История развития ВИЭ в СССР и России насыщенна и разнообразна: от первых приливных и геотермальных электростанций к тысячам мини-ГЭС в небольших посёлках и деревнях. Потребность в энергии для послевоенного восстановления и развития страны подгоняла инженерную мысль в разное время. Несмотря на широко распространённое мнение о безнадёжном отставании нашей страны в развитии возобновляемой энергетики, очень многие направления ВИЭ получили развитие именно в Советском Союзе более полувека назад.
Потом наша большая страна построила протяжённые ЛЭП, провела во многие города газ, и острая нужда во многих таких источниках на ВИЭ отпала. И в конце прошлого века, когда западные страны под влиянием нехватки и удорожания ресурсов активно создавали индустрию возобновляемых источников энергии, новая Россия развивала то, что было под рукой. Хотя в последнее время и начался достаточно активный рост мощностей ветровых и солнечных станций, это по-прежнему не стало массовым явлением. Причин этому так много, что их перечислению и анализу пришлось бы посвятить соответствующие книги.
Время летит быстро, и жизнь не стоит на месте — меняются экономические показатели и доступность энергии, появляется новая техника, активно проявляются новые потребительские предпочтения, растёт экологическое сознание людей, и вот возобновляемая энергетика вновь выходит на передовые позиции в информационном поле. Несмотря на малую плотность энергопотока и сезонную (дневную) изменчивость солнца, ветра, возникают ситуации, когда именно возобновляемые источники энергии способны решить проблемы эффективного энергообеспечения. Это касается удалённых и труднодоступных территорий, небольших поселений с неустойчивым энергоснабжением, отсутствием надёжной инфраструктуры. Напомним, что доля таких распределённых поселений на карте — свыше 75% территории России. Появляются новые гибридные схемы, включающие в себя как топливные, так и возобновляемые элементы, интегрирующие разнообразные аккумулирующие и резервирующие системы, преобразующие реакторы и топливные элементы.
В предлагаемой вашему вниманию статье собран опыт реализации ряда проектов на основе возобновляемых энергоисточников в небольших и средних объектах: частных коттеджах, школах и мини-отелях, жилых и общественных зданиях в разных климатических зонах. Их всех объединяет творческая мысль поиска оптимальных решений конкретных проблем надёжного и недорого энергоснабжения и обустройства жизни людей. И таких объектов по стране — уже сотни и даже тысячи. Взгляните на них.
Индивидуальный жилой дом, отапливаемый с использованием реверсивного грунтового теплового насоса и солнечных коллекторов
Местоположение: Республика Бурятия. Проблемы энергообеспечения: организация отопления и охлаждения частного дома. Решения и эффекты: обеспечение теплом дома и теплицы.
Система энергоснабжения
В данном случае используется реверсивный тепловой насос (ТН), в холодное время года он отапливает дом, в тёплое — охлаждает. Источник тепла и холода — три скважины длиной по 100 м.
Установленные объекты ВИЭ
Две группы вакуумных солнечных коллекторов (СК). На крыше дома 120 трубок и на теплице 100 трубок (итого 18 м²). У солнечных коллекторов несколько режимов (вариантов) работы. Зимой все 220 трубок работают на подогрев низкого контура теплового насоса и покрывают 15–17% годового потребления тепловой энергии на отопление. С середины марта месяца 100 трубок, установленных на теплице, переключаются на обогрев почвы в теплице, и уже через месяц, в середине апреля, высаживается рассада.
В конце мая все коллекторы работают на подогрев воды в уличном бассейне и на подогрев скважин. Производительность солнечных коллекторов при таком низкотемпературном режиме работы составляет 1 МВт на 1 м² в год.
Коэффициент преобразования теплового насоса (СОР) оказался равным 3,0.
При годовой потребности 60 тыс. кВт·ч тепла на отопление около 50% дают скважины (три штуки), 17% — коллекторы и примерно 33% потребляется электроэнергии.
Затраты на систему составили около 1,5 млн руб.
Гостевой дом в частной застройке с гибридной солнечной электростанцией мощностью 45 кВт
Местоположение: посёлок Агой Краснодарского края. Проблемы энергообеспечения: частые отключения электроэнергии. Решения и эффекты: обеспечение бесперебойного снабжения электроэнергией гостевого дома.
Система энергоснабжения
Солнечная электростанция обеспечивает дополнительную мощность системы сверх сетевых ограничений, значительный резерв на случай аварийной ситуации и уменьшает текущее потребление энергии из сети.
Установлены объекты ВИЭ:
1. Солнечные панели — поликристаллические, китайского производства, номинальной мощностью 7,5 кВт.
2. Контроллер — российский, профессиональная серия.
3. Инвертор высокой мощности, российского производства, профессиональная серия, трёхфазный, гибридного типа, максимальная мощность — 45 кВт, пиковая мощность — 57 кВт.
4. Аккумуляторы — российские, панцирные, глубокого разряда 48 В × 210 А/ч.
5. Система мониторинга — встроенная, опционально возможность организации дистанционного управления.
Затраты — в пределах 1,2 млн руб.
Дача с автономной ветро-солнечной электростанцией мощностью 4,5 кВт
Местоположение: посёлок Дивноморское Краснодарского края. Проблемы энергообеспечения: отсутствие подключений к коммуникациям. Решения и эффекты: ветро-солнечная электростанция обеспечивает круглогодичное электроснабжение двух домов.
Установлены объекты ВИЭ:
1. Солнечные панели — микроморфные, Pramac (Швейцария), номинальной мощностью 3,25 кВт.
2. Контроллер — российский, профессиональная серия.
3. Ветрогенератор — китайский, номинальной мощностью 2 кВт.
4. Инвертор — российский, профессиональная серия, максимальная мощность 6 кВт, пиковая — 9 кВт.
5. Аккумуляторы — российские, панцирные, глубокого разряда два комплекта по 48 В × 210 А/ч.
6. Система мониторинга — полностью дистанционная.
Затраты на систему ориентировочно составили 450 тыс. руб.
Деревянный жилой дом площадью 180 м²
Местоположение: Московская область. Проблемы энергообеспечения: ошибки при работе геотермального теплового насоса для отопления жилого дома. Решения и эффекты: замена теплового насоса и обвязки, использование солнечной панели, нормализация работы систем отопления и ГВС. Обеспечение тепловой энергией жилого дома.
Система энергоснабжения
Этот дом является хорошим примером того, насколько по-разному можно внедрять тепловой насос как объект ВИЭ. Первый вариант был не вполне удачный, и тепловой насос пришлось заменить, а обвязку переделать. Второй вариант получился успешным, и оборудование уже третий сезон работает без проблем.
Сначала расскажем про первый (неудачный) вариант внедрения теплонасосной технологии. Очень скоро пришлось постоянно разбираться с постоянными ошибками при работе теплового насоса. Он всё ещё поддерживал заданную температуру в доме, но ошибок с каждым днём становилось всё больше и больше. Была найдена неисправность терморегулятора, попытки его регулировать ни к чему не привели. И ещё возникло подозрение на неисправность компрессора — он работал в режиме постоянного перегрева.
Такая ситуация была предсказуема, поскольку на объекте были допущены несколько существенных ошибок. На первом месте идёт нехватка мощности геотермального контура. За три года работы температура в скважинах упала до −5°C. Переход через 0°C только усугубляет ситуацию и снижает теплопроводность грунта. Вторым недостатком был неправильный подбор косвенного бака для приготовления горячей воды. Для теплового насоса на 10 кВт не хватало длины змеевика теплообменника, чтобы передать тепло к воде.
При работе через несколько лет образовывались осадок и накипь, что приводило к перегреву теплового насоса и постоянным ошибкам при приготовлении горячей воды. Обвязка всей этой системы тоже оставляла желать лучшего.
Заказчик взвесил все «за» и «против» и принял решение поменять всё. Для деревянного дома площадью 180 м² было предложено установить более мощный тепловой насос производства Stiebel Eltron WPF 13 new S номинальной мощностью 13 кВт. Выбор однофазного теплового насоса был продиктован проблемами с трёхфазным напряжением (оно было нестабильным и с большим перекосом фаз). Для комфортного использования горячей воды была предложена увеличенная ёмкость на 400 л. Это позволяло пользоваться горячей водой с бóльшим комфортом и уйти от аварийного перегрева теплового насоса при работе в режиме ГВС.
Помещение было достаточно маленьким для размещения оборудования, и пришлось делать подробный проект с прорисовкой всех деталей и узлов в 3D. Попробовали несколько вариантов размещения, перед тем как найти единственно верный, который позволил всё уместить и обеспечить максимально комфортный доступ для обслуживания.
В результате заказчик получил систему геотермального отопления дома, основанную на тепловом насосе Stiebel Eltron WPF 13 new S, который имеет номинальную тепловую мощность 13 кВт от компрессора и встроенный электрический ТЭН для покрытия пиковых нагрузок на системы отопления и ГВС. Система отопления осталась прежней: радиаторы на первом и втором этажах с буферной ёмкостью на 200 л. Горячая вода в новой системе готовилась в бойлере косвенного нагрева объёмом 400 л. Этот бойлер первым контуром был подключён к тепловому насосу, а вторым — к солнечным коллекторам, которые установлены на крыше. Их суммарная площадь поглощения составляет 5 м².
В обычном режиме солнце подогревает горячую воду, после достижения заданной температуры автоматика переключается на геотермальные скважины. Если при этом работает компрессор теплового насоса, то через промежуточный теплообменник солнце подогревает источник тепла на входе в тепловой насос. Если компрессор выключен, то контроллер солнечных коллекторов запускает циркуляционный насос геотермального поля и утилизирует избыточное тепло в скважины. Коэффициент трансформации составил 3,1–3,2.
Суммарная длина геотермальных скважин равна 300 м. Этого недостаточно для дома в 180 м². Но при поддержке солнечного коллектора даже более мощный тепловой насос перестал понижать температуру грунта, и сейчас к концу отопительного сезона она держится на уровне −4…-2°C.
Затраты на установку бойлера, теплового насоса и солнечных коллекторов с автоматикой составили около 800 тыс. руб. и при существующих ценах на электроэнергию окупятся за 6,5–7,5 лет.
Энергоэффективная мини-гостиница (три этажа) с магазином и офисом
Местоположение: город Анапа, Краснодарский край. Проблемы энергообеспечения: минимальное потребление от внешних сетей. Решения и эффекты: применены гибридные солнечные коллекторы, солнечные батареи, система «пассивного» охлаждения / отопления, ветрогенератор, тёплый плинтус, фанкойлы, воздушная система отопления. В итоге получился дом с максимальным потреблением энергии на содержание от возобновляемых источников энергии и с минимальным потреблением от внешних сетей.
Система энергоснабжения
Гибридная гелиосистема, которая выполняет функцию нагрева для горячего водоснабжения и поддержку отопления, а также обеспечивает горячий воздух для воздушной системы отопления. Солнечная электрическая система обеспечивает работу электроприборов.
«Пассивная» система охлаждения обеспечивает охлаждение данного здания без кондиционеров, то есть холод не вырабатывается, а перемещается из-под земли. На работу данной системы потребляется всего 300 Вт. Прогоняя холодную воду через фанкойлы, мы передаём холод в помещения гостиницы. Низкотемпературная система отопления (через систему фанкойлов) вырабатывает тёплую воду температурой 30–40°C. Таким образом, одна система выполняет две задачи: охлаждение и отопление, что позволяет существенно экономить на монтаже, содержании и на потреблении энергии.
Система отопления реализована через тёплый пол и тёплый плинтус. Воздушная система отопления подаёт в помещения тёплый воздух, который получается бесплатно в результате конвекции от работы гибридного коллектора. Тихоходный вертикально-осевой ветровой генератор вырабатывает и электричество, и тёплую воду. Все системы объединены в гибридную систему и работают на получение максимального энергосберегающего эффекта.
Также на объекте применены энергосберегающие изоляционные материалы и остекление.
Добавлены дополнительные усовершенствованные элементы в гибридный солнечный коллектор, что позволило:
- увеличить температуру в системе горячего водоснабжения и количество до 55°C и количество горячей воды до 800 л;
- увеличить мощность воздушного отопления, что полностью решило проблему поддержки плюсовой температуры на третьем этаже здания.
- уменьшить затраты на содержание объекта на 30% по году эксплуатации.
Было пристроено помещение офиса площадью 55 м² компании «АльтЭнергия», в котором наглядно демонстрируются все существующие на объекте решения. И эти 55 м² подключены к общим коммуникациям здания, а, следовательно, эксплуатационная площадь увеличилась, но при этом затратная часть уменьшилась. В итоге получилось уменьшить электропотребление на объекте с расчётных 35 кВт·ч на 4–5 кВт·ч в реальности. Имеется возможность для дальнейшего уменьшения потребления и перехода объекта в энергопозитивный режим.
Бюджет проекта составил около 5,0–5,5 млн руб. (от физического лица). Расчётный период окупаемости проекта — примерно 3,0–3,5 года.
Результаты проекта
Минимальное потребление от внешних сетей, собственное потребление 15–20 Вт на 1 м², что на 10–12% лучше по сравнению с прошлым годом. Планируется переход на автономное существование (без присоединения к внешним сетям).
Энергоэффективный дом, построенный по программе расселения ветхого жилья ГК «Фонд содействия реформированию ЖКХ»
Местоположение: рабочий посёлок Решетниково, Клинский район, Московская область. Характеристики объекта: общая площадь — 2561 м²; жилая площадь — 2030 м²; количество квартир — 56, переселено 112 человек. Проблемы энергообеспечения: недостаточная мощность местной котельной. Решения и эффекты: использован автономный источник теплоснабжения на основе геотермальных тепловых насосов.
Система энергоснабжения
Источник тепловой энергии, объекты ВИЭ: четыре тепловых насоса «Корса-55» (РФ). Система отопления — тёплый пол.
Отопление: три тепловых насоса — 165 кВт общей тепловой мощности, электропотребление — 50 кВт·ч. Источник низкопотенциального тепла во время отопительного сезона — 48 вертикальных геотермальных зондов.
Горячее водоснабжение: тепловой насос с последующим догревом до нормативных требований электрокотлом. Источник низкопотенциального тепла зимой — 17 геотермальных зондов и тепло от вентиляции здания. Летом источник тепла — драйкулер, который, используя энергию окружающего воздуха, создаёт высокую среднегодовую эффективность работы теплового насоса.
В результате применения такого технического решения годовые затраты на отопление уменьшились на 80%, по сравнению с местными тарифами, что подтверждено анализом квитанций, оплаченных потребителями за год эксплуатации. Годовые затраты на горячее водоснабжение сократились в полтора раза.
Система работает в автоматическом режиме по заданным параметрам необходимой температуры, оснащена погодозависимым модулем регулировки режимов. Система диспетчеризации, подключённая к Интернету, позволяет не только дистанционно контролировать и диагностировать оборудование, но и производить регулировку важнейших его параметров.
Через два года эксплуатации дома, на основании официальных платёжных документов, полученных у «Клинских теплосетей», годовые проектные показатели снижения затрат на отопление подтвердились. Они уменьшились по сравнению с соседними домами, получающими тепло от городской котельной, на 80%.
Окупаемость установленного оборудования стоимостью около 13,3 млн руб. составляет около 7,5 лет.
Энергоэффективный жилой дом с минимальным потреблением энергии от внешних сетей
Местоположение: посёлок Ашукино, Московская область. Характеристики объекта: частный двухэтажный дом общей площадью 160 м² с подвальным помещением 40 м². Проблемы энергообеспечения: отсутствие подключений к газовым коммуникациям. Решения и эффекты: теплозащита стеновых, кровельных и оконных конструкций по требованиям для пассивного дома, геотермальный тепловой насос, тепловой аккумулятор, солнечные коллекторы, система пассивного охлаждения от геотермальных скважин, рекуператор, тёплый пол, система хранения солнечной энергии в грунте.
Реализованные технологии при общестроительных работах:
1. Шведская плита под полом из пенополистирола. Теплоизоляция стен подвала и цокольной части здания — пенополистиролом.
2. Форма здания спроектирована по внешним размерам, близким к кубу для снижения тепловых потерь строения через наружные ограждающие конструкции: длина здания — 12 м, ширина — 11 м, высота конька крыши над уровнем земли — 10 м.
3. Крыша двускатная, площадь крыши с южной стороны составляет 130 м² для размещения солнечных коллекторов и солнечных батарей. Веранда дома под крышей с южной стороны имеет размеры 12×3 м = 36 м². Летом навес над верандой защищает рассматриваемое здание от солнечного перегрева, а в зимний период при низком солнце солнечные лучи свободно проникают внутрь дома через окно и стеклянную дверь.
4. Утепление крыши выполнено древесным волокном, а также негорючим материалом Pure One (стекловолокном с акриловым связующим). Расчётный коэффициент термического сопротивления крыши составил около 12 м²·К/Вт.
5. Окна и стеклянные двери выбраны с утеплённым профилем и двухкамерным стеклопакетом, заполненным аргоном. Окна имеют два напыления: энергосберегающее и мультифункциональное (для защиты от перегрева летом и утепления зимой). Коэффициент термического сопротивления стеклопакетов составил 1,67 м²·К/Вт, а профиля — 1,05 м²·К/Вт, что в два-три раза лучше обычных окон.
6. Был выбран вентилируемый фасад, который позволяет равномерно со всех сторон удалять влагу из здания через воздушный зазор. В качестве внешней защиты стен здания были выбраны фиброцементные панели KMEW толщиной 16 и 18 мм, срок службы которых составляет более 50 лет.
7. Расчёты показали, что для того, чтобы термическое сопротивление стен стало равным 10 м²·К/Вт (как требуется для «пассивного» дома), необходимо иметь толщину теплоизоляции 25 см.
Реализованные технологии в инженерных системах
1. Гелиосистема российского производства «ЯSolar», которая выполняет функцию нагрева горячего водоснабжения и поддержку отопления, а также прогрева грунта через геотермальные скважины.
2. Геотермальный тепловой насос Buderus модели Logatherm WPS 11.
3. Тепловой аккумулятор JÄSPI GTV Teknik RD с функцией проточного приготовления горячей воды и подключение солнечных коллекторов.
4. «Пассивная» система охлаждения здания работает за счёт циркуляции теплоносителя через геотермальные зонды. На работу данной системы потребляется всего 200 Вт для охлаждения 200 м². С помощью циркуляции воды (охлаждённой в грунте) через капиллярные маты обеспечивается охлаждение помещений.
5. Низкотемпературная система отопления, тёплый пол с улучшенными характеристиками. Работа в диапазоне теплоносителя 22–30°C.
6. Низкотемпературная система отопления — капиллярные маты. Работа в диапазоне теплоносителя 22–30°C.
7. Управление и сбор информации о работе всех компонентов через контроллер с хранением данных для последующего анализа.
8. Рекуператор на систему вентиляции.
9. Теплоаккумулирующий камин Tulikivi KTU 1010/92 с КПД, равным 91%.
10. Все системы объединены в гибридную систему и работают на получение максимального энергосберегающего эффекта.
Затраты на вышеуказанные системы составили около 1,5 млн руб.
Эксплуатационные затраты
В январе для отопления был включён тёплый пол, в феврале был установлен оптимальный режим отопления с коэффициентом трансформации теплового насоса более 4,0. В апреле подключены солнечные коллекторы, которые позволили повысить суммарный коэффициент трансформации до 6,0 и более. Осуществлялся мониторинг и управление совместной работой теплового насоса, солнечных коллекторов и аккумулятора.
Для более полного сбора данных о температурах в различных комнатах на разных этажах летом 2018 года были установлены беспроводные температурные датчики. Они показали, что на первом этаже сохранялась комфортная температура на уровне 23–24°C, а на втором этаже, несмотря на хорошую теплоизоляцию крыши, температура повышалась до 26°C, в подвале температура воздуха составляла 17°C. Это было вызвано тем, что солнечные коллекторы через теплообменник и зонды грели грунт, температура которого поднялась до 12°C.
В связи с тем, что второй этаж с помещениями перегревается, встал вопрос об охлаждении потолочными капиллярными матами Bluemat фирмы Geo Clima Design, которые в зимний период будут использоваться для отопления. Также возникла задача установки приточно-вытяжной установки (ПВУ) с рекуперацией тепла и воздушным охладителем.
В настоящее время идёт монтаж приточных вентиляционных установок Turkov Zenit 550 HECO производительностью 550 м³/ч, воздухоохладителя ZWS-W, а также воздуховодов внутри здания. В летний период капиллярные маты и ПВУ с рекуперацией тепла будут получать холод через теплообменник, связанный с контуром грунтовых зондов, при этом нагревая землю для зимнего периода. В зимний период капиллярные маты и приточных вентиляционных установок Turkov Zenit 550 HECO будут греться от теплового насоса через нижнюю часть 500-литрового аккумулятора JÄSPI.
Расчётный период окупаемости проекта 3,4–4,0 года. Планируется переход на автономное существование без присоединения к внешним сетям.
Автономное тепло- и электроснабжение крестьянско-фермерского хозяйства
Местоположение: город Анапа, Краснодарский край. Проблемы энергообеспечения: отсутствие подключений к коммуникациям. Решения и эффекты: солнечная электростанция обеспечивает круглогодичное электроснабжение.
Установлены объекты ВИЭ:
1. Солнечные панели — микроморфные, Pramac (Швейцария), номинальной мощностью 3,125 кВт.
2. Контроллер — российский, профессиональная серия.
3. Инвертор — российский, профессиональная серия, максимальная мощность 6 кВт, пиковая — 9 кВт.
4. Аккумуляторы — российские, панцирные, глубокого разряда 48 В × 400 А/ч.
5. Система мониторинга — встроенная в систему, а также опционально имеется возможность организации дистанционного управления.
6. Твердотопливный котёл с пеллетной горелкой 25 кВт — российского производства.
Ориентировочные затраты составили 450 тыс. руб.
Автономное электроснабжение круглогодичного полевого стана в крестьянско-фермерском хозяйстве
Местоположение: Тимашевский район Краснодарского края. Проблемы энергообеспечения: отсутствие подключений к коммуникациям. Решения и эффекты: автономная солнечная электростанция мощностью 3 кВт.
Установлены объекты возобновляемых источников энергии:
1. Солнечные панели — микроморфные, Pramac (Швейцария), номинальной мощностью 1,875 кВт.
2. Контроллер — российский, профессиональная серия.
3. Инвертор — российский, профессиональная серия, максимальная мощность 3 кВт, пиковая — 5 кВт.
4. Аккумуляторы — российские, панцирные, глубокого разряда 48 В × 210 А/ч.
5. Система мониторинга — встроенная в систему, а также опционально имеется возможность организации дистанционного управления.
Ориентировочные затраты составили 350 тыс. руб.
Отопление и снабжение ГВС двух корпусов детского лагеря «Новое поколение» при помощи теплового насоса «воздух-вода»
Местоположение: деревня Дворцовая, Пермский муниципальный район Пермского края. Проблемы энергообеспечения: существенные затраты электроэнергии на горячую воду. Решения и эффекты: снижение затрат на электрическую энергию в 2,5 раза.
Системы энергоснабжения
В 2017 году в двух корпусах детского лагеря «Новое поколение» были установлены тепловые насосы NIBE «воздухвода». Здание из силикатного кирпича площадью 750 м² утеплено с фасада 100 мм, имеет радиаторную систему отопления (чугунные радиаторы, подключённые по однотрубной схеме с замыкающим участком). В котельной установлены индукционные электрокотлы 55 кВт, для приготовления ГВС использовался проточный электроводонагреватель «ЭВПН 30».
Общее потребление энергии составило 112133 кВт·ч/год.
Для снижения затрат на электрическую энергию было решено установить тепловые насосы. Поскольку геотермальная система требовала большого количества земляных работ, выбор был сделан в пользу воздушных тепловых насосов.
В первом корпусе были установлены два тепловых насоса NIBE F2040–16 и накопительный бак косвенного нагрева NIBE VPB 500 с электрическим ТЭНом мощностью 9 кВт, электрокотёл был заменён на «ЭВАН» 42 кВт. Эксплуатация тепловых насосов в отопительный период 2017–2018 показала снижение затрат на электроэнергию в два раза, что подтверждается показаниями установленных тепловых и электрических счётчиков. В летний период ТН используются для приготовления горячего водоснабжения.
Во втором корпусе были установлены тепловые насосы NIBE F2300–20, водонагреватель NIBE VPB 500 и электрокотёл «ЭВАН» 42 кВт.
В отопительный период 2017–2018 годов тепловые насосы продемонстрировали отличную производительность устойчивую работу до −22°C и быстрый нагрев теплоносителя до расчётных 60°C. В летний период снижение затрат на электроэнергию за счёт применения тепловых насосов для нагрева горячей воды сократилось в 2,2 раза.
Прогнозируемое снижение затрат на электроэнергию составляет 2,5–2,7 раза за год, что обусловлено значительным потреблением горячей воды во время полного заполнения лагеря в период детских каникул.
Затраты на проектирование, установку и монтаж современных тепловых насосов без реконструкции систем отопления составили для каждого корпуса около 1,7 млн руб. При существующих тарифах на электроэнергию затраты полностью окупятся в пределах пяти лет.
Отопление и снабжение ГВС детского сада тепловым насосом «грунт-вода» с 2012 года
Местоположение: село Иркилик, Прибайкальский район, Республика Бурятия. Проблемы энергообеспечения: замена изношенной дровяной котельной. Решения и эффекты: обеспечение социального объекта тепловой энергией по Целевой программе энергосбережения Республики Бурятии.
Как видно из табл. 1, фактические удельные затраты на отопление объект в результате применения теплонасосных установок снизились в 2,3 раза.
Применение возобновлямых источников энергии позволяет сократить затраты на отопление до 67%, что в свою очередь уменьшает потребление энергии до 40%, от общих годовых затрат.
Гибридная комплексная система отопления и охлаждения административного здания прокуратуры Республики Бурятия с использованием теплового насоса
Проблемы энергообеспечения: организация отопления и охлаждения административного здания. Решения и эффекты: обеспечение пристройки тепловой энергией без роста договорной нагрузки.
Система энергоснабжения
В 2014 году при реконструкции со строительством пристройки здания прокуратуры Республики Бурятия применена комплексная гибридная схема с применением теплового насоса. В холодное время ТН работают на обогрев до температуры наружного воздуха −10°C, в пиковый период теплоснабжение осуществляется с использованием тепловой энергии от централизованной теплосети.
При нормативном удельном расходе 0,313 Вт/( м³· °C) фактический расход составил 0,132 Вт/( м³· °C), то есть в 2,37 раза меньше норматива. В тёплый период тепловой насос обеспечивает холодоснабжение здания.
За апрель 2015 года в режиме отопления затрачено 2161 кВт·ч электроэнергии, получено 6104 кВт·ч тепла, COP = 2,82. За июнь 2015 года в режиме охлаждения затрачено 3423 кВт·ч электроэнергии, получено 12713 кВт·ч холода, COP = 3,71.
Тепло- и холодоснабжение павильона «Цветы» (коммерческое здание)
Местоположение: город Улан-Удэ, Республика Бурятия. Проблемы энергообеспечения: организация зон с разными температурами. Решения и эффекты: снижение расхода электрической энергии по сравнению с аналогичными павильонами в четыре раза.
Система энергоснабжения
В 2015 году был выполнен монтаж системы теплои холодоснабжения павильона «Цветы» — объект ВИЭ, где организованы две зоны с разными температурами. Помещение хранения цветов охлаждается постоянно до температуры 8–10°C (фанкойлы), торговый зал зимой отапливается, а летом охлаждается, средняя температура 20–25°C (тёплый пол и фанкойлы).
Удельный расход электроэнергии на 1 м²/год по сравнению с аналогичными павильонами без ТН оказался в четыре раза меньше.
Водонагревательная система с использованием солнечных коллекторов для вахтового посёлка
Местоположение: посёлок Накын, Республика Саха (Якутия). Проблемы энергообеспечения: высокая стоимость привозных энергоресурсов. Решения и эффекты: снижение расходов на приготовление горячей воды в летний период.
Система энергоснабжения
Летом 2016 года в Республике Саха (Якутия) на Нюрбинском горно-обогатительном комбинате стартовал эксперимент по использованию солнечных коллекторов — объектов ВИЭ. Проектированием и поставкой оборудования солнечной водонагревательной системы, состоящей из 150 панелей отечественного производителя «Яsolar», занимались специалисты ООО «Новый Полюс». Солнечные коллекторы были установлены на площадке цеха энергоснабжения и автоматизации Нюрбинского ГОК в июле 2016 года.
Установлены объекты ВИЭ:
1. Насосная станция с частотным приводом и контроллер — российского производства.
2. Солнечные коллекторы «ЯSolar» российского производства площадью 300 м².
3. Теплообменник и теплоаккумулятор.
Исходя из тепловой нагрузки объекта, предоставленной заказчиком (минимум 150 кВт), была рассчитана площадь поля солнечных коллекторов 300 м². Расчётная мощность установки при площади абсорбции 300 м² в ясный солнечный день составляет до 180 кВт. Циркуляция теплоносителя осуществляется насосом мощностью 1,6 кВт, управляемым частотным приводом. Состав системы проектировался исходя из имеющейся у заказчика ёмкости 80 м³ и расположения СК на поле. Между теплоносителем солнечных коллекторов и санитарной нагреваемой водой установлен пластинчатый теплообменник (350 кВт). Поэтому контур СК закрытый. Для компенсации тепловых расширений теплоносителя установлен расширительный бак 300 л, а для аварийного сброса давления — взрывной клапан.
Проект был выполнен за 2015–2016 годы, финансирование обеспечивалось из средств заказчика. Капитальные затраты включают стоимость поставки оборудования (солнечные коллекторы, бак-аккумулятор, насосы и вентиляторы, системы управления, трубы и фитинги, теплообменники и др.). Так как в регионе монтажа отсутствует дорожная сеть, доставка оборудования на место была возможна только по «зимнику». Всё оборудование, согласно проекту, было отгружено в ноябре 2015 года и уже зимой оно поступило на склад назначения, где и ожидало начало монтажных работ.
Энергетики Нюрбинского горно-обогатительного комбината (ГОК) включили систему альтернативного теплоснабжения в схему горячего водоснабжения вахтового посёлка на месторождении «Нюрбинская». Мощности солнечных панелей хватает для подогрева воды в летнее время, при этом уже существующая котельная находится в резерве.
До этого подогрев воды осуществлялся только жидкотопливным котлом, в качестве источника энергии выступала дорогая привозная нефть.
Бюджет проекта составил 4,5 млн руб. Расчётный период окупаемости проекта оценивается в пять лет.
«Энергоэффективный жилой комплекс», компания EcoMoldova
Местоположение: город Кишинёв, Республика Молдова. Характеристики объекта: количество домов — 22, подъездов — 31; общая площадь — 92 тыс. м²; количество квартир — 1652; количество парковочных мест — 1800; площадь коммерческого центра — 27 тыс. м². Проблемы энергообеспечения: строительство энергонезависимого квартала (как по тепловой, так и по электрической энергии). Решения и эффекты: строительство энергоэффективного квартала из «зданий с почти нулевым потреблением энергии» Nearly Zero Energy Buildings (NZEB). Объединение в одной системе тепловых насосов «воздух-вода» и геотермальных, а также системы рекуперации, ветровых турбин и солнечных коллекторов.
Система энергоснабжения
Необходимая тепловая энергия для содержания 1652 квартир: система отопления — 6348 МВт·ч/год; система горячего водоснабжения — 2300 МВт·ч/год; кондиционирование — 3036 МВт·ч/год; суммарно — 11684 МВт·ч/год.
В каждом подъезде оборудуются тепловые пункты: один — на крыше, другой в подвальном помещении. В крышном теплопункте размещаются тепловые насосы «воздух-вода» (ALTAL* AWHP), бойлеры и баки для ГВС, отопления и кондиционирования, а также прочее оборудование для управления системой.
В подвальном теплопункте размещаются геотермальные тепловые насосы (ALTAL* GWHP), баки для системы отопления и кондиционирования, а также прочее оборудование для обеспечения работы системы в автоматическом режиме. Отличительной особенностью системы является объединение всех этих технологий в единый комплекс, который, помимо использования ресурсов воздуха, земли, солнца и ветра, оснащён системой рекуперации тепла воздуха (ALTAL* РПВУ) из вентиляционных каналов.
Рекуперация воздуха предусматривает повторное использование тепла из системы вентиляции для направления в блок тепловых насосов «воздух-вода». Дополнительно здесь организована система подачи воздуха из вентиляционных каналов с подземной автостоянки на крышу, где из-за разницы давлений и температур он стремится вверх. При контакте с внешним воздухом восходящий поток создаст турбулентность, которая будет благоприятствовать работе ветровых турбин с вертикальной осью. Здания оснащаются индивидуальными тепловыми пунктами. Тот факт, что для размещения ИТП не требуются особые условия, и они могут быть расположены либо в подвале, либо на крыше, дало возможность организации новой системы, как в строящихся зданиях, так и в существующих.
Цели проекта заключаются в уменьшении расходов на коммунальные услуги, улучшении экологии — за счёт сокращения выбросов парниковых газов, экономии энергоресурсов, а также энергетической независимости. Дома, из которых построен энергоэффективный квартал, относятся к категории «зданий с почти нулевым потреблением энергии».
В конкретном случае отопление и охлаждение помещений было обеспечено при помощи энергии земли (геотермальными и воздушными тепловыми насосами ALTAL). Система, в основу которой были положены технологии использования солнечной (солнечные коллекторы) и рекуперируемой энергии (геотермальные и воздушные ТН), позволили организовать и систему независимого ГВС.
Электроэнергия также обеспечивается из ВИЭ (фотоэлектрические панели, ветрогенераторы с вертикальной осью вращения). Скважины геотермальных насосов размещены под фундаментами домов, солнечные коллекторы и ветрогенераторы расположены на крышах.
Тепловые насосы: востребованность электроэнергии — 2392 МВт·ч/год. Необходимость в электроэнергии для жилых помещений — 5780 МВт·ч/год. Суммарная потребность в электричестве — 8172 МВт·ч/год. Генерируемое электричество от ВИЭ — 3100 МВт·ч/год.
Итого показано, что альтернативный способ производства тепла, холода, горячей воды, электричества полностью себя оправдывает в климатических условиях Молдовы по многим параметрам в соответствии с современными реалиями.
Результаты внедрения проекта компании EcoMoldova
1. Экономический эффект — снижение стоимости содержания квартиры на 55% ниже, чем при отоплении настенными газовыми котлами, и на 57% ниже, чем при отоплении от ТЭЦ.
2. Экологический эффект — исключение использования ископаемых видов топлива (1,05 млн м³ природного газа), а также исключение выбросов парниковых газов и тепла (2091 тонн).
3. Снижение потребления энергетических ресурсов на 15,4 ГВт·ч/год.
Заключение
Успешное применение ВИЭ, тепловых насосов в России всё ещё остаётся уделом групп энтузиастов, вне государственной политики и поддержки (нет ни «кнута», ни «пряника»), в результате страна не реализует дополнительные возможности развития экономики и промышленности. Сегодня в России речь идёт о достижении экономического роста, потребности в освоении пространства с разными климатическими условиями, соответствующем строительстве больших объёмов жилья и эффективных производственных мощностей. Рациональное применение комбинированных, гибридных систем на основе возобновлямых источников энергии в этих случаях вполне может способствовать более эффективным решениям, приводящим к различным системным (мультипликативным) эффектам.
По мнению создателей вышеупомянутых проектов, ключевыми мерами системной поддержки развития и реализации ВИЭ являются:
- увеличение рынка путём предоставления дотаций на приобретение техники на основе ВИЭ;
- предоставление льготных кредитов на приобретение и установку техники через уполномоченные банки;
- стимулирование строительства энергоэффективного жилья с установкой систем на основе ВИЭ и ТНУ в качестве источников теплоэнергоснабжения;
- применение понижающих коэффициентов к местному тарифу на электроэнергию для пилотных установок на ВИЭ (как это делается для домов, оборудованных электроплитами);
- создание (актуализация) отечественных нормативов, стандартов, сводов правил, ГОСТов, регламентирующих применение соответствующих установок на ВИЭ в российских условиях;
- широкая информационная поддержка успешных проектов в разных сферах и областях.
Остро назрела необходимость создания в России ассоциации по разным видам ВИЭ для объединения усилий всех участников рынка, проектировщиков, поставщиков оборудования и достижения наиболее благоприятных результатов.
Ключевые проблемы, препятствующие массовому внедрению проектов с использованием возобновляемых источников энергии, приведены в табл. 2.
В табл. 3 сведены предлагаемые поправки в действующие нормативно-правовые акты, призванные стимулировать более широкое внедрение проектов с использованием ВИЭ.
