Оценка эффективности применения возобновляемых источников энергии в жилом доме с централизованной системой энергоснабжения

УДК 621.311

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ЖИЛОМ ДОМЕ С ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ

СИСТЕМОЙ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

© 2013 г. К.Р. Гильмияров, А.А. Гуммель, В.С. Пузин, Д.В. Батищев, А.Н. Слепченко

Южно-Российский государственный технический университет

South-Russian State Technical University

Предложено деление территории РФ на климатические зоны на основе средней месячной температуры воздуха в январе и июле, средней скорости ветра, средней месячной относительной влажности воздуха. Предложена структурная схема электронного макета, выявлены достоинства схемы и представлены способы для снижения потребления энергии из централизованной сети. Для каждой климатической зоны выполнено моделирование и изложены его результаты экономии электрической и тепловой мощности для испытываемого жилого дома. Для каждой зоны сделаны заключения о выгодности применения установок ВИЭ.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергоснабжения; климатические зоны РФ; комплексное использование источников энергии; электронный макет.

The paper gives the division of the territory of Russian Federation into climatic zones based on the average air temperature in January and July, on the average wind speed and the relative monthly air humidity. The author gives a block scheme of the electronic model, exposes the advantages of the scheme and presents the ways of reducing energy consumption from the centralized network. There is a modeling for each climatic zone and the results of saving the power for the tested house. For each zone there are conclusions that the usage ofIES is very effective.

Keywords: Inexhaustible Energy Sources; climatic zones of Russia; complex use of energy sources; electronic model.

Проблема применения альтернативных источников энергии решается в наше время в разнообразном сочетании всевозможных возобновляемых и традиционных источников, что в той или иной степени приводит к экономии последних. При этом системы, обеспечивающие энергоснабжение жилья за счет возобновляемых источников (ВИЭ), применяют исходя из упрощенных схем расчета и проектирования, порой без учета климатических особенностей района эксплуатации системы и конкретного пользователя.

Для обоснованной оценки состава и количества

модулей системы снабжения электричеством и теплом потребителя на основе комплексного использования ВИЭ необходимо отработать различные варианты путем моделирования режимов работы составных модулей и построения систем снабжения с учетом эксплуатационно-климатических районов (ЭКР) России. Для подбора состава модулей макета системы снабжения при комплексном использовании ВИЭ вся территория РФ условно разделена на так называемые четыре ЭКР [1]. Схематическая карта климатического районирования приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схематическая карта климатического районирования

Климатическое районирование разработано на основе комплексного сочетания средней месячной температуры воздуха в январе и июле, средней скорости ветра за три зимних месяца, средней месячной относительной влажности воздуха в июле (табл. 1).

Параметры, влияющие на характеристики составных модулей системы снабжения электричеством и теплом потребителя, выбираются для каждого города

(характеризующего конкретный один из четырех климатических районов). При этом используется архив погоды за предыдущий и текущий год с указанием температуры воздуха, скорости ветра и облачности с дискретизацией в 3 ч [2], а также величина усредненной суточной инсоляции [3]. На рис. 2 представлена структурная схема электронного макета [4], на которой отображены связи подсистем макета.

Таблица 1

Климатические параметры для проектирования отопления, вентиляции и кондиционирования

Климатические районы Климатические подрайоны Среднемесячная температура воздуха в январе, °С Средняя скорость ветра за три зимних месяца, м/с Среднемесячная температура воздуха в июле, °С Среднемесячная относительная влажность воздуха в июле, %

I IA От -32 и ниже - От +4 до +19 -

¡Б От -28 и ниже 5 и более От 0 до +13 Более 75

IB От -14 до -28 - От +12 до +21 -

1Г От -14 до -28 5 и более От 0 до +14 Более 75

1Д От -14 до -32 - От +10 до +20 -

II IIA От -4 до -14 5 и более От +8 до +12 Более 75

ПБ От -3 до -5 5 и более От +12 до +21 Более 75

IIB От -4 до -14 - От +12 до +21 -

11Г От -5 до -14 5 и более От+12 до +21 Более 75

III IIIA От -14 до -20 - От +21 до +25 -

ШБ От -5 до +2 - От +21 до +25 -

IIIB От -5 до -14 - От +21 до +25 -

IV IVA От -10 до +2 - От +28 и выше -

IVB От +2 до +6 - От +22 до +28 50 и более в 15 ч

IVB От 0 до +2 - От +25 до +28 -

Ivr От -15 до 0 - От +25 до +28 -

Примечание. Климатический подрайон Щ характеризуется продолжительностью холодного периода года (со средней суточной температурой воздуха ниже 0 °С) 190 дней в году и более.

Электроснабжение жилого дома производится по принципу двойного преобразования напряжения, т.е. напряжение переменного тока, подводимое от системы центрального энергоснабжения посредством управляемого выпрямителя, преобразуется в постоянное, где параллельно ему подключается система альтернативного энергоснабжения. Далее, с помощью инвертора напряжения, постоянное напряжение преобразуется обратно в переменное, от которого и запи-тываются электрические потребители в доме. Во-первых, это удобно с точки зрения согласования центральной системы энергоснабжения с системой альтернативного энергоснабжения, включающей ветровой агрегат, солнечные и аккумуляторные батареи. Во-вторых, позволяет избежать переходных процессов, отрицательно влияющих на работу бытовых устройств дома, при переходе электропитания жилого дома с центральной системы энергоснабжения на альтернативную и обратно. В-третьих, исключает выход из строя бытовых электрических аппаратов в случае аварийных процессов в центральной системе энергоснабжения.

Как видно из структурной схемы, также имеется резервный контур, позволяющий подключать дом напрямую к центральной системе энергоснабжения, используемый в случае выхода из строя любого элемента, необходимого для энергоснабжения дома по описанному ранее принципу двойного преобразования.

Снижение потребляемой домом энергии достигается следующим способом: система управления отслеживает величину постоянного напряжения, необходимого для питания дома, а также потребляемые из центральной системы энергоснабжения, от альтернативных источников питания и аккумуляторной батареи. Данные параметры позволяют системе управления оптимально регулировать и распределять, от каких источников питания в данный момент времени должны запитываться электрические потребители в доме. Например, в ясный солнечный и ветреный день, когда ветровой агрегат и солнечные батареи вырабатывают большое количество электроэнергии, а аккумуляторные батареи полностью заряжены, будет расти величина постоянного напряжения. В этом случае система управления путем изменения параметров управления выпрямителем будет снижать либо полностью отключит потребление от централизованной системы электроэнергии, и все потребление электроэнергии будет происходить от аккумуляторных батарей, ветрового агрегата и солнечных батарей. В случае, если аккумуляторные батареи исчерпают накопленный заряд и перейдут в режим заряда, по направлению протекания в цепи аккумуляторных батарей система управления определит, что батареи разряжены, и в зависимости от значения тока, потребляемого от альтернативных источников питания, произведет перерасчет параметров управления выпрямителем.

Система теплоснабжения жилого дома включает в себя тепловой насос, солнечный коллектор, аккумулятор тепла, газовый котел, контур отопления и контур собственных нужд, т.е. горячей воды, используемой

жильцами для собственных нужд, таких как мойка посуды, купание и т.д. Система управления имеет возможность включать и отключать при необходимости тепловой и солнечный коллекторы, а также имеет возможность регулировать процесс подогрева воды в газовом котле. Функционирование системы теплоснабжения происходит следующим образом: система управления отслеживает температуру воды в аккумуляторе тепла и теплых полах, а также температуру воздуха внутри дома. Температура воды внутри аккумулятора тепла в зависимости от вырабатываемого тепловым насосом и солнечным коллектором теплового потока может варьироваться, но никогда не опускается ниже определенного нижнего предела. В случае приближения температуры к этому пределу система управления включает газовый котел. Это позволяет максимально нагреть воду в светлое время дня за счет энергии солнца. Горячая вода из аккумулятора тепла поступает в контуры отопления и собственных нужд. В каждом контуре предусмотрены трехходовые клапана для смешивания горячей и холодной воды, после которых установлены датчики температуры. Измеряя заданное жильцами дома значение температуры воды и температуры после трехходового клапана, система управления регулирует расход теплой и холодной воды так, чтобы свести их расхождение к минимуму. Температура воздуха внутри дома также регулируется путем управления расходом горячей и холодной воды, с той разницей, что регулирование происходит в зависимости от показаний датчика температуры воздуха внутри дома.

Графики зависимостей температуры окружающей среды, скорости ветра за испытываемый период с 1 января по 1 апреля для климатической зоны 1, представлены на рис. 3, изменение солнечного излучения за расчетный период - на рис. 4.

В связи с тем что в климатической зоне 1 за приведенный период времени температура окружающей среды была меньше рабочей температуры солнечных коллекторов и ветер практически отсутствовал, а энергия вырабатывалась только солнечным панелями (батареями), обеспечить требуемую экономию тепловой и электрической энергии не представляется возможным. Более высокая экономия газа по сравнению с электроэнергией обеспечивалась за счет работы теплового насоса.

Величины экономии электрической и тепловой мощности для испытываемого жилого дома, находящегося в климатической зоне 1, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты сравнения для зоны 1

Параметр Еэл. потр, КВ'Р4 Q, м3

С применением возобновляемых источников энергоснабжения 5289,59 2406,72

Без применения возобновляемых источников энергоснабжения 5655,06 3204,61

Экономия энергии, % 6,46 24,90

О

7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 № суток

7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 № суток

Рис. 3. Изменение температуры окружающей среды и скорости ветра за расчетный период

7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 № суток

Рис. 4. Изменение солнечного излучения за расчетный период

Графики зависимостей температуры окружающей среды, скорости ветра и солнечного излучения за испытываемый период для климатической зоны 2, 3 и 4 имеют аналогичный характер с представленными для климатической зоны 1 на рис. 3, 4 и приведены в работе [4].

Величины экономии электрической и тепловой мощности для испытываемого жилого дома, находящегося в климатической зоне 2, представлены в табл. 3.

Результаты сравнения для зоны 2

Параметр Еэл. потр? кВт4 Q, м3

С применением возобновляемых источников энергоснабжения 4526,96 1583,79

Без применения возобновляемых источников энергоснабжения 5655,06 1583,79

Экономия энергии, % 19,95 19,56

расхода газа - 31 %. Подобные результаты можно объяснить тем фактом, что часть энергии тратится на перегрев воды в контуре горячего водоснабжения.

Таблица 4

Результаты сравнения для зоны 3

Параметр Еэл. потр, кВт 4 Q, м3

С применением возобновляемых источников энергоснабжения 4840,3 1305,5

Без применения возобновляемых источников энергоснабжения 5638,9 1893,0

Экономия энергии, % 14,2 31,0

Величины экономии электрической и тепловой мощности для испытываемого жилого дома, находящегося в климатической зоне 4, представлены в табл. 5.

Таблица 5

Результаты сравнения для зоны 4

Параметр Еэл. потр, кВт 4 Q, м3

С применением возобновляемых источников энергоснабжения 3655,88 770,94

Без применения возобновляемых источников энергоснабжения 5655,06 933,93

Экономия энергии, % 35,35 17,45

Таблица 3

Величины экономии электрической и тепловой мощности для испытываемого жилого дома, находящегося в климатической зоне 3, представлены в табл. 4.

Согласно результатам, полученным в ходе проведения экспериментальных исследований, экономия электрической энергии, потребляемой из централизованной сети, составила 14,2 %, при этом экономия

Полученные результаты показывают, что применение разработанного макета системы снабжения для рассматриваемой климатической зоны позволяет экономить до 36 % электрической энергии при экономии газа 17,5 %. Таким образом, для увеличения экономии газа в зимний период необходимо увеличить мощность циркуляционного насоса теплового насоса, что позволит перебросить часть электрической энергии в тепло и, соответственно, увеличить экономию газа.

Анализ данных, полученных в ходе проведения дополнительных исследований, свидетельствует, что разработанный макет системы снабжения электричеством и теплом потребителя на основе комплексного использования ВИЭ позволяет обеспечить экономию электрической энергии и газа в зимний период из центральных сетей энергоснабжения более чем на 15

и 30 % соответственно для зоны 3. Для зоны 4 достижение требуемого энергосбережения в зимний период может быть получено путем перераспределения вырабатываемой возобновляемыми источниками электрической энергии для увеличения вырабатываемой тепловой энергии. Для зоны 2 существенное понижение средней температуры отопительного сезона не позволяет достичь требуемой экономии по газу, но, тем не менее, ветряная обстановка в регионе дает возможность добиться заданной экономии по потреблению электроэнергии. Достигнутые параметры ресурсосбережения в зоне 1 характеризуют ограниченность рассматриваемых возобновляемых источников для данной зоны и при наличии природного газа применение таких систем следует считать нецелесообразным.

Статья подготовлена по результатам работ, полученным в ходе выполнения государственного контракта № 16.516.11.6115 от 25 августа 2011 г. на выполнение научно-исследовательских работ по теме «Разработка научно-технических решений комплексного использования ВИЭ на базе тепловых насосов, солнечных нагревателей и фотоэлектрических

Поступила в редакцию

преобразователей для децентрализованного производства и электроэнергии».

Литература

1 СНиП 23-01-99* (2002) «Строительная климатология»

2 Архив погоды в Ростове-на-Дону с 1999 года [Электрон-

ный ресурс]. Режим доступа: http://www.rostovmeteo. ru/archive.php», свободный (дата обращения 10.06.12).

3 Insolation at Specified Location [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://aom.giss.nasa.gov/srlocat.html, свободный (дата обращения 10.06.12).

4 Разработка научно-технических решений комплексного использования ВИЭ на базе тепловых насосов, солнечных нагревателей и фотоэлектрических преобразователей для децентрализованного производства тепла и электроэнергии. Этап 2: Теоретические исследования основ создания комплексных систем снабжения электричеством и теплом потребителя на основе использования ВИЭ и создание макета системы снабжения электричеством и теплом потребителя на основе комплексного использования ВИЭ / ООО СКТБ «Инверсия»; рук. П.Г. Колпах-чьян; Исполн.: А.А. Гуммель, А.Н. Слепченко и [др.]. Ростов н/Д., 2011. 116 с.

2 июля 2012 г.

Гильмияров Константин Ринардович - инженер, Общество с ограниченной ответственностью специальное-конструкторское бюро «Инверсия». Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: azov_kot@mail.ru

Гуммель Андрей Артурович - научный сотрудник, Общество с ограниченной ответственностью специальное-конструкторское бюро «Инверсия». Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: gummel@rambler.ru

Пузин Владимир Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: vspuzin@gmail.com

Батищев Денис Владимирович - канд. техн. наук, инженер, Общество с ограниченной ответственностью специальное-конструкторское бюро «Инверсия». Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: skifden@mail.ru

Слепченко Андрей Николаевич - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: Androo86@mail.ru

Gilmiyarov Konstantin Rinardovich - Engineer, Limited Liability Special Design Bureau «Inversion». Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: azov_kot@mail.ru

Gummel Andrey Arturovich - Senior Engineer, Limited Liability Special Design Bureau «Inversion». Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: gummel@rambler.ru

Puzin Vladimir Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electric and electronic devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: vspuzin@gmail.com

Batichev Denis Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, Engineer, Limited Liability Special Design Bureau «Inversion». Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: skifden@mail.ru

Slepchenko Andrey Nikolaevich - post-graduate student, department «Electric and electronic devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: Androo86@mail.ru