Дом, в котором можно пережить конец света

Эксперт REALTY.TUT.BY по вопросам возобновляемой энергетики, инженер «Inaleks Energy», Андрей Бедунько уже рассказывал о плюсах и минусах установки в частном доме солнечных панелей, солнечных коллекторов и ветрогенераторов. Сегодня поговорим о комбинации автономных систем, которые позволят жить без «централизованного» электричества и газа.

Предположим, мы хотим построить дом площадью 150 квадратных метров для проживания в нем двух взрослых и двух детей.

– Сделать комфортный дом без подключения к государственной электросети – задача не простая и финансово затратная, – сразу предупреждает Андрей Бедунько. – Но за время своей работы мне довелось видеть такие дома. И это были не маленькие деревенские домики, а красивые коттеджи в два этажа. Но стояли они в таких местах, где до ближайшего электрического столба было около 10 км через лес партизанскими тропами.

Из чего строить дом

– В последнее время я проникся идеей строительства соломенных домов, – рассказывает Андрей. – Столбчатый фундамент, деревянный каркас в два этажа, закладка стен прессованными соломенными блоками, южный скат крыши. У такого дома много плюсов. Он быстро возводится, не требуя применения тяжелой строительной техники. У него невысокая себестоимость и очень хорошие тепловые характеристики. Стены дышат.

При постройке обязательно стоит учесть подготовку воздуха (трубу в землю), чтобы была возможность дополнительной вентиляции дома зимой подогретым землей воздухом, а летом – охлажденным.

dom_v_glushi_tablica_6

Рекуперативная вентиляция с точки зрения сбережения тепла – вещь хорошая. Но при постоянной работе (особенно зимой) очень затратная по электрической энергии. Поэтому от нее я бы отказался.

Чем топить дом

Дрова – удобный и легко доступный источник тепловой энергии даже после большинства вариантов конца света.

Хорошо было бы построить на первом этаже в центре дома реактивную печь с массивным теплоаккумулятором. В нее дополнительно встраивается контур съема тепла, если надо греть воду в какой-то емкости (например, для горячего водоснабжения).

По опыту эксплуатации, в соломенном доме площадью 100 м2 в мороз минус 20 градусов необходимо топить печь раз в 3 дня. Но это частный случай, и многое зависит как от дома, так и от конструкции печи.

dom_v_glushi_tablica_7

Реактивная печь

Если дом зимой может простаивать длительное время без людей (а электричество для автоматического отопления у нас в дефиците), то очень хорошо подходит пеллетный котел. Вещь дорогая по сравнению с другими котлами, но при этом хорошо автоматизируемая. И не требует постоянного внимания. Дополнительно установленная теплоаккумулирующая емкость позволит запускать его реже и работать белее эффективно. А большой бункер под пеллет дает длительное время автономной работы.

d21p_horak_dopravnik

Пеллетный котел

Для дома площадью 150 м2 будет достаточно котла мощностью 15-17 кВт. Пеллетный котел дополнительно комплектуется бункером для пеллет, транспортиром для подачи пеллет в колет и теплоаккумулирующей буферной емкостью. Возможно, необходимо будет дополнительно укомплектовать котел механизмом удаления золы (зависит от модели котла).

Емкость бункера должна быть достаточна для автономной работы котла на время отсутствия людей в доме. Обычно для таких целей хватает бункера от 500 кг.

Буферная теплоаккумулирующая емкость повышает эффективность котла и снижает частоту его включения. Для такого дома рекомендуется установить емкость объемом от 1 м3.

Для отопления рекомендуется использовать систему теплых полов. Низкотемпературное отопление повышает КПД системы отопления в дополнение к остальным плюсам.

Резюмируем: для каркасного дома из соломы на столбчатом фундаменте с системой воздухоподготовки я бы делал систему отопления из реактивной печи со встроенным контуром теплосъема и автоматическим пеллетным котлом с буферным теплоаккумулятором.

Откуда брать электричество

Теперь переходим к системе автономного электроснабжения.

Для примера воспользуемся таблицей мощностей и расхода оборудования дома (на основе реального запроса клиента):

dom_v_glushi_tablica_1

Таблица приведена для межотопительного сезона. Для зимнего времени она немного отличается, но не принципиально.

Да, наличие такой таблички позволяет более точно спроектировать систему под себя и гарантировать ее работоспособность в реальных условиях. В противном случае делается система на усмотрение продавца, а потом клиент «вжимает» в нее свои потребности. Конечно, в идеале было бы получить средний график суточного потребления по часам и увязать его со средней суточной солнечной активностью по месяцам, но это уже предел мечтаний.

Из таблицы необходимо получить два основных параметра: максимальная мощность и суточный расход. Далее получаем три необходимых фактора: максимальная мощность инвертора; необходимая генерация электроэнергии; емкость аккумуляторной батареи.

Максимальная мощность инвертора должна равняться максимальной мощности нагрузки. Но все потребители из таблицы не будут работать одновременно. Поэтому обычно достаточно, чтобы номинальная мощность инвертора равнялась половине максимальной мощности всей нагрузки. Поэтому для нашего примера возьмём инвертор номинальной мощностью 7 кВт (с перегрузкой до 16 кВт).

Источником генерации (выработки) электроэнергии у нас будет сочетание солнечных панелей и бензинового генератора. Солнечные панели понятны и легко прогнозируются на летнее время, а генератор – гарантированный источник энергии в любое время.

По статистике для нашей страны в межотопительный сезон 1 кВт солнечных панелей вырабатывает 4-6 кВт ч электроэнергии в сутки. Соответственно, для нашего примера достаточно установить массив солнечных панелей мощностью 3,5 кВт.

Резюмируем: системой электроснабжения для нашего дома будет инвертор мощностью 7 кВт, массив из солнечных панелей 3,5 кВт, аккумуляторная батарея с запасом энергии около 14 кВт ч, а также резервный генератор.

dom_v_glushi_tablica_8

Компоновка электрооборудования

Так как для частного дома характерны пики потребления в утренние и вечерние часы, то для избегания лишних потерь будем использовать систему с подключением солнечных панелей через зарядное устройство напрямую к аккумуляторам. Резервный генератор подключается как внешний источник сети переменного тока на вход инвертора.

Система предусматривает несколько источников энергии, один из которых – источник переменного тока. Для таких случаев лучше брать более дорогие двунаправленные инверторы (инвертор/зарядное устройство) с Т-мостом. На данный момент на рынке можно найти и европейское, и российское, и китайское производство. Несколько функциональных возможностей:

— возможность питания нагрузки от входа переменного тока (напр. генератора) с параллельным зарядом аккумуляторов излишками энергии: позволяет использовать генератор на номинальной мощности, что сокращает расход топлива и моточасы агрегата;

— возможность заряда аккумуляторов во время автономной работы с выхода переменного тока: подключение источника генерации (солнце, ветер, вода) через сетевой инвертор в цепь нагрузки по стороне переменного тока вплоть до создания удаленной распределенной генерации;

— синхронизация с внешним источником переменного тока и его усиление;

— возможность одновременной параллельной работы нескольких устройств с пропорциональным увеличением мощности (в том числе постепенное наращивание мощности).

dom_v_glushi_tablica_3

Схематичное строение системы электроснабжения

Контроллер заряда

Контроллер заряда обеспечивает соблюдение режима зарядки (тока и напряжения) аккумуляторов для их правильной долгой работы.

В нашем случае будет использоваться контроллер с поддержкой большинства типов аккумуляторов, напряжением заряда 48В, током заряда до 85А (мощность заряда 4 кВт) и входным напряжением 150 В, что немного изменит конфигурацию солнечного массива.

Желательно, чтобы инвертор и контроллер были одного производителя. Тогда обычно есть возможно увязать все оборудование друг с другом по внутреннему протоколу связи. При наличии нескольких источников энергии это необходимо, чтобы соблюсти параметры заряда аккумуляторов. В некоторых случаях контроллеры заряда комплектуются дополнительными датчиками тока, чтобы учитывать другие источники и корректировать при необходимости свой ток.

Мощность заряда должна быть приблизительно равна мощности массива солнечных панелей. Но при необходимости допускается превышение мощности солнечного массива над мощностью контроллера для работы в пасмурную погоду. Наиболее популярны в таком диапазоне контроллеры с токами заряда 60, 70, 85, 100А, или 2.88, 3.36, 4.08, 4.8 кВт соответственно.

Большинство мощных контроллеров заряда имеют функцию МРРT – поиск точки максимальной мощности (изменение входного напряжения для максимизации выработки). Диапазон входного напряжение обычно значительно превышает напряжение АКБ, что позволяет подключать панели последовательно в цепочки, а потом эти цепочки уже делать параллельными. С одной стороны, это уменьшает количество кабелей и потери на них. С другой стороны, это увеличивает производительность солнечных панелей с пасмурную погоду.

Сейчас на рынке мощные зарядные устройства есть с входным напряжением 150, 200, 250, 600В, что позволяет подключить последовательно до 3, 4, 5 и 12 панелей (на 60 ячеек напр. 250 Вт) последовательно, а потом наращивать мощность параллельно устанавливаемыми симметричными цепочками.

Массив солнечных панелей

Наиболее популярны и приемлемы по цене солнечные панели из поликристаллического кремния (синие) мощностью 250 Вт. Входное напряжение контроллера заряда в 150 позволяет подключать панели параллельными цепочками из трёх последовательно соединенных панелей в каждой. Такое подключение сокращает количество кабелей, повышает производительность в пасмурную погоду и сокращает потери.

У нас будет 5 цепочек по 3 последовательно соединенные панели. Общая мощность массива панелей будет 3,75 кВт. При необходимости можно будет добавить еще 3 панели.

Аккумуляторы

В качестве аккумуляторов возьмем самый удобный для автономных систем вариант, но при этом и один из самых дорогих – литий-ионные аккумуляторы. Если быть точным, то литий-железо-фосфатные. Использование таких аккумуляторов даст 10-15 лет нормальной работы до их замены. Для получения необходимого запаса энергии в 14 кВт ч нам необходимо поставить 8 аккумуляторов напряжением 12В ёмкостью 200Ач (при глубине разряда 70%, что даст около 3000 циклов заряда/разряда).

Если брать свинцово-кислотные аккумуляторы, то разряжать их рекомендуется не более чем на 30%, а ток заряда не должен превышать 10% от ёмкости (0,1С). Для примера я взял литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4, LFP). Плюсы:

— высокие зарядные/разрядные токи (0,5С-1С);
— меньший вес и объем (по сравнению со свинцово-кислотными);
— возможный глубокий разряд;
— большое количество циклов заряда-разряда (3000-5000);
— отсутствие кривой заряда.

Использование таких аккумуляторов может дать 10-15 лет нормальной работы. И в рамках такой перспективы при текущих ценах их использование окажется дешевле по сравнению со свинцово-кислотными.

Правда, учесть развитие технологий и изменение цены крайне сложно. Из важных минусов можно выделить два:

— особый режим заряда при отрицательных температурах;
— высокая разовая стоимость.

Если сравнивать со свинцово-кислотными аккумуляторами различных модификаций, то в условиях бытового использования 1 LFP аккумулятор заменяет 3 свинцово-кислотных аккумулятора аналогичной ёмкости. А если посмотреть в перспективу 10 лет, то за это время он заменит собой 9 свинцово-кислотных аккумуляторов аналогичной ёмкости (ввиду значительно большего количество циклов заряда-разряда)

Дополнительно в комплектацию системы добавим блок BMS (управление зарядом/разрядом каждого аккумулятора отдельно) и блок мониторинга для наблюдения за текущими параметрами системы (в том числе удаленно) и изменения некоторых настроек без подключения системы к компьютеру.

Итого получаем следующую компоновку:

dom_v_glushi_tablica_4

Суммарная розничная стоимость – 27 тысяч долларов. Стоимость состоит из трех основных групп:

1) инвертор + контроллер заряда: 3 тысячи 640 долларов.

2) аккумуляторы + BMS: 18 тысяч 230 долларов (1272 долларов за 1 кВт ч). (Аккумуляторы можно поставить более дешевые, но их понадобится больше для того же запаса энергии, их зарядные характеристики и КПД будут хуже, менять придется чаще и в долгосрочной перспективе выйдет это дороже).

3) солнечные панели + каркас: 4 тысячи 280 долларов.

Я рассмотрел оборудование европейского производства и расписал мощную систему с большой аккумуляторной батареей, рассчитанной на долгую работу (от 10 лет).

Также сравним с похожим (на сколько это возможно) российским оборудованием.

dom_v_glushi_tablica_10

*суммарная емкость АКБ составляет 8,6 кВт ч.

Розничная стоимость:
1) инвертор + контроллер: 3 тысячи 240 долларов.
2) аккумуляторы + BMS: 7 тысяч 800 долларов (907 долларов за 1 кВт ч).

Российское оборудование приблизительно равного функционала по цене получилось дешевле европейского. По отзывам клиентов оно так же заслуживает внимания.

В систему электроснабжения войдет и генератор. Выбор его типа зависит от того, где будет стоять оборудование и к какому ресурсу есть доступ (газ, бензин, дизель). Минимальная мощность – 5 кВт, рекомендуемая мощность равняется мощности инвертора — 7-8 кВт.

Желательно использовать инверторный генератор с функцией запуска/останова по замыканию/размыкания сухого контакта (это упрощает автоматизацию).

Чем греть воду

На нужды горячего водоснабжения я бы использовал бойлер на 200-300 литров с несколькими теплообменниками, снимая тепло с печи и пеллетного котла в зимнее время.

В летнее время я бы использовал pv-heater – систему нагрева воды через электрический ТЭН от солнечных панелей. Принцип работы простой: солнечные панели вырабатывают электроэнергию и через ТЭН греют воду. Система из 9 панелей мощностью 250 Вт в сутки будет нагревать до 150 литров горячей воды.

dom_v_glushi_tablica_9

У pv-heaterа есть несколько серьезных плюсов:

1) система работает автономно без подвода электроэнергии (а, к примеру, солнечным коллекторам (как альтернативному варианту pv-heaterа) необходимо подключение к сети);

2) простой и быстрый монтаж (почти полное отсутствие сантехнических работ, прокладка кабеля проще и быстрее прокладки труб с утеплителем);

3) высокая надежность и работоспособность системы (система не перегревается при отсутствии разбора воды, отсутствие движущихся механизмов (насоса), отсутствие протечек);

4) отсутствие необходимости в техническом обслуживании: система требует минимального внимания (в системах с солнечным коллектором раз в два года необходима замена теплоносителя солнечного контура, также может понадобиться внеплановое обслуживание системы после перегрева).

То есть это система, которая занимает много места, но при этом не требует обслуживания и может долго стоять без дела. Конечно, минусом является низкий КПД солнечных панелей – приблизительно в 6 раз ниже солнечных коллекторов, что выливается в 6 раз большую занимаемую площадь. Но это уже тема отдельной статьи, – подытоживает Андрей.

Резюме: для подогрева воды будет использоваться пеллетный котел и солнечные панели.

– Как мы видим, решение задачи автономного дома с должным уровнем комфорта возможно. Но оно требует комплексного подхода к выбору оборудования, точного расчета и серьезных финансовых затрат. Автономность стоит дорого.

2015.05.11_house_for_doomsday

 

Олеся Смирнова / Инфографика: Антон Девятов

Categories: Ноу-хау

Комментировать новость

Ваш адрес электронной почты не будет опубликован.
Обязательные поля помечены*