источников: отопительный котел и солнечный коллектор. В суровых климатических условиях Дальнего Востока, солнечный коллектор возможно использовать только в течение 5 месяцев в году: с мая по сентябрь. Для оценки эффективности использования солнечного коллектора, был составлен график суммарных эксплуатационных затрат на систему ГВС при использовании отопительных котлов в течение 5 месяцев в году (рис. 5).

grin4.wmf

Рис. 4. Суммарные эксплуатационные затраты на систему ГВС при использовании отопительных котлов в течение 5 месяцев в году

Согласно расчетным данным графика на рисунке 6 было установлено, что при минимальной стоимости солнечного коллектора в 35 000 руб., он является экономически не эффективным в комбинации с индивидуальными котельными, так как период его окупаемости составит свыше 25 лет.

Для оценки экономической эффективности использования солнечной электроэнергии необходимо определить суммарные эксплуатационные затраты на электроэнергию за 25 лет и сравнить их с затратами на покупку и монтаж солнечной автономной электростанции. Обеспечение полной автономности системы электроснабжения в климатических условиях Дальнего Востока экономически нецелесообразно, так как первичные затраты на покупку оборудования будут превышать суммарные затраты на электроэнергию за расчетный период в 25 лет. Далее приводиться оценка экономической эффективности использования автономной солнечной электростанции, которая будет покрывать часть требуемого количества электроэнергии для проектируемого дома. Данная автономная система электроснабжения будет состоять из 16 солнечных батарей, 6 аккумуляторов с номинальной мощностью 200 А×ч, инвертора, мощностью 5 кВт и дополнительного оборудования. Стоимость такой системы будет составлять 680 000 руб. Примем, что за 1 год, солнечная батарея мощностью 300 Вт сможет выработать около 300 кВт×ч в год. Тогда 16 солнечных батарей в год будут вырабатывать около 4800 кВт×ч в год. На рисунке 6 и 7 представлены графики суммарных эксплуатационных затрат с использованием солнечной электростанции для 1(25 000 кВт×ч в год) и 2 (11 000 кВт×ч в год) варианта.

grin5.wmf

Рис. 5. Суммарные эксплуатационные затраты на электроэнергию при потребности 25 000 кВт×ч в год с использованием солнечных батарей

grin6.wmf

Рис. 6. Суммарные эксплуатационные затраты на электроэнергию при потребности 11 000 скВт×ч в год с использованием солнечных батарей

По полученным расчетным данным (рис. 8, рис. 9) можно сделать следующие выводы: использование солнечной энергии наиболее целесообразно при наибольших эксплуатационных затратах на оплату электроэнергии. Период окупаемости автономной солнечной электростанции при потреблении до 25 000 кВт×ч в год составляет 23 года, при потреблении до 11 000 кВт×ч в год свыше 25 лет.

В результате проведенных расчетов можно сделать следующие выводы:

1) В качестве теплового источника наиболее экономически целесообразно использовать двухконтурный твердотопливный котел на каменном угле (рис. 4). Уровень внешнего энергопотребления будет составлять около 360 кВт×ч/м²⋅год;

2) Наименьший уровень внешнего энергопотребления наблюдается при использовании теплового насоса «вода-вода» в качестве основного источника тепла. Уровень внешнего энергопотребления составляет в пределах 90 кВт×ч/м2⋅год. Однако такой вариант, по сравнению с другими, имеет наибольшие первичные затраты. Для повышения экономической целесообразности использования теплового насоса необходима установка пластинчатого рекуператора (рис. 5). Таким образом, период окупаемости составит от 10 до 15 лет;

3) Использование солнечной энергетики в климатических условиях Дальнего Востока экономически нецелесообразно. Это связанно с несколькими факторами. Во-первых, уровень солнечной активности на территории Хабаровского края составляет 4-5 кВт*м2/сутки, однако в зимний период продолжительность дня минимальна, а потребность в электроэнергии максимальна. Данный фактор сказывается на первичных затратах на покупку и монтаж необходимого оборудования, так как за 8 световых часов необходимо не только выработать электроэнергию для дневного потребления, но и запасти ее на темное время суток. Во-вторых, в России, по сравнению со странами ЕС, уровень цен за 1 кВт*час электроэнергии в 2-3 раза ниже [4], что непосредственно сказывается на периоде окупаемости соответствующего оборудования. Подобные выводы были сделаны и по целесообразности использования солнечных коллекторов. Во-первых, полное обеспечение тепловой энергией системы ГВС от солнечных коллекторов возможно только 5 месяцев в году. Во-вторых, стоимость солнечных коллекторов превышают эксплуатационные затраты на систему ГВС, поэтому их период окупаемости солнечного коллектора в суровых климатических условиях находится за пределами эксплуатационного срока оборудования. Это обусловлено низкими ценовыми тарифами на энергоресурсы по сравнению с Европейскими странами.

4) Технико-экономический расчет показал, что применение и использование Европейских стандартов классификации зданий по уровню внешнего энергопотребления [3] в суровых климатических условиях Дальнего Востока является невозможным. Это обусловлено следующим рядом факторов:

а) расчетное значение градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) для города Комсомольска-на-Амуре составляет 6868,0°С×сутки, в то время как в северных странах ЕС максимальное значение ГСОП составляет от 5500 до 6000 °С×сутки, в центральных странах ЕС от 2500 до 4000 °С×сутки [5]. Данный параметр оказывает непосредственное влияние на теплоизоляционные характеристики ограждающих конструкций и энергетическую потребность здания;

б) при существующих уровнях цен на энергоресурсы в России, применение теплоизоляционных стандартов стран ЕС для жилых зданий является экономически нецелесообразно, так как денежные затраты на дополнительное утепление здания превысят суммарные затраты на покупку энергоресурсов;

в) экономически эффективное использование солнечной энергии возможно только в особо отдаленных районах, где отсутствуют какие-либо другие источники электроснабжения.


Библиографическая ссылка

Гринкруг Н.В., Костиков С.А. СРАВНЕНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ДОМА ДЛЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА РОССИИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 5-3. – С. 389-394;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=6793 (дата обращения: 21.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074