Разработка энергоэффективных домов и производственных помещений сельскохозяйственного назначения для крестьянских (фермерских) хозяйств с использованием возобновляемых источников энергии

В связи с вступлением в силу 23 ноября 2009 г. Федерального закона № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" (с изменениями и дополнениями) в последние годы повышение энергоэффективности зданий стало одним из основных направлений развития строительной индустрии.

Внедрение энергоэффективных сооружений при строительстве фермерской усадьбы преследует несколько практических целей: повышение уровня комфортности, тепло- и звукоизоляции, экономию энергетических ресурсов и сокращение эксплуатационных расходов. Однако в эту концепцию входит не только усиление теплоизоляции ограждающих конструкций при помощи энергоэффективных теплоизолирующих материалов, но и специфические инженерные решения систем вентиляции и тепло- и энергоснабжения.

Энергоэффективные дома и небольшие производственные помещения сельскохозяйственного назначения с индивидуальными системами энергообеспечения будут особенно экономически эффективны в местах, удаленных от линий электропередач, там, где стоимость строительства высоковольтной линии и трансформаторной подстанции для обеспечения энергией крестьянского (фермерского) хозяйства будет сопоставима со строительством системы энергоснабжения от возобновляемых источников энергии (ВИЭ). К таким источникам относятся солнечная энергия (солнечные коллекторы, фотоэлектрические станции), энергия ветра (ветровые электростанции), энергия текущей воды малых рек (погружные микро- и мини-ГЭС) и энергия тепла земли (тепловые насосы).

Указанные возобновляемые источники энергии могут быть использованы как индивидуально, в комбинациях друг с другом, так и сочетании с традиционными источниками энергии, в зависимости от потребности установленных энергопотребителей: силовые нагрузки, электропривод, освещение и облучение, системы горячего водоснабжения для хозяйственных и производственных нужд [1].

В настоящее время использование ВИЭ широко применяются в США, Японии, Израиле, Индии, Дании, Германии, Швейцарии, в северных европейских странах – Швеции, Норвегии, Финляндии и других. Однако самое большое развитие производства и внедрения систем энергообеспечения с использованием ВИЭ происходит в последние годы в Китае.

В настоящее время в России организован довольно широкий выпуск энергетического оборудования, использующего ВИЭ.

Производство солнечных батарей фотоэлектрического действия (на основе фотоэффекта) есть в Москве, Краснодаре, Зеленограде, Рязани.

Объем внедренных солнечных коллекторов для получения горячей воды в России составляет всего 0,2 м2 на 1000 человек. В то же время тепловая мощность солнечных коллекторов в США составляет 8670 МВт, в Испании – 4460, в Китае – 2500 МВт. В Россию поставляются солнечные коллекторы из 12 стран от 88 производителей, в том числе коллекторы с высокими энергетическими показателями Shentai-Solar из Китая. Тепловые насосы марок BUDERUS, THOR, VIESMANN, имеющие широкий ряд характеристик по мощности и температуре теплоносителя, поставляются в Россию, в том числе Санкт-Петербург. Фирма “Waterkotte”, тепловые насосы которой поставляют в Россию, считается производителем №1 тепловых насосов в Европе.

Основным поставщиком ветроэнергетических установок является фирма “Siemens” из Германии. Около 1 % всех ВЭУ в России разрабатываются по лицензиям фирмы “Siemens”. Ветроустановки мощностью 4 кВт могут быть использованы как часть общей энергоустановки в крестьянском хозяйстве. Компания AEnergy.ru предлагает микроГЭС с различными типами рабочего колеса мощностью от 5 до 180 кВт, которые могут эксплуатироваться на малых реках Красноярского края.

В Сибирском федеральном университете под руководством профессора А.Л. Встовского создана погружная микроГЭС с ортогональной гидротурбиной, которая может быть использована для энергообеспечения крестьянского (фермерского) хозяйстве при наличии малой речки в небольшом удалении от усадьбы.

Таким образом, краткий обзор фирм-изготовителей и характеристик выпускаемого оборудования позволяет сделать вывод о возможности создания энергоэффективной усадьбы с возобновляемыми источниками энергии.

При этом система теплоснабжения с ВИЭ может решать вопросы отопления, горячего водоснабжения, пассивного кондиционирования и вентиляции. Вопросы электроснабжения нагрузки потребителей могут быть выполнены на основе использования полупроводниковой электроники с минимальным потреблением электроэнергии.

Создание энергоэффективной усадьбы должно складываться из следующих этапов:

• -    разработка и утверждение задания на проектирование;

• -    разработка строительного проекта современного жилого дома и производственных помещений с наличием архитектурных элементов;

• -    разработка технического проекта системы энергоснабжения;

• -    монтаж, наладка и испытание систем энергообеспечения;

• -    производственные испытания энергетических режимов дома с ВИЭ.

На территории Красноярского края 88 крестьянско-фермерских хозяйств и предпринимателей, которые связаны с животноводческой деятельностью. При рассмотрении вопроса распределения количества животных по хозяйствам следует учитывать и хозяйственно-экономические зоны районирования. Различие климатических условий необходимо знать при проектировании основных зданий и сооружений (табл. 1).

Таблица 1

Количество крестьянско-фермерских хозяйств, имеющих поголовье по группам животных

Кол-во поголовья	Группа животных					Число хозяйств в зоне
	КРС	Коровы	Свиньи	Лошади	Овцы
1	2	3	4	5	6	7
Восточная зона
До 25	4	9	2	4	-
26-50	6	5	2	-	1	24
51-100	5	1	3	-	-
Свыше 100	-	-	1	-	2
Западная зона
До 25	8	20	1	4	2	35
26-50	5	1	-	1	-
51-100	9	-	1	-	1
Свыше 100	5	4	2	-	-
Центральная зона
До 25	-	3	-	3	-	7
26-50	-	-	-	-	-
51-100	3	1	2	-	-
Свыше 100	1	-	3	-	-

Окончание табл. 1

1	2	3              1	4            1	5 1	6            1	7
Южная зона
До 25	3	4	-	-	-	6
26-50	3	1	-	-	-
51-100	-	-	1	-	-
Свыше 100	-	-	-	-	-
Северная зона
До 25	2	1	3	3	-	16
26-50	-	-	-	1	-
51-100	-	1	2	-	-
Свыше 100	1	-	3	-	-

Крестьянско-фермерские хозяйства в большей степени развиваются в западной группе районов – 35 предприятий, несколько меньше данный показатель в восточной зоне – 24, в северной зоне – 16. В центральной и южной зонах развитие такого рода деятельности не получило широкого распространения – 7 и 6 хозяйств соответственно.

По видам хозяйственной деятельности выращивание крупного рогатого скота и свиней занимает лидирующие позиции во всех зонах, показатель количества содержания дойных коров несколько ниже и лишь отдельные хозяйства занимаются разведением и выращиванием лошадей и овец.

При анализировании имеющегося поголовья в крестьянско-фермерских хозяйствах Красноярского края фактически невозможно в среднем определить оптимальное количество животных. В каждой зоне имеются хозяйства, где поголовье различных групп животных до 5 голов. Исходя из этого, предлагаем разрабатывать проекты животноводческих помещений блочного типа (для 5–10 гол.) с возможностью наращивания объектов по мере потребности.

Ряд хозяйств западной зоны имеют достаточно большую производственную базу с высоким числом поголовья, для таких предприятий следует предлагать проекты с блоками на 100 и более животных.

При проектировании следует учитывать, что помещения для животных должны быть прямоугольной или квадратной формы. Стойловое содержание с выгулом групп должно предусматриваться для коров, КРС, лошадей, кур, овец, круглогодичное содержание в помещении – для кур и свиней (табл. 2) [3].

Функциональное назначение и основные технические показатели объекта

Таблица 2

Объект	Площадь, м2
Жилое помещение	200
Коровник	25
Выгульная площадка	25
Моечная, молочный цех	50
Склад	50
Помещение для КРС	25
Телятник с отсеками	15
Свинарник	8,5
Отсеки для поросят	8,0
Конюшня (содержание 1 гол.)	12-16
Птичник (содержание 30-50 гол.)	25
Гараж	25
Кормоцех	25
Сенохранилище	10х10, h-5
Зернохранилище	60х20, h-5
Силосная яма	25х15, глубина 3 м
Весовая	20

Согласно методике определения потребности в средствах электроснабжения для социального развития села (протокол Минсельхоза № 41 от 27.12.2001), по количеству животных, крестьянско-фермерское хозяйство относим к 3 типу. Для 3 типа крестьянско-фермерских хозяйств нормы потребляемой мощности и энергопотребления составляют:

• -    для жилого дома площадью 200 м² – 50,4 кВт и 55218 кВт ^. ч/год;

• - для ведения крестьянско-фермерского хозяйства – 7,4 кВт и 2584 кВт ^. ч/год [2].

Для решения проблемы теплопотерь и необходимости применения новейших энергосберегающих технологий с привлечением современных конструкций, энергосберегающей сантехники и инженерного оборудования следует учитывать требования при архитектурно-планировочных и конструктивных решениях и предусмотреть в жилом здании:

• 1)    подвальное помещение для размещения теплового насоса ≥ 25 м²;

• 2)    конструкцию крепления солнечного коллектора для получения горячей воды не менее 12 м² на южном скате крыши с возможностью регулирования угла наклона от 30 до 75⁰;

• 3)    установку (крепление) на кровле фотоэлектрических панелей для выработки электроэнергии мощностью не менее 5 кВт. Скат крыши южный, юго-западный, юго-восточный, регулирование угла наклона от 30 до 75⁰;

• 4)    увеличение площадей животноводческих помещений по блокам.

• 2.    Производственные помещения сельскохозяйственного назначения рекомендуется возводить одноэтажными энергоэффективными блоками для содержания животных, рассчитаных на 5 гол. с возможностью наращивания по мере увеличения поголовья.

При проектировании систем энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей с использованием ВИЭ следует учитывать районирование территории Красноярского края по ветровым зонам, поступлению солнечной радиации и другим потенциальным возможностям использования ВИЭ. Районирование, выполненное сотрудниками кафедры электроснабжения сельского хозяйства Красноярского государственного аграрного университета под руководством член-корр. РАСХН Н.В. Цугленка, показало, что потенциальные ветроэнергетические ресурсы при переходе от первой (среднегодовая скорость ветра менее 1 м/с) к седьмой ветровой зоне (среднегодовая скорость ветра более 7 м/с) изменяются от 21, до 1,104 ГДж/м2. При этом технические ветроэнергетические ресурсы в зависимости от конструктивных особенностей ВЭУ при переходе от первой ветровой зоны к седьмой изменяются от 5,945 до 0,279 ГДж/м2, а удельная мощность ветра, приходящая на единицу площади поперечного сечения воздушного потока, изменяется от 682 до 35 Вт/м2 [4, 5]. Следует учесть, что из семи рассмотренных ветровых зон эффективными для использования ВЭУ при горячем водоснабжении усадебных домов являются первые четыре, в которых средний коэффициент использования установленной мощности превышает 0,25. В остальных ветровых зонах неэффективно использовать ветроэлектрические установки [5]. Кроме того, следует учесть, что скорость ветра [1, 4, 5] и поступление солнечной радиации (табл. 3) [6] имеют сезонный характер, что, несомненно, скажется на выборе мощности энергетического оборудования, использующего ВИЭ.

Таблица 3

Поток солнечной радиации за сутки Э h , кВт∙ч/(м²∙сут.) и МДж/(м²∙сут.) в пригороде Красноярска

Показатель	Месяц
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
кВт∙ч/ (м2∙сут.)	0,93	2,24	4,15	6,37	8,68	9,36	8,76	7,10	4,84	2,83	1,26	0,73
МДж/ (м2∙сут.)	3,34	8,04	14,94	22,93	31,25	33,69	31,53	25,56	17,42	10,19	4,54	2,63

Выводы