Альтернативные источники энергии в строительстве

3 июля 2014

Силвия Красимирова, Валерия Малышева,

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Истощение природных ресурсов сегодня – одна из глобальных проблем человечества. Поэтому в настоящее время энерго- сбережение является одной из приоритетных задач. Ученые всего мира разрабатывают технологии, позволяющие снизить потребле- ние энергии, а также снизить эксплуатационные затраты при их ис- пользовании. Большинство стран Европы постепенно переходят на использование альтернативных источников, вот уже более 20 лет ученые активно работают в этом направлении. В современном ми- ре, при существующих темпах развития, применение солнечных батарей, ветрогенераторов, энергии воды, геотермальной энергии Земли, перестало быть чем-то удивительным [1–4].

Жители индивидуальных и многоквартирных домов составля- ют существенную долю среди потребителей энергии в нашем об- ществе. В связи с этим очевидна актуальность исследований в этом направлении.

Вопросами энергосбережения в строительстве занимаются ЮНЕСКО, Европейская комиссия ООН, Департамент энергии США. Была создана и успешно действует Всемирная организация по раз- витию и распространению энергетических технологий ОРЕТ, Международное общество по солнечной энергии ISES (было образова- но в 1954 г.). Помимо солнечной и ветровой энергии, которая сего- дня приобрела значительную популярность во всем мире, также надежным возобновляемым источником электричества и тепла яв- ляется геотермальная энергия (воды и Земли) [5]. Этот источник, в отличие от солнца или ветра, доступен непрерывно.

В Европе получила распространение классификация зданий по энергопотреблению (табл. 1). Так, согласно директиве энергети- ческих показателей в строительстве (Energy Performance of Buildings Directive) [6], принятой странами Евросоюза в декабре 2009 г., требуется, чтобы к 2020 г. все новые здания были близки к энергетической нейтральности.


Европейские стандарты классификации энергосберегающих домов


Таблица 1


Тип

Годовой расход тепла, кВт∙ч/м2

Примечание

Энергосберегающие дома низкого потребления

70–30

Интересен тот факт, что с недавнего времени в европейских странах запре- щено возводить дома с большими энер- гозатратами

Энергосберегающие дома ультра- низкого потреб- ления

30–15


Энергопассивные дома

15


Энергосберегающие дома

0

Это энергопассивный дом с архитектурной точки зрения, но оснащенный эко- логически чистым оборудованием таким образом, что потребляет исключитель- но ту энергию, которую вырабатывает сам, т.е. годовой расход тепла такого типа домов равен 0 кВт

Окончание табл. 1


Тип

Годовой расход тепла, кВт ч/м2

Примечание

Энергоэффективные дома

0+

Это дома с «плюсовой энергией», т.е. энергопассивный дом, с архитектурной точки зрения, но оснащенный экологи- чески чистым оборудованием таким об- разом, что вырабатывает больше энергии, чем потребляет

В России здания потребляют больше энергоресурсов, чем в странах Европы (табл. 2), в связи с чем процесс приближения их к энергетической нейтральности будет более затруднительным.

Таблица 2

Данные по расходу тепловой энергии в зависимости от типов зданий (на примере Германии и России)

Индивидуальный жилой дом общей площадью 140 м2

Годовой расход тепла, кВт∙ч/м2

Удельный расход тепла, Вт∙ч/м2

Германия

Старое строение

300

136

Типовой дом 1970-х гг.

200

91

Типовой дом 1980-х гг.

150

68

Дом низкого энергопотребления 1990-х гг.

70–30

32–14

Дом ультранизкого энергопотребления

30–15

14–7

Современный «пассивный» дом

Менее 15

Менее 7

Россия

Дома старой постройки (до середины

1990-х гг.)

600

125

Постройки в соответствии с новым СНиП

23-02–2003 «Тепловая защита зданий»

350

73

Рассмотрим использование различных источников энергии, наиболее актуальных на сегодняшний день (табл. 3).

Таблица 3


SWOT-анализ различных источников отопления

и кондиционирования на территории Пермского края

Источник энергии

S Strengths (сильные стороны)

W Weaknesses (слабые стороны или недостатки)

O Opportunities (возможности)

T Threats (угрозы)

Газ

• Возможность непрерывной по- дачи тепла

• Доступная цена

• Сравнитель но небольшой срок службы оборудования (15–25 лет)

• Зависимость

от наличия газопровода в районе

строительства

• Экологичность

• Неисчерпа-

емость

• Пожаро-

опасность

• Взрыво-

опасность

Энергия солнца – солнеч- ные па- нели

• Возможность накопления энер- гии для обогрева и кондициониро- вания

• Безопасность

использования

• Долговечность

(по данным про- изводителей око- ло 50 лет)

• Большой срок окупае- мости

• Нарушает

эстетический вид здания

• Экологичность

• Неисчерпа-

емость

• Автономность

• Зависи- мость от погодных условий

• Зависи-

мость от времени суток

Геотер- мальная энергия

• Возможность непрерывной по- дачи тепла

• Безопасность

использования

• Не требует ды-

мохода

• Сравнительно

небольшой срок окупаемости

• Экологичность

• Неисчерпа-

емость

• Автономность

• Не требует дымохода

• Долговечность

(по данным производителей около

100 лет)

• Трудоем- кость устранения неполадок

в случае их возникно- вения (на глубине

100 м)

Исходя из этого анализа, можно сделать вывод, что наиболее перспективным и выгодным направлением в Пермском крае

(в условиях уральского климата) является проектирование и строительство геотермальных котельных.

Прямое использование тепла геотермальных источников впервые упоминается в истории античного города Помпеи (Италия): здесь вода из горячих источников отапливала несколько зданий. Известно, что в XIV в. во Франции поступали также. В период заселения Исландии многочисленные горячие источники этой стра- ны стали использовать для купания и стирки. Идея использования источников появилась в 1755–1756 гг., когда были пробурены пер- вые термальные скважины, однако они широко не использовались. Первая попытка масштабной эксплуатации геотермальной энергии в Исландии датируется 1928 г. Были пробурены новые термальные скважины, и в 1930 г. местная школа стала первым зданием, кото- рое обогревалось с помощью горячих источников. На сегодняшний день в Исландии 80 % жилых домов обогревается с помощью горя- чей воды, добытой из геотермальных скважин под городом Рейкьявик.

Современная система геотермального отопления впервые по- явилась в США, в западном городе Бойз (штат Айдахо). С 1890 г. началось бурение геотермальных скважин. К 1892 г. в Бойзе дома уже отапливались с помощью природных источников. Развитие систем геотермального отопления началось вследствие энергетических кризисов в 1973 и 1978 гг. Первоначально геотермальное оборудование устанавливали преимущественно в дорогих и элитных домах. Однако с развитием технологий производства цена на геотермальные системы неуклонно снижалась, и теперь такой прогрессивный вид отопительных систем доступен рядовым американским семьям. На западе США за счет геотермальных горячих вод обогревают около 180 домов и ферм.

По мнению специалистов, в 1993–2000 гг. глобальная выработка электричества с помощью геотермальной энергии выросла более чем вдвое [7, 8].

В России геотермальная энергетика еще слабо развита, так как максимальный эффект достигается в районах, где температура грунта наиболее высока: тектонические разломы водных рифтовых и вулканических районов. Есть районы, где может использоваться геотермальная энергия в качестве отопления многоквартирных домов и общественных зданий большой площади (рис. 1).

Рис. 1. Распределение энергоресурсов на территории России

Ряд регионов Российской Федерации относятся к территори- ям, где геотермальная энергия может использоваться не только для отопления домов, но и для создания небольших электриче- ских подстанций на ее основе. На сегодняшний день Томская об- ласть признана наиболее потенциальной за счет наличия условий для исследований геотермальной энергии: успешно действуют научные институты, ведущие разработки в этой отрасли. Геотер- мальная энергия, заключенная в твердых «сухих» горячих поро- дах, составляет около 99 % от общих ресурсов подземной тепло- вой энергии. На глубине до 4–6 км горячие породы с температурой

100–150 °С распространены почти повсеместно, а с температурой

180–200 °С – на довольно значительной части Российской Феде- рации. Этого вполне достаточно для целей теплоснабжения [9].

Геотермальные источники подразделяют на сухой горячий пар, влажный горячий пар и горячую воду.

Основные типы ресурсов геотермальной энергии:

 поверхностное тепло земли, используемое тепловыми насосами;

 энергетические ресурсы пара, горячей и теплой воды у по- верхности земли, использующиеся в производстве электрической энергии;

 теплота, сосредоточенная глубоко под поверхностью земли

(возможно, при отсутствии воды);

 энергия магмы и теплота, накапливающаяся под вулканами.


Запасы геотермальной теплоты (≈81030 Дж) в 35 млрд раз превышают годовое мировое потребление энергии. Лишь 1 % гео- термальной энергии земной коры (глубина 10 км) может дать коли- чество энергии, в 500 раз превышающее все мировые запасы нефти и газа [9].

Методы геотермального отопления:

1. Используется тепло, получаемое из глубоких грунтовых вод, температура которых может достигать довольно высоких значений. Такая вода поднимается тепловым насосом и прогоняется через теплообменник, в котором она отдает свое тепло. Затем эта вода сбрасывается обратно в слой грунтовых вод немного ниже по течению.

2. В шахту глубиной не менее 75–100 м опускается специальный резервуар, наполненный антифризом. Резервуар нагревается от температуры окружающего грунта, затем подключается тепло- вой насос и прогоняет антифриз по кругу. Проходя через теплообменник, антифриз отдает накопленное тепло и, охладившись, сбра- сывается обратно в подземный резервуар. Данный метод получения энергии не зависит от водоемов и является наиболее автономным.

3. Этот метод не требует бурения геотермальных скважин, но применение его возможно только в тех случаях, когда дом находит- ся неподалеку от крупных водоемов, желательно со стоячей водой. По дну такого водоема прокладываются специальные теплопоглощающие горизонтальные зонды большой площади, перерабатывающие тепло воды. Глубина водоема должна быть достаточной для того, чтобы в холодное время года под толщей льда оставалось не менее 1–1,5 м свободной воды, до верхней точки установленного зонда.

Рассмотрим подробнее второй метод. Главным элементом данной геотермальной системы отопления и кондиционирования является тепловой насос. Принцип работы всех тепловых насосов одинаков и не зависит от производителя (рис. 2).


Рис. 2. Принцип работы теплового насоса

Циркулируя по вертикальным теплообменникам (грунтовым зондам), антифриз опускается под землю, где нагревается, забирая тепло от грунта. После чего он поднимается обратно вверх и попа- дает в испаритель. В испарителе содержится хладагент (фреон), вбирающий в себя все тепло от антифриза, разогреваясь таким об- разом до 6–8 °С и превращаясь в пар. После этого охлажденный антифриз вновь уходит по теплообменникам в глубь земли за очередной порцией тепла, а нагретый фреон в парообразном состоянии направляется в компрессор. В компрессоре происходит сжатие пара, вследствие чего он выпадает в виде горячего конденсата (+65 °С), выделяя большое количество тепла. В теплообменнике конденсатора тепло от хладагента передается рабочей жидкости, а сам хладагент, проходя сквозь сбросной клапан, моментально охлаждается до –15 °С и возвращается обратно в испаритель, замыкая таким образом цикл. Далее, из конденсатора нагретая жид- кость поступает в тепловой аккумулятор (буферную емкость), служащий накопителем тепловой энергии и стабилизирующий работу теплового насоса. И уже оттуда рабочая жидкость уходит непосредственно в тепловые контуры. Для подачи горячей воды в кон- тур горячего водоснабжения применяется высокоэффективный бойлер косвенного нагрева. В результате, благодаря грамотной конструкции теплового насоса, отопление дома происходит стабильно и надежно.

На 1 кВт потраченной электроэнергии тепловой насос воз- вращает 3–5 кВт энергии тепловой и чуть меньше в режиме кондиционирования. Это значительно выгоднее, нежели использование газового оборудования.

Геотермальная система создает прохладу жарким летом и согревает зимой. Тепловой насос может использоваться с целью кондиционирования в результате передачи тепла от рабочей жид- кости к грунтовым зондам. Также его можно использовать для нагревания воды для ванны, сауны и даже бассейна.

Существуют модификации тепловых насосов, способных использовать тепловую энергию не только земли, но и воды, и воздуха. Однако наиболее проработанным вариантом для установки в индивидуальном доме (рис. 3) является именно геотермальный тепловой насос, использующий тепловую энергию грунта. Он ли- шен недостатков других моделей и отлично подходит для российских условий, хоть и имеет высокую стоимость. По данным производителей установка геотермальной системы окупится в течение трех-четырех лет.

Рис. 3. Пример установки геотермальной котельной в индивидуальном доме

Стоит отметить, что максимальную пользу такой метод гео- термального отопления дома принесет в том случае, если в нем установлены системы «теплых полов». Это обусловлено тем, что при установке системы «теплый пол» для нагрева используется теплоноситель со средней температурой в 30–35 °С, прогревая помещения за счет большой площади обогревателя, а не за счет его высокой температуры. В то же время теплоноситель в системах геотермального отопления редко удается нагреть выше 40 °С, что идеально подходит для «теплых полов».

Положительные стороны геотермальных котельных:

1. Высокое КПД данных отопительных систем. Даже принимая во внимание тот факт, что тепловой насос работает от электричества, выделения тепла примерно в 3 раза превышают затраты электроэнергии.

2. Экологичность. Пожалуй, пока не одна система отопления в наше время не может похвастаться таким высоким уровнем эколо- гичности. Во время работы нет никаких выбросов в окружающую среду. Геотермальное отопление частного дома не требует топлива для своей работы, тем самым не наносится вред экологии.

3. Безопасность. В процессе работы таких обогревателей отсутствует процесс горения, полностью исключается опасность взрыва, возгорания или просто утечки топлива или угарных газов.

4. Экономичность. Несмотря на высокую стоимость системы

геотермального отопления, установив ее один раз, больше не приходится платить за топливо, на котором будет работать обогревающая система, единственный небольшой расход – потребление электроэнергии тепловым насосом.

5. Установка геотермальной системы обогрева в случае правильного монтажа может работать без технического обслуживания в среднем 30 лет. Весьма вероятно, что любой другой отопитель- ный прибор требует сервисного внимания гораздо чаще. В целом данная система может прослужить около 100 лет.

6. Геотермальный тепловой насос не требует специального помещения, ему не нужен дымоход. Кроме того, отсутствуют громоздкие внешние блоки, которые могли бы испортить фасад либо интерьер. После установки грунтовых зондов нет никаких ограничений на озеленение или ландшафтный дизайн.

7. Автономность жизнеобеспечения. Этот факт является яв-

ным преимуществом при проектировании и строительстве домов в районах, где проведение газопровода затруднено или требует длительного времени.

Использование геотермальной энергии – это путь к снижению

вредоносного воздействия на экологию, уменьшению потребления угля, газа и нефти. На сегодняшний день для нас это самая эффективная и экономичная альтернатива традиционным системам жизнеобеспечения.


Библиографический список

1. Берман Э. Геотермальная энергия. – М.: Мир, 1978. – 416 с.

2. Рубан С.С. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Энергия, 2003. – 134 с.

3. Бурдаков В.П. Электроэнергия из космоса. – М.: Энергоатомиздат, 2002. – 152 с.

4. Кашкаров А.П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. – М.: ДМК-Пресс, 2011. – 144 с.

5. Геотермальная энергетика [Электронный ресурс]. – URL: http://ru.wikipedia.org (дата обращения: 13.10.2013).

6. Директива энергетических показателей [Электронный ресурс]. – URL: http://www.bre.co.uk/filelibrary/Scotland/Energy_Performance_of_Buildings_Directive_(E PBD).pdf (дата обращения: 13.10.2013).

7. Геотермальная энергия. Общие понятия [Электронный ресурс]. – URL:

http://alternativenergy.ru/energiya/320-geotermalnaya-energiya.html (дата обращения: 13.10.2013).

8. Петроэнергетика. Глубинное тепло Земли и возможности его использования [Электронный ресурс]. – URL: http://portal-energo.ru/articles/details/id/542 (дата обра- щения: 13.10.2013).

9. Геотермальная энергия сегодня [Электронный ресурс]. – URL: http://zele-

neet.com/geotermalnaya-energiya-segodnya/993 (дата обращения: 13.10.2013).

References

1. Berman E. Geotermalnaya energiya [Geothermal energy]. Moscow: Mir, 1978. 416 p.

2. Ruban S.S. Netraditsionnye istochniki energii [Nonconventional energy sources]. Moscow: Energiya, 2003. 134 p.

3. Burdakov V.P. Elektroenergiya iz kosmosa [Electricity from space]. Moscow:

Energoatomizdat, 2002. 152 p.

4. Kashkarov A.P. Vetrogeneratory, solnechnye batarei i drugie poleznye konstruktsii

[Wind turbines, solar panels and other useful design]. Moscow: DMK Press, 2011. 144 р.

5. Geotermalnaya energetika [Geothermal energy], available at: http://ru.wikipe- dia.org/ (accessed 13 October 2013).

6. Direktiva energeticheskikh pokazatelei [Directive of energy data], available at: http://www.bre.co.uk/filelibrary/Scotland/Energy_Performance_of_Buildings_Directive_(E PBD).pdf (accessed 13 October 2013).

7. Geotermalnaya energiya. Obschie ponyatiya [Geothermal energy. General con- cepts], available at: http://alternativenergy.ru/energiya/320-geotermalnaya-energiya.html (accessed 13 October 2013).

8. Petroenergetika. Glubinnoe teplo zemli i vozmozhnosti ego ispolzovaniya [Petro energy. Deep heat of the earth and the possibility of its use], available at: http://portal- energo.ru/articles/details/id/542 (accessed 13 October 2013).

9. Geotermalnaya energiya segodnya [Geothermal energy today], available at:

http://zeleneet.com/geotermalnaya-energiya-segodnya/993/ (accessed 19 October 2013).


S. Krasimirova, V. Malysheva

ALTERNATIVE SOURCES OF ENERGY IN CONSTRUCTION: ADVANTAGES OF THE GEOTHERMAL HEATING AND AIR CONDITIONING IN THE PERM REGION

This article is about consumption of energy in the construction, engineering of heating and conditioning of individual house-building, the benefits of using geothermal energy.

Keywords: renewable resources, ecoarchitecture, alternative IP-sources of energy,

energy conservation, the autonomy of the life-support systems, energy efficiency of build- ings.


Красимирова Силвия Стефанова (Пермь, Росиия) – студентка группы ЭУН 2-13-1М, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: silviaks999@gmail.com).

Малышева Валерия Леонидовна (Пермь, Россия) – студентка груп- пы ЭУН 2-13-1М, Пермский национальный исследовательский политехниче- ский университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: lerikmmm@gmail.com).

Krasimirova Silvia (Perm, Russia) – Student, Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsky av., 29, e-mail: sil- viaks999@gmail.com).

Malysheva Valeriia (Perm, Russia) – Student, Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsky av., 29, e-mail: ler- ikmmm@gmail.com).

Короткая ссылка на новость: https://a-economics.ru/~ZXUom