Сбережение ресурсов при эксплуатации зданий. Энергосберегающие и энергоактивные здания

Система отопления должна позволять  поглощать солнечную радиацию и  преобразовывать ее в теплоту, аккумулировать теплоту ввиду непостоянства радиации, распределять ее в зоны отопления в нужном количестве. Пассивные системы солнечного отопления функционируют без принудительного вмешательства, спонтанным протеканием естественных процессов. В активных системах эти функции осуществляются с помощью насосов, вентиляторов и т д. Если в пассивной системе используется, например, вентилятор для интенсификации циркулирования теплоносителя то система называется смешанной.

Известны несколько типов пассивных  систем, в которых основной частью служат конструкции зданий: система прямого облучения, когда солнечная радиация проходит сквозь оконные стекла, имеющие высокое пропускание лучей с длиной волн 400...3000 нм, но задерживающее инфракрасные лучи с длиной волны около 10 мкм (парниковый эффект), после чего солнечные лучи нагревают пол, стену или чердачные конструкции высокой теплоемкости и аккумулирующие энергию (например, темный кафель); система «массивная стена» (Тромба-Мишеля), представляющая собой толстую стену с одной темной поглощающей поверхностью   которая закрыта стеклом, расположенным на небольшом расстоянии (100...120 мм) от стены. В верхней и нижней частях предусмотрены проемы для циркулирования воздуха, который при нагреве его от темной поверхности стены становится легче и перемещается ввиду термосифонной циркуляции; летом для исключения перегрева используют затеняющие устройства, а в ночное время для сокращения потерь теплоты стекло закрывают трансформируемой теплоизоляцией; модификация такой конструкции - система типа оранжереи, когда за массивной стеной размещают помещение, отапливаемое за счет конвекции от массивной стены. Все пассивные системы должны включать в себя автоматическое регулирование температуры.

Гелиоэнергоактивные здания должны удовлетворять  требованиям незатеняемости, рациональной формы и ориентации исходя из свойств поля солнечной радиации. Гелиоприемники располагают на обращенных в южную сторону склонах кровель, экранах лоджий, стенах; при строительстве на склонах используют уклоны для размещения гелиоприемников или отражателей. Стационарные гелиоколлекторы на скатной кровле совмещают с кровлей; устанавливают стационарные коллекторы на плоских кровлях, ограждениях балконов, лоджий, соляриев в солнцезащитных устройствах.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3. Активные системы:

а - гелиоколлекторы на скатной кровле, на стенах и экранах лоджий;

б - то же для зданий с плоской кровлей;

1- здание; 2 - кровля; 3 - гелиоколлекторы на кровле; 4 - то же, на стенах; 5 - то же, на экранах лоджий

В целях повышения энергетической экономичности целесообразны здания с энергетически эффективной формой. Для этого делают внешние или внутренние отражатели, концентрирующие солнечную энергию на гелиоприемнике; устраивают дополнительные отражатели на трансформируемых защитных створках фона-реи, на смежных зданиях; выносят коллектор большей площади за пределы здания на склон; применяют слежение (вращение) энергоактивного здания или коллектора за солнцем. Коллекторы могут быть плоские или фокусирующие: плоские - если потребляется сравнительно низкопотенциальная энергия или в сочетании с тепловыми насосами; фокусирующие - при необходимости получения более высоких температур или для энергоустановок с рабочим телом - кипящей жидкостью. Плоские гелиоприемники представляют собой прозрачные с одной стороны тепловоспринимающие панели, в которых нагревается теплоноситель подаваемый с температурой, которая на несколько градусов ниже температуры внутри панели, и идущий в систему теплоснабжения после нагрева.

В качестве теплоносителя используется вода, незамерзающий зимой антифриз или водный раствор глицерина, не вызывающий коррозии (при высоких  температурах в фокусирующих приемниках — жидкое масло). Разновидность плоских гелиоприемников — плоские солнечные адсорберы непрозрачного типа, тепловоспринимающим элементом которых служит стальной лист заменяющий кровельное покрытие; к листу приварены или прижаты трубы прямоугольного сечения, по которым движется теплоноситель. Наклон гелиоколлекторов не обязателен: их устанавливают и вертикально на наружных стенах. Обычная схема теплоснабжения и кондиционирования воздуха выглядит следующим образом: поступающий от гелиоколлектора теплоноситель накапливает тепло в баке, затем вода подогревается тепловым насосом или охлаждается абсорбционным холодильником.

Для сглаживания суточных или других колебаний температуры в контуре  гелиоприемников энергию аккумулируют в специальных баках-аккумуляторах, где теплота накапливается за счет теплоемкости заполнителя (жидкие или твердые заполнители), фазовых переходов (накопление энергии при плавлении заполнителя и ее выделение при твердении), а также термохимии (накопление энергии при прохождении эндотермических реакций и ее выделение — при экзотермических реакциях).

Рационально размещать солнечные  электростанции (СЭС) на кремниевых батареях непосредственно на крышах жилых  домов: так, СЭС с электрическим  КПД — 10... 15%, тепловым КПД — 30...50 % и с системой аккумулирования, размещенная  на крыше жилого дома площадью 100 м², полностью обеспечивает энергетические потребности этого дома (требуемая площадь зависит от актиноклиматологической характеристики региона, в южных регионах она составляет всего 10 м²).

Для снижения стоимости электроэнергии применяют концентраторы солнечного излучения, устраивая СЭС в виде поля концентраторов с приемниками на кристаллических фотопреобразователях. Интересна совокупность зданий и сооружений для производства сельскохозяйственной и энергетической продукции, связанных единым технологическим процессом. Сюда входят: солнечная электрическая станция с полем гелиостатов, совмещенным с конструкциями животноводческих помещений; солнечно-ветровая энергетическая станция, состоящая из коллектора солнечного излучения (теплица под прозрачной пленкой), вытяжная башня и электрогенератор с лопастным движителем; ветровая электрическая станция роторного типа в верхней части вытяжной башни; тепловая энергетическая станция, использующая органическое топливо (биогаз, растительные отходы); энергетическая установка для конверсии органических веществ в топливо, причем метантенки расположены у основания башни и подогреваются теплым воздухом от теплиц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Ветроэнергоактивные  здания

 

Ветроэнергоактивное здание — это жилое, производственное, сельскохозяйственное здание, выполняющее дополнительную функцию производства полезной энергии (электрической, механической, тепловой) преобразованием энергии ветра ветровыми колесами, размещенными в здании. Здание может служить опорой для размещения ветровой установки на его кровле, при этом форма здания концентрирует ветровой поток, подавая его к ветроколесам, размещенным в здании. Энергия ветра зависит от солнечной энергии, часть которой преобразуется в ветровую; на формирование ветровых потоков влияют некоторые местные факторы: рельеф местности, водоемы, прибрежные зоны моря и суши, общие и местные циркуляционные процессы. Энергия исключительно неравномерно распределена по поверхности Земли; имеются устойчивые и меняющиеся ветровые потоки, причем существенное влияние на их скорость и направление оказывает шероховатость поверхности, в том числе застройка, особенно многоэтажными зданиями, и озеленение. Оценивают ветровую энергию с учетом данных о направлении и скорости распределения ветра во времени, влияния региональных факторов (рельеф, микрорельеф, учет строящихся зданий), высотного распределения скорости. Благоприятна для строительства ветроэнергоактив-ных зданий скорость ветра 3... 10 м/с при повторяемости 60... 90 %.

Основной рабочий орган ветроэнергоактивного здания — ротор, который через механическую передачу приводит во вращение генератор. Ввиду непостоянства действия ветра ветроэнерго-активные здания следует подключать к городской сети в качестве электростанции и потребителя. В качестве ветроагрегатов ветроэнергетических установок (ВЭУ) чаще всего применяют агрегаты с горизонтальной осью вращения (пропеллерного типа) с диаметром лопастей до 100 м. Ветроколеса с вертикальной осью вращения используют реже, так как они имеют ряд недостатков, но они лучше вписываются в конструкции энергоактивных зданий. При их усовершенствовании можно повысить конкурентоспособность. Мощность таких ветроагрегатов достигает 1000... 5000 кВт.

При проектировании ветроэнергоактивных  зданий предусматривается защита зданий и жителей от механических колебаний, генерируемых ветроустановкой. Ветроколеса с лопастями большой площади и низкой скоростью вращения генерируют инфразвуковые колебания, опасные для человека. Поэтому необходимы разнообразные способы виброизоляции и шумозащиты. При оценке возможности строительства необходимо вариантное проектирование с размещением ветровых колес различных типов в разных местах рельефа и участках здания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4. Ветроэнергоактивные здания:

а —  ветроколесо, совмещенное на кровле с гелиоколлектором;

б —  то же, с концентраторами потока ветра;

в —  то же, внутри здания;

1 — ветроколесо;

2 —  гелиоколлектор;

3 —  небольшой ветроагрегат на кровле;

4 —  труба;

5 — вертикальная ветротурбина.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Гидроэнергоакивные  здания

 

Гидроэнергоактивные здания используют следующие виды энергии: тепловую сбросную энергию ТЭЦ, промышленных предприятий, естественных источников с теплообменом при протекании теплой воды по наружной поверхности зданий или в полостях конструкций; напорное протекание теплой воды через трубчатые теплообменники, от которых вода поступает в здание. В геотермальном здании отбор энергии из теплого массива грунта под зданием осуществляется через теплообменник, представляющий систему труб с энергоносителем — водой, жидкостью другого типа или воздухом. В верхней зоне, соприкасающейся с холодным воздухом, массив грунта, служащий для отбора энергии, теплоизолируется, а для улучшения тепломассообменных свойств он может быть частично заменен гравием, щебнем. Теплоемкость искусственного массива увеличивают его внешней теплоизоляцией и последующим заполнением водой. Энергетический потенциал массива грунта может быть повышен при его подключении летом к гелиоколлекторам, с циркуляцией теплоносителя в массиве грунта. В этом случае массив грунта искусственной насыпи играет роль аккумулятора энергии.

Тепловые насосы в энергоактивных зданиях широко применяются для повышения потенциала при утилизации разных видов тепловой энергии (например, в системах геотермального отопления или при утилизации внутреннего тепла в зданиях). Тепловые насосы отличаются высокой эффективностью при небольших затратах электроэнергии на их работу. Эти преобразователи тепловой энергии, повышающие ее потенциал (температуру), могут быть компрессионными (последовательно сжимающие и расширяющие рабочее вещество — воздух или пар), сорбционными (последовательное осуществление термохимических процессов поглощения — сорбции рабочего вещества сорбентом, а затем его выделения — десорбции), термоэлектрическими (выделение и поглощение теплоты при прохождении через спаи материалов электрического тока).

Эффективность процесса работы теплового  насоса повышается при уменьшении разницы  температур конденсатора и испарителя. Для этого температура теплоносителя (воды) в системе горячего водоснабжения  и отопления должна быть как можно  ниже (около 45...50°С).

В целях минимизации расхода  электроэнергии на работу теплового насоса (привод теплового насоса) необходимо подбирать температуру испарения с учетом температуры наружного воздуха. Двигатель в тепловых насосах обычно работает от электромотора. При конверсии биомассы в биогаз его рационально использовать для привода теплового насоса.

Энергию масс воды в морях при  приливах и отливах и волновую энергию можно утилизировать, размещая устройства для утилизации в гидроэнергоактивных зданиях и сооружениях на шельфе или в волноотбойных стенах и берегозащитных сооружениях. Поплавки, перемещающиеся по вертикали относительно неподвижных опор (отдельных стоек, или опор здания на шельфе), или шарнирно соединенные между собой плоты приводят в движение генераторы для выработки электроэнергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5. Геоэнергоактивное здание с геотермальными трубами:

1 — здание;

2 — подвал;

3 — радиатор;

4 — тепловой насос;

5 —  слой утеплителя;

6 —  трубы коллектора;

7 — грунт основания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Биоэнергоактивные здания

 

В биоэнергоактивных зданиях используется биомасса (трава, кустарники, водоросли, отходы животноводства, птицеводства, промышленные и бытовые отходы, бытовые  сточные воды) как исходный продукт  для образования биогаза. Сырьем для получения биогаза служит биомасса — продукт фотосинтеза (растения, водоросли и др.) или биомасса — отходы производства. Отходы — наиболее перспективный источник биогаза: на одного человека в год в развитых странах приходится до 5 т сухих органических отходов, а в России и США - всего около 2,4 млрд т, что после переработки в биогаз (метан) даст около 700 млрд. м³ или 1 млрд. т условного топлива. При непосредственном сжигании основного материала биомассы — лигноцеллюлозы — образуются продукты пиролиза, загрязняющие атмосферу. В последние годы получило широкое распространение преобразование древесных отходов в гранулы, удобные для сжигания, пеллеты. Биотехнологическое преобразование осуществляется ферментативным разложением биомассы микроорганизмами в анаэробных условиях (без доступа воздуха): метановое брожение — для получения метана; этиловая ферментация — для получения этанола; анаэробная ферментация — для производства ацетона, бутанола или водорода; ферментативная деполимеризация — для получения соединений, используемых при производстве газа.