Сбережение ресурсов при эксплуатации зданий. Энергосберегающие и энергоактивные здания

Большое внимание в энергосбережении уделяется конструкциям окон, причем предусматривается возможность реконструкции уже существующих. Стекла заменяют вакуумными стеклопакетами (двух- или трехслойными), раму окон утепляют твердым пенополистиролом, в окнах дополнительно монтируют энергосберегающие жалюзи с высокими тепло- и звукозащитными свойствами и системой электронного управления. В случае необходимости (например, на период холодной ночи) жалюзи опускаются, что повышает тепло- и звукоизоляцию окон.

Интересны проблемы вторичной утилизации теплоты: приточный воздух в системе вентиляции подогревается теплотой вытяжного воздуха из помещений в теплообменниках, утилизируется также теплота печных газов. В индивидуальных домах можно применять систему воздушного отопления, в которой вытяжной воздух дополнительно подогревается в газовой установке и, проходя через теплообменник, нагревает приточный воздух. В целях снижения теплопотерь можно использовать замкнутую систему вентиляции с очисткой воздуха без притока холодного воздуха снаружи (если это допустимо по санитарным нормам).

Тепловой насос может утилизировать  теплоту наружных стен, если воздух пройдет через каналы в наружных стенах и затем его теплота  будет отобрана тепловым насосом. Далее  эта теплота может быть использована для отопления или поступить в тепловой аккумулятор. Охлажденный после насоса воздух направляется в верхнюю часть помещения. Утилизируется также энергия теплых сточных вод. В энергосберегающих зданиях используют следующие решения:

• нагретый в гелиоколлекторах на кровле воздух поступает на обогрев здания через воздушные вертикальные каналы в стенах;
• стены здания дополнительно утеплены, в качестве утеплителя используется бумажная вата или вата из отходов ткани (это позволяет утилизировать отходы и дает возможность получить экологичную изоляцию);
• в нижних этажах устраивается теплица, защищенная гнутой светопрозрачной пластмассой; высота теплицы — 1; 1,5 или 2 этажа;
• специальная система зеркальных отражателей и зеркальных потолков служит для направления солнечного света в глубь помещения;
• специальные меры (козырьки, озеленение и т. п.) служат для защиты помещений от сильной летней инсоляции и для освещения в зимнее время;
• предусматривается хорошая защита от ветра и сквозняков.

После утилизации всей энергии и  при идеальном проектировании энергосберегающего дома, как показывает опыт, не потребуется дополнительной энергии в течение всего года для отопления здания.

Экологичная вентиляция также направлена на экономию ресурсов, снижение энергетических затрат. Одним из новых интересных направлений ресурсосбережения является устройство естественной принудительной вентиляции, позволяющей увеличить кратность воздухообмена и качество воздуха без дополнительных энергозатрат. Для этого на коньке кровли устанавливают воздухозаборники в виде дефлекторов-капюшонов или же выполняют привод подачи воздуха с помощью небольшого ветроагрегата с вертикальной осью вращения (ветроколеса). Дефлекторы-капюшоны выполняют из прочной ткани или из металла. Они свободно вращаются вокруг оси для постоянной ориентации навстречу потоку ветра (подобно флюгеру). Свежий воздух подается внутрь здания под напором ветра, без использования электроэнергии.

Интересным направлением сбережения энергии при вентиляции зданий является утилизация теплоты загрязненного внутрен него воздуха, удаляемого из здания. Для этого используют так называемые дышащие окна (Нидерланды), новую систему вентиляции (Польша). Эти системы отличаются тем, что в первой системе прибор для утилизации теплоты удаляемого воздуха устанавливается в окне, в во второй — рядом с окном. Все системы основаны на том, что в теплообменнике удаляемый воздух отдает теплоту холодному воздуху с улицы. При этом для обеспечения медленного движения воздуха в обеих системах устанавливаются два небольших вентилятора.

Для экономичной естественной вентиляции с использованием солнечной энергии  применяют вентиляционные колонны  — вертикальные шахты прямоугольного или квадратного поперечного сечения, устанавливаемые на кровле. В конструкции этих колонн реализуется эффект образования тяги (самотяги) вдоль нагретой солнцем внутренней поверхности. Для этого одна из стен колонны должна иметь накопитель теплоты — обычно стальной лист — и теплоизоляцию. Высота колонны обычно не превышает 1,0...3,0 м, поперечное сечение 0,1...2,0 м. Массивная стенка колонны ориентируется на юг, чтобы солнечные лучи нагревали ее наилучшим образом.

Для охлаждения поступающего в здание воздуха используется низкая температура  грунта под зданием. Для этого  в грунте прокладывают трубы, один конец которых с дефлектором-капюшоном располагается над поверхностью грунта среди озеленения, а через другой конец свежий наружный воздух входит внутрь, будучи охлажден до температуры грунта. В условиях загрязненного наружного воздуха необходима его очистка перед поступлением внутрь здания.

Экологизация  освещенности зданий — это улучшение ввода естественного света в целях повышения освещенности и снижения расхода энергии. Одно из направлений — устройство специальных светоотражающих козырьков над окна ми, которые в сочетании с устройством светоотражающего потолка позволяют ввести дневной свет в отдаленные участки помещений.

Рис.1. Ввод солнечного                                 света с помощью светоотражающих  жалюзи:

1 — летние лучи солнца;

2 — зимние лучи;

3 — светоотражающий потолок;

4 —  трансформируемый рефлектор;

5 — козырек

 

Улучшение использования дневного света позволяет экономить электроэнергию и улучшает условия работы людей внутри здания: так, установлена лучшая усвояемость материала студентами примерно на 20 % при использовании хорошего дневного освещения. В настоящее время созданы многочисленные модификации конструкций ввода естественного дневного света внутрь помещений. Установки для ввода солнечного света могут концентрировать свет и направлять его в здание или в световые шахты; они могут блокироваться с искусственными источниками света. Среди новых способов ввода естественного освещения в здания — применение тонкостенных труб диаметром 400...600 мм, покрытых изнутри светоотражающей пленкой, и использование сконцентрированного с помощью криволинейных зеркал пучка дневного света. В расположенный над поверхностью грунта торец трубы вводят дневной свет (его можно концентрировать), далее он проходит почти без потерь по трубе. В месте нужного освещения из отверстия в стенке трубы поступает свет. Свет можно концентрировать и подавать в здание в виде яркого пучка, из которого на этажах часть света отбирается наклонными зеркалами. Это решение может быть использовано и для подземных, и для широких наземных зданий. В последние годы предложено регулирование солнечной освещенности внутри помещений с помощью специальных «переключаемых» фасадов, т. е. стекол, которые автоматически затемняются при излишней освещенности. Это мероприятие используется в странах с избыточным дневным освещением.

Экологичное водопотребление и  канализация также направлены на экономию ресурсов, снижение энергетических затрат. Повторно используемую воду называют «серой» или «черной» водой требующей различной обработки. «Серая» вода может повторно использоваться для смыва туалета или для ирригации, что минимизирует загрузку систем обработки сточных вод и уменьшает водопотребление. Чтобы использовать «серую» воду, должна быть установлена двойная система труб, чтобы отделить ее от «черной» воды, которая поступает после смыва туалета. Для сбора воды используются трубы, направляющие «серую» воду с твердых покрытии и из ванн в резервуар (установленный под землей или в подвале). После сбора «серой» воды ее подвергают очистке, для чего можно использовать традиционные методы или применить очищающий ландшафт - «живые машины» - высокопродуктивные небольшие пруды, в которых загрязненная вода медленно протекает сквозь пористый грунт и при этом очищается почвенной флорой, фауной и корнями растений. Для насыщения этой воды кислородом можно применить искусственный декоративный водопад во дворе дома. В зимнее время в резервуар будет поступать только вода из ванн поэтому объем бака должен позволять накопление большого объема дождевой воды для использования в зимнее время. Недопустимо использование талой воды с покрытий дорог в случае ее загрязнения веществами для ускоренного таяния снега.

Если область сбора имеет  много нависающих ветвей деревьев собранная  дождевая вода будет содержать больше отходов и может быть коричневатой (это вызвано дубильными кислотами от растений). Дождевая вода предпочтительна ввиду ее мягкости очищающей способности и способности продлить жизнь бытовых приборов (нагревателей и пр.).

Наряду с естественными системами  очистки используют и традиционные методы, особенно при большом объеме «серой» воды в многоэтажном доме. Многоступенчатая система включает в себя очистку воды в биореакторе, фильтрование, дезинфекцию с контролем ее качества на всех стадиях. На трубах удаления горячей воды из ванн и кухонь нужно поставить тепловые насосы для утилизации теплоты.

Для решения о проектировании систем сбора «серой» воды нужно проанализировать качество дождевой воды (ливень в некоторых районах является кислым или загрязненным, поэтому вода нежелательна для повторного использования). В областях с жесткой водой дождевая вода предпочтительна ввиду ее мягкости, очищающей способности и способности продлить жизнь приборов типа водных нагревателей. Объем сбора дождевой воды для обеспечения потребностей жителей дома зависит от количества ливней в области, размера области сбора, размера области хранения и потребностей. Основные компоненты системы сбора дождевой воды обычно включают в себя крышу, желоба, водосточные трубы   трубопроводы, системы фильтрации, системы хранения (цистерны) и системы распределения. Лучшими материалами для крыши при сборе воды являются керамические, металлические и бетонные покрытия. На входе воды в трубы нужны сетчатые заграждения, чтобы листья и мусор не попали в бак, а также устройства отклонения первого грязного потока воды во время ливня, препятствующее ему войти в цистерну. Баки могут быть выполнены из железобетона, стали, пластмасс. Для предотвращения роста водорослей при действии солнечного света нужны непрозрачные материалы. В условиях чистой природной среды дождевая вода после дополнительной очистки может быть пригодна для питья и мытья.

Отвод или многократное использование  сточных вод вместо направления  их в традиционную канализацию минимизирует загрузку предприятий по их обработке. Такая вода может использоваться для ирригации. Сокращение водопользования уменьшает объем сточных вод. Необходимо применять водоэффективные приборы, включая туалеты, которые могут быть сухими (безводными). «Умная» сантехническая аппаратура, своевременно отключающая воду, малые диаметры труб для воды, малый напор, экономичные фонтанчики для питья, слабый поток из душа — все это уменьшает водопотребление. Все экологичные устройства утилизации возобновимой энергии и водопотребления можно объединить в общую систему, подключенную к городским сетям. В результате использования всех возможных экологичных устройств можно получить энергонезависимое здание с экономичным водопотреблением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Экологичный жилой дом с экономией  энергопотребления и экологичным водопотреблением:

1 - стена с пассивным отоплением;

2 - солнечные батареи;

3 – гелиоколлектор;

4 - ветроагрегат;

5 - дефлектор-капюшон для охлаждения воздуха;

6 - «живая» машина для очистки;

7 - локальная  система очистки «черной» воды;

8 - бак «серой» воды;

9 - тепловой насос;

10 - система геотермального отопления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Энергоактивные  здания

 

Здания, конструктивно совмещенные  с установками для утилизации возобновимой энергии, называются энергоактивными. Ресурсы возобновимой энергии велики: солнечная энергия может обеспечить электроэнергией все источники на земле, энергия ежегодно производимой биомассы на порядок больше энергии добываемой нефти, 2 % энергопотенциала ветра покрывают все потребности человечества в энергии. Но ввиду низкой плотности всех видов возобновимой энергии для их утилизации необходимо строительство установок с большой площадью занимаемой земли. Поэтому одно из наиболее эффективных решений — совмещение жилых или производственных зданий с установками для преобразования возобновимой энергии. При этом возможно целенаправленное изменение архитектурно-планировочных решений: можно проектировать здания криволинейной формы в плане, изменять их конфигурацию, устраивать проемы для концентрации ветровых потоков и т.д.

В энергоактивных зданиях применяют: гелиоколлекторы, солнечные станции и адсорберы, установленные на кровельное покрытие, экраны лоджий, стены зданий, оконные проемы (селективно прозрачные); ветроколеса с концентраторами и диффузорами ветрового потока; гидротермальные или геотермальные коллекторы, расположенные в подвальной части или ниже фундамента здания; метантенки, сблокированные с конструкциями подвальной части, нулевого цикла и др. Максимальное совмещение несущих и технологических функций конструкций зданий и установок для возобновимой энергии позволяет не только сократить расход отторгаемой земли, строительных материалов, но и снизить длину коммуникаций. При этом не снижается архитектурная выразительность зданий и сооружений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Гелиоэнергоактивные здания

 

Гелиоэнергоактивные здания — это здания, конструктивно совмещенные с установками для утилизации солнечной энергии. Солнечная энергия — один из самых доступных источников, практически неисчерпаемый, не загрязняющий природу. Однако плотность энергии низка, а излучение — прерывисто, зависит от метеорологических условий. Солнечную энергию используют для непосредственного преобразования в электрическую, нагрева теплоносителя и преобразования его энергии в электрическую, нагрева теплоносителя и снабжения зданий горячей водой, нагрева массивных конструктивных элементов зданий, в качестве источника энергии для других видов возобновимой энергии — биоэнергетических установок, тепловых насосов. Солнечная энергооблученность зависит от района расположения здания, его ориентации по странам света. При оценке целесообразности использования таких зданий анализируют актиноклиматологическую характеристику региона, в которую входит солнечная радиация, суточный и сезонный ход облачности, температура и влажность воздуха, скорость ветра, осадки и туман. Нужно выявить статистически достоверную взаимосвязь поступления солнечной радиации с температурой наружного воздуха и ветром.