CC BY
44
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №6 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-6 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/102TVN615.pdf DOI: 10.15862/102TVN615 (http://dx.doi.org/10.15862/102TVN615)
УДК 697.329
Лебединская Алла Робертовна
ФГАОУ ВПО «Южный Федеральный университет» Академия архитектуры и искусств Россия, Ростов на Дону1 Доцент кафедры «Инженерно-строительных дисциплин» Кандидат физико-математических наук E-mail: [email protected]
Ломакова Виталия Михайловна
ФГАОУ ВПО «Южный Федеральный университет» Академия архитектуры и искусств Россия, Ростов на Дону Студент 3 курса Учебная группа АП32 E-mail: [email protected]
Применение энергосберегающих технологий при воссоздании оранжерей Южного Федерального Университета г. Ростова на Дону
1 344082, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, пр. Буденновский, 39
Аннотация. Статья посвящена очень важной и актуальной на сегодняшний день теме поиска оптимальных энергосберегающих решений при эксплуатации объектов городской инфраструктуры в различных климатических зонах, а в частности, в городе Ростове на Дону. Поиск решения проводится авторами комплексно как с архитектурной, так и с технической позиций. Изучение подходов к решению поставленной проблемы показало, что в Ростовской области возможен целый ряд преобразований, связанных с усовершенствованием городской и сельской инфраструктуры, в данном случае модернизация оранжерей Ботанического сада Южного Федерального Университета. Было показано, что в климатических условиях Ростове-на-Дону есть все условия для использования энергосберегающих систем. В статье рассмотрены все необходимые условия для использования источников альтернативной энергии (солнечные батареи и ветроэнергетические установки), обоснована целесообразность их применения в данной климатической зоне, а также предложен ряд других мероприятий (технические, архитектурно-планировочные и др.), повышающие энергоэффективность, экологичность и экономичность работы оранжерей в целом. В статье проведен оценочный расчет по трем типам солнечных батарей в соответствии с техническими параметрами оранжерей. В своих предложениях и рекомендациях авторы постарались сделать упор на устройства, в первую очередь, от российских производителей.
Ключевые слова: энергоэффективность; энергосбережение; альтернативные источники энергии; солнечные батареи; ветроэнергетические установки; оранжереи; потребляемая мощность; экологичность; возобновляемые источники энергии.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Лебединская А.Р., Ломакова В.М. Применение энергосберегающих технологий при воссоздании оранжерей Южного Федерального Университета г. Ростова на Дону // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №6 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/102TVN615.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/102TVN615
Статья опубликована 25.11.2015.
В наши дни строительство и проектирование как правило связано с использованием инновационных технологий и научных достижений в инженерно-строительной отрасли. При развитии новых конструктивных систем и энергосберегающих решений по всему миру воплощаются в жизнь большое количество проектов садов и оранжерей [1, 2].
Оранжерея Ботанического сада в настоящее время представляет собой практически не подлежащее ремонту сооружение в связи со сроком, прошедшим со времени её строительства (см. рисунок 1). Требуется строительство новой оранжереи.
Рисунок 1. Сегодняшнее плачевное состояние бывших оранжерей Ботанического сада ЮФУ
(фото авторов работы)
Несмотря на статусы особо охраняемой природной территории (ООПТ) федерального значения и статус памятника природы Ростовской области средств на поддержание данных статусов не выделено Ботаническому Саду Южного Федерального Университета [3, 4].
На данный момент в Ботаническом саду Южного Федерального Университета проводятся работы по строительству новых оранжерей. Уже возведены два здания оранжерей общей площадью 800 м2 (рисунки 2, 3). Они предназначены для выращивания субтропических и тропических культур, для адаптирования растений из пробирки. Оранжерея реализуется в соответствии с программой развития Ботанического сада, одобренной наблюдательным советом ЮФУ. На реализацию проекта отведено пять лет, его бюджет составляет 600 млн рублей.
Рисунок 2. Строительство новых оранжерей (фото авторов)
Рисунок 3. Новые строящиеся оранжереи — современное состояние (фото авторов работы)
Чтобы возводимые оранжереи отвечали современным требованиям к такого рода объектов и эксплуатация оранжерей была минимально затратной необходимо учесть следующие предложения по совершенствованию энергосберегающей части проекта оранжерей Ботанического сада ЮФУ [5, 6]:
а) использование солнечных батарей. Панель солнечных батарей, которую также называют фотоэлектрической, состоит из 40-80 фотоэлементов. Фотоэлемент представляет собой миниатюрную электростанцию, которая преобразует улавливаемый солнечный свет в электроэнергию. Электроэнергия постоянного тока преобразуется в переменный ток (230 В) с помощью трансформатора. Такой источник может передавать энергию в электрическую сеть. Полученную энергию можно сразу же использовать. Неиспользованная энергия возвращается в электросеть. Система разработана с учетом годовых колебаний солнечной активности. Покрытие пропускает неяркие солнечные лучи (зимние) и защищает от лишней освещенности, охлаждает воздух в летнее время.
Солнечные батареи эффективны при энергосберегающей системе оранжереи. Лучше всего расположить их на скатах крыш, которые находятся на южной стороне. В данном случае скаты крыш ориентированы на юго-восточную и северо-западную стороны. Угол крыши
составляет около 30 градусов. На рисунке 4 представлена карта, по которой можно определить уровень инсоляции на территории России.
Рисунок 4. Потенциал солнечной энергии в России [7]
Климат Ростова-на-Дону — умеренно-континентальный, с мягкой зимой и жарким летом. Географические координаты города Ростов-на-всДону: широта 47°, долгота 39°. Продолжительность солнечного сияния в г. Ростов-на-Дону около 2000 часов в год. Суммарная солнечная радиация на вертикальной поверхности за год равна 1622 кВт*ч/м2, а средняя величина за год равна 136 кВт*ч/м2. Данные показатели говорят об эффективности использования солнечной энергии как в летнее, так и в зимнее время в городе Ростове-на-
Дону.
б) Приспособления для бора и переработки дождевой воды. В оранжереях одной из основных необходимых затрат является потребление воды. Поэтому для рационального использования водных ресурсов и уменьшения потерь воды можно использовать переработку дождевой воды. Для этого существуют определенные системы сбора. Последовательность: сбор дождевой воды с крыши оранжереи, очистка от крупных объектов, очистка в специальных фильтрах, вода попадает в цистерну для хранения. Количество осадков в Ростове-на-Дону за апрель-октябрь равно 346 мм, а за ноябрь-март - 219 мм, то есть имеется значительный ресурс экономии.
в) Использование ветроэнергетических установок. Ветроэнергетические установки бывают различных размеров, так для оранжереи подойдет простая и бюджетная мельница с вырабатываемой мощностью от 750 Вт до 2000 Вт. Установка занимает не большой участок (500х500 см) и может располагаться рядом с оранжереей, не затеняя ее. Ростов-на-Дону находится в степной местности, ветер в летнее время преобладает в северо-восточном направлении, а в зимнее время в восточном направлении. Преимуществом ветряного генератора является, прежде всего в том, что в ветряных местах, ветер можно считать неисчерпаемым источником энергии [8].
Рисунок 5. Карта ветроресурсов России [9]
Кроме того, ветрогенераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами. В Ростове на Дону в течение года преобладают ветры с восточной составляющей (50%), из них восточные ветры составляют 28%. Доля ветров с западной составляющей - 33%, из них западные ветры - 15%. Южные и северные ветры имеют небольшую повторяемость -16%. Данная ситуация сохраняется в течение всего года, лишь в летний период несколько возрастает повторяемость ветров с западной и северной составляющими.
Среднегодовая скорость ветра составляет 4,3 м/сек. В годовом ходе наибольшие скорости ветра отмечаются в холодный период, достигая 5,2 м/сек. В тёплый период среднемесячные скорости ветра уменьшаются до 3,5 м/сек.
Рисунок 5. Роза ветров для Ростова на Дону
К недостаткам устройств по производству ветряной энергии можно отнести непостоянство силы ветра и малую мощность единичного ветрогенератора. Также ветрогенераторы известны тем, что производят много шума, вследствие чего их стараются устанавливать вдали от мест проживания людей.
г) Применение светозащитных стекол для создания и поддержания микроклимата в оранжерее. Для нормального роста растению необходим процесс фотосинтеза. Фотосинтез
растений зависит от многих факторов, но в первую очередь от наличия видимого света с длиной волны 380 ^ 760 нм.
Стекла со светофильтрами пропускают спектр определенного значения. Это позволяет выбрать нужные стекла со светофильтров для конкретных растений. Светофильтр на стекло наносится распылением. Из-за такого способа напыления стекла остаются прозрачными и не меняют цвет света внутри помещения. На рисунке 6 схематически представлены все вышеперечисленные мероприятия по совершенствованию работы оранжерей.
Рисунок 7. Конечный вид оранжереи Ботанического сада (3Б модель разработка
авторов работы)
В 3D- модели авторами разработан внешний вид здания оранжереи Ботанического сада ЮФУ. На рисунке 20 показано учет воздействия внешних факторов и их переработка в энергетические ресурсы. С помощью солнечных батарей вырабатывается энергия на нагрев воды и дополнительное освещение и обогрев. В зимнее время эта энергия используется и для превращения снега с крыш в воду, которая проходит дальнейшую очистку и идет на полив цветов. Ветряная электростанция расположена таким образом, что ее лопасти направлены на восточную сторону и совпадают с преимущественным направлением ветра в данной местности.
Таким образом, на 3D модели представлен проект будущей оранжереи, которая самостоятельно может покрывать большую часть своих энергозатрат за счет эффективного использования альтернативных энергоресурсов - солнечной и ветровой энергии.
Для оценки электропотребления приборов и техники в оранжерее, обеспечивающих
полноценную работу, учтено следующее оборудование [10]:
• насосы для полива;
• циркуляционные насосы для отопления;
• осветительные приборы.
Для расчета затрат на электроэнергию необходимо задать следующие параметры приборов: время работы прибора и мощность прибора.
Выбираем часто используемое инженерное оборудование для оранжерей и на его примере ведем расчеты электропотребления.
A) Насосы фирмы Grundfos PFBasic 1-30 датского производства, имеющие следующие рабочие характеристики:
• Тип - поверхностный обычный; Имеется дополнительная функция повышения давления;
• Максимальный напор - 34 м;
• Пропускная способность - 2.48 куб. м/час;
• Напряжение сети - 220/230 В;
• Номинальная мощность - 470 Вт;
• Регулируемые циркуляционные насосы для отопления.
Б) Регулируемые циркуляционные насосы фирмы ALPHA Pro, имеющие рабочее напряжение 230 В.
B) Осветительные приборы компании «Рефлакс» с источниками света натриевыми лампами в зеркальной и традиционной трубчатой колбе, приспособленными для выращивания растений в промышленных теплицах мощностью от 400 до 1000 Вт.
Таким образом, необходимое количество энергии для работы оранжереи в сутки составляет 400 кВт.
С учетом полученного значения электропотребления далее рассчитываем необходимое количество энергии получаемой за счет работы солнечных батарей.
Для получение наиболее экономически выгодного результата рассмотрим несколько вариантов солнечных батарей разных фирм, отдавая предпочтение отечественным производителям, таких как:
1) Солнечные батареи Квант КСМ, Производитель: Россия, НПП Квант. Характеристики:
Габариты (Длина х Ширина х Высота): 1586 х 806 х 35; Масса 16 кг;
Номинальное напряжение в цепи: 24/48 В;
Срок службы: более 40 лет;
Материал: Монокристаллический кремний.
2) Солнечные батареи 100 Вт ФСМ-100М, 12В моно. Характеристики:
Пиковая мощность: 100 Вт ±3%; Номинальное напряжение: 12 В;
Напряжение в точке максимальной мощности - 18,6 В; Ток в точке максимальной мощности: около 5.37 А; Напряжение холостого хода: около 22.5 В; Размеры: 1193x543x35 мм; Вес: 9 кг.
3) Солнечные батареи Hevel Р7. Характеристики: Номинальная мощность 125 Вт; Размеры 1400х1200х1500.
Для преобразования солнечной энергии в электрическую необходимо:
• солнечная батарея;
• контроллер уровня зарядки аккумуляторных батарей (АКБ);
• инвертор.
Ориентировочная оценка энергии необходимой для обеспечения функционирования приборов и оборудования оранжереи проведена из расчета двух отопительных приборов, двух приборов для подачи воды и 50 осветительных приборов суммарной потребляемой мощностью 31400 Вт (потребление в час) и среднесуточным расходом энергии 400000 Вт.
Токовая нагрузка увеличивается в два раза для обеспечения двухдневного энергоснабжения. Учитываем допустимую глубину разрядки батареи 0,7.
Для расчета необходимого количества батарей использована формула [11]:
Количество батарей (К) = потребляемая энергия/время освещенности батарей х мощность батареи:
Расчет для батареи №1: N1=31400/5.1 х 180 = 34.3= 35 батарей;
Расчет для батареи №2: N2=31400/5.1 х 100 = 62 батареи;
Расчет для батареи №3: N3=31400/5.1 х 125 = 50 батарей.
Для расчета экономической выгоды солнечных батарей нужно необходимое количество батарей умножить на стоимость одной батареи:
Экономическая выгода батареи №1=17500 х 35 = 612000 руб.;
Экономическая выгода батареи №2=7000 х 62 = 434000 руб.;
Экономическая выгода батареи №3=8985 х 50 = 449250 руб.
Находим протяженность батарей по периметру крыши оранжерей:
Батарея 1- длина 806 м х 35шт = 282 м;
Батарея 2 - длина 543м х 62шт = 336 м;
Батарея 3 - длина 1200м х50 = 600 м.
Таким образом, наиболее экономически выгодным вариантом при допустимой длине является солнечные батареи 100 Вт ФСМ-100М.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В представленной работе была поставлена задача поиска способов усовершенствования работы оранжерей максимальным использованием альтернативных источников энергии и энергосберегающих технологий. Предлагаемые меры оцениваются следующими характеристиками:
• отсутствие негативного влияния на окружающую природную среду, сохранение ее естественного вида;
• экономия энергетических ресурсов;
• возможность автономной работы оранжереи;
• развитие и модернизация Ботанического сада;
• улучшение работы сотрудников;
• упрощение эксплуатации помещения;
• простота в установке и замене частей энергосберегающей системы.
Изучение подходов к решению поставленной проблемы показало, что в Ростовской области возможен ряд преобразований, связанный с усовершенствованием и осовремениванием городской и сельской инфраструктуры, в данном случае модернизация оранжерей Ботанического сада Южного Федерального Университета. Было показано, что в Ростове-на-Дону есть все условия для использования энергосберегающих систем. Используя различные энергетические установки можно преобразовать и модернизировать жизнь людей, делать ее более комфортной. Развитие технологий должно способствовать развитию всех аспектов, в том числе и энергосбережение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Щукин А. Время модернизации городов // Эксперт, 2010, №22.
2. Денисов Н.Г. Внедрение экологичных и энергосберегающих технологий. Опыт Краснодарского Края // Здания высоких технологий, 2014 Режим доступа: http://zvt.abok.ru/articles/151/Vnedrenie_ekologichnih_i_energosberegayuchshih_teh по^п.
3. Постановление Правительства РФ от 28 мая 2013 года №449 «О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности».
4. http://sfedu.ru/www/sfedu$news$.show_full?p_nws_id=41414.
5. Васильев Г.П. Зеленое» строительство, как инструмент экономии первичного топлива // Энергосбережение, 2011, №8.
6. Ионов В.С. Альтернативные источники тепла в ЖКХ // «Энергосбережение», 2006, №1.
7. http://altenergiya.ru/sun/raz-dva-tri-raschet-proizveli.html.
8. Бабина, Л.В. Анализ ветроустановок для электростанций малой мощности [Электронный ресурс] / Л.В. Бабина // Научный журнал КубГАУ. - 2012. - №78.
9. http://www.kd-mayak.info/71004-kak-postroit-prostejshij -vetrogenerator-bochkogenerator.html.
10. http://www.debetsschalke.com/ru/oborudovanie/solnechnye-batarei-v-teplitsakh.
11. http://net220.ru/poleznye_stati/solnechnaya_radiaciya_tablicy_insolyacii/.
Рецензент: Статья рецензирована членами редколлегии журнала.
Lebedinskaya Alla Robertovna
Southern Federal University, Academy of Architecture and Arts
Russia, Rostov-on-Don E-mail: [email protected]
Lomakova Vitaliya Mihailovna
Southern Federal University, Academy of Architecture and Arts
Russia, Rostov-on-Don E-mail: [email protected]
The use of energy-saving technologies in the reconstruction of greenhouses of the Southern Federal University
in Rostov-on-Don
Abstract. The article is devoted to a very important problem today for finding optimal solutions for energy-efficient operation of urban infrastructure in various climatic zones and in particular in the city of Rostov-on-Don. Finding the solution is carried out by the authors as a complex architectural and technical positions. The study of approaches to the solution of the problem showed that in the Rostov region a number of possible changes associated with the improvement of urban and rural infrastructure, in this case, the modernization of greenhouses of the Botanical Garden of the Southern Federal University. It was shown that the climatic conditions of Rostov-on-Don has all the conditions for the use of energy-efficient systems. The article discusses all the necessary conditions for the use of alternative energy sources (solar and wind power), the expediency of their use in a given climate zone, and proposed a number of other activities (engineering, architectural and planning and others). The article gives a rough calculation of the three types of solar cells in accordance with the technical parameters of the greenhouses. In its proposals and recommendations, authors have tried to focus on the devices in the first place Russian producers.
Keywords: energy efficiency; energy conservation; alternative energy sources; solar panels; wind turbines; greenhouses; power consumption; sustainability; renewable energy.
REFERENCES
1. Shchukin A. Time of urban modernization // Expert, 2010, №22.
2. Denisov N.G. Implementation of environmental and energy-saving technologies. Experience of Krasnodar region // Sustainable Building Technologies, 2014. http://zvt.abok.ru/articles/151/Vnedrenie_ekologichnih_i_nergosberegayuchshih_tehn ologii.
3. Resolution of the Government of the Russian Federation on May 28, 2013 № 449 «On the mechanism of promoting the use of renewable energy in the wholesale market of electric energy and power».
4. http://sfedu.ru/www/sfedu$news$.show_full?p_nws_id=41414.
5. Vasilyev G.P. «Green» building, as a tool to save primary fuel // Energy Conservation, 2011, №8.
6. Ionov V.S. Alternative sources of heat in the housing // "Energy", 2006, №1.
7. http://altenergiya.ru/sun/raz-dva-tri-raschet-proizveli.html.
8. Babina L.V. Analysis of wind turbines for small power plants [electronic resource] / L.V. Babina KubGAU // Scientific journal. - 2012. - №78.
9. http://www.kd-mayak.info/71004-kak-postroit-prostejshij -vetrogenerator-bochkogenerator.html.
10. http://www.debetsschalke.com/ru/oborudovanie/solnechnye-batarei-v-teplitsakh.
11. http://net220.ru/poleznye_stati/solnechnaya_radiaciya_tablicy_insolyacii/.
