Пътят към интелигентни самодостатъчни сгради

Фуджисава, в Япония, е цял град от интелигентни самодостатъчни сгради.

В днешно време потреблението на енергия бързо се увеличава в целия свят поради безпрецедентния комфортен начин на живот, с който хората все повече свикват. Мащабните модерни електрически нововъведения като електрически превозни средства и системи от батерии за съхранение изискват много енергия. Основният проблем е, че те могат да въведат пикови изисквания в определени периоди, което би повлияло на стабилността на мрежата. 

За да се реши този проблем, се насърчават възобновяемите енергийни източници като фотоволтаични системи, вятърни турбини, концентрирани слънчеви енергийни технологии. Инсталирането на такива системи изисква широко земеползване, докато за инсталиране на традиционни ТЕЦ на въглища или горива е достатъчна и по-малко площ. 

Някои предизвикателства могат да усложнят въвеждането на технологии за възобновяема енергия, като високата цена на земята или направо липсата на земя за инсталиране на такива системи. В такъв случай, жизнеспособно решение е да се използват покривите за инсталиране на фотоволтаични системи, вятърни турбини и други технологии за възобновяема енергия, генериращи електричество и енергия (отопление/охлаждане). Наличната повърхност на сграда, включително покрив и фасади, обаче може да не е достатъчна за генериране на електроенергия, която осигурява цялото енергийно потребление на сградата. Основният въпрос е как да се създадат устойчиви и самодостатъчни сгради, като се използва само съществуващата и налична повърхност на сградата? Тази статия се опитва да отговори на този въпрос с няколко стъпки и препоръки, които могат да бъдат последвани.

Същността на проблема


РЕКЛАМА:

***

През последните десетилетия имаше много опити да се направи по-нататъшна стъпка към устойчиви градове и да се премине от традиционните електроцентрали, базирани на изкопаеми горива, към възобновяеми. След последните природни бедствия, като горските пожари в Австралия и Амазония, причинени от климатичните промени, беше осъзнато, че са необходими повече усилия за преминаване към по-екологична и устойчива общност с по-малко въздействие върху природата и околната среда. 

Едно от решенията е да се интегрират технологии за възобновяема енергия в сградите. Това позволява местно производство на енергия, което може да осигури част от енергийните нужди на сградата. Технологиите за възобновяема енергия за сгради обаче се сблъскват с много ограничения, като ниската им ефективност, голямата повърхност, която е необходима за инсталирането на системата и високите разходи за съхранение. 

Поради тези причини осигуряването на общите енергийни нужди на сградата, разчитайки само на системи от възобновяема енергия, става твърде трудно. 

Друга посока в изследователската общност е да се планира и управлява търсенето на енергия в сгради и домове, като се използват сложни алгоритми и модели за оптимизация. Това позволява на домакините да минимизират сметката си за електричество. 

Трето решение е да се работи върху сграда с нетна нулева енергия, в която общата закупена и продадена енергия в мрежата е равна на нула в края на определен период. Това изисква инсталирането на възобновяеми енергийни източници и същевременно намаляване на потреблението на енергия. Ограничението на този метод е, че той винаги зависи от мрежата. Въпреки това, в редки екстремни условия, когато електрическата мрежа е изправена пред срив, една сграда с нетна нулева енергия може да има потребление на висока мощност през този период, което не може да бъде доставено от системата за възобновяема енергия. Следователно е необходимо да се работи върху по-усъвършенствана сграда, която може да бъде самодостатъчна по отношение на енергията, без да е необходимо да се купува енергия от мрежата. За целта тази статия съчетава трите споменати по-горе решения за повишаване на нейната енергийна независимост.

Определение за енергийно самодостатъчна сграда

Самодостатъчността на енергията е съотношението между производството и потреблението на енергия през определен период. Съотношение, равно на едно, означава, че генерираната енергия е равна на консумираната енергия за определен период от време. Съотношение, по-ниско от едно, означава, че генерираната енергия не е достатъчна за осигуряване на общото енергийно потребление на сградата през този период. Следователно е необходима допълнителна енергия, която да се доставя от външни източници, като електроразпределителната мрежа. Съотношение, по-високо от едно, означава, че сградата генерира повече енергия отколкото изискват нуждите ѝ. В този случай, допълнително генерираната енергия или се продава в електрическата мрежа, или се съхранява в системи за съхранение на енергия, като батерии или материали за фазова промяна и т.н.

Прозрачни фотоволтаични клетки, разположени върху прозорците на сграда.

Стъпките към самодостатъчна сграда

Трябва да се постигнат две основни цели, за да се увеличи максимално коефициента на енергийно самодостатъчното строителство.

Първата цел е да се минимизира потреблението на енергия в сградата, като:

  • Се използват високоефективни електрически уреди, които могат да намалят потреблението на енергия с около 20-30%
  • Се използват сензори за движение и заетост, които могат да засичат движението на обитателите и да действат по съответния начин чрез включване/изключване на някои уреди. По този начин се спестяват още около 20-40% от енергията
  • Се прилагат интелигентни системи за управление на сградата/дома и алгоритми за оптимизация, които контролират и планират консумацията на енергия на електрически уреди и оборудване. Това може да намали загубата на енергия и да увеличи ефективността на сградата.

Втората цел е да се максимизира производството на енергия от възобновяеми източници чрез:

  • Използване на покрив, фасади и прозорци за инсталиране на слънчеви и други технологии за възобновяема енергия. Тези технологии могат да бъдат фотоволтаични системи, вятърни турбини или концентрирани слънчеви енергийни технологии.
  • Използване на системи за съхранение на енергия, като батерии, материали за фазова промяна или слънчев водонагревател.
  • Използване на високоефективни технологии за възобновяема енергия, които могат да увеличат местното производство на енергия чрез използване на една и съща повърхност
  • Използване на алгоритми за оптимизация, за да се избере най-добрата технология и модел за възобновяема енергия за конкретна сграда по начин, който да минимизира инвестиционните разходи, периода на възвръщаемост и да увеличи производството на енергия.

С такова минимизиране на потреблението на енергия и увеличаване на производството на енергия, една сграда става по-независима и енергийно самодостатъчна. Следователно тя вече няма да има нужда (или ще има много малка нужда) от допълнителна енергия от други външни източници.

Инструменти и оборудване

За да се сведе до минимум консумацията на енергия в сградите могат да се използват следните инструменти: сензори за движение, токови и напреженови сензори, интелигентни измервателни уреди, енергийно ефективни уреди, като LED крушки вместо луминесцентни и нажежаеми крушки, Energy Star уреди (спестяващи около 30% от потреблението на енергия), микроконтролери (ESP32, Raspberry PI, DSP), интернет; освен това могат да се инсталират и системи за съхранение на енергия, като батерии и материали за промяна на фазата. 

Освен хардуера е необходим и софтуер за програмиране на системата за управление на енергията. В този случай се използват алгоритми за оптимизация и софтуерни инструменти за оптимизиране и планиране на работата. Изкуственият интелект и машинното обучение също се използват заедно с инструментите за събиране на данни, за да се увеличи производителността на системата.

За да се увеличи производството на енергия в сградите, технологиите за възобновяема енергия могат да бъдат инсталирани на покрива, фасадите и прозорците. Например на покрива могат да бъдат инсталирани фотоволтаици, вятърни турбини, чинии Стърлинг, слънчеви бойлери. Прозрачни фотоволтаични клетки могат да се разполагат върху прозорците, на фасадите могат да бъдат инсталирани фотоволтаични и топлинни системи, а вътре в сградата – да бъдат разположени микро инсталации за преработване на отпадъци в енергия.

Заключение

Енергийно самодостатъчната сграда е обещаващо решение, че всяка сграда може да произвежда собствена енергия, без да е необходим външен източник. По този начин сградите могат да се разглеждат като автономни и самодостатъчни единици, без да е необходимо да се изгражда или инвестира в инфраструктури за пренос и разпределение. Единствените ограничения и бариери за постигане на такава самодостатъчна сграда са ниската ефективност на технологиите за възобновяема енергия и високата цена на батериите. За щастие, в бъдеще, когато комерсиализираната фотоволтаична система достигне до по-висока ефективност от над 40%, както е в лабораториите, концепцията за самодостатъчна сграда би се превърнала в реалност не само за малки, но и за големи сгради.

Източник: SmartGrid
Превод: Радослав Тодоров

Тази статия е част от Специалния брой „Зелени технологии“

 


Европейска нощ на учените 2022 г.: