ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЯХ

FEATURES OF USING SOLAR ENERGY IN ENERGY EFFICIENT LIVING BUILDINGS

Margarita Butuzova

senior teacher of Department architecture Lipetsk State Technical University Engineering-construction Faculty

Russia, Lipetsk

Elena Zaytseva

undergraduate of the Department architecture Lipetsk state technical University

Russia, Lipetsk

АННОТАЦИЯ

В работе обозначены достоинства, недостатки и особенности использования солнечной энергии в энергоэффективных жилых зданиях, рассмотрены вопросы производительности и окупаемости используемых в жилых зданиях солнечных установок.

ABSTRACT

The work identifies the advantages, disadvantages and peculiarities of using solar energy in energy-efficient residential buildings, examines the issues of productivity and payback of solar installations used in residential buildings.

Ключевые слова: солнечная энергия; энергоэффективность; жилое здание.

Keywords: solar energy; energy efficiency; living building.

Одним из способов достижения энергоэффективности здания является применение в нём инженерных систем, преобразующих энергию солнца в полезную тепловую энергию. Чаще всего энергия солнца используется в системах горячего водоснабжения и отопления.

Согласно [1], в системах горячего водоснабжения солнечные коллекторы выгоднее применять не в качестве основного источника, а в качестве устройства для нагрева воды, поступающей в отопительную установку, в этом случае значительно снижается расход топлива. При этом обеспечивается бесперебойная подача горячей воды, происходит экономия расходов на горячее водоснабжение и отопление дома.

Также солнечная энергия может выступать дополнительным источником энергии в системах электроснабжения. В многоквартирных энергоэффективных жилых домах полученная с помощью солнечных батарей электрическая энергия полностью покрывает расходы на общедомовые нужды: накопленную за день в аккумуляторах электроэнергию используют для работы лифтов, освещения подъезда и придомовой территории.

В условиях городской застройки использование солнечных установок в многоквартирных жилых домах оказывается более эффективным, чем использование солнечных установок в индивидуальных коттеджах. Это происходит благодаря следующим особенностям:

1. Стоимость комплекта солнечных панелей, необходимых для обеспечения энергией нужд многоквартирного жилого дома, оказывается дешевле в пересчёте на каждого жильца, в сравнении со стоимостью комплекта солнечных панелей, установленного в индивидуальном коттедже.

2. Многоквартирные дома, как правило, не нуждаются в дополнительных площадях для монтирования солнечных установок, площади здания хватает для размещения комплекта солнечных батарей, покрывающего нужды данного жилого дома. Достаточно разместить солнечные панели на крыше и на южной торцевой стороне здания, также для размещения солнечных панелей можно использовать подоконное пространство фасада.

С другой стороны, при использовании солнечных установок в многоквартирных зданиях в условиях городской застройки возникает проблема затенённости южных фасадов. Чтобы получить максимально возможное количество солнечной энергии в условиях средней полосы России, южная стена или кровля жилого дома должны облучаться прямыми солнечными лучами с 9.00 до 15.00 даже в самый пасмурный день. Для этого фасад, на котором расположены солнечные установки, должен быть ориентирован на юг с отклонением не более чем на 10-20° [5]. 

Согласно [4], наиболее выгодно монтировать солнечные панели по всей длине южного фасада здания с верхней его стороны, на уровне технического этажа. Такое размещение солнечных панелей облегчает и удешевляет их монтаж и эксплуатацию, так как к ним организован удобный доступ с крыши. Более того, благодаря вертикальному размещению солнечных панелей на них не будут оседать пыль и снег, а угол падения солнечных лучей обеспечит максимально возможный поток солнечной энергии.

Недостатками солнечных установок являются невысокий коэффициент полезного действия, зависимость от активности солнечных лучей при различных климатических условиях использования и высокая стоимость. Однако, стоит заметить, что эти недостатки постоянно уменьшаются и ликвидируются в связи с развитием наукоемких технологий.  В последнее время становится популярной солнечная черепица, которая по стоимости вдвое дешевле стандартных солнечных панелей (за счёт экономии средств при монтаже), однако данная технология ещё не успела получить широкого распространения и применение солнечной черепицы на данный момент остаётся в рамках единичных инновационных проектов.

Чтобы добиться самой высокой производительности, нужно выбирать такие солнечные элементы, которые подходят для конкретных климатических условий. Существует несколько их разновидностей, которые отличаются структурой рабочей поверхности фотоэлемента и технологией изготовления. Например, согласно [3], для южных регионов России приобретают поликристаллические солнечные элементы, они доступнее по цене. А для северных регионов лучше покупать монокристаллические элементы, которые способны улавливать рассеянный свет и более адаптированы к воздействию низких температур. Экономически выгодно использовать тонкоплёночные солнечные панели, они более эффективны в работе при непрямом, рассеянном солнечном свете, чем стандартные панели на основе кристаллического кремния [4].

На практике как экономически наиболее эффективные зарекомендовали себя системы с плоскими гелиоколлекторами теплообменного типа, использующиеся для получения тепла в системах отопления и горячего водоснабжения, в основном, односемейных и многоквартирных жилых зданий: согласно [2], при общем замещении 40-70% традиционных энергопоступлений они имеют минимальную стоимость.

Зарубежный опыт возведения энергоэффективных домов показывает, что экономические затраты непосредственно на оборудование дома солнечными установками напрямую зависят от энергоэффективности дома в целом: например, чем лучше утеплены конструкции дома, тем ниже энергопотребление такого дома, следовательно, можно будет применить солнечные установки меньшей мощности и меньшей площади, а, соответственно, и меньшей стоимости. Для снижения энергопотребления здания используют следующие методы:

1. Выбор компактной формы здания
2. Применение современных энергоэффективных теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях здания.
3. Применение энергосберегающих стеклопакетов в оконных конструкциях (их особенность в использовании низкоэмиссионных стёкол, которые, в сравнении с обычными стёклами, в меньшей степени пропускают тепло из помещений наружу, но в большей степени пропускают солнечные лучи с улицы в помещение).
4. Учёт ориентации здания по сторонам света. Жилые отапливаемые помещения надо располагать по большей части в южной стороне здания, неотапливаемые помещения (санитарные узлы, кладовые) надо располагать с северной стороны здания в качестве буферных зон.
5. Обеспечение защиты здания от воздействия ветра (с помощью деревьев и склонов в придомовой территории и тепловых буферных зон в самом здании – двойных дверей, остеклённых террас, балконов.)

Опыт использования солнечных установок в жилых зданиях средней полосы России показал, что более рентабельно не столько полное питание дома от солнечных батарей, сколько частичное снижение расходов на электроэнергию при совместном использовании солнечных батарей и сетевой энергии (в таком случае используется гибридный инвертор, который может использовать энергию с приоритетом от солнечных батарей и лишь недостающее забирать из сети).  Это связано с тем, что зимой выработки энергии солнечных установок может не хватать для полного энергообеспечения дома, в то время как в летние месяцы солнечной энергии вырабатывается с избытком.

Такая инженерная система могла бы быть более выгодной в использовании, если применить к ней зарубежный опыт продажи в сеть излишков выработанной за летнее время энергии.

Современная мировая практика свидетельствует о целесообразности использования солнечных батарей в удаленных от линий электропередач жилых домах и малых поселках.  Согласно [3], есть группы потребителей, для которых установка солнечных батарей для получения электричества оказывается особенно выгодной – это объекты, не подключенные к общей электросети или объекты, для которых подключение является дорогим из-за удаленности объекта или недостатка мощности ближайших сетей. Хочется отметить необходимость развития и применения этой идеи в условиях России, поскольку на территории России на данный момент существует немало жилых посёлков, удалённых от центральных электросетей, и применение солнечной энергии может существенно удешевить электроснабжение таких населённых пунктов.

При анализе эффективности применения солнечных установок в жилых зданиях учитывается окупаемость системы на протяжении полного срока её службы, составляющего ориентировочно 20 лет. Согласно [5], применение в здании систем, использующих солнечную энергию, увеличивает затраты на его строительство на 10%, однако, в процессе эксплуатации расходы на отопление снижаются на 60%, тем самым, общая экономическая выгода от использования в здании солнечной энергии составляет 18%.

Подводя итоги, следует отметить основные достоинства и недостатки использования солнечной энергии в жилых зданиях.

Недостатки:

1. Энергоэффективность применяемой системы зависит от климатических условий местности.
2. Высокая стоимость оборудования солнечных установок.
3. Окупаемость солнечных установок наступает не сразу, а по истечении длительного периода их эксплуатации.

Достоинства:

1. Снижение общедомовых расходов на энергопотребление.
2. Возможность автономного функционирования здания.
3. Экологичность. Использование экологически чистого и безопасного источника тепла.

Указанные выше особенности говорят о том, что применение солнечной энергии в сфере жилого строительства нашей страны оказывается эффективным и перспективным при условии грамотного энергоэффективного подхода к проектированию зданий, дальнейшего развития инженерных технологий и поиска решений, удешевляющих первичную стоимость солнечных установок.

Список литературы:

1. Аль-Шариф А. Г. Перспективы использования солнечной энергии для отопления дома в России // Молодой ученый. — 2014. — №6. — С. 127-131.
2. Бумаженко О.В. Энергоэффективное (экологическое) строительство // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». – М., 2002. - №1.
3. Солнечные панели [Электронный ресурс]. –Режим доступа: www. URL:http://svetdv.ru/sun/index.shtml.
4. Черненко А.Н., Крюков П.В. Энергосбережение и малая солнечная энергетика для многоквартирного дома в условиях РФ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1.
5. Watson D. Design and Building a Solar Home. - Charlotte, USA, 1978. – 281p.