Статья ВАК: Методика и алгоритмы расчёта энергоэффективных систем сельского домохозяйства с использованием ВИЭ

Актуальность проблемы

По опыту нашей страны, частные домохозяйства в течение многих десятилетий вносили значительный вклад в снабжение населения продукцией сельского хозяйства и обеспечение продовольственной безопасности России. На приусадебных и дачных участках, используя простейшие парники и теплицы сезонного действия, выращивается практически весь набор овощей и фруктов, необходимых населению. Одновременно развивалось строительство мощных тепличных хозяйств круглогодичного действия, сооружение и эксплуатация которых базировалась на нормативных документах агропромышленного комплекса по проектированию зданий и помещений, методических материалов по технологическому проектированию. Для теплиц круглогодичного действия в осенне-зимнее время нормировалась дополнительная освещённость и температура. Отопление теплиц в этот период осуществляется за счёт сжигания органического топлива.

Актуальность этой проблемы на государственном уровне обозначена в Указе Президента РФ №683 «О стратегии национальной безопасности Российской Федерации», в котором ставится задача обеспечения продовольственной независимости России [1].

Наиболее полно проблема рассмотрена в «Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации», утверждённой Указом Президента РФ №20 [2], в которой ставится задача устойчивого развития и модернизации сельского и рыбного хозяйства и инфраструктуры внутреннего рынка. Она направлена на реализацию положений продовольственной доктрины России, в частности, «разработку и реализацию программ технической и технологической модернизации, в том числе внедрение новой техники и технологий, обеспечивающих повышение производительности труда, энергоэффективность, ресурсосбережение и снижение потерь в сельском и рыбном хозяйстве» (п. 19, н), а также на «преодоление резких региональных различий в социально-экономическом развитии и очагов депрессивности на сельских территориях» (п. 23, в) и др.

Принципиально новые возможности для индивидуальных домохозяйств открыл Федеральный закон №471-ФЗ [3], в котором была зафиксирована возможность домовладельцев отдавать в сеть излишки электроэнергии, вырабатываемые на базе ВИЭ мощностью до 15 кВт. Это значительно повышает эффективность сооружения установок малой мощности на базе ВИЭ в домохозяйствах.

Объект исследования

Объектом исследования является сооружение «БиоДом», в котором конструктивно и энергетически объединены жилое помещение и биовегетарий (теплица), с обоснованием состава жизнеобеспечивающих систем на базе ВИЭ [4–8]. К конструкции «БиоДома» установлены следующие требования:

1. Возможность транспортировки конструкций, стройматериалов и оборудования к месту сооружения «БиоДома» при помощи доступных транспортных средств, причём перевозимые конструкции должны иметь габаритные размеры, позволяющие свободно транспортировать их по дорогам общего пользования.

2. Сооружение биовегетария должно осуществляться из заготовленных металлоконструкций на месте двумя строителями, один из которых должен иметь специальность сварщика, без особых подъёмных приспособлений.

3. Скат (верхняя овальная прозрачная часть крыши) биовегетария должен быть рассчитан на снеговую, ветровую и все остальные нагрузки без применения каких-либо дорогостоящих покрытий.

4. Возможность установки гибридной фотоэлектрической станции (ФЭС) мощностью 3,84 кВт на скате биовегетария.

5. Обеспечение минимизации затрат на фундамент.

6. Возможность предусмотреть заглубление биовегетария в грунт для создания грунтового теплоаккумулятора для накопления тепловой энергии воздуха (соответственно, фундамент «БиоДома» должен быть выполнен с учётом заглубления биовегетария на 2 м).

7. Возможность предусмотреть вытяжку горячего воздуха из помещений.

8. Возможность обеспечить работу как в автономном режиме, так и с подключением к электросети общего пользования.

Основные конструктивные решения, реализующие указанные выше требования, перечислены далее.

Конструкция «БиоДома»

1. Общее описание конструкции. Габаритные размеры строения (д×ш×в) равны 12×7,4×5 м. По всей длине здания сторона, обращённая к солнцу, принадлежит биовегетарию. Ширина биовегетария — 5 м, при этом основание его углублено на 2 м для возможности засыпкой грунтом нужного качества. В поперечном сечении прозрачная стена биовегетария представляет собой четверть окружности с радиусом 5 м. Этим обеспечивается резкое снижение ветровых и снеговых нагрузок. Внутренняя стена биовегетария отделяет его от двухэтажного жилого и производственного помещений.

2. Конструктив жилого и производственного помещений

Первый этаж «БиоДома» представляет собой стандартный 40-футовый (12-метровый) морской контейнер с габаритными размерами (д×ш×в) 12×2,4×2,9 м. Его утеплили внутри, обшили вагонкой и создали следующее жизненное пространство: две отдельные спальни; полноценный санузел с душевой, стиральной машиной, унитазом и раковиной; прихожая; полноценная кухня 2,5 м в длину, с холодильником и столом на четыре человека.

Второй этаж — деревянное каркасное строение, выстроенное над контейнером. В нём три помещения — два жилые и одно техническое. В техническом помещении размещены все системы жизнеобеспечения — гибридная система электроснабжения, система ГВС и отопления.

3. Биовегетарий

Покрытие ската биовегетария выполнено из сотового поликарбоната (одного из лучших производителей) толщиной 6 мм с защитой от ультрафиолета. Геометрия самого ската имеет привязанность к нашему варианту строения «БиоДома» и составляет ¼ окружности. Снаружи биовегетария, над поликарбонатом, в самой высокой точке установлены солнечные модули, которые подключены к инвертору гибридной системы электроснабжения. К гибридному инвертору также подключена сеть общего пользования, которая используется, когда отсутствует солнечная активность. При отключении сети общего пользования и отсутствии солнечной активности все потребители, которые подключены к инвертору и являются гарантированной нагрузкой, питаются от аккумуляторной батареи (АКБ). В таком режиме у АКБ уменьшается количество циклов «заряд/разряд», тем самым увеличивается время эксплуатации.

4. Фундамент

Фундамент «БиоДома» выполнен несколькими способами. Под жилым помещением — бетонные сваи диаметром 50 см разной глубины. Фундамент биовегетария сделан отдельно. Со стороны биовегетария глубина составляет 3,5 м, с противоположной — 0,7 м.

5. Теплоаккумулятор

В биовегетарии применён самый простой, недорогой и максимально эффективный грунтовый аккумулятор теплоты. Основной конструктивный элемент — воздуховоды диаметром 100 мм, которые берут начало в верхней точке биовегетария, проложены по его внутренней стене, затем проходят под слоем почвы в заглублении биовегетария на глубине 60 см и выходят на поверхность около стены, обращённой к солнцу. На концах воздуховодов установлены вытяжные вентиляторы, подключённые напрямую к фотоэлектрическому модулю. При наличии солнечной инсоляции на поверхности модуля на выходе модуля появляется электрическая мощность, достаточная для приведения вентиляторов во вращение. В результате проходящий по трубам нагретый воздух нагревает грунт биовегетария. После захода солнца вентиляторы останавливаются, и температура воздуха в биовегетарии поддерживается за счёт остывания грунта. При ширине биовегетария 5 м, длине 12 м и толщине 0,6 м объём грунтового теплоаккумулятора составил 36 м³. В результате получена полностью автоматическая система, без средств автоматики, управляемая солнечной энергией. Данная система работает с поздней осени до ранней весны, затем отключается.

6. Вытяжка горячего воздуха осуществляется через установленную вентиляционную установку. Вытяжка работает в двух режимах: «зима» и «лето».

7. «БиоДом» может существовать в автономном режиме. Для этого понадобится дополнительно установить бензиновый, газовый или дизельный генератор соответствующей мощности.

Системы теплоснабжения «БиоДома»

1. Алгоритм функционирования системы пассивного отопления/охлаждения

При температуре наружного воздуха около нуля и ниже (в городе Тимашевске Краснодарского края, где находится «БиоДом», зимой температура нередко доходит до −20°C) вода из скважины с температурой +10…+12°C является источником теплоты.

Рис. 1. Схема пассивной системы обогрева/охлаждения «БиоДома» [1 — автомат №8 (220 В); 2 — температурный датчик; 3–5 — фанкойлы жилого модуля; 6–9 — фанкойлы биовегетария; 10 — погружной насос; 11 — напорная скважина; 12–15 — краны управления; 16 — сливная скважина]

Таким образом, тепловая энергия не производится за счёт сжигания топлива или использования электроэнергии, а перемещается из скважины с водой и передаётся далее воздуху через фанкойлы, обдуваемые внутри установленными вентиляторами. Такой температуры воды, конечно, недостаточно для комфортного проживания. В этом случае к отоплению подключаются другие, указанные ниже системы. Однако эта система существенно снижает требование к объёму потребления энергии для отопления. Если в данный момент в жилом модуле никто не проживает, то плюсовую температуру поддерживает пассивная система [4].

При температуре наружного воздуха +30°C и выше система работает на охлаждение. Охладителем является та же вода из скважины с температурой +10…+12°C. Охлаждение производится за счёт воздуха, обдувающего фанкойлы с холодной водой. При этом нагревается и сама вода из скважины — она используется непосредственно для полива огорода и деревьев или накапливается в ёмкостях для полива. Таким образом, в обоих случаях электроэнергия расходуется лишь для работы скважинного насоса (380 Вт) и четырёх вентиляторов (4×15 Вт). Система защищена патентом №137793 [4].

2. Расчёты, выполняемые для системы пассивного отопления/охлаждения

Алгоритмом расчёта системы пассивного отопления/охлаждения предусмотрены следующие действия:

а) определение передаваемой мощности:

Qвод = Wводρводcвод(tвых — tвх), (1)

отсюда:

Qвод = 3,5 м³/ч × 998 кг/м³ × 4,2 кДж/(кг·°C) × (12,5°C — 8,6°C) = 57215,34 кДж/ч = 15,89 кВт;

б) определение передаваемой тепловой энергии, которое производится с учётом длительности работы системы (потреблённая за сутки электрическая энергия — 12,48 кВт·ч, полученная тепловая энергия — 381,74 кВт·ч, за отопительный период потребляется 773,76 кВт·ч электроэнергии и производится 23667,88 кВт·ч тепловой энергии, что в 30,6 раз больше, чем потребляется электроэнергии).

3. Алгоритм функционирования системы ГВС и водяного отопления

Нагрев воды в системе горячего водоснабжения (ГВС) обеспечивается различными устройствами. Это солнечные коллекторы собственного производства, фотоэлектрические модули и сеть общего пользования.

Рис. 2. Структурная схема системы нагрева воды и водяного отопления «БиоДома» [1 — солнечные модули; 2 — солнечные коллекторы; 3 — электроТЭН (от сети 220 В); 4 — электроТЭН (от ФЭС); 5 — двухконтурный бойлер нагрева воды ёмкостью 1000 л; 6–8 — фанкойлы жилого помещения]

Центральным устройством системы является изготовленный компанией «АльтЭнергия» горизонтальный 1000-литровый бойлер с двумя контурами нагрева. По одному контуру в него передаётся горячая жидкость от солнечных коллекторов, по другому контуру циркулирует горячая вода системы отопления.

Вода от солнечных коллекторов движется самотёком по трубопроводу без насосов и контроллеров. Для поддержания в бойлере необходимой температуры в бойлере установлено две группы электрических ТЭНов, одна из которых работает напрямую от солнечных модулей, а вторая от сети 220 В. Сеть подключается только при необходимости, когда температура в бойлере ниже установленной.

4. Алгоритм функционирования системы воздушного отопления

Рис. 3. Структурная схема системы воздушного отопления «БиоДома» [1 — солнечный модуль (150 Вт, 24 В); 2 — датчик температуры; 3–5 — воздуховоды жилого помещения; 6–13 — воздуховоды в биовегетарии; 17–24 — вентиляторы на постоянном токе]

Данная система является основной для биовегетария. Она полностью не зависит от присоединения к сети 220 В и «человеческого фактора». Смысл её заключается в следующем. При появлении солнечной освещённости фотоэлектрический модуль начинает вырабатывать электроэнергию. Он напрямую подключён к нескольким маломощным вентиляторам, которые засасывают максимально тёплый воздух из самой высокой точки биовегетария и направляют его в воздуховоды №1–8, расположенные под грунтом теплицы. Таким образом происходит принудительная конвекция воздушных масс и передача тепла грунту. В данном случае грунт является теплоаккумулятором — самым простым и недорогим. Также грунт очень хорошо распределяет тепло по всей площади биовегетария в тот момент, когда солнце уже не светит. Далее за счёт свободной конвекции нагретый от грунта воздух поднимается вверх, и в теплице поддерживается температура воздуха на оптимальном уровне. Таким же образом нагревается воздух в жилом модуле (по воздуховодам №9–11), с той лишь разницей, что вентиляторы подключены к сети 220 В и включаются от температурного датчика при достижении в верхней точке биовегетария температуры +35°C.

5. Алгоритм расчёта системы воздушного отопления

5.1. Алгоритм расчёта тепловой мощности, передаваемой в жилой модуль, произведён по формуле, аналогичной (1), только вода заменяется воздухом:

Qвозд = Wвоздρвоздcвозд(tвых — tвх), (2)

в итоге тепловая мощность одного воздуховода равна:

Qвозд = 70,65 м³/ч × 1,23 кг/м³ × 1 кДж/(кг·°C) × (45°C — 21°C) = 2085,588 кДж/ч = 580 Вт.

5.2. Количество тепловой энергии, полученной от воздушной системы отопления, поставляемой в жилой модуль за счёт солнечной энергии, определяется временем работы системы, которое принимается равным четыре часа в сутки. Тепловая мощность одного воздуховода за счёт нагрева воздуха солнечной инсоляцией составляет 580 Вт. В жилой модуль подогретый воздух поступает через три воздуховода, объём тепловой энергии поступающего воздушного потока равен 6960 Вт·ч в сутки. Работу по перемещению нагретого воздуха совершают три вентилятора, каждый из которых потребляет мощность 8 Вт. В сумме потребляемая вентиляторами за четыре часа энергия составляет 3×8×4 = 96 Вт·ч. Таким образом, получаемая тепловая энергия в 72,5 раз больше использованной электрической энергии. За весь отопительный сезон полученная энергия составит 1148,4 кВт·ч. Потребление электроэнергии за осень и весну (четыре месяца) составляет 11,52 кВт·ч, потребление за зиму (три месяца) — 4,32 кВт·ч, итого общее потребление равно 15,84 кВт·ч. В результате получим за период «осень — зима — весна» 1148,4 кВт·ч, а реальное потребление при этом составит 15,84 кВт·ч, что в 72,5 раза меньше.

5.3. Расчёт количества тепловой энергии, передаваемой в биовегетарий, производится следующим образом. Расчёт мощности нагрева воздуха биовегетария выполняется по формуле (2), отсюда:

Qвозд = 132,84 м³/ч × 1,23 кг/м³×1 кДж/(кг·°C) × (30°C — 22°C) = 1307,1456 кДж/ч = 363,4 Вт.

За четыре часа в сутки от одного воздуховода биовегетария поступление тепловой энергии составит округлённо 4Qвозд = 1454 Вт·ч. Суммарно в системе восемь воздуховодов, итого в помещение биовегетария поступит 11632 Вт·ч тепловой энергии.

В биовегетарии установлены вентиляторы с потребляемой мощностью 6 Вт каждый. Общая потребляемая мощность составляет 48 Вт, а за четыре часа потребление электроэнергии составит 192 Вт·ч. Поскольку при получении электрической и тепловой энергии не используются внешние источники, соотношение между ними определяется без коэффициентов и равно К = 11632/192 = 60,6 раз. При этом вентиляторы не подключены к системе электроснабжения, а работают полностью автономно только от солнечного модуля, присоединённого к ним. То есть за получение 11632 Вт·ч тепловой энергии собственник «БиоДома» не расходует средств в принципе. Но этим не исчерпывается польза рассматриваемой системы. Проходя по воздуховоду в грунте, воздух передаёт тепло грунту. При этом происходит теплопередача «воздуховод — грунт», что нагревает землю в биовегетарии. При этом грунт биовегетария выполняет роль теплового аккумулятора, который после захода солнца отдаёт тепло обратно в помещение биовегетария. Это очень важная деталь, поскольку исключается необходимость использования подогрева биовегетария за счёт использования покупного топлива или тепловой энергии. Вывод — 11632 Вт·ч в сутки тепловой энергии собственник получает бесплатно.

В осенние и весенние месяцы (четыре месяца) количество получаемой тепловой энергии составит 11,632×120 = 1395,8 кВт·ч. В зимние месяцы, принимая время работы системы два часа в сутки, то есть в два раза меньше, чем летом, в сутки получаем 5816 Вт·ч. За зимние месяцы (три месяца) получаем 523,4 кВт·ч тепловой энергии. В результате за период «осень — зима — весна» реально потреблённая тепловая энергия составит 1919,2 кВт·ч, полученных без сжигания топлива на месте сооружения «БиоДома» или из сети общего пользования. Следует отметить, что время работы выбрано условно и с большим занижением реально рабочего времени системы в целом.

Система электроснабжения

1. Постановка задачи. При разработке проекта «БиоДома» и его реализации прежде всего были определены ресурсы возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Ресурсы солнечной и ветровой энергии для Краснодарского края определялись многократно для разных целей и приведены в табл. 4.1 [5].

На стадии строительства было решено отказаться от автономного варианта электроснабжения, но испытать на практике возможность передачи в местную электрическую сеть электроэнергию, производимую на специально сооружённой фотоэлектрической установке (ФЭС) мощностью 15 кВт, в соответствии с Постановлением Правительства РФ №299 [9] (данное постановление иногда упрощённо называют «Законом о микрогенерации»), и тем самым в некоторой степени компенсировать расходы собственника на сооружение «БиоДома».

Также в «БиоДоме» должна быть предусмотрена фотоэлектрическая гибридная установка, обеспечивающая питание гарантированной нагрузки с учётом возможного её увеличения при расширении тепличной части мощностью 3,84 кВт.

2. Оценка производства электроэнергии фотоэлектрическими установками мощностью 15 кВт и 3,84 кВт. Предварительно с использованием специальной программы PVGIS проведена оценка возможной выработки электроэнергии обеими установками по месяцам года и году. Результаты расчётов представлены на рис. 4. Как видно, годовое производство электрической энергии на ФЭС 15 кВт составило 18566 кВт·ч, на ФЭС 3,84 кВт — 4753 кВт·ч.

Рис. 4. Производство электроэнергии ФЭС 15 кВт и 3,84 кВт по месяцам года, кВт·ч

Однако эксплуатация «БиоДома» показала, что электроэнергии, вырабатываемой двумя фотоэлектрическими установками, вполне достаточно для покрытия графика нагрузки, за исключением ночного времени и пасмурных дней и трёх зимних месяцев. Тогда нагрузка частично или полностью запитывается от сети. Расчётное годовое производство электроэнергии на двух фотоэлектрических установках 23319 кВт·ч. Фактическое годовое потребление от сети равно 5110 кВт·ч, условная годовая экономия составляет 18209 кВт·ч.

3. Структурная схема электроснабжения «БиоДома» представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема электроснабжения «БиоДома» (1 — счётчик потребляемой и отдаваемой электроэнергии; 2 — ФЭС мощностью 15 кВт; 3 — системный инвертор мощностью 15 кВт; 4 — ФЭС мощностью 3,84 кВт; 5 — гибридный инвертор 5 кВт; 6 — аккумуляторная батарея; 7 — сборка подключения общей нагрузки; 8 — сборка подключения гарантированной нагрузки)

Системы автоматики

Для надлежащего функционирования «БиоДома» разработаны и реализованы следующие схемы (рис. 6–13) и алгоритмы автоматизации работы систем жизнеобеспечения жилого помещения и функционирования биовегетария: полива растений, регулирования состава воздуха в жилом помещении, воздушного отопления жилого помещения, поддержания температуры горячей воды в бойлере, водяного отопления жилого помещения, LED-досветки биовегетария, полива растений методом «дождевания», пассивного отопления биовегетария, которые представлены ниже.

Рис. 6. Принципиальная схема системы капельного полива растений (1 — шина гарантированного электроснабжения; 2 — автомат; 3 — реле времени; 4 — бак с поливочной водой; 5 — нормально закрытый клапан; 6 — насос; 7 — трубопровод; 8 — поливочные трубы)

Опишем алгоритмы работы систем, представленных на рис. 6–13. Алгоритм работы системы, показанной на рис. 6: в 18:00 — включение реле, открытие клапана, пуск насоса; в 18:30 — отключение реле, закрытие клапана и остановка насоса.

Рис. 7. Принципиальная схема регулирования состава воздуха в помещении за счёт подкачки воздуха биовегетария, обогащённого кислородом, выделяемого растениями (1 — шина гарантированного электроснабжения; 2 — автомат; 3 — реле CO₂ и влажности; 4 — вентилятор; 5 — место установки реле; 6 — клапан; А — жилое помещение, Б — помещение биовегетария)

Алгоритм работы системы, представленной на рис. 7: реле срабатывает — контакт К-1 замыкается при влажности воздуха в помещении 60% и выше, второй контакт К-2 замыкается при концентрации CO₂, равной 700 ppm (реле крепится на стене на высоте 1,5 м, вентилятор — на высоте 0,1 м от пола).

Рис. 8. Принципиальная схема системы воздушного отопления жилого помещения «БиоДома» (1 — шина гарантированного электроснабжения; 2 — автомат; 3 — биметаллический датчик температуры; 4 — вентилятор; 5 — клапан; А — жилое помещение, Б — помещение биовегетария)

Алгоритм работы систем, показанной на рис. 8: при температуре более +35°C замыкаются контакты датчика и включается вентилятор, далее тёплый воздух из биовегетария поступает в жилое помещение (данная система работает с декабря по февраль).

Рис. 9. Принципиальная схема поддержания температуры горячей воды в бойлере [1 — шина гарантированного электроснабжения; 2 — автомат; 3 — бойлер; 4 — биметаллическое термореле; 5 — электроТЭН (220 В)]

Алгоритм работы системы, представленной на рис. 9: реле включается при температуре ≤ +65°C, далее включается электрический ТЭН и производится догрев воды в бойлере.

Рис. 10. Принципиальная схема работы водяного отопления жилого помещения «БиоДома» [1 — шина гарантированного электроснабжения; 2 — автомат; 3 — реле температуры; 4 — фанкойлы (змеевик и вентилятор); 5 — насос; 6 — бойлер; 7 — кондиционер]

Алгоритм управления системы, показанной на рис. 10: при температуре в комнате менее +20°C срабатывает реле, которое включает циркуляционный насос горячей воды из бойлера (+65°C), одновременно включаются вентиляторы фанкойлов, обдувая нагревающие змеевики фанкойлов, далее тёплый воздух распространяется по помещению, а кондиционер работает на охлаждение или обогрев и включается вручную.

Рис. 11. Принципиальная схема LED-досветки биовегетария (1 — шина гарантированного электроснабжения; 2 — автомат; 3 — реле времени; 4 — LED-светильники)

Алгоритм работы системы, показанной на рис. 11: реле включает LED-досветку каждые сутки с 16:00 до 20:00 местного времени с ноября по март.

Рис. 12. Схема системы полива растений вида «дождевание» (1 — шина гарантированного электроснабжения; 2 — автомат; 3 — реле времени; 4 — клапан; 5 — трубопровод; 6 — форсунки)

Алгоритм работы системы, показанной на рис. 12: реле включает клапан, вода из водопровода поступает в форсунки с 20:00 до 20:15 с июня по сентябрь.

Рис. 13. Принципиальная схема пассивного отопления биовегетария [1 — реле включения насоса; 2 — автомат; 3 — шина гарантированного электроснабжения; 4 — датчик температуры в нижней точке биовегетария; 5 — фанкойлы; 6 — скважина водоснабжения с погружным насосом; 7 — сливная скважина (трубопровод не обозначен)]

Алгоритм работы системы, показанной на рис. 13: Датчик температуры включается при температуре менее 6°C и отключается при температуре более 8°C (соответственно, система включается и отключается с помощью реле).

Оценка экономической и энергетической эффективности

Предложена экономическая оценка на базе сравнения фактических финансовых затрат на сооружение и эксплуатацию «БиоДома» с возможными затратами при традиционном подходе к сооружению и энергообеспечению (без использования ВИЭ) от местных электрических и тепловых сетей.

1. Источники экономии расходов на оплату электроэнергии

За экономию на содержание принимается следующее:

• уменьшение расходов на оплату электроэнергии, получаемую из сети, из-за того, что имеется собственное производство электроэнергии на ФЭС;
• продажа излишков электроэнергии сбытовой компании, которые образуются при полном покрытии графика нагрузки «БиоДома»;
• уменьшение затрат на отопление за счёт внедрённых в «БиоДом» систем водяного и воздушного отопления на базе ВИЭ;
• уменьшение на подогрев системы горячего водоснабжения (ГВС) от системы солнечных коллекторов и фотоэлектрических модулей.

На строительство «БиоДома» было израсходовано 1,8 млн руб. в ценах 2020 года. В эту сумму не входит стоимость оборудования обеих фотоэлектрических установок (ФЭС). Примерная рыночная цена ФЭС на момент установки составила за обе ФЭС 1,66 млн руб. Итого общие затраты составили КΣ = 3,46 млн руб. в ценах 2020 года.

Расчётное годовое производство электроэнергии на двух фотоэлектрических установках составляет 23319 кВт·ч. Фактическое годовое потребление от сети составило 5110 кВт·ч, отсюда условная годовая экономия: 18209 кВт·ч×3,67 руб. = 66827 руб.

2. Экономия расходов на оплату тепловой энергии

Для оценки уменьшения затрат на отопление биовегетария определим расход тепловой энергии в холодный период года.

В самые холодные зимние дни (этот период длится примерно 90 дней) расход тепловой энергии составит:

Эт = Qот.тТот = 17,87 кВт × 24 ч × 90 дней = 38599,2 кВт·ч.

На эту же задачу в «БиоДоме» расходуется 1123,2 кВт·ч, то есть в 34 раза меньше! Разница (экономия) составляет 38599,2–1123,2 = 37476 кВт·ч.

В денежном выражении при тарифе 3,67 руб/ кВт·ч это будет Ит = 3747×3,67 = 137537 руб., причём это только за три зимних месяца! А если нет возможности присоединения к тепловым сетям и приходится отапливаться электричеством, экономия составляет Ит = 137537 руб.

3. Уменьшение затрат на ГВС

Для нагрева 360 л воды от +15 до +65°C (∆t = 50°C) годовой расход электроэнергии составит Эгв = 0,36×50×1×365 = 6570 кВт·ч. При тарифе на электроэнергию, равном 3,71 руб/ кВт·ч, экономия будет Игв = 6579×3,71 = 24375 руб.

4. Экономия за счёт продажи электроэнергии

По данным сетевой компании, сумма расчётов за полученную энергию составила Ипрд = 80874 руб. Суммарная экономия на содержание равна ИΣ = Ипр.э + Ит + Игв + Ипрд = 66827 + 137537 + 24325 + 80874 = 309563 руб.

Отсюда простой срок окупаемости составит Tок = КΣ/ИΣ = 3460000/309563 = 11,2 года.

5. Продовольственная эффективность

Продовольственная эффективность «БиоДома» заключает в следующем. При использование описанных выше решений возможно получение до пяти-шести урожаев в год помидоров, огурцов и других простых сельскохозяйственных продуктов. Объём выращенной продукции может составлять тонны и даже десятки тонн в год. Также в постоянном режиме можно выращивать любую зелень: укроп, петрушку, зелёный лук, листья салата, щавеля, кинзы и побеги молодого чеснока, а также другие, более сложные виды.

В биовегетарии круглогодично выращиваются экзотические растения, которые не растут на нашей территории в естественных условиях. Это папайя, маракуйя, чайот, кумкват, апельсины, мандарины, нони, бананы, лимоны и т. д. Этот подход может использовать для импортозамещения, и здесь можно получить очень внушительные результаты. Владельцы «БиоДома» уже попробовали собственноручно выращенные лимоны, маракуйю, кумкват, в 2026 году ожидается вызревание другой фруктовой «экзотики». Владельцами для собственного потребления постоянно выращиваются зелень и овощи.

Заключение

1. Разработаны и реализованы методика и алгоритмы функционирования и расчёта объединённой системы энергоснабжения для жилого помещения и теплицы домохозяйства на базе ВИЭ.

2. Выполнены энергетические расчёты систем теплоснабжения «БиоДома».

3. Разработаны и реализована системы жизнеобеспечения:

• пассивного отопления/охлаждения биовегетария и жилого помещения;
• система горячего водоснабжения и система отопления;
• система воздушного с использованием грунтового аккумулятора;
• система электроснабжения;
• система автоматизации включения/отключения всех систем энергоснабжения, освещения, контроля и поддержания температуры воздуха в разных точках, а также содержания в воздухе углекислого газа (CO₂).

4. Проведена оценка энергетической и экономической эффективности принятых схемных решений.

5. Дана положительная оценка возможности распространения опыта разработки и эксплуатации «БиоДома» на другие почвенно-климатические условия Российской Федерации.

6. В результате круглогодичной эксплуатации в течение пяти лет подтверждена работа всех систем с расчётными (номинальными) параметрами.