Аккумуляторы тепла и холода помогут построить эффективные децентрализованные системы отопления

Если отталкиваться от понятия о порогах энергоэффективности зданий и поселений, выяснится, что различия в условиях поселения людей в России и Европе определяются скорее климатом, чем уровнем жизни или культурными традициями.

Большинство населения в России живёт в гораздо более холодных условиях, чем в Европе или Северной Америке. Во всех странах Северной Европы отопительный сезон существенно короче, чем в средней полосе России. А из европейских городов с миллионным населением только Хельсинки может сравниться с Москвой по энергоклиматическим нагрузкам, по годовому количеству градусо-часов.

В тисках теплового дефицита

 Градусо-часы отопительного периода - это произведение его длительности на разницу температур между требуемой в помещении (+20 °С) и средней температурой воздуха на улице в отопительный сезон. Это показатель теплового дефицита конкретной территории. Например, в Московском регионе средняя длительность отопительного сезона составляет 199 суток, а средняя внешняя температура отопительного периода – около -1,5 °С. То есть, дефицит тепла в Москве примерно 103 тыс. градусо-часов, в то время как в районе Стокгольма –меньше 90 тыс. В Париже отопительный сезон длится всего четыре месяца против московских семи, а дефицит тепла почти в три раза меньше -38 тыс. градусо-часов. Лондон по этому показателю примерно на уровне Парижа. Однако Москва - не самый холодный город в России. Здесь чем севернее и восточнее, тем холоднее зимой.

Рассредоточенная система расселения в Западной Европе объясняется во многом её мягким климатом. Если принять, что необходимость применения коммунальных систем жизнеобеспечения возникает при дефиците тепла в 8496 тыс. градусо-часов, то для большинства регионов России предпочтительнее концентрация потребителей тепла и, соответственно, использование централизованных систем тепло- и электроснабжения. Что и предопределяет компактность проживания. Недаром в Европе города с тепловой нагрузкой свыше 60% от московских значений тоже активно развивают централизованное теплоснабжение и теплофикацию.

Можно провести климатическую границу, которая разделит районы страны, где эффективно централизованное и децентрализованное отопление. В Центральном регионе России она пройдёт примерно на широте Белгорода и Саратова. Эта же граница отражает энергетическую целесообразность строительства коттеджей (по традиционным технологиям).

Эффект муравейника

 Тепловые потери в зданиях происходят в основном через стены с окнами. Так, если разделить большое здание общим объёмом 100 000 м3 на десять отдельных строений объёмом по 10 000 м3, потери тепла возрастут в 2,5 раза. И чем больше дробится здание, тем больше увеличиваются суммарные затраты на отопление. Отсюда также следует, что ниже определённого объёма (скажем, 2500-3000 м3) здание оказывается энергетически расточительным. На основании этого подхода говорят о трёх порогах энергоэффективности зданий и поселений.

Первый порог возникает при переходе от коттеджей (индивидуальных домов) к многоквартирным с объёмом 3000 м3. Ориентировочно это два подъезда, три-четыре этажа. При этом резко уменьшается отношение внешней площади стен к объёму, снижается поступление холода к внутренним помещениям. Удельное потребление тепла в таких зданиях ниже по сравнению с коттеджами примерно в три раза.

Второй порог энергоэффективности возникает, когда таких домов становится много, а потому тепловая нагрузка оказывается достаточной для создания системы централизованного отопления. Это город с населением 90-150 тыс. человек. Даже если будут использоваться котельные на пять-шесть домов, удельные затраты окажутся невысокими и будет оправдано содержание общей для города ремонтной службы.

Третий порог отражает переход к городу с численностью населения 300 тыс. Тогда становятся эффективными ТЭЦ, которые вырабатывают и тепло, и электричество. В этом случае степень использования топлива повышается примерно на треть. Кстати, город с населением 300 тыс. человек оптимален не только по энергоэффективности, но и с точек зрения организации транспорта и комфортного проживания в целом. Когда число жителей превышает 500 тыс., эти преимущества начинают утрачиваться. Для развития городов-миллионников нужны специальные инфраструктурные решения - и по энергетике, и по транспорту.

В последнее время проблемы теплоснабжения поселений предлагается решать с помощью энергопассивных домов. Такие дома не потребляют внешнего тепла, поскольку им хватает поступления солнечной радиации через окна, а также теплового излучения от бытовых приборов и людей. При возведении энергопассивных домов используются жёсткие строительные стандарты и различные энергоэффективные технологии, конструкции и материалы. Такие дома, как правило, также имеют собственную систему электро- и теплоснабжения на основе фотоэлектрических преобразователей и солнечных нагревателей. Пока отечественная индустрия не освоила массовое производство стройматериалов и оборудования для энергопассивных домов, сроки их окупаемости остаются запредельно высокими.

Усредняя температуру

 Говорят, если ты не можешь справиться с каким-либо явлением, обрати его себе на пользу. Суровый российский климат приносит нам не только длинные и холодные зимы, но и большой разброс температур в летнее и зимнее время. Нужно только уметь им распорядиться. Автор предлагает удлинить рабочий цикл системы кондиционирования дома до года, чтобы она накапливала тепло летом, одновременно генерируя холод, и тратила тепловую энергию зимой. Этого можно достичь, используя солнечный соляной пруд как накопитель тепла и котлован со льдом/талой водой как источник холода летом и тепла зимой .

Генерация тепла в такой системе получается двухступенчатой. Летом параллельно с выработкой холода происходит запасание низкопотенциальной теплоты (в воде котлована, грунте и рассоле пруда). Зимой это низкопотенциальное тепло с помощью теплового насоса направляется на обогрев жилых помещений.