В 90-х годах цены на традиционные энергоресурсы возросли до мирового уровня. Солнечный дом

За последние 10 лет значительно изменилось положение с энергообеспечением населения в Украине. Длительное время наша страна пользовалась дешевым углем, нефтью и газом, которые поступали из Сибири, а развитие местных источников энергии, экономия энергии не стимулировались экономическими методами. В 90-х годах цены на традиционные энергоресурсы возросли до мирового уровня.

Расходы энергии в мире удваиваются каждые 15 лет, но природные источники себя исчерпывают. Все дороже обходится разведка и разработка новых месторождений. Развитие ядерной энергетики ограничивается запасами урана, безопасностью реакторов и проблемой захоронения отходов.

Это, с одной стороны, усиливает энергетический кризис в стране, а с другой, стимулирует применение местных «нетрадиционных» источников энергии в быту. В большинстве случаев это возобновляемые источники энергии: солнечная, ветровая, применяемые в комплексе с мероприятиями по энергосбережению, что ведет к снижению затрат на традиционное отопление. Так, увеличение тепловой зашиты дома путем повышения термического сопротивления наружных ограждающих конструкций на 10% ведет к экономии энергии для отопления на 2-4 %, использование раздельных оконных рам вместо спаренных дает экономию энергии 3%, использование окон с теплозащитным стеклом дает экономию 3-5%, создание теплых чердаков и двойных тамбуров экономит 3-5% энергии на отопление, использование многослойных наружных стен с эффективным утеплителем снижает теплозатраты до 30%, трехслойное остекление окон — до 46%. Экономия тепловой энергии при горячем водоснабжении за счет использования смесителей с регуляторами температуры — 3%, при организации учета затрат горячей воды — до 5%, при утилизации тепла стоков — 6-9%.

Экономия тепловой энергии в системах вентиляции и кондиционирования воздуха путем автоматического регулирования температуры приточного воздуха составляет 10%, путем утилизации тепла вытяжного воздуха — 5-10 % от затрат тепла на подогрев приточного воздуха. Возможна экономия топлива за счет использования вторичных энергоресурсов и новых альтернативных источников энергии, таких как солнечные пассивные системы отопления на основе архитектурно-планировочных и технических решений, или таких, как гелиоустановки в системах отопления, которые называются активными системами. В пассивных гелиоустановках происходит прямая подача лучей в теплопотребляющие объекты без регулирования. При этом решения наиболее простые и дешевые, но тепло-подача неравномерная и с неполным использованием. К этим системам относятся парники и теплицы, зачерненные баки-резервуары для подогрева воды летом, застекленные веранды и лоджии, а также зимние сады, прозрачная конструкция которых представляет собой «тепловую ловушку» и дает дополнительную жилую площадь для размещения зелени, уголка отдыха или бассейна. В доме с пассивной системой солнечного обогрева применяют специальные архитектурно-планировочные решения: для уменьшения теплозатрат северную сторону делают минимальной высоты, без оконных проемов, с двойными тамбурами. Южную сторону делают максимальной высоты и полностью застекленной.

Предусматривают усиленную теплоизоляцию. Для уменьшения неравномерности поступления солнечного тепла часть застекленной поверхности используют для естественного освещения, остальное — для нагрева зачерненных стеновых панелей, которые находятся за стеклом с небольшим промежутком ( 8-10 см). За счет циркуляции воздуха происходит отведение тепла от стеновых панелей и дополнительный нагрев воздуха в помещении. При ориентации остекленного зимнего сада по сторонам горизонта восток-запад для остекления лучше применять 3-слойное теплоизоляционное стекло, при южной ориентации остекленной комнаты потребуются солнцезащитные приспособления, такие как жалюзи, маркизы, экраны, не допускающие перегрева помещения в летний полдень, а также система проветривания помещения. Применение пассивных систем отопления дает экономию 30-40 % от общих затрат тепла на традиционное отопление дома. В активных системах солнечные лучи поступают в гелиоприемник — солнечный коллектор, где их энергия преобразуется в тепловую, с расчетными параметрами. Отсюда тепловая энергия подается теплоносителем, циркулирующим в системе с помощью помпы или по принципу естественной циркуляции.

Простейший солнечный коллектор — это корпус в виде плоского ящика, сверху накрытый стеклом, в нем помещена зачерненная металлическая пластина, под которую уложен слой утеплителя. В качестве теплоносителя используется воздух, вода, антифриз и т.д. Тепловой аккумулятор — это резервуар, наполненный водой или гравием фракции 3-10 см. Бак с водой объемом более 100 л при правильно рассчитанной теплоизоляции может сберегать высокую температуру дольше недели. Объем воды или камней в аккумулирующих резервуарах зависит от периодов накопления и затрат тепла. Количество аккумулируемого тепла определяется по формуле: Q = mc(t2 - t1) где t2 и t1 — начальная и конечная температура, °С; m — масса материала; с — теплоемкость материала, кДж/кг °С.

Для получения максимального теплового эффекта солнечную панель размещают так, чтобы солнце освещало ее максимальное время. Наклон панели должен быть 10-15° плюс географическая широта, что для широты 45° составляет примерно 55-60°. При этом появляется возможность стабильно нагревать воду и воздух до 50-60 °С и экономить на 1 м2 поверхности солнечных коллекторов 120-180 кг условного топлива в год. Стоимость 1 м2 солнечных коллекторов для нагрева воды зависит от конструкции и материала и составляет примерно 200-500$. Многие фирмы Европы разрабатывают, производят и поставляют коллекторы различной конструкции и стоимости. В начале 90-х годов Киев ЗНИИЭП и научно-производственный центр «Гелиотерм» (г. Алушта) разработали нормативные документы по расчету и проектированию систем солнечного тепловодообеспечения. В этот период организован выпуск плоских солнечных коллекторов, разработанных институтом, на Броварском и Симферопольском заводах металлоконструкций.

В НПЦ «Гелиотерм» разработаны современные проекты «солнечных» домов площадью до 600 м2, которые при эксплуатации не используют органического топлива. Специализированное научно-производственное объединение «Укргелиопром» разработало и выпускает солнечные бытовые водонагреватели ПСВ-100/100-1, запроектированные в Украине и России. Водонагреватели состоят из двух емкостей для горячей и холодной воды по 100 л каждая. Период работы апрель-сентябрь. Изоляция сберегает воду горячей на протяжении ночи. Вес нагревателя 80 кг, гарантийный срок работы 8 лет.

Он устанавливается на стенах, крышах. Габариты 1600x750x750. Стоимость 390 грн. Кроме того, «Укргелиопром» внедряет солнечные коллекторы английского производства. Внешнее покрытие из тедмара фирмы «Dupont» с оптическим КПД 92 %. Внутреннее покрытие из тефлона с КПД 85 %. Поглощающая поверхность — ребра из черного никеля, повышающего поглощение энергии без излучающих теплопотерь. Зеркальная фольга увеличивает использование всего спектра световых волн, а теплоизоляция из вспененного изоцианурата уменьшает теплопотери.

Система комплектуется запорной и регулирующей арматурой, автоматикой, насосами, в зимний период может работать на незамерзающих теплоносителях (антифриз). Стоимость 1 м2 гелиоустановки с оборудованием $290, гарантийный срок работы 5 лет. Один из современных разработчиков и поставщиков солнечной техники и технологий в Германии — известная фирма «VIESSMANN». Фирма изготавливает два типа плоских солнечных коллекторов, горизонтальные и вертикальные, которые используются на плоских крышах. «VIESSMANN» применяет также трубчатые вакуумированные коллекторы, состоящие из стеклянных вакуумных трубок, содержащих медный абсорбер — поглотитель с высокоселективным слоем. Возле него смонтирована тепловая трубка, заполненная легкоиспаряющейся жидкостью. Другой тип высокоэффективного коллектора содержит шесть стеклянных вакуумных трубок с медным абсорбером. Для максимального использования солнечного излучения каждая труба установлена с возможностью поворота.

Кроме коллекторов, солнечные системы «VIESSMANN» имеют также емкостные подогреватели, помповую установку, блок регулировки и компенсатор объема. Солнечные коллекторы фирмы «VIESSMANN» представлены в Украине в Международном центре энергоэффективных технологий «Энергия 2000» в г. Ялте. При проектировании домов с гелиоустановками для оценки экономической эффективности сооружения солнечной установки необходимо определить, какова экономия топлива и электроэнергии и за какое время окупятся затраты. Для этого можно использовать обобщенные оценки требуемой экономии топлива и электроэнергии, отнесенные к м2 солнечного коллектора, определенные для разных регионов. На шкале сверху отмечены значения требуемой экономии условного топлива, а на шкале снизу — экономия электроэнергии для варианта солнечного горячего водоснабжения, примененного вместо электроподогрева воды.

Указанные на диаграмме значения отнесены к ориентированной на юг поверхности солнечного коллектора с одним стеклом, площадью 1 м2, установленного под углом 30° к горизонту. Зная стоимость топлива или электроэнергии, потребитель может определить целесообразность применения и срок окупаемости солнечной установки того или иного типа и производителя. Подогрев воды в солнечном коллекторе можно совмещать с получением электрического тока для домашних приборов с помощью солнечного электрического фотопреобразователя (фотоэлектрической станции). Применение их стало возможным благодаря снижению стоимости 1 Вт установленной мощности с $25 в 1977 году до $5 в 1990 году. Сейчас чаще всего используются кремниевые фотопреобразователи, превращающие поглощаемые ими солнечные лучи в постоянный электрический ток.

Фотоэлектрическую панель, состоящую из последовательно соединенных модульных пластин солнечных панелей, монтируют на крыше, а также на южном, восточном, западном фасадах здания. Избыток дневной солнечной энергии, поступающей в летний период, аккумулируется для использования в ночные часы и в пасмурные дни. Кпд кремниевых батарей около 25 %, но при нагреве снижается, поэтому целесообразно под фотоэлектрической панелью разместить трубопроводы для прокачки теплоносителя коллекторного устройства, которым фотопреобразователь будет отдавать тепло. При повороте солнечной батареи за солнцем ее кпд увеличивается в 1,8 раза по сравнению с обычными солнечными батареями. Получаемый постоянный ток преобразуется в переменный для подачи в электросеть здания. Эту электроэнергию, кроме бытовых приборов, можно использовать и для работы насоса перекачки теплоносителя в солнечном коллекторе. Таким образом, теплоснабжение, горячее водоснабжение и электроснабжение дома будут осуществляться за счет неоплачиваемого возобновляемого источника — солнечной энергии.

Фотоэлектрические батареи, как и солнечные коллекторы, можно сочетать с пассивной солнечной системой отопления — зимним садом. В Германии для этого используют фотоэлектрические модули японского производства. Их размещают на панелях зимнего сада, изготовленных из многослойного теплосберегающего стекла. Модуль составляется из моно-или мультикристаллических кремниевых элементов (их кпд различен) с небольшим расстоянием между ними. Через промежутки между элементами, как через решетку, сквозь стекло в зимний сад попадает солнечный свет и нагревает воздух, а падающий на полоски фотоэлементов солнечный свет преобразуется в электроэнергию, поступающую в электросеть.

Солнечные элементы, обращенные внутрь помещения, серебристого цвета, а обращенные наружу — темно-синие, темно-красные или светло-зеленые, что дает дизайнерам возможность использовать их декоративные качества в колористическом решении фасадов и интерьеров помещений. Фотоэлектрические батареи применяются с 70-х гг. XX века для энергообеспечения зданий, фермерских хозяйств и целых поселков, удаленных от ЛЭП, во многих странах мира: США, Франции, Японии, Дании, Германии, Швейцарии, Австралии.

Однако в Украине они почти не используются из-за еще достаточно высокой для нашего потребителя стоимости. Для производства 3000 кВт.ч -электроэнергии в год, необходимой для тепло- и енергообеспечения среднего домовладения, требуется установить солнечную батарею мощностью 2-3 кВт площадью 20-30 м2 , стоимость которой $8000-12000, срок окупаемости составляет в среднем 9-10 лет. Стоимость вспомогательного оборудования: инверторов переменного тока, аккумуляторов составляет около 20% стоимости,солнечного модуля. Однако существуют очень перспективные образцы, разработанные совместно учеными Германии и кафедры гелиоэнергетики ХГПУ. Это тонкопленочный электрический фотопреобразователь, массовое производство которого ожидается к 2010 году, позволяющий снизить стоимость 1 Вт установленной мощности до $1, при сроке окупаемости 3-4 года.

Это даст возможность солнечным батареям успешно конкурировать в цене с традиционными сейчас ТЭЦ. В европейских странах наиболее известные производители солнечных батарей — фирмы «Бритиш петролеум», «Сименс», «Олимп». Так, концерн «Олимп» разработал и поставляет отопительную централь ЭКО, позволяющую оптимально использовать альтернативные источники энергии: солнечные коллекторы, дровяные котлы, тепловые насосы, каминные печи, источники биоэнергии и установки по получению отработанного тепла, солнечные панели площадью не менее 15м2. По данным фирмы, это позволяет экономить до 1/3 расходов энергии на отопление и горячую воду при сочетании системы отопления с подогреваемым полом, низкотемпературными коллекторами подогрева воды. Значительно уменьшает энергопотребление система повторного использования тепла, для которой квартира обеспечивается механической приточно-вытяжной вентиляцией с теплообменником, через который пропускает использованное тепло воздуха. Наибольший эффект дает комплексное использование всех видов альтернативных источников энергии, применение эффективной теплоизоляции стен, кондиционирования с повторным использованием тепла, а также установка металлопластиковых окон с вакуумированным стеклопакетом. Существует еще множество других способов рационального использования энергоресурсов, которые нужно применять для достижения уровня развитых стран мира. Ведь Украина сейчас занимает первое место в мире по потреблению импортных энергоносителей на душу населения, а уровень жизни у нас значительно ниже