Энергосбережение на сегодняшний день является одной из приоритетных задач. Несмотря на то, что Российская Федерация обеспечена собственными запасами традиционных топливно-энергетических ресурсов, развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является крайне важным стратегическим направлением энергетики будущего [1, 2]. Если в автономной энергетике многие технологии использования ВИЭ уже сегодня могут быть вполне конкурентоспособными, то в централизованной энергетике требуется реализация мер государственной экономической поддержки по аналогии с другими странами [3]. Ускоренное развитие ВИЭ в России необходимо рассматривать как важный фактор модернизации экономики, в том числе связанный с развитием инновационных производств, новых технологий, развитием малого и среднего бизнеса, созданием новых рабочих мест, улучшением экологии и т. п. [4].

Примером внедрения «зелёных» технологий является реновация здания коровника в жилой дом (рис. 1). Проект переустройства здания коровника и все решения по инженерным сетям и системам были выполнены под руководством д.т.н., профессора С. Е. Щеклеина, заведующего кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» Уральского энергетического института УрФУ.

Строительство энергоэффективных зданий в УРФО. 4/2020. Фото 1

Данный таунхаус в посёлке Растущий Свердловской области служил раньше коровником, принадлежащим совхозу. Так как здание долгое время было заброшенным и предназначалось для содержания коров, было принято решение произвести обследование строительных конструкций и полную санитарную обработку, чтобы сделать здание пригодным для постоянного проживания.

Сначала специалистами было проведено обследование конструкций здания коровника. Заключением было установлено, что здание находится в удовлетворительном состоянии. Затем были произведены некоторые мероприятия по санитарной обработке здания и грунта, позволяющие безопасно проживать в здании. Был произведён срез грунта на глубину не менее 0,5 м и проведена дезактивация и антисептическая обработка стен, перекрытий, покрытий и всех прочих строительных конструкций. В ходе перепланировки здания коровника был запроектирован таунхаус из восьми квартир.

Идея заключалась в том, чтобы здание обладало высокими характеристиками теплозащиты, потребляло мало тепловой энергии, было комфортабельным, обладало необходимыми системами теплоснабжения, канализации и электричества. Далее приведены описания инженерных систем в таунхаусе.

Водоснабжение и водоотведение

Вода берётся из скважины глубиной около 100 м, далее с помощью насоса собирается в мембранном баке-аккумуляторе. Насос включается редко, только после того, как давление воды падает в результате водоразбора. В дневное время насос всегда выключен. Вечером, когда начинается водоразбор, первые 150–200 л можно забирать без включения насоса. На территории земельного участка находится дренажное поле, представляющее из себя естественное болото площадью около 1 га. Туда собираются все сточные воды после очистки, а густые и биологически активные фракции выводятся до попадания в дренажное поле. Проведённая экспертиза показала, что вода «серая», то есть пригодна для сброса в реки.

Электричество

Основной источник энергии — местная сеть 10 кВ. Одной из основных задач являлось сокращение объёмов энергопотребления настолько, чтобы значительную его часть можно было обеспечить из возобновляемых источников энергии.

В здании используются солнечные батареи для резервного энергоснабжения. В доме предусмотрено газовое отопление, но также есть циркуляционные насосы и автоматика. Для работы насоса и контроллера необходимо 150 Вт мощности. Задача ВИЭ состоит в том, чтобы обеспечить надёжное резервирование и выработку электроэнергии на случай прекращения централизованного электроснабжения. По фасаду установлены солнечные батареи с напряжением 12 В и общей мощностью 800 Вт с контроллерами, предназначенными для зарядки аккумуляторов. По всему дому сделана дополнительная разводка 12 В. Всего в доме два вида напряжения: 12 В и 220 В (системное). Если необходимо получить 220 В из 12 В, используется инвертор.

На прилегающей к таунхаусу территории установлено несколько ветрогенераторов, рассчитанных на небольшие скорости ветра, суммарной мощностью 600 Вт (рис. 2).

Строительство энергоэффективных зданий в УРФО. 4/2020. Фото 2

Производство горячей воды с помощью солнечных коллекторов

Было испытано множество солнечных коллекторов российского и зарубежного производства. В течение нескольких лет в летний период не используют газ и электричество для нагрева воды в таунхаусе. Существующая система нагрева воды работает следующим образом: в баке-аккумуляторе (объёмом примерно 250 л) поддерживается заданная температура (около 70°C). Температура в баке должна быть не ниже 60°C, так как в противном случае образуются патогенные бактерии — легионеллы. Если солнце не может нагреть воду до заданной температуры, используется догрев. Для подобной системы требуется постоянный водоразбор, в таком случае бактерии не успевают образовываться. Если устанавливать установку небольшой мощности (для одноэтажного коттеджа или садового домика), можно обойтись без насоса, а сделать установку с естественной циркуляцией теплоносителя.

Использование электрической энергии для обогрева с применением теплового насоса

Для обогрева таунхауса электроэнергия берётся не из сети; из сети берётся электроэнергия только для привода компрессора теплового насоса. Для такой схемы работы необходимо иметь источник теплоты низкого потенциала. В данном случае, к примеру, таким источником является грунт, среднегодовая температура которого составляет 6–7°C. На территории была пробурена скважина глубиной примерно 100 м, куда был опущен теплообменник. От грунта постепенно отбирается тепло, затем тепловой насос повышает температуру теплоносителя от 7°C до требуемой температуры, и, в зависимости от величины второй (необходимой) температуры, коэффициент использования (КИ) теплового насоса получается разный. К примеру, если необходимо подать тепло в батареи с температурой 70°C, то КИ будет около 1,15. Если необходимая температура составляет 40°C, коэффициент использования равен 2,5.

Строительство энергоэффективных зданий в УРФО. 4/2020. Фото 3

Для температур 30–35°C КИ близок к величине 4,0. Температура в 30–35°C может использоваться для воздушного отопления с использованием фанкойлов.

В летние жаркие месяцы компрессор отключается, и между фанкойлом и грунтом начинается медленная циркуляция теплоносителя: в фанкойле температура 7°C, вентилятор выдувает охлаждённый воздух, и система начинает работать как кондиционер. При этом происходит нагревание грунта. Таким образом, энергию, которую грунт запасает летом, в течение одного-полутора месяцев можно использовать для повышения эффективности работы теплового насоса.

Схема работы инженерных систем показана на рис. 3.

Строительство энергоэффективных зданий в УРФО. 4/2020. Фото 4

Заключение

Данный пример реновации коровника доказывает, что использование ВИЭ эффективно и возможно на территории Уральского федерального округа. Экспериментальный и инновационный проект реконструкции здания коровника и переустройство его в комфортный и энергоэффективный жилой дом показывает практическое применение ВИЭ для отопления и кондиционирования дома, а также нагрева воды.

11 декабря 2019 года был принят Федеральный закон «О микрогенерации» [4], являющийся дополнением к №35-ФЗ «Об электроэнергетике» [5]. В соответствии с принятыми изменениями энергоснабжающим организациям предписывается приобретать энергию, вырабатываемую «объектами микрогенерации» [4], по установленному на данной территории оптовому тарифу. Данное изменение в законодательной базе должно поспособствовать развитию возобновляемой энергетики в Российской Федерации.

Выражаем отдельную благодарность д.т.н., профессору С. Е. Щеклеину за экскурсию, предоставленный материал и проявленный интерес к сотрудничеству.