Новые технологические решения для «умного» дома

Рост уровня жизни меняет представления потребителей о комфорте. Современные дома буквально «напичканы» электроникой и бытовой техникой. Увеличивается и средняя площадь жилых помещений. Все это ведет к росту счетов за энергию в структуре семейного бюджета. В России доля энергозатрат в общих потребительских расходах превышает 5%, а в низшей по доходам квинтильной группе приближается к 10%. Сэкономить на платежах можно за счет использования новых энергоэффективных технологических решений, которые лежат в различных плоскостях: применение новых материалов в изоляции зданий, повышение эффективности систем отопления и кондиционирования помещений, использование бытовой электротехники с высоким классом энергоэффективности, отказ от ламп накаливания в системах освещения и др.
С развитием ИКТ, микроэлектроники, нанотехнологий все больше «умных» технологий проникают в повседневную жизнь, делая ее более энергоэффективной. В данном выпуске представлены некоторые технологические тренды, обеспечивающие управление и контроль за энергопотреблением в доме.

Версия для печати: 

Новые технологические решения для умного дома  

Накопители энергии

Быстрое развитие распределенной генерации на базе возобновляемых источников энергии с середины 2000-х гг. выдвинуло на передний план задачу обеспечения равномерности поставок электрической энергии потребителям. Выработка энергии солнечными панелями и ветровыми установками зависит от погодных условий, что может привести к перебоям с поставками электроэнергии в течение суток. Эту проблему позволяют решить накопители, которые сохраняют энергию, генерируемую в определенные периоды времени, и отдают ее в сеть по мере необходимости (например, в периоды пиковых нагрузок).

В области хранения электроэнергии для малых энергетических систем существуют различные технологические решения: батареи, маховики, сверхпроводники и др. С 2014 г. стандартом для частного дома становятся литий-ионные аккумуляторы, демонстрирующие наилучшее соотношение таких параметров, как энергетическая плотность, время разряда батареи, безопасность, жизненный цикл и издержки. В течение светового дня фотоэлектрический генератор вырабатывает энергию, ее излишки накапливаются в аккумуляторе, а ночью расходуются. Аккумулятор также способен забирать электроэнергию из централизованной сети ночью (при пониженном тарифе) и отдавать в сеть по мере необходимости. За счет этого происходит выравнивание колебаний суточного спроса и предложения электроэнергии в домохозяйствах, подключенных к распределенной энергосистеме. Для потребителя это означает уменьшение счетов за электроэнергию, для энергосетевой компании — сокращение спроса в периоды пиковой нагрузки.

 

---

---

 

Эффекты   Снижение счетов за электроэнергию (по оценкам пользователей — до 35%)    Создание системы резервного питания в случае аварийного отключения централизованного электроснабжения   Максимизация использования домохозяйствами чистой возобновляемой энергетики  Балансировка национальной энергетической сети в масштабах страны

Оценки рынка 3,8 ГВт может составить мощность установок систем аккумулирования энергии домохозяйствами в мире к 2025 г. (на 2016 г. — 95 МВт) Общий объем рынка (включая коммерческих потребителей) к 2025 г. превысит 20 ГВт, или $15 млрд в денежном выражении В 2016 г. в региональной структуре рынка накопителей энергии для частного дома ок. 80% приходилось на долю четырех стран: Австралии, Германии, США и Японии В 2021 г. объем рынка накопителей электроэнергии для частных домов в США достигнет 650 МВт, превысив $1 млрд

Драйверы  Быстрое развитие солнечной и ветровой энергетики в частном секторе   Постоянный рост тарифов на электроэнергию для домашних хозяйств  Быстрое снижение стоимости накопителей энергии (за 2015 г. литий-ионные аккумуляторы подешевели более чем на 60% — с 550 до $350/кВт•ч,  прогноз на 2020 г. — $200/кВт•ч)   Активная государственная политика субсидирования домохозяйств по приобретению накопителей энергии БАРЬЕРЫ   Пока еще высокая стоимость накопителей электрической энергии для домохозяйства ($1500–3500), длительный срок окупаемости  Низкий объем аккумуляторов (энергии, аккумулируемой одной батареей Tesla Powerwall стоимостью $3000, хватает, чтобы 2 раза запустить сушильную машину)

---

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы»   – наличие базовых знаний,  компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития  соответствующих направлений исследований

«Умные» термостаты

Поддержание оптимального температурного режима в доме находится в фокусе внимания современного потребителя. Вместе с тем, большинство пользователей считают обязанности по регулированию температуры в помещении слишком утомительными. С развитием когнитивных технологий забота об отоплении и кондиционировании помещения ложится на интеллектуальные устройства. В частности, они автоматически понижают температуру, когда дом пуст, и нагревают до комфортной, когда, например, GPS-сигнал с автомобиля показывает, что владелец возвращается домой.

Обычные термостаты позволяют регулировать температуру воздуха в доме в ручном режиме: это простая панель управления для отопления и кондиционирования воздуха. В программируемых термостатах можно устанавливать температурный режим в зависимости от времени суток. "Умные" термостаты обладают функцией "обучения": они сами "запоминают" распорядок дня и привычки домовладельца и, в соответствии с этим, автоматически регулируют температурный режим в доме. Они также способны перенастраиваться в зависимости от условий окружающей среды (температуры воздуха на улице и в помещении, влажности и др.). Как правило, "умные" термостаты подключены к Интернету, поэтому пользователи могут контролировать климат в доме удаленно (обычно через приложения на смартфоне) и отслеживать потребление энергии в режиме реального времени.

---

---

 

Эффекты   Автоматическое управление температурным режимом дома: оптимальный выбор между комфортом и энергоэффективностью  Сокращение коммунальных счетов благодаря повышению эффективности систем отопления и кондиционирования дома (по оценкам пользователей — до 30%) Возможность удаленного управления состоянием систем отопления и кондиционирования дома   Снижение выбросов парниковых газов в атмосферу   Экономия энергоресурсов в масштабах национальной экономики

Оценки рынка до $5 млрд к 2020 г. увеличится объем рынка «умных» термостатов (среднегодовые темпы прироста в 2015–2020 гг. превысят 30%) В 2015 г. в мире было продано 4,9 млн штук «умных» термостатов. Объем рынка достиг $879 млн (+50% к 2014 г.). К 2020 г. в мире будет установлено свыше 50 млн «умных» термостатов На долю США и Канады в 2015 г. приходилось 70% мирового рынка «умных» термостатов

Драйверы   Запрос домохозяйств на более низкие счета за электро- и теплоэнергию    Потребность в дистанционном контроле климата внутри дома   Субсидии региональных и муниципальных властей, выделяемые на установку «умного» термостата БАРЬЕРЫ   Высокая стоимость «умных» термостатов ($250–500)   Длительный срок окупаемости стартовых вложений (стоимость «умного» термостата, датчиков движения, услуг мастера по установке и др.)     Проблема обеспечения безопасности систем, подверженных кибератакам

---

 

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Белые пятна» – существенное отставание от мирового уровня, отсутствие (или утрата) научных школ

«Умное» освещение

Проблема сокращения энергетических затрат была в значительной степени решена за счет изобретения светодиодной лампы, которая позволяет почти в два раза снизить электропотребление. Светодиодные лампы рассчитаны на длительный срок службы (15–20 лет) и потребляют на 85% меньше энергии, чем лампы накаливания, безопасны для потребителя в отличие от люминесцентных ламп. Развитие платформенных технологий ИТ-сектора позволило оснастить осветительные приборы интеллектуальной системой управления, что сформировало новое видение перспектив развития «умного» освещения — переход к концепции освещения, повышающего уровень повседневного комфорта человека (Human Centric Lighting): создание хорошего настроения, лечение и профилактика многих заболеваний, проведение праздников и др.

Интеллектуальные системы освещения способны реагировать на изменения различных параметров (нахождение человека в помещении, движение, цветовая температура, уровень естественного освещения и др.). Технологическое развитие в этой области сосредоточено в двух направлениях: дальнейшее повышение энергетической эффективности светодиодных ламп (со 130 до 250 люменов на ватт) и их оснащение компонентами управления и связи (датчики, микроконтроллеры, ресиверы и проч.). В перспективе после 2020 г. "умные" системы освещения будут регулировать биоритмы организма, повышать настроение и работоспособность человека.

---

---

 

Эффекты   Повышение энергоэффективности и снижение платежей за электрическую энергию в домашних хозяйствах. За период 2015–2035 гг. светодиодные лампы позволят американцам сэкономить около $630 млрд на платежах за электроэнергию.     В глобальном масштабе — достижение значительных объемов энергосбережения. В 2016 г. объем сэкономленной энергии в мире от светодиодных ламп составит 145 ТВт•ч. В случае полномасштабного перехода к освещению зданий светодиодами потенциальный объем энергосбережения может составить дополнительно 1600 ТВт•ч.

Оценки рынка $25 млрд к 2020 г. может достичь объем рынка «умного» освещения (среднегодовой темп роста рынка в 2016–2020 гг. ок. 30%) В 2008 г. в США было установлено менее 400 тыс. светодиодных ламп, в 2014 г. — 77 млн шт., в 2015 г. — 202 млн шт. Средняя стоимость светодиодной лампы в 2015 г. снизилась почти в 15 раз (на 94%) к уровню 2008 г.

Драйверы   Удешевление технологии изготовления светодиодных ламп   Правительственные инициативы по запрету неэффективного освещения  Развитие беспроводных технологий, выполняющих функции управления и контроля «умного» освещения   Светодиоды безопасны для здоровья потребителя (не содержат ртуть, не пожароопасные)    БАРЬЕРЫ  Проблема обеспечения безопасности систем управления «умным» освещением, подверженных кибератакам  Недоверие к системам автоматического управления домом

---

 

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы» – наличие базовых знаний,  компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития  соответствующих направлений исследований