Активная технология «100%+ SE Building» – энергонезависимость зданий и декарбонизация тепла

Бабаджанян Аркадий Аршавирович к.ф.-м.н., Бабаджанян Аршак Аркадьевич

Объекты строительства и здания – крупнейший потребитель энергии в ЕС – именно поэтому уделяется особое внимание данному критически важному сектору в долгосрочной стратегии Европейской Комиссии по сокращению выбросов парниковых газов. В Украине эта доля намного выше, и необходимость сокращения потребления энергии в зданиях, а также в сооружениях стоит еще острее. Меры по теплоизоляции или пассивные технологии, требующие громадных средств и времени, безусловно, важны, тем не менее, кардинально сократить, а до 2050 г., «обнулить» потребление первичной энергии по силам лишь благодаря ускоренной имплементации активных технологий

Продолжение, начало в статье «Энергонезависимость зданий и декарбонизация тепла. Активные технологии»

На современном уровне развития солнечных технологий хорошо известно, что тепловой компонент энергии солнечного света, собранный с поверхности Земли, по меньшей мере, в три раза выше по мощности, чем PV-энергия. Тепловой компонент еще больше по полной энергии, потому что в отсутствии солнца PV модули не работают, а Т-коллекторы работают в дневное время, даже при мощности излучения 100 Вт/м² . Для PV модулей и гибридных PVT-коллекторов это соотношение энергий по мощности близко к 1:4 (1PV/(1PV + 3Т)). Таким образом, зимой с технологией «100%+ SE Buildings» соотношение PVэнергии и PV + T-энергии не менее 1:7 при соотношении PVT и Т частей как 1:2 и доле рассеянной радиации не менее 50% т.e. удается получить максимальную эффективность использования всей поверхности крыши для сбора солнечной энергии зимнего периода в 2-2,5 раза больше, чем суммарная дневная радиация декабря, падающая на южную (PVT) часть. Это значит, что в самом «узком» для отопления зимнем месяце – в декабре – «100%+ SE Buildings» генерируют солнечную тепловую энергию на уровне PV-энергии октября (см. табл. 1), полученную с поверхности, занятой стандартной крышной СЭС, выработка PV-энергии которой в это время крайне незначительна. При соотношении 1:3 возможна генерация тепловой энергии даже на уровне сентября.

Этого количества тепла более чем достаточно для создания в зимнее время необходимого низкотемпературного воздушного потока для теплового насоса(ов) типа «воздух-вода».

Активная технология применима к зданиям, на крышах которых нет прямого солнечного излучения. В этом случае панели PVT устанавливаются на фасаде, и, если там также нет прямых солнечных лучей, тогда использование адсорбционных тепловых насосов сведет к минимуму потребление электроэнергии.

Покрытие всей поверхности скатной или прямой кровли здания возможно только созданными нами строительными PVТ- и Т-панелями (BIPVT&T), выдерживающими большие давления (эта часть защищена патентами): давление человека весом в 100 кг. доходит до 500 кПа, в то же время, когда стандартные коммерческие PV-модули, гибридные PVТ и тепловые остекленные Т-панели рассчитаны на давление ветра и снега в 5 кПа – в 100 раз меньше. Такая механическая жесткость светопоглощающей поверхности, обусловленная защитой от деградации фотоэлементов, одновременно обеспечивает технологический доступ к любой точке гелиопокрытия всей кровли, дополнительную возможность механического перемещения грузов по прямой кровле и экономию эксплуатационных расходов при очистке и ремонте поверхности гелиопокрытия.

Технически солнечное воздушное отопление в «100%+ SE Buildings» поступает с гелиопокрытия и концентрируется в утепленном пространстве под крышей (в модуле-чердаке), где температура чердачного помещения не отличается от температуры жилых помещений. Рекуперация воздуха происходит здесь же, если здание вентилируемо, т. е. выходящий поток воздуха заходит в чердачное пространство, как в буферную зону. Части гелиопокрытия с PVT-панелями, частично и с Т-панелями на южной стороне кровли с температурой воздушного потока до +40-50°С (PVТ часть) и Т-панелями на остальной части кровли с температурой потока в +75°С и выше (Т часть), а также со своим дополнительным теплообменником(ами), аэродинамически разделены и составляют замкнутые контуры. Они могут встречаться или нет на теплообменнике теплового асоса(ов) «воздух-вода». Соотношение PVТ-части и Т-части, в зависимости от климатической зоны, требуемой тепловой энергии и многолетних данных солнечной радиации географической точки, может быть с 1:0 до 1:5 и выше.

На рис. 1 показана схема активной ячейки (3 панели) для «южной» PVT части гелиопокрытия. Количество последовательно соединенных панелей ограничено энергозатратами вентилятора на перенос потока воздуха 50-150 м³ /ч из ячейки в систему воздуховода PVT части с температурой до +40°С на второй панели 1. При необходимости использования всей «южной» части под генерацию электроэнергии, ячейки могут быть составлены только из панелей типа 1 с коррекцией скорости потока под температуру не более 40°С в последней панели ячейки типа 1. Наклон PVT части такой же, как для СЭС в данной местности (35° ÷ 45° для г. Киева), а оптимальный наклон Т-частей – 60° ÷ 90°.

Рис. 1. Схема активной ячейки для «южной» PVT части гелиопокрытия
1 – PVT-панель; 2 – Т-панель с входным и выходным отверстиями 3 – на тыльных сторонах, соединяемые стыковочными отверстиями 4

Энергозатраты принудительного теплоотбора с гелиопокрытия и даже затраты на аэродинамическое сопровождение в системе воздухопроводов полностью покрываются добавочной эффективностью электрической генерации при работе PVTпанелей при температуре +20°С ÷ 40°С. После окончательного отбора тепла до температуры +20°С ÷ 25°С теплонасосом(ами) 7 (см. рис. 2) или прямо теплообменником(ами) 8 (рис. 2), возможно управляемое понижение температуры в PVT- и Т-контурах на период весна-осень для еще большего повышения эффективности электрической и тепловых частях PVT&Т панелей.

Рис. 2. Сборка составляющих гелиопокрытия и схема воздухопроводной «южной» PVT части, состоящей из PVT&Т-панелей

На рис. 2 показана конструкция гелиопокрытия и схема воздухопроводной «южной» PVT части, состоящей из PVT- и Т-панелей – один ряд по высоте кровли, состоящий из двух ячеек, параллельно подключенных к входному (охлажденному) воздуховоду 5 и выходному воздуховоду 6 через патрубок с вентилятором 10. В зависимости от высоты кровли возможен набор 3-х и более параллельно подключенных ячеек в одном ряду. 7 –теплонасос, 8 – теплообменник, 9 – вентилятор, 11 – выходящий поток горячей воды, направляемый в сеть теплоснабжения и ГВС здания, а так же к теплоаккумуляторам, 12 – обратный поток воды.

Основное свойство такого способа организации теплопотока для «100%+ SE Buildings» в том, что имеется возможность отключать контур Т-части в летнее время (замкнутый контур делается открытым), если нет дополнительных пользователей тепла, и отключать PVT-контур в экстремальное зимнее время (точнее – замкнутый контур обходит теплонасос в случае непокрытых PVT-панелей), а также понижать скорость потока в независимых или объединенных контурах. В обоих случаях масштабность гелиопокрытия позволяет быстро накапливать необходимое количество тепловой энергии в резервных аккумуляторах (ТА) для пасмурных дней и двухнедельный резерв для критических дней зимних месяцев, используя при этом и редкие солнечные часы. Объем воздушного теплового потока и его температура регулируется скоростью теплоносителя – воздуха – и соотношением покрытия PVT- и Т-коллекторов (как правило 1:2, 1:3 в Украине), причем при необходимости, может быть использован и фасад здания. Для южных зон соотношение может быть даже 1:0, если только PVT часть генерирует достаточный поток тепла, а для северных 1:3, 1:4 и т.д. Еще больший эффект может быть, если воздухопроводная система для T-части состоит из групп коллекторов, которые могут автоматически перекоммутироваться в последовательное или параллельное соединение, в зависимости от требований на температуру и скорость потока воздуха (защищено патентом).

Здесь же, в помещении под чердаком (модуле), находятся бойлер(ы), тепло-насос(ы) компрессионного или сорбционных типов и вся трубная обвязка для воздуха с запорной и регулирующей автоматикой, в которую заложен двухнедельный прогноз погоды; ТА в необходимом количестве и объеме, которые ввиду большого веса, могут находиться в подвальном помещении или в ином защищенном месте. Между бойлером и ТА устанавливается дополнительный(е) тепло-насос(ы) «вода-вода» небольшой мощности, работающие не в пиковые часы, с возможностью переключения на любой ТА. Для южных зон теплонасосы 7 (рис.2) могут выступать как резерв, и достаточно будет теплообменников «воздух-вода» 8 (рис. 2).

Технология «100%+ SE» позволяет создавать модульные солнечные тепло-электрические станции (ТЭС) большой мощности на базе строительных воздушных PVT- и Т-панелей для центральных сетей теплоснабжения (DHC) как «100%+ SE Districts» или «100%+ SE Cities».

Экономическая целесообразность такого масштабного гелиопокрытия воздушными PVТ&T панелями обеспечивается их дешевизной и техническими характеристиками, которые сами служат «премиум» покрытием наклонной или плоской кровли и / или фасада здания, тем самым отдавая тепловые потери панелей непосредственно зданию, причем может создаваться эстетическая привлекательность здания за счет встроенного в PVT&Т панели ЛЭД подсветки. Помимо этого, как известно, постоянный тепловой режим + 20°С ÷ 40°С в PVТ панелях увеличивает эффективность фотоэлементов (ФЭ) на 10-25% и двукратно срок «жизни» ФЭ и PVT панелей (срок жизни стандартных PV-модулей составляет 20-25 лет, а воздушных Т-коллекторов более 50 лет).

В зимнее время возможен режим «оттаивания» для увеличения эффективности отдачи тепловой и электрической энергии.

Как для стран ЕС, так и для Украины, технология «100%+ SE Building» позволяет устанавливать PVТ- и T-панели на крышах (при необходимости и на фасадах) во всех новых и отремонтированных жилых, коммерческих и промышленных зданиях.

Рис. 3. Вариант компоновки панелей на «южной» стороне кровли

Все это позволяет обеспечить круглогодичную теплозащиту здания, начиная с удельного теплопотребления 75-100 кВт·ч/м² ·год в условиях севера и юга Украины. Тем самым исключаются громадные излишние затраты доведения до стандартов пассивной технологии: «пассивный» – 15 кВт·ч/м² ·год или обязательного стандарта «декарбонизации» по ЕС – NZEB ≈ 0 кВт·ч/м² ·год, действующего при строительстве новых жилых зданий в EC с 2021г.! Следовательно, для многих зданий при активной технологии «100%+ SE Buildings» не требуется термомодернизация всего здания и достаточна модернизация кровли.

Рис. 4. Схема компоновки только Т-панелей на восточной или западной стороне

Ативная технология «100%+ SE Building» может быть единственным способом «реконструкции» зданий (особенно исторических), в отличие от директивно принятого в ЕС и многих странах мира типа реконструкции, основанной на пассивной термомодернизации существующих зданий, которые, как указывает отчет McKinsey, чрезвычайно дороги и не подходят для 90% домов в Европе.

Обоснование

Для сравнения в Таблице 1 приводятся мощности солнечного излучения в декабре 2016 г. городов Украины, г. Брюсселя и осредненной мощности излучения за 2013-2016 гг. для г. Таллинна, за 2012-2015 гг. г. Берген (Норвегия) из базы данных PVGIS-SARAH* Исследовательского центра (JRC) Комиссии ЕС, а также сравнение с рассчитанной суммарной мощностью PV- и Т-энергий солнечного излучения по технологии «100%+ SE Buildings» на 1 м² солнечной стороны гелио-покрытия при соотношении PVT и Т частей 1:2, 1:3 и 1:4.

ТАБЛИЦА 1*. Данные для сравнения энергий солнечной радиации на южную поверхность кровли для стандартной СЭС в октябре или сентябре и гелио-покрытия кровли «100% + SE Buildings», приведенной к поверхности южной части в декабре

* – Программное обеспечение PVGIS-SARAH учитывает зависимость доли рассеянной радиации только в горизонтальной плоскости, тем самым результаты расчетов занижены, т.к. доля рассеянной радиации зависит от угла наклона; с. ш. – северная широта;
P / Σ – отношение рассеянной радиации к суммарной в декабре;
PVT / T – соотношение PVT и T частей гелиопокрытия «100%+ SE Buildings»;
п.н.р. – прямая нормальная месячная радиация, прямое излучение солнца на перпендикулярную плоскость;

** – данные по г. Таллинну усреднены за 4 года с 2013 г. по 2016 г. и для расчета по каждому соотношению 1:2, 1:3 и 1:4, выбран как декабрь, осреднение 3-х месяцев (ноябрь, декабрь, январь) с наименьшей суммарной радиацией на горизонтальную плоскость от 2,75 до 9 кВт. ч/м² ·месяц и от 67% до 83% доли рассеянной радиации по месяцам;
º – осредненные данные за 4 года с учетом доли рассеянной радиации по месяцам и годам;

** – данные по г. Бергену усреднены за 4 года с 2012 г. по 2015 г. и для расчета по каждому соотношению 1:2, 1:3 и 1:4, выбран как декабрь, осреднение 3-х месяцев (ноябрь, декабрь, январь) с наименьшей суммарной радиацией на горизонтальную плоскость от 2,2 до 8,1 кВт. ч/м² ·месяц и от 75% до 88% доли рассеянной радиации по месяцам;

*** – PV+T энергия с 1 м² по технологии «100%+ SE Buildings», осредненная с учетом доли рассеянной радиации по трем месяцам и осреднением по годам.

Осреднение по зимним месяцам для северных стран отражается в технологии «100%+ SE Buildings» только на корректировке объема ТА с 2-х недельного хранения до 3-4-x недельного, или на повышении их теплозащиты, в частности, использовании ТА с высокой степенью сохранения тепла (HHRSH).

Обоснование энергонезависимости здания по технологии «100%+ SE Buildings», а точнее энергоположительности или Plus Energy Buildings (PEВ) [13] дается для малоэтажных зданий, тепловая нагрузка которых на единицу жилой поверхности намного превышает нагрузку многоэтажных жилых, бюджетных и промышленных зданий, т.е. все результаты верны и для любых жилых и промышленных зданий.

Выводы

Основные положения технологии «100%+ SE»

Возможность достижения энергонезависимости дома с помощью только солнечной энергии и, более того, реальность технологии «100%+ SE Buildings» доказана (см. табл. 1 и пояснения к ней).

Благодаря изменению соотношения PVT и Т частей гелиопокрытия технология «100%+ SE Buildings» может в декабре обеспечить нужное количество тепловой энергии для разных климатических зон.
С учетом эффективности панелей, всего 40 квт·ч/м² ·декабря тепловой энергии (из Таблицы. 1), при защищенности частного дома в 50-150 квт·ч/м² ·год в зависимости от климатической зоны, более чем достаточно для энергонезависимости по технологии «100%+ SE Buildings». Более конкретно, с учетом всех потерь в «сухом» остатке будет 15 квт·ч/м² за декабрь или количество тепловой энергии, соответствующее стандарту «пассивного дома» за год с поверхностью южной стороны кровли не менее 60-100 м² (10-17 квт СЭС), как частного дома. С учетом СОР = 3-8 теплонасоса и того, что в средней полосе Европы минимальная температура декабря – 12°С, это количество тепловой энергии соответствует удельной теплозащищенности 2-х этажного здания в 80 квт·ч/ м² ·год, который может быть принят за нижний граничный стандарт этой климатической зоны. Из Таблицы 1 следует, что даже северные страны близки к этому стандарту и реален нижний граничный стандарт в 50-60 квт·ч/м² ·год, и это не NZEB! Для южных стран 150 квт·ч/м² ·год – приемлемая граница, исключая горную местность. В отличии от пассивной технологии утепления, активная технология «100%+ SE Buildings» позволяет дифференцированно подходить к теплозащитным стандартам, тем самым всюду в ЕС уменьшить себестоимость жилья при максимальной энергоэффективности.
Технология «100%+ SE Buildings» ставит под сомнение требования Директивы ЕС об обязательном строительном стандарте для новых зданий NZEB с 31 декабря 2020 года.
Активная технология «100%+ SE» высокорентабельна за счет «моно» технологии солнечной энергии, дешевизны и высокой надежности самих воздушных строительных коллекторов и возможности тригенерации тепло / холод / электроэнергия как товара. В Украине на частный дом с отапливаемой площадью 200-300 м² расчетные затраты на установку «100%+ SE Buildings» со 150 м² поверхности покрытия кровли (50м² – PVТ часть и 100м² – Т-часть) составят $20 000 - $25 000 при сроке окупаемости проекта 5-6 лет, а при организации летнего охлаждения – еще меньше, причем без учета постоянно возрастающей стоимости газа и электричества.

Основные положения при масштабировании проекта «Активные технологии: Энергонезависимость зданий и декарбонизация тепла»

По аналогии с пост-пандемичным «Зеленым» планом экономического развития ЕС 2021- 2030 г. [1], масштабирование приведет к ускорению промышленного развития Украины, основанному на внутренних ресурсах, т.к. самоокупаемая технология «100%+ SE» только в частных домохозяйствах, которых в Украине 6,5 млн, создает рынок $180 миллиардов и потенциал электроэнергии в 167Гвт.

Рис. 5. Общая установленная мощность распределенных PV-установок или крышных СЭС, прогноз и потенциал крышных ТЭС в Украине
Распределённые или крышные ТЭС в случае масштабирования как «Волны реноваций» в рамках «Европейского Зеленого Соглашения» [1]:

сократят нормативные потери PV-энергии на 10% в ЛЭП ЕС;
резко уменьшат необходимость в централизованных системах отопления т.к. 70% населения ЕС проживает в частных домах, а в Украине – 60%;
исключат строительство тепловых ёмкостей сезонного хранения;
приостановят массовую установку в будущем электроаккумуляторов большой емкости для балансировки электрических сетей, сокращая объемы и мощности таких перетоков за счет наличия своих тепловых аккумуляторов (ТА), но со стоимостью в 100-150 раз меньшей, при самообеспечении тепловой и электро энергией зданий, возможно, с использованием «домашних» электроаккумуляторов.
ставит вопрос о том, Нужно ли устанавливать фотоэлектрические установки на Земле после 2030 года? И это фундаментальный вывод, потому что электрическая энергия составляет всего 18% в структуре потребления всей энергии ЕС и она уже может быть покрыта ВИЭ, а к 2030 г. может быть легко заменена PV-энергией. Более того, к 2030 году технология «100%+ SE Buildings» в случае реализации с инициативой «Волна реноваций» может генерировать почти всю тепловую энергию (40% из 50% и экономить 10% PV-энергии), а с 2030 г. по 2050 г. единственной целью ЕС останется мобильная энергия (транспорт) или около 30% из всей энергии (см. рис.1 [10]).

Круглогодичная активная теплозащита здания по технологии «100%+ SE» требует принять на уровне законодательства для строительной индустрии верхнюю и нижнюю граничные удельные нормы теплозащиты зданий, которые в случае масштабирования активной технологии позволят отказаться от повсеместного перехода на европейские стандарты теплоизоляции до «пассивного» или NZEB уровня, т.е. избежать нецелесообразных затрат на излишнее утепление.
Средний расход тепловой энергии, используемой для отопления жилого фонда Украины, превышает 200 кВт⋅ч/м² ·год, что в 3 раза выше, чем в Центральной Европе, и в 4-5 раз выше, чем аналогичные показатели для таких «холодных» стран, как Норвегия, Швеция и Финляндия. Поэтому для Украины важно уменьшить существующую (в среднем) верхнюю границу удельной теплозащиты зданий в 200 кВт⋅ч/ м² ·год путем пассивной теплозащиты до расчетных 75-100 кВт·ч/м² ·год в условиях севера и юга Украины для внедрения активной технологии «100%+ SE Buildings», т.е. для скачкообразного перехода к энергоположительности (PEВ) здания в отличии от непрерывного, длительного и затратного [13].

Заключение. Круглогодичное солнечное излучение является достаточным условием для энергонезависимости любого жилого здания, полностью покрытого по внешней поверхности строительными PVT&T панелями и с далекой от нуля нижней границей удельной теплозащиты здания.

Авторы готовы к конструктивному обсуждению и практическому внедрению предлагаемой технологии круглогодичного самообеспечения зданий тепловой энергией и имеют дополнительную аргументацию о преимуществах и необходимости ее широкого внедрения.

Литература

[1] The European Green Deal (Annex to the Communication on the European Green Deal __ Roadmap), Brussels, 11.12.2019, COM(2019) 640 final.
[2] The EU budget powering the Recovery Plan for Europe, 27.05.2020. https://ec.europa.eu/info/ sites/info/files/factsheet_1_en.pdf
[3] Филиппиду Ф., Хименес Наварро Дж. И Сэйлз Агут С., Журнал SETIS: Энергоэффективность зданий, Издательский офис Европейского Союза, Люксембург, 2019, JRC №118104.
[4] COMMISSION STAFF WORKING DOCUMENT, SWD (2016) 405 final.
[5] Bloomberg, Newenergy Outlook 2018, New Energy Finance (2018).
[6] K. Bódis, T. Huld, I. Pinedo Pascua, N. Taylor, A. Jäger-Waldau. Technical potential of rooftop photovoltaics in EU member states, region sand cities. – JRC TechnicalReport, JRC №110353, European Commission (2017).
[7] K. Bódis, I. Kougiasa and etc. A high-resolution geospatial assessment of the rooftop solar photovoltaic potential in the European Union. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.114, October (2019).
[8] Renewables 2019, IEA. Market analysis and forecast from 2019 to 2024, October 2019. https:// www.iea.org/reports/renewables-2019
[9] https://www.euroheat.org/wp-content/uploads/ 2019/08/RHC-ETIP_District-and-DHC-Vision-2050.pdf
[10] Бабаджанян А. А., Бабаджанян А. А. (мл.) «Активные технологии: Энергонезависимость зданий и декарбонизация тепла», часть I. – AWTHERM, v.3, стр. 28-33, 2020. https://aw-therm. com.ua/magazine/37
[11] С. Савчук. Енергоефективність та «зелена» енергетика України: здобутки 5 останніх років та наступні цілі. – Презентация 2019г: http://saee.gov. ua/sites/default/files/Savchuk_SAEE_22_11_2019.pdf
[12] A.Jäger-Waldauandetc. How photovoltaics can contribute to GHG emission reductions of 55% in the EU by 2030. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.126, July (2020).
[13] OVERVIEW: From nearly-Zero to Plus Energy Buildings (2020). https://www.buildup.eu/en/ node/59681
[14] https://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/have-your-say/initiatives/12414-Public-sectorprojects-support-for-regions-affected-by-transition-to-a-climate-neutral-economy/F539823
[15] https://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/have-your-say/initiatives/12552-EU-energyefficiency-directive-EED-evaluation-and-review/ F550442
[16] https://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/have-your-say/initiatives/12553-EU-renewable-energy-rules-review/F550375

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!