Примена система тригенерације са соларном енергијом на примеру куће нулте енергије за услове града Београда Небојша Дабић Факултет техничких наука, Чачак Техника и информатика, школска 2014/2015. година e-mail danebojsa@gmail.com Ментор рада: Снежана Драгићевић Апстракт С обзиром да у свету постоји све већа забринутост због климатских промена, наша земља се придружује глобалним напорима за заштиту животне средине. Тако је Србија подржала Оквирну конвенцију Уједињених Нација и Кјото Протокола и спроводи кораке ка одговорној и ефикасној енергетског политици, између осталог интегришући прописе (Acquis о заштити животне средине, о енергетској ефикасности и обновљивим изворима енергије) у своју регулативу, а све то у контексту процеса придруживања ЕУ. Анализе су показале да је највећи потенцијал за смањење емисије ГХГ из енергетског сектора у рационализацији коришћења енергије тј. повећању енергетске ефикасности и повећању коришћења обновљивих извора енергије. Циљ овог рада јесте да представи пре свега какве су годишње енергетске потребе за вишепородичну стамбену зграду за услове града Београда. Такође, су представљена три концепта зграда ниске или нулте енергије, која садрже решења за производњу електричне и топлотне енергије из обновљивих извора енергије, са посебним акцентом на коришћење соларне енергије. Кључне речи Зграда ниске или нулте енергије, обновљиви извори енергије, заштита животне средине, соларна енергија 1 УВОД Енергија се данас сматра једном од основних животних потреба човека. Од давнина до појаве цивилизације, до енергије односно рада највише се долазило коришћењем људских и животињских мишића и дрвета као горива за сагоревање. Развој природних, друштвених и техничких наука бацио је ново светло на могућности добијања и коришћења енергије из угла растућих потреба све већег броја становника на Земљи. Резерве доступних конвенционалних извора енергије су ограничене и нису довољне да у будућности задовоље потражњу за енергијом, што је предуслов даљег напретка савременог друштва. Управо ова ограниченост у енергетским ресурсима фосилних горива, на које се човечанство највише ослања, довела је до појава енергетских криза у XX, а вероватно ће их изазивати и у XXI веку. Обим и структура енергетских ресурса неједнако је расподељена у свету, одређене земље имају највећи део светских резерви фосилних горива, друге пак имају потенцијале за производњу енергије из обовљивих извора. Савремени циљ у енергетици јесте да подржи пре свега техничко-технолошки напредак кроз рационално коришћење енергије, одржив развој, смањење загађења, примену обновљивих извора енергије, стабилност енергетског сектора и повећање расположивости енергетских система. Мере које се могу предузимати ка овом циљу у зградарству, као једном од највећих потрошача енергије, су разноврсне. У протеклих неколико година, као једна од могућности за ефикасно коришћење енергије, изузетну пажњу је добио концепт куће нулте енергије, нултог биланса енергије, нултих трошкова и нулте емисије CO 2, на годишњем нивоу. Тренутно доступне студије случаја реализованих објеката по овом концепту указују на оправданост њихове изградње и даљих истраживања у овој области. Показало се да једно овакво полигенерацијско постројење које производи енергију из обновљивих извора, представља један од начина за максимално искоришћење примарне енергије, што са економске и еколошке стране оправдава њихову употребу. У овом раду представљена је управо идеја да се један неисцрпан извор енергије - Сунце може користити у тригенерацијском систему као што је кућа нулте енергије за добијање топлотне, електричне и енергије за хлађење уз постизање високог степена корисности, при чему се конвенционални извори енергије користе као допуна. 2 ЕНЕРГИЈА На енергији се базира модерна технологија производње добара и обезбеђења потреба на којима се заснива животни стандард. Она је предуслов развоја и побољшања квалитета живота. Енергија је у толикој мери кључ за модерну технику да се технички развој читавих народа оцењује према количини енергије коју горишње троше.
Због значаја енергије и њеног утицаја на живот човека, извори енергије се сврставају у најважније ресурсе (залихе, резерве) којима располаже одређена земља. У зависности од носиоца енергије приказане су резерве енергије у свету и у Србији. Анализом прикупљених података о залихама и потрошњи енергије представљене су приближне вредности трајности одређених извора енергије. Илустративан пример великог значаја енергетике за једну земљу је Република Србија, која је као свој стратешки циљ себи поставила приступање Европској унији. Први корак који је начинила ка том циљу, јесте потписивање, ратификација и имплементација Уговора о оснивању енергетске заједнице који подразумева четири основне области: регулацију тржишта електричне енергије и тржишта природног гаса, заштиту животне средине, подстицање и заштиту конкуренције, подстицање коришћења обновљивих извора енергије. 3 ЗАШТИТА ЖИВОТНЕ СРЕДИНЕ Енергија представља централни део једног од највећих изазова са којим се човек сусреће климатским променама (повећање температуре, количине падавина и нивоа светског мора). Када се зна да око 79% укупне енергије у свету се производи из фосилних горива, 13% традиционалним коришћењем биомасе, док се остатак производи комбинацијом нуклеарне, хидро-енергије и осталих обновљивих извора енергије, јасно је да је сектор производње енергије заслужан за драматичне промене у Земљиној атмосфери. Дакле, смањење емисије гасова са ефектом стаклене баште ГХГ као што су нпр. угљен диоксид и метан, један је од најважнијих циљева за заштиту животне средине. У различитим областима људске делатности, у свакој земљи појединачно, могуће је спровести мере за смањење емисије ових гасова. Анализе су показале да је највећи потенцијал за смањење емисије ГХГ у рационализацији коришћења енергије тј. повећању енергетске ефикасности и повећању коришћења обновљивих извора енергије. Постоје и глобалне (удружене) активности на заштити животне средине. У том правцу се истиче Оквирна конвенција Уједињених Нација о климатским прменама из кога је проистекао и Кјото протокол којим су постављени индивидуални, правно обавезујући циљеви за земље потписнице, између осталих и Србију. Осим тога, и Европска унија је донела скуп прописа односно директива о заштити животне средини познат као Acquis о заштити животне средине. Као земља потписница Србија је предузела мере на усклађивању постојећих и доношењу нових прописа са обавезама преузетим из ових међународних споразума. Тако је донет низ закона као што су: Закон о заштити природне средине, Закон о енергетици, Закон о ефикасном коришћењу енергије. 4 ЕНЕРГЕТСКА ЕФИКАСНОСТ Енергетска ефикасност се може посматрати као најјефтинији, најбржи и најеколошкији начин за задовољење светских енергетских потреба. Такође, њено повећање смањује потребу за улагања у нове изворе енергије. Енергетска ефикасност је нарочито значајна као економски делотворан начин постизања циљева Кјото протокола за смањење емисија CO 2. Може се рећи да постоје инжењерске и менаџерске мере за њено повећање. Европска унија кроз своје стратешке документе као што су Зелена књига европска стратегија за одрживу, конкурентну и сигурну енергију, Акциони план енергетске ефикасности, Енергија 2020 стратегија за конкурентну, одрживу и сигурну енергију и План енергетске ефикасности континуирано осмишљава и прати реализацију мера за повећање енергетске ефикасности. Државе чланице, али и државе кандидати као што је и Србија су дужне да их спроводе и прате њихову ефикасност. Сектори у којима је могуће остварити највеће енергетске уштеде су сектори производње и потрошње енергије. Мере за повећање енергетске ефикасности у овим секторима могу се сврстати у четири групе и то: техничко технолошке, организационе, регулаторне и подстицајне. У сектору потрошње енергије, мере за повећање енергетске ефикасности у домаћинствима заузимају значајно место. Издвајају се мере које се могу применити на постојећим, али и на новим зградам у фази пројектовања. Такве су, уопштено гледајући: заптивање прозора, уградња засенчења, замена прозора и спољних врата, топлотно изоловање стамбених зграда, замена класичних сијалица флуоресцентним, замена уређаја (фрижидера, штедњака, веш машина, машина за прање судова, клима уређаја...), успостављање система прикупљања и рециклаже старих уређаја, примена топлотних пумпи, соларних колектора, редовна контрола рада котлова и система за климатизацију, промоција коришћења енергетски ефикасних уређаја, наплаћивање потрошње енергије према стварно измереном стању. У фази пројектовања издвајају се: анализа локације, оријентације и облика куће, примена високог нивоа термичке изолације плашта куће и избегавање топлотних мостова, коришћење топлотних добитака од сунца и заштиту од претеране инсолације, коришћење енергетски ефикасног система грејања, хлађења и вентилације и њихово комбиновање са обновљивим изворима енергије. 5 КУЋЕ НУЛТЕ ЕНЕРГИЈЕ Из претходних поглавља видљиво је да се највећи број мера за унапређење енергетске ефикасности односи на управљање потрошњом топлотне енергије и коришћење обновљивих извора енергије, јер се тиме смањује потрошња електричне енергије и природног гаса који се купују на тржишту од дистрибутера. Како су зграде препознате као велики потрошачи енергије, неопходно је санирати постојеће, али и градити нове енергетски ефикасне зграде. Зграде које користе мање енергије из било којег извора у односу на друге зграде називају се
нискоенергетске зграде (енг. Low Energy Buildings). Изградња оваквих зграда има свој енергетски, еколошки, економски и животни аспект. Нафтна криза 70-их година ХХ века подстакла је истраживања у области пројектовања и изградње нискоенергетских зграда. Тиме се дошло до концепта пасивне куће из које је развијен концепт куће нулте енергије (енг. Zero Energy Building). Данас постоје бројни приступи у тумачењу овог концепта, односно не постоји једна општеприхваћена дефиниција куће нулте енергије. Оваква кућа мора да, током одређеног временског периода, произведе из обновљивих извора исту количину енергије колику и потроши из необновљивих извора енергије. Међутим, производња и потрошња енергије се могу посматрати и са аспекта трошкова и емитоване количине CO 2 у атмосферу. Дакле, у основи концепта куће нулте енергије је биланс између потрошене и произведене количине енергије током одређеног временског периода. У оквиру овог коцепта развијени су различити приступи, сваки са својим предностима и манама, и то: Нулта нето потрошња енергије унутар комплекса (енг. Net zero site energy), Нулта нето потрошња примарне енергије (енг. Net zero source energy), Нулта нето енергетска емисија (енг. Net zero energy emissions), Нулти нето трошкови енергије (енг. Net zero energy cost), Нулта потрошња енергије ван комплекса (енг. Net off-site zero energy), Нулта потрошња енергије изван мреже (енг. Off-grid net zero energy). Концепт пројектовања и изградње кућа нулте енергије значајно одступа од конвенционалне грађевинске праксе, уз испуњење услова термичке угодности. Сама изградња кућа нулте енергије подразумева коришћење материјала и технологија који су данас доступни на тржишту при изградњи традиционалних зграда и породичних кућа. За успешан процес изградње и пројектовања нула-енергетских кућа неопходни су следећи кораци: смањење потребне енергије за грејање, хлађење и добијање топле воде; повећање ефикасности система за грејање и климатизацију, припрему санитарне топле потрошне воде, производњу електричне енргије из обновљивих извора енергије; инсталацију система соларних колектора са предгревањем воде и ефикасног помоћног грејача, као и ефикасног дистрибутивног система развода и размене топлоте; инсталацију високоефикасног осветљења; коришћење ефикасних кућних електричних апарата; инсталацију правилно димензионисаног фотонапонског система; рационално и савесно коришћење електричних уређаја и апарата. 6 СОЛАРНА ЕНЕРГИЈА И ЊЕНА ПРИМЕНА У ТЕХНИЧКИМ СИСТЕМИМА Сунчева енергија представља неисцрпан, глобално доступан и бесплатан обновљив извор енергије. Енергија коју Сунце израчи у васионски простор одговара снази извора од 3,5 10 20 МW. Рачуна се да годишње Сунчево зрачење на Земљину површину износи 1,9 10 8 TWh, што је 10 000 пута више него што су потребе данашње цивилизације. С друге стране, Сунчева енергија коју прими Земља и њена атмосфера у току само петнаест дана једнака је енергији садржаној у светским резервама угља и нафте [16]. У Србији потенцијал Сунчеве енергије представља 16,7% од укупно искористивог потенцијала обновљивих извора. Данас се у свету и код нас огроман потенцијал Сунчевог зрачења као извора енергије користи односно трансформише применом различитих технологија. Резултат ових трансформација је или топлотна или електрична енергија. За добијање топлотне енергије користе се соларни колектори, а за добијање електричне енергије фотонапонски уређаји. Соларни колектори се најчешће употребљавају за загревање воде у домаћинствима, док се фотонапонске уређаји користе за напајање електричном енергијом пловних објеката, сателита, кућа итд. 7 СИСТЕМИ ТРИГЕНЕРАЦИЈЕ Тригенерација (енг. Combined Heat, Cooling and Power production - CHCP) је процес истовремене производње електричне, топлотне и енергије за хлађење. Постројење за тригенерацију се од постројења за когенерацију разликује по томе што има апсорпциони расхладни уређај (расхладник, чилер) који отпадну топлоту користи и за хлађење. Систем тригенерације на нивоу крајњег корисника и на нивоу државе има бројне предности као што су: повећање степена искоришћења енергије примарног горива на 75-80%; повећање ефикасности у односу на конвенционалне електране; смањење емисије CO 2 ; смањење коришћења фосилних горива; економичност (смањење трошкова за: изградњу, куповину енергије, увоз горива, одржавање); већа поузданост снабдевања енергијом; смањење зависности од јавне електроенергетске мреже; смањење потрошње енергије у летњем периоду; исплативост у релативно кратком временском периоду; кратак рок изградње. У сектору зградарства прикладни објекти за примену тригенерацијских постројења су они у којима се истовремено користе различити облици енергије и за које је стално снабдевање енергијом веома значајно. То су потрошачи као што су: стамбени објекти, болнице, државне установе, војни објекти, универзитети, спортски центри и тржни центри. Елементи који се у њима користе за грејање и хлађење, поред стандардних, су: топлотне пумпе, апсорпциони чилери и акумулатори топлоте.
8 ЗГРАДЕ НИСКЕ ИЛИ НУЛТЕ ЕНЕРГИЈЕ ЗА УСЛОВЕ ГРАДА БЕОГРАДА Предложени концепт зграде ниске или нулте енергије се односи на вишепородичну стамбену зграду, која има подрум, приземље, један спрат и поткровље. Стамбене јединице, по пет на етажи, су смештене у приземљу, на првом спрату и у поткровљу, док је у подрумиским просторијама могуће смештање опреме и делова полигенерацијског система. Стамбени објекат је укупне нето (грејне) површине P=785 m 2. Предвиђено је да објекат буде пројектован за климатске услове Града Београда. За стамбени објекат чији се концепт разматра у оквиру овог рада, предвиђено је да се ради о појединачној градњи, при чему је фасада изложена умереном ветру са све четири стране. Такође, наспрамни објекти не спречавају инсолацију. Предлог могућег изгледа куће ниске или нулте енергије дат је на слици 1. Слика 1. Предложени изглед куће нулте енергије Све собе у становима имају природно осветљење и вентилацију са прозорима диментионисаним тако да задовољавају минимуме постављене важећим прописима и стандардима. Санитарни чворови купатила и тоалети не поседују природно осветљење и имају вентилацију путем инсталираних канала. Слика 2. Основе приземља и првог спрата (лево) и поткровља (десно) предложене куће
За потребе прорачуна топлотних губитака најпре су израчунати коефицијенти пролаза топлоте кроз термички омотач посматраног објекта, затим су, на основу техничких цртежа основа приземља, првог и другог спрата, израчунате потребне количине топлоте за грејање за сваки стан и резултати приказани табеларно. Слика 3. Прорачун потребне количине топлоте за један стан у згради Након табеларног сумирања израчунатих топлотних губитака по етажама и становима, израчуната је укупна годишња потребна количина топлоте за грејање. Затим је извршен прорачун потребне количине топлоте за припрему топло-потрошне воде. На основу израчунатих вредности коначно је израчуната количина годишња потребна количина топлоте за посматрану зграду. На основу израчунатих вредности представљена су три концепта куће нулте енергије која би могла да задовоље те потребе за енергијом и то: кућа нулте енергије са коришћењем соларне енергије и топлотне пумпе; кућа нулте енергије са коришћењем соларне енергије и биомасе; кућа нулте енергије са коришћењем соларне енергије, топлотне пумпе и биомасе. фотонапонским ћелијама соларним колекторима Спољашњи ваздух Вентиласија са рекуперацијом топлоте Ваздух из система вентилације Резервоар за топлу воду Топло-потрошна вода Топлотна пумпа Топлотна енергија за грејање Електродистрибутивна мрежа Електрично оптерећење Слика 4. Први предложени концепти зграде нулте енергије фотонапонским ћелијама соларним колекторима Спољашњи ваздух Вентиласија са рекуперацијом топлоте Ваздух из система вентилације Акумулациони резервоар Топло-потрошна вода Дрвени пелети Котао на биомасу Топлотна енергија за грејање Електродистрибутивна мрежа Електрично оптерећење Слика 5. Други предложени концепти зграде нулте енергије
фотонапонским ћелијама соларним колекторима Колектори положени у земљу, са хоризонталним разводом Спољашњи ваздух Вентиласија са рекуперацијом топлоте Топлотна пумпа Систем даљинског грејања Акумулациони резервоар Топло-потрошна вода Дрвени пелети Котао на биомасу Топлотна енергија за грејање Електродистрибутивна мрежа Електрично оптерећење Слика 6. Трећи предложени концепти зграде нулте енергије 9 ЗАКЉУЧАК Приказани тригенерацијски систем са свим својим елементима, применљив је на мањим објектима као што су стамбене куће и зграде, што се види и из доступних студија случаја за овај концепт куће нулте енергије. Добри резултати у праћењу енергетске ефикасности изграђених објеката, у будућности би могли да доведу до потпуне примене овог концепта у великим системима где се делимично користе, као што су индустријска постројења, спортски центри, хотели и сл. На основу анализе и добијених резултата може се закључити да је оправдано улагати у побољшање енергетске ефикасности кроз примену концепта куће нулте енергије, јер осим уштеда енергије он са собом носи и смањење негативног утицаја штетних гасова на животну средину и смањује оптерећење на електроенергетску мрежу, али и крајњем кориснику доноси финансијску добит. Држава би са своје стране требало бескаматним кредитима да помогне изградњу оваквих објеката, што је њена обавеза не само према ЕУ, већ на првом месту према својим грађанима који добијају здравије животно окружење и пријатније услове за живот и рад. ЛИТЕРАТУРА [1] М. Ламбић Термотехника са енергетиком, Технички факултет Михајло Пупин, Зрењанин, 1998. [2] P. O Keefe, G. O Brien, N. Pearsall The Future of Energy Use, Earthscan, London, 2010 [3] T. Hootman Net Zero Energy Design - A Guide For Commercial Architecture, John Wiley & Sons, New Jersey, 2013 [4] K.Voss, E. Musall Net Zero Energy Buildings, EnOB, Munich, 2013 [5] D. Johnston, S. Gibson Toward a zero energy home: a complete guide to energy self-sufficiency at home, The Taunton Press, Newtown, 2010 [6] J. Littler, R. Thomas The Conservation and Use of Energy in Buildings, Cambridge University Press, 1984 [7] W. O Brien, A. Athienitis Modeling, Design, and Optimization of Net-Zero Energy Buildings, Ernst & Sohn, Berlin, 2015 [8] M. Krarti Weatherization and Energy Efficiency Improvement for Existing Homes - An Engineering Approach, CRC Press, 2012 [9] Б. Тодоровић Пројектовање постројења за централно грејање, Машински факултет, Београд, 1996.