Development of house construction taking into account energy-saving technologies ‒ application of hybrid energy efficiency systems

Full Text

Введение

С каждым годом современное градостроительство расширяется – многоэтажные сооружения становятся доминирующими, что создает потребность в возведении более высоких зданий в качестве композиционных акцентов. Это позволяет формировать новый, запоминающийся силуэт города и его панорам. В современных мегаполисах высотные здания не только обеспечивают жилье и рабочие пространства, но и становятся важными элементами городской эстетики. Они помогают выделить ключевые места, задают тон для всей городской среды и способствуют созданию узнаваемых ландшафтов. Таким образом, за счет интеграции высотных объектов в архитектурный облик городской ландшафт обретает индивидуальность и характер, привлекая внимание как жителей, так и туристов. Это, в свою очередь, вносит вклад в развитие городской культуры, делает города более привлекательными для жизни и посещения и задает необходимость применения новых технологий, направленных, в том числе, на решение экологических и экономических аспектов.

Применение гибридных систем на зданиях, сочетающих солнечные панели и устройство ветровых установок, позволяет обеспечить стабильное и экологическое энергоснабжение, а самое главное – снизить затраты на электроэнергию.

В солнечные дни здание получает основную часть электроэнергии от солнечных панелей, а в пасмурные дни или в ветреную погоду ‒ за счёт ветрогенератора.

Фотоэлектрические батареи, более известные как солнечные панели, являются одним из самых чистых и надежных методов получения возобновляемой энергии. Каждая панель состоит из фотоэлектрических элементов, которые активируются под воздействием лучей солнца, поглощая их и преобразуя в чистую электроэнергию.

В состав гибридных систем энергосбережения входят ветрогенераторы, солнечные панели, инвертор, контроллер и накопитель заряда. В зависимости от конкретных потребностей потребителя и особенностей расположения объекта характеристики каждого из компонентов подбираются индивидуально.

Обычно солнечные панели монтируются на крышах или фасадах зданий, а ветрогенераторы ‒ на мачтах на прилегающей территории. Все компоненты объединяются в электрическую цепь. Окупаемость проекта зависит от стоимости компонентов системы, сложности монтажа и от общего энергопотребления системы и в среднем составляет от 7 до 15 лет.

Солнечные панели становятся все более популярными, однако очень мало людей понимают принцип их работы и сталкивались с ними. Даже те, кто живут в домах или работают в офисах, питающихся от фотоэлектрических батарей, чаще всего не видели их вблизи. Объяснение есть ‒ в течение многих лет солнечные батареи были большими и неприглядными устройствами, которые устанавливали на крышах домов; за счет размеров они давали больше энергии. Но сейчас благодаря новой технологии производства появилась возможность устанавливать компактные солнечные батареи в жилых и офисных зданиях на фасадах.

Цель научной статьи ‒ рассмотреть и проанализировать развитие домостроения с учетом энергоэффективности, в качестве которого выступает применение фасадных солнечных батарей и ветровых установок; оценить потенциал и экономическую эффективность применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в домостроении.

Развитие энергоэффективности

На сегодняшний день для стимулирования застройщиков, реализующих проекты энергоэффективных зданий, выделено 64 млрд руб. до 2030 года. Эта программа финансирования запущена еще в 2016 году. Построенные к тому времени дома оцениваются по фактическому потреблению энергоресурсов, а в проекты новостроек рекомендовано внедрять энергоэффективные технологии. В связи с этим каждому дому присваивается класс энергоэффективности (A++, A+, A, B, C, D, E, F и G) [1] с занесением в Единую информационную систему жилищного строительства (ЕИСЖС).

В соответствии с постановлением правительства РФ от 21 сентября 2021 г. № 1587 «Об утверждении критериев проектов устойчивого (в том числе зеленого) развития в Российской Федерации и требований к системе верификации инструментов финансирования устойчивого развития в Российской Федерации» сооружение относится к «зеленым», если оно соответствует классам A, A+ или A++. Основной показатель энергоэффективности ‒ снижение потребления энергии более чем на 20 % (в кВт·ч/м²) [2].

Согласно региональной программе реновации, жилые дома должны иметь класс энергоэффективности не ниже уровня B и обеспечивать экономию ресурсов от 30 до 60 % относительно устаревшего пятиэтажного фонда. С 1 января 2016 года удельное потребление энергии на отопление, вентиляцию, кондиционирование, горячее водоснабжение должно быть не более 130 кВт·ч/м² в год для домов высотой 12 этажей и более, что на треть меньше потребления «хрущёвок». В информационном письме заместителя мэра Москвы и Правительства Москвы от 1 октября 2012 года № 25–11–3073/2–2 «О требованиях к проектной документации в части энергоэффективности» даны специальные методические рекомендации застройщикам, реализующим столичные госзаказы.

В настоящее время функционирует несколько национальных стандартов в области энергоэффективности, и они часто подвергаются обновлениям, что вполне допустимо в первые годы работы системы [2].

Уход с российского рынка иностранных компаний, способных внедрить национальные стандарты энергоэффективности в строительство (LEED, BREEAM, DGNB и др.), послужил толчком для отечественных производителей в разработке своих собственных проектов для повышения конкурентоспособности. Для эффективного развития энергоэффективности в строительной сфере требуется разнообразие технологий и товаров. В том числе и с учетом предложенных на рынке китайских производителей [2]. Это имеет решающее значение, поскольку по итогам первой половины 2024 года объем нераспроданных жилых помещений составил более 76,9 млн м². Кроме того, значительное уменьшение расходов на коммунальные услуги является сильным доводом в пользу застройщика на рынке недвижимости.

С целью улучшения энергоэффективности зданий сегодня используются как традиционные, так и современные методы.

Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) повышает себестоимость недвижимости на начальных этапах эксплуатации, но в дальнейшем позволит значительно сэкономить на коммунальных платежах, повысить уровень комфорта и снизить негативное влияние на окружающую среду.

Основным нормативным документом, регламентирующим эксплуатацию электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии, является группа национальных стандартов РФ ГОСТ Р 56124-2014. Документ является аналогом группы международных стандартов IEC/TS 62257:2005.

Перспективы развития энергосберегающих технологий

Солнечные батареи

Ежесекундно на поверхность Земли от Солнца поступает такое количество энергии, которое превышает суммарно потребляемую энергию во всём мире в 10 000 раз (около 1,2×10¹² Вт). Однако на практике такая эффективная впечатляющая статистика еще далека от совершенства по экономическим и техническим причинам.

В отличие от Европейских стран, в России использование солнечной энергии распространено недостаточно широко (на 2022 год всего 0,2 % от всей энергетической отрасли). С другой стороны, за счет большого количества свободных территорий (земель), а также благодаря исследованиям [3‒6] в данной области (Сколковского института науки и технологий, Института неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук, Института проблем химической физики Российской академии наук), имеется высокий потенциал развития отрасли. В том числе и при проектировании энергоэффективных зданий.

В некоторых городах и областях России уже функционируют небольшие экспериментальные деревни (например в Краснодарском крае) и отдельные дома (в Москве, Владивостоке, Екатеринбурге, Уфе и др.).

Солнечные панели представляют собой один из самых экологически чистых и надежных способов производства возобновляемой энергии. Каждая панель состоит из фотоэлектрических элементов, которые активируются солнечным светом, поглощая его и преобразуя в чистую электрическую энергию.

С точки зрения строительства энергоэффективных зданий, еще недавно установка солнечных панелей была возможна только на крышах, т. е. в горизонтальном положении, с целью поглощения в такой ориентации большего количества солнечной энергии. Но за счет дальнейшего развития, технологии производства позволяют изготавливать и устанавливать компактные солнечные панели не только на крышах, но и на фасадах частных и многоквартирных жилых домов, а также на офисных и промышленных зданиях.

В Германии командой студентов Дармштадтского технического университета разработано двухэтажное здание в форме куба, поверхность крыши которого покрыта сорока солнечными панелями, а фасад выполнен из панелей CIGS (рис. 1) [7]. Суммарная мощность системы составляет около 11,1 кВт. Ожидаемая вырабатываемая энергия должна превосходить потребляемую энергию здания в два раза.

 

Рис. 1. Здание с навесным фасадом из фотоэлектрических батарей [7]

Fig. 1. Building with curtain wall facade made of photovoltaic panels [7]

 

Анализ рынка показывает, что сейчас представлены различные варианты облицовочных солнечных панелей для крыш и фасадов зданий, например панели немецкой фирмы Bekar Europe GmbH (рис. 2), которые отличаются простотой монтажа и эстетичным внешним видом [8].

 

Рис. 2. Солнечная панель фирмы Bekar Europe GmbH [8]

Fig. 2. Solar panel from Bekar Europe GmbH [8]

 

При монтаже солнечных панелей должен учитываться ряд факторов, таких как ориентация по отношению к cолнцу и угол наклона, обеспечивающих ее максимальную эффективность. Также необходимо минимизировать влияние внешних негативных факторов: пыль, влага, снег, механические повреждения и т. д. Это требование обязывает проводить периодическую профилактику поверхности панелей. Еще одним немаловажным фактором является температурный режим эксплуатации, который в среднем находится в диапазоне от минус 40 до плюс 50 °C. Превышение указанного диапазона будет значительно влиять на эффективность преобразования солнечной энергии и длительность эксплуатационного периода.

Для обеспечения максимальной эффективности работы солнечных панелей следует руководствоваться следующими факторами:

• ориентация;
• угол наклона;
• затененность.

При выборе ориентации солнечной панели предпочтение отдается южному направлению, однако в некоторых случаях, из-за особенностей расположения здания, допускается ориентация в юго-восточном и юго-западном направлениях.

Отклонение от оптимального угла наклона менее 50° незначительно снижает эффективность преобразования солнечной энергии (менее 5 %). Изменение ориентации панели в западном или восточном направлениях снижает эффективность на 20 %.

Максимальное количество энергии солнечная панель получает, когда она установлена под углом от 15 до 90°. Угол в 15° считается минимальным для эффективной работы панели, так как обеспечивается естественная очистка от пыли и загрязнений. Для европейской части России оптимальным углом наклона считается диапазон от 30 до 60°.

Затененность солнечной панели является важным фактором при выборе места эксплуатации, поскольку даже небольшое попадание тени может значительно снизить эффективность всей системы. Перед установкой необходимо учитывать особенности ландшафта, расположение деревьев, зданий, линий электропередач, а также обеспечить оптимальное взаимное расположение панелей.

В зависимости от особенностей конструкции здания существует несколько способов монтажа солнечных панелей:

• горизонтальный (на плоские крыши);
• наклонный (на скатные крыши);
• свободностоящий (на специальных опорных конструкциях, без привязки к какому-либо объекту, полевой монтаж);
• интегрированный (солнечная панель является частью конструкции объекта, таких как окна, фасады).

Архитектура меняется с изобретением солнечных панелей. Этот новый вид солнечных батарей встраивается непосредственно в оболочку фасада. Гладкие панели становятся новым элементом дизайна в Европе и России. Навесные фасады из фотоэлектрических панелей создаются с помощью прозрачного или полупрозрачного остекления. Они не только наполняют внутренние помещения солнечным светом, но и выполняют более важную функцию ‒ получение чистой электроэнергии.

Фасады на солнечных батареях получили признание в архитектуре и обществе, благодаря созданию экологически чистых решений.

В России готовых проектов с солнечными фасадами пока нет. Но в Уфе в 2021 году заявили о строительстве первого в стране жилого комплекса с фасадами из солнечных батарей общей площадью более 12 тыс. м². Согласно проекту, композитные панели заменят на фотоэлектрическую систему. Энергии должно хватить на снабжение лифтов и освещение всех внутренних помещений.

В Уральском федеральном университете на одном из корпусов установлена самая крупная на Урале фасадная солнечная электростанция (рис. 3). Ожидаемая пиковая мощность до 100 кВт позволит освещать 12-этажное здание университета [9].

 

Рис. 3. Фасад одного из корпусов Уральского федерального университета в Екатеринбурге [9]

Fig. 3. The facade of one of the buildings of the Ural Federal University in Yekaterinburg [9]

 

Еще один проект в уральской столице – жилые дома в Академическом городке с солнечными панелями, установленными с южной и юго-западной сторон на парапетной части крыши (рис. 4) [10].

 

Рис. 4. Жилой дом в Академическом городке Екатеринбурга [10]

Fig. 4. Residential building in the Academic town of Yekaterinburg [10]

 

Одним же из самых масштабных проектов в России по строительству жилых домов с интегрированными солнечными панелями является ЖК «Умный дом Гелиос» в Уфе (рис. 5). Суммарная мощность солнечного фасада, направленная на работу лифтов, освещение холлов, лестничных площадок и работу домофонов, превышает 180 кВт [11].

 

Рис. 5. ЖК «Умный дом Гелиос» в Уфе [11]

Fig. 5. Residential complex «Smart House Helios» in Ufa [11]

 

Ветровые установки

Ветровые установки используют энергию ветра для выработки электроэнергии. Они могут быть установлены на крышах зданий или вблизи них и обеспечивать непрерывное производство электроэнергии даже в отсутствие солнечного света или при слабом ветре. Перед выбором ветровой установки следует провести анализ о целесообразности его применения, а именно учесть:

• общее средневзвешенное количество дней с силой ветра более 3 м/с;
• примерную потребность в электроэнергии;
• возможность установки ветрогенератора.

Типовая схема установки с потребителями приведена на рис. 6.

 

Рис. 6. Типовая схема ветрогенератора с потребителями [12]

Fig. 6. Typical diagram of a wind generator with consumers [12]

 

Пример подбора солнечных панелей и ветроэнергетических установок на примере Удмуртской Республики

Удмуртская Республика относится ко II климатическому району, подрайону IIB и расположена в I ветровом районе. По данным интегрированной приземной базы данных (ISD), которую ведет и публикует крупнейший в мире активный архив экологических данных Национальный центр экологической информации (NCEI) в Ижевске, столице Удмуртской Республики, средняя почасовая скорость ветра испытывает умеренные сезонные колебания в течение года. Более ветреная часть года длится 7,6 мес. (с 3 октября по 21 мая), со средней скоростью ветра более 11,0 км/ч (более 3,06 м/с). Самый ветреный месяц в году в Ижевске ‒ февраль, со среднечасовой скоростью ветра 12,8 км/ч (3,56 м/с). Более спокойное время года длится 4,4 мес. (с 21 мая по 3 октября).

Самый спокойный месяц в году – июль, со среднечасовой скоростью ветра 8,9 км/ч (2,47 м/с).

Расчетным методом определена средняя нагрузка E_СУТ для обеспечения нужд многоквартирного дома, которая составила около 702,16 кВт·ч в сутки. Расчет произведен на основе эксплуатации наиболее востребованных электроприборов (холодильник, телевизор, чайник, лампа, электроплита, стиральная машина, компьютер, утюг и т. д.), их мощности и времени работы в сутки.

Для выбора оптимальной ветряной установки необходимо [13]:

1. определить среднюю скорость ветра (выбирается на основе карты ветров (рис. 7) [14], для Ижевска равна 4,5 м/с [15]);

 

Рис. 7. Карта ветров России [14]

Fig. 7. Wind map of Russia [14]

 

2. определить среднечасовое энергопотребление объекта:
   $E_{\mathrm{ЧАС}}=\frac{E_{\mathrm{СУТ}}}{24}=\frac{\mathrm{702,16} \mathrm{кВт}\cdot \mathrm{ч}}{24}=\mathrm{29,26} \mathrm{кВт}\cdot \mathrm{ч};$
3. определить номинальную мощность ВЭУ, которая может быть применена для энергоснабжения исследуемого объекта:
   $P_{\mathrm{СПЕЦ}}=\frac{E_{\mathrm{ЧАС}}}{1}=\mathrm{29,26} \mathrm{кВт}.$

При выборе энергетической установки необходимо убедиться, что ее мощность P_ВЭУ превышает месячное потребление энергии E_МЕС:

$E_{\mathrm{МЕС}}=E_{\mathrm{СУТ}}\cdot 30=21 065 \mathrm{кВт}\cdot \mathrm{ч}.$

То есть должно быть обеспечено условие:

$P_{\mathrm{ВЭУ}}>E_{\mathrm{МЕС}}.$

Помимо этого, следует отдавать предпочтение малым ветровым установкам в связи с более продуктивной работой на слабых ветрах.

В процессе расчетов в качестве энергогенерирующего оборудования выбрана вертикально-осевая ветроэнергетическая установка ВЭУ 15 кВт «Энергия» («Модель 6») [16] в количестве 8 штук. Средняя выработка электроэнергии за календарный месяц для этой модели составляет 3 000 кВт·ч. Тогда для восьми ветроэнергетических установок выработка электроэнергии за календарный месяц P_ВЭУ будет:

$P_{\mathrm{ВЭУ}}=8\cdot 3 000=24 000 \mathrm{кВт}\cdot \mathrm{ч},$

что удовлетворяет вышеприведённому условию (24000 > 21065 кВт∙ч).

Рабочая скорость ветра выбранной ветроэнергетической установки ‒ от 3 до 30 м/с, уровень шума ‒ не более 45 дБ.

Выбраны солнечные панели SilaSolar мощностью 550 Вт в количестве 338 шт., расположенные на фасаде многоквартирного дома под оптимальным углом 57°.

Экономическая эффективность возобновляемых источников энергии

Экономическая эффективность оценивается с помощью математических моделей, которые учитывают такие показатели, как срок окупаемости, прирост чистой прибыли и дополнительные годовые эксплуатационные издержки. Простые критерии оценки применяются для малозатратных мероприятий, где единовременные затраты осуществляются в короткие сроки и достигнутые технико-экономические результаты остаются неизменными в течение последующих лет эксплуатации.

Окупаемость солнечных батарей зависит от множества факторов, включая стоимость самих батарей, тарифы на электроэнергию, уровень потребления и другие экономические условия. Министерство строительства и жилищной политики Удмуртской Республики утвердило тариф за электроэнергию на первое полугодие 2025 года: для городского населения он составит 5,04 руб./кВт·ч [17]. Таким образом, срок окупаемости солнечных панелей составит 8 лет при цене одной панели 26752 руб. и усредненными расходами на обслуживание. Диаграмма окупаемости солнечных батарей представлена на рис. 8.

 

Рис. 8. Диаграмма окупаемости солнечных батарей

Fig. 8. Solar Panel Payback Chart

 

Расчет себестоимости ветроэнергетической установки C_ВЭУ производится по формуле, учитывающей себестоимость ВЭУ15 мощностью 1 кВт и возрастание на 1 кВт с повышением 30 % себестоимости:

$C_{\mathrm{ВЭУ}}=\mathrm{ВЭУ}15\cdot \left(1+\mathrm{0,3}\cdot \left(N-1\right)\right),$

где ВЭУ15 – себестоимость установки; N – номинальная мощность ВЭУ, кВт.

Тогда получим:

$C_{\mathrm{ВЭУ}}=382 700\cdot \left(1+\mathrm{0,3}\cdot \left(15-1\right)\right)=1 990 040 \mathrm{руб}.$

Окупаемость ветроэнергетической установки рассчитать чрезвычайно сложно, так как эта величина зависит от многих обстоятельств – начальной цены (т. е. цены ветроэнергоустановки с учетом доставки и монтажа), реальной скорости ветра в регионе, стоимости киловатт-часа, периодичности обслуживания, необходимости ремонта и т. д.

Срок окупаемости ВЭУ T_ВЭУ вычисляется по формуле

$T_{\mathrm{ВЭУ}}=\frac{C_{\mathrm{ВЭУ}}+{\mathrm{И}}_{\mathrm{О}}+{\mathrm{И}}_{\mathrm{Р}}}{E_{\mathrm{ГОД}}\cdot C},$

где E_ГОД ‒ годовая выработка электроэнергии в годах; И_О ‒ издержки на обслуживание ВЭУ (они составляют, как правило, не более 20 % от C_ВЭУ за весь срок эксплуатации ВЭУ); И_Р ‒ издержки на ремонт ВЭУ (на практике при эксплуатации ВЭУ известных производителей они практически равны нулю); C ‒ стоимость 1 кВт·ч.

Тогда получим:

$T_{\mathrm{ВЭУ}}=\frac{1 990 040+398 008+0}{29 376\cdot \mathrm{4,63}}=\mathrm{17,56} \mathrm{лет}.$

Полученный срок окупаемости ВЭУ является достаточно высоким. Как правило, максимальный срок окупаемости, принимаемый к рассмотрению, составляет 20 лет.

Гибридные системы на основе солнечных панелей и ветровых установок позволяют сочетать преимущества обоих источников энергии и обеспечить более стабильное энергоснабжение. Они включают в себя устройства для накопления и распределения энергии, что позволяет использовать ее даже при отсутствии солнечного света или ветра. Однако применение гибридных систем ВИЭ на зданиях связано с рядом проблем, таких как высокие первоначальные затраты на установку, необходимость в техническом обслуживании и ремонте, а также возможные потери энергии при ее передаче и распределении. Тем не менее развитие технологий и повышение эффективности солнечных панелей и ветровых установок, а также снижение стоимости их установки и обслуживания [18] могут способствовать расширению применения гибридных систем и повышению их конкурентоспособности на рынке. Таким образом, применение гибридных систем с солнечными панелями и ветровыми установками может стать одним из решений для обеспечения экологической и экономически эффективной энергосистемы зданий. Дальнейшее развитие и совершенствование технологий ВИЭ и их интеграция с традиционными системами энергоснабжения могут способствовать снижению зависимости от ископаемых источников энергии и улучшению экологии.

Выводы

В результате проведенного исследования была изучена эффективность использования возобновляемых источников энергии в строительстве. Определено оптимальное размещение солнечных панелей и ветряных установок на исследуемом объекте, а также расчетным методом определена пиковая нагрузка и подобраны соответствующие установки. Показаны преимущества и недостатки интеграции возобновляемых источников энергии в строительстве.

Определены сроки окупаемости энергетических установок и сделан вывод о наличии потенциала и экономической эффективности использования ВИЭ.

В настоящее время солнечная энергия остается довольно затратным вариантом, однако уверенно можно сказать, что пройдет всего 5‒10 лет и применение солнечных панелей станет экономически выгодным. Фасадные системы в будущем, помимо своей защитной и декоративной роли, начнут выполнять функции источника электроэнергии.

Использование гибридных электростанций, которые комбинируют солнечную энергию и силу ветра для генерации электроэнергии, представляют собой одно из наиболее эффективных решений для электрификации удаленных районов. В общих сетях населенных пунктов они выполняют функции резервных и дополнительных источников питания.

В труднодоступных местах со сложным рельефом прокладка электрических линий передач сопряжена со сложностями и высокими денежными затратами, поэтому для таких регионов использование гибридных ВИЭ наиболее перспективно.

About the authors

Natal’ya L. Taranuha

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

Author for correspondence.
Email: fpidpo@mail.ru

Doctor of Economics, Professor of the Industrial and Civil Engineering Chair

Russian Federation, 426069, Izhevsk, Studencheskaya st., 7

Konstantin Yu. Ananin

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

Email: ji-bo@bk.ru

Post-graduate student of the Industrial and Civil Engineering Chair

Russian Federation, 426069, Izhevsk, Studencheskaya st., 7

Mihail Yu. Novikov

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

Email: mi.novikov1998@yandex.ru

Post-graduate student of the Industrial and Civil Engineering Chair

Russian Federation, 426069, Izhevsk, Studencheskaya st., 7

Il’ya D. Kanakov

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

Email: kanakov1999@bk.ru

Post-graduate student of the Industrial and Civil Engineering Chair

Russian Federation, 426069, Izhevsk, Studencheskaya st., 7

References

Supplementary files