Development and Implementation of Energy-Efficient Solutions with the Use of Renewable Energy Sources for an Individual Household
Abstract
The article describes the developed and constructed biohouse, i.e., a house consisting of a dwelling room (module) and a greenhouse with an aquarium (biovegetarium), structurally interconnected by civil construction parts and/or joint systems that support the living conditions and vital activity of people in it, as well as growing fruits, including exotic ones, vegetables, and fish. A description of original life support systems is given. A large number of publications of different levels are devoted to the problem of using renewable energy sources (RES) for power supply, heating, hot and cold water supply. As regards the project described, it is advisable to start the review of the literature with the needs indicated above and the main existing technologies that are given in the fundamental sources on the physical principles of the processes relating to the use of solar energy for electricity and heat generation purposes. A significant number of publications are devoted to the urgent problem of using miscellaneous installations based on various types of RES to provide a rural household with electricity, heat and water. Interesting data are given in publications on improving the performance characteristics of the manufactured equipment, on selecting the capacity of wind turbines for operation under the conditions of cold climate, on using the energy of small watercourses, on information support, and on studying RES-based hybrid power supply systems. Materials on integrating RES-based electrical installations into the operation of rural electric networks are becoming of special significance. Heat pumps serve to maintain microclimate in a greenhouse for growing tropical plants under the conditions of Turkmenistan climate. However, the systems developed for the hot climate of Tajikistan are not suitable for the climate of Russia. Thus, it can be stated that the main solutions for setting up the biohouse life support systems have no analogues in Russia and Europe. The original life support systems of the biohouse are briefly described. In the design of the building and life support schemes, ideas of passive and active use of solar energy and heat of the Earth are embodied. In particular, the power supply system is built on the basis of several photovoltaic modules of different capacities and for various purposes, some of which operate autonomously. The biohouse is connected to the rural power grid. The biohouse total power capacity was selected to cover the guaranteed load (4.5 kV) and supply a 15 kW power to the grid. The possibility of switching over to autonomous power supply on the basis of a storage battery and diesel generator has been elaborated. The heating, cooling, and hot and cold water supply systems include a solar hot water supply system on the basis of solar collectors, a hot water storage tank, and a hot or cold air moving system. All systems are fully automated, and the role of a human consists of adjusting the automation systems and monitoring the adequacy of their operation.
References
2. Стребков Д.С. Основы солнечной энергетики. М.: Сам полиграфист, 2019.
3. Бутузов В.А. Солнечное теплоснабжение в России. Проектирование, строительство, эксплуатация. Штудгарт: Lap Lambert Academic Publ., 2012.
4. Бутузов В.А. Солнечное теплоснабжение. Опыт столетнего развития // Промышленная энергетика. 2020. № 4. С. 52 — 62.
5. Сычёв А.В., Харченко В.В. Теплоснабжение сельского дома с использованием низкопотенциальной теплоты открытых водотоков // Вестник аграрной науки Дона. 2015. Т. 4. № 32. С. 58—63.
6. Велькин В.И., Щеклеин С.Е. Обеспечение минимальных энергетических потребностей удаленного дома за счет солнечных ФЭП // Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 3. C. 52—54.
7. Матвеев А.В., Щеклеин С.Е., Пахалуев В.М. Энергоэффективный дом с системой солнечного горячего водоснабжения // Промышленная энергетика. 2008. № 6. С. 52—55.
8. Sychov A., Kharchenko V., Vasant P., Uzakov G. Application of Various Computer Tools for the Optimization of the Heat Pump Heating Systems with Extraction of Low-grade Heat from Surface Watercourses // Intelligent Computing & Optimization. N.-Y.: Springer, 2019. V. 866. Pp. 310—319.
9. Гусаров В.А., Иродионов А.Е. Оптимизация конструкции солнечной электростанции для параллельной работы // Альтернативная энергетика и экология. 2016. № 5—6. С. 21—27.
10. Kirpichnikova I.M. e. a. Thermal Model of a Photovoltaic Module with Heat-protective Film // Case Studies in Thermal Eng. 2022. V. 30. P. 101744.
11. Кирпичникова И.М., Шестакова В.В. Электрические свойства пыли и их влияние на работу солнечных модулей // Энергосбережение и водоподготовка. 2021. № 4(132). С. 10—14.
12. Баранник Б.Г., Коновалова О.Е., Минин В.А. Перспективы совершенствования энергетического хозяйства в районах Севера за счет использования возобновляемых источников энергии. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2011.
13. Бляшко Я.И. Инновационные решения в области малой гидроэнергетики. Электрические станции и электроэнергетические системы // Новое в Российской электроэнергетике. 2017. № 9. С. 19—29.
14. Султанов М.М. и др. Усовершенствование информационного обеспечения надежности и безопасности энергетического оборудования современных генерирующих систем на основе цифровой технологии «блокчейн» // Новое в Российской электроэнергетике. 2019. № 1. С. 6—13.
15. Смирнов А.А., Шестопалова Т.А. Исследование методик оптимизации состава, мощности и режимов работы энергетического оборудования гибридных энергокомплексов с учетом потребностей в тепловой и электрической энергии // Новое в Российской электроэнергетике. 2022. № 6. С. 41—50.
16. Шестопалова Т.А., Молотов Ф.В., Васьков А.Г. Обзор существующих решений по интеллектуализации энергосистем с ВИЭ в мире и анализ их применения в России // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2021. № 9(237). С. 58—61.
17. Тягунов М.Г., Шевердиев Р.П. Модели и методы исследования факторов, влияющих на режим работы гибридного энергокомплекса гарантированного энергоснабжения // Вестник МЭИ. 2021. № 5. С. 58—68.
18. Илюшин П.В. Перспективные направления развития распределительных сетей при интеграции локальных интеллектуальных энергосистем // Электроэнергия. Передача и распределение. 2021. № 4. С. 70—80.
19. Пенджиев А.М. Балиев А.Ч. Регулирование микроклимата с применением теплонасосных систем в теплице по выращиванию тропических растений в Туркменистане // Гелиотехника. 2004. № 4. С. 42—47.
---
Для цитирования: Безруких П.П., Темеров А.В. Разработка и реализация энергоэффективных решений с использованием возобновляемых источников энергии для индивидуального домохозяйства // Вестник МЭИ. 2023. № 6. С. 88—96. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-6-88-96
#
1. Dolgov Yu.I., Tikhomirov A.V., Kharchenko V.V. Energopotreblenie i Energosberezhenie Sel'skokhozyaystvennom Sektore Rossiyskoy Federatsii. Mekhanizatsiya i Elektrifikatsiya Sel'skogo Khozyaystva. 2012;2:16—19. (in Russian).
2. Strebkov D.S. Osnovy Solnechnoy Energetiki. M.: Sam Poligrafist, 2019. (in Russian).
3. Butuzov V.A. Solnechnoe Teplosnabzhenie v Rossii. Proektirovanie, Stroitel'stvo, Ekspluatatsiya. Shtudgart: Lap Lambert Academic Publ., 2012. (in Russian).
4. Butuzov V.A. Solnechnoe Teplosnabzhenie. Opyt Stoletnego Razvitiya. Promyshlennaya Energetika. 2020;4:52 — 62. (in Russian).
5. Sychev A.V., Kharchenko V.V. Teplosnabzhenie Sel'skogo Doma s Ispol'zovaniem Nizkopotentsial'noy Teploty Otkrytykh Vodotokov. Vestnik Agrarnoy Nauki Dona. 2015;4;32:58—63. (in Russian).
6. Vel'kin V.I., Shcheklein S.E. Obespechenie Minimal'nykh Energeticheskikh Potrebnostey Udalennogo Doma za Schet Solnechnykh FEP. Al'ternativnaya Energetika i Ekologiya. 2012;3:52—54. (in Russian).
7. Matveev A.V., Shcheklein S.E., Pakhaluev V.M. Energoeffektivnyy Dom s Sistemoy Solnechnogo Goryachego Vodosnabzheniya. Promyshlennaya Energetika. 2008;6:52—55. (in Russian).
8. Sychov A., Kharchenko V., Vasant P., Uzakov G. Application of Various Computer Tools for the Optimization of the Heat Pump Heating Systems with Extraction of Low-grade Heat from Surface Watercourses. Intelligent Computing & Optimization. N.-Y.: Springer, 2019;866:310—319.
9. Gusarov V.A., Irodionov A.E. Optimizatsiya Konstruktsii Solnechnoy Elektrostantsii dlya Parallel'noy Raboty. Al'ternativnaya Energetika i Ekologiya. 2016;5—6:21—27. (in Russian).
10. Kirpichnikova I.M. e. a. Thermal Model of a Photovoltaic Module with Heat-protective Film. Case Studies in Thermal Eng. 2022;30:101744.
11. Kirpichnikova I.M., Shestakova V.V. Elektricheskie Svoystva Pyli i Ikh Vliyanie na Rabotu Solnechnykh Moduley. Energosberezhenie i Vodopodgotovka. 2021;4(132):10—14. (in Russian).
12. Barannik B.G., Konovalova O.E., Minin V.A. Perspektivy Sovershenstvovaniya Energeticheskogo Khozyaystva v Rayonakh Severa za Schet Ispol'zovaniya Vozobnovlyaemykh Istochnikov Energii. Apatity: Izd-vo Kol'skogo Nauchnogo Tsentra RAN, 2011. (in Russian).
13. Blyashko Ya.I. Innovatsionnye Resheniya v Oblasti Maloy Gidroenergetiki. Elektricheskie Stantsii i Elektroenergeticheskie Sistemy. Novoe v Rossiyskoy Elektroenergetike. 2017;9:19—29. (in Russian).
14. Sultanov M.M. i dr. Usovershenstvovanie Informatsionnogo Obespecheniya Nadezhnosti i Bezopasnosti Energeticheskogo Oborudovaniya Sovremennykh Generiruyushchikh Sistem na Osnove Tsifrovoy Tekhnologii «Blokcheyn». Novoe v Rossiyskoy Elektroenergetike. 2019;1:6—13. (in Russian).
15. Smirnov A.A., Shestopalova T.A. Issledovanie Metodik Optimizatsii Sostava, Moshchnosti i Rezhimov Raboty Energeticheskogo Oborudovaniya Gibridnykh Energokompleksov s Uchetom Potrebnostey v Teplovoy i Elektricheskoy Energii. Novoe v Rossiyskoy Elektroenergetike. 2022;6:41—50. (in Russian).
16. Shestopalova T.A., Molotov F.V., Vas'kov A.G. Obzor Sushchestvuyushchikh Resheniy po Intellektualizatsii Energosistem s VIE v Mire i Analiz Ikh Primeneniya v Rossii. Santekhnika, Otoplenie, Konditsionirovanie. 2021;9(237):58—61. (in Russian).
17. Tyagunov M.G., Sheverdiev R.P. Modeli i Metody Issledovaniya Faktorov, Vliyayushchikh na Rezhim Raboty Gibridnogo Energokompleksa Garantirovannogo Energosnabzheniya. Vestnik MEI. 2021;5:58—68. (in Russian).
18. Ilyushin P.V. Perspektivnye Napravleniya Razvitiya Raspredelitel'nykh Setey pri Integratsii Lokal'nykh Intellektual'nykh Energosistem. Elektroenergiya. Peredacha i Raspredelenie. 2021;4:70—80. (in Russian).
19. Pendzhiev A.M. Baliev A.Ch. Regulirovanie Mikroklimata s Primeneniem Teplonasosnykh Sistem v Teplitse po Vyrashchivaniyu Tropicheskikh Rasteniy v Turkmenistane. Geliotekhnika. 2004;4:42—47. (in Russian)
---
For citation: Bezrukikh P.P., Temerov A.V. Development and Implementation of Energy-Efficient Solutions with the Use of Renewable Energy Sources for an Individual Household. Bulletin of MPEI. 2023;6:88—96. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-6-88-96
