VALTEC

Активные технологии. 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°.

Изображение схема активной ячейки 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.

Изображение схема составляющие гелиопокрытия 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.

Изображение варианты компоновки гелиопанелей на кровле 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.

Изображение схема компоновки Т-панелей 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.

Изображение данные сравнения солнечной радиации 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.

    Изображение установленная мощность PV-установок в Украине 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]:
  1. сократят нормативные потери PV-энергии на 10% в ЛЭП ЕС;
  2. резко уменьшат необходимость в централизованных системах отопления т.к. 70% населения ЕС проживает в частных домах, а в Украине – 60%;
  3. исключат строительство тепловых ёмкостей сезонного хранения;
  4. 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.
  5. 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 AW-Therm та корисні відео на Youtube-каналі. Долучайтесь!

Просмотрено: 2 154

Вас может заинтересовать:



Оставьте комментарий

Telegram