О. В. Бумаженко
18.04.2015 г.

  На главную раздела "Научные работы"


4.2. ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ ЗДАНИЯ


          Несмотря на тенденцию роста предпочтительности энергоэкономичного строительства, наиболее интересен и важен, в свете выявленных перспектив развития всемирной энергетики, опыт строительства энергоактивных зданий [14], позволяющих не только экономить энергию в процессе их эксплуатации, но и полностью замещать ее традиционные исчерпаемые источники (нефть, уголь, газ и т.п.) возобновляемыми. Идея энергоактивных зданий явилась результатом поиска путей наиболее экономичных средств энергоснабжения объектов строительства (наиболее актуальна эта проблема для временных и удаленных поселений) и подразумевает достижение этой цели благодаря возможности производства энергии непосредственно на объекте, сулящей перспективу полного отказа от устройства дорогостоящих и ненадежных в эксплуатации внешних инженерных сетей (тепло-, электросетей, сетей горячего водоснабжения). Отказ от устройства подводящих сетей, в свою очередь, означает исключение огромных потерь энергии, имеющих место при ее транспортировке. Суммарная величина этих и других возможных экономических "выигрышей" соотнесенная со стоимостью необходимых для их получения мероприятий и средств, определяет в итоге целесообразную степень энергоактивности проектируемого здания. Практика показывает, что в современных условиях далеко не всегда экономически оправдано полное замещение традиционных энергоносителей возобновляемыми; в большинстве случаев это объясняется невысоким к.п.д. имеющихся сегодня технологических средств утилизации энергии природной среды при довольно значительной их стоимости. Поэтому, наиболее целесообразными признаются разнообразные комбинированные схемы энергоснабжения, сочетающие использование традиционных и одного (нескольких) видов альтернативных средств.

          Таким образом, мощность и доступность имеющихся на месте строительства природных и других энергетических ресурсов, характер, производительность и стоимость средств их использования определяют целесообразную степень энергоактивности объекта. По этому признаку различают здания:

          - с малой энергоактивностью (замещение до 10% энергопоступлений);
          - средней энергоактивностью (замещение 10-60%);
          - высокой энергоактивностью (замещение более 60%);
          - энергетически автономные (замещение 100%);
          - с избыточной энергоактивностью (энергопоступления от природных источников превышают потребности здания и позволяют передавать излишки энергии другим потребителям).

          Экспериментальное строительство 1970 - 1980-х годов показало, что экономически эффективными (по соотношению цена/производительность), а следовательно, наиболее популярными сегодня и на видимую перспективу стали здания со средней энергоактивностью, в которых энергией возобновляемых природных источников обеспечивается от 40% до 60% общей потребности [14].

          К возобновляемым источникам энергии, многие из которых имеются практически повсеместно и в разных масштабах используются в современном строительстве, относятся:

          1) энергия солнца (тепловая и световая составляющие солнечной радиации - основной первоисточник);

          2) геотермальная (тепло верхних слоев земной коры и массивных поверхностных форм рельефа - скал, камней и т.п.), гидротермальная (тепло грунтовых вод, открытых водоемов, горячих подземных источников) и аэротермальная энергия (тепло атмосферного воздуха) - "производные" от солнечной энергии и энергии земного ядра;

          3) кинетическая энергия воздушных потоков (энергия ветра - "вторая производная" от солнечной энергии);

          4) кинетическая энергия водных потоков (энергия водопадов и морских приливов - "производные" от гравитационных сил Земли и Луны);

          5) энергия биомассы (растительности, органических отходов промышленных и сельскохозяйственных производств, а также жизнедеятельности животных и людей - результат биоконверсии солнечной энергии);

          Наиболее эффективными (а следовательно, подходящими и для широкомасштабного промышленного производства энергии) источниками специалисты практически единогласно признают энергию солнца (и ее первых "производных"), ветра и биомассы - наиболее мощных, распространенных, доступных, а значит, и дешевых. Так, эффективное использование даже небольшой части солнечного или ветрового потенциала планеты способно покрыть все существующие энергетические потребности человечества. Например, ветровые энергетические ресурсы континентов, которые могут быть когда-либо использованы (с учетом неизбежных потерь), оцениваются сегодня в 40 ТВт, при этом современное энергопотребление человечества составляет около 10 Твт. Биомасса уже сегодня обеспечивает до 13% мирового производства энергии [15]. Однако, природные энергетические ресурсы распределены весьма неравномерно, что выражается существенными отличиями природно-климатических условий, даже в границах одного климатического района. Поэтому, в каждом конкретном случае экономическая эффективность, т.е. предпочтительность использования того или иного природного источника энергии определяется местными условиями и критериями: наличием источника в районе строительства, его мощностью (величиной возможных энергопоступлений) и размерами затрат, необходимых для технического обеспечения эксплуатации источника в данном регионе. Например, в Исландии наиболее эффективным оказалось использование энергии подземных вод, благодаря которому страна смогла полностью отказаться от ввоза угля и нефти [15].

          Отечественные специалисты отмечают столь же высокую потенциальную эффективность использования гидротермальной энергии во многих районах Восточной Сибири и Дальнего Востока России. Кроме того, как весьма перспективное в условиях Севера и Востока России оценивается использование солнечной энергии, т.к. среднегодовые значения прямой солнечной облученности сопоставимы здесь с условиями Средней Азии и Закавказья [15].

          Оценивая вышеизложенное, важно отметить объективный характер тенденции к усилению роли регионализма в современном архитектурно-строительном процессе, превращению его в глобальное явление, охватывающее весь комплекс экономических, политических и культурных процессов.

          Системы энергоснабжения зданий и населенных мест, использующие энергию природной среды, часто оказываются экономически эффективнее традиционных не только вследствие значительного снижения потребления обычных дорогостоящих топливных ресурсов, но и как более дешевые в строительстве (монтаже) и эксплуатации, например, в условиях вечномерзлых грунтов, слаборазвитой или недостаточно мощной имеющейся инженерной инфраструктуры (что особенно характерно для реконструируемых густонаселенных, а также вновь осваиваемых малонаселенных мест).

          Одним из важнейших достоинств альтернативной энергетики является ее экологичность: процесс получения энергии от возобновляемых источников не сопровождается образованием загрязняющих окружающую среду отходов, не ведет к разрушению естественных ландшафтов, практически исключает опасные для биологических субстанций аварийные ситуации, т.е. никак не угрожает экологическому равновесию экосистем.

          Исключение составляет использование биомассы, предполагающее получение энергии посредством традиционного сжигания твердого биотоплива-концентрата и биогаза, в результате чего образуются углекислые соединения, способствующие усилению "парникового" эффекта в атмосфере; кроме того, использование биогаза, содержащего до 70% метана, требует усиленных мер обеспечения безопасности. Сумма этих обстоятельств ставит под сомнение экологическую целесообразность широкого использования биомассы в целях производства энергии.

          С другой стороны, известно, что метановое брожение, в результате которого образуется биогаз - "наиболее радикальный и эффективный способ очистки сточных вод, что весьма существенно для решения важнейших проблем охраны окружающей среды и регенерации воды" [15]; этот процесс сопровождается образованием ценных органических удобрений. Наконец, биогаз – реальная альтернатива нефтепродуктам и природному газу при использовании в качестве топлива для двигателей и котельных, производящих тепло и электричество, т.к. это топливо может быть получено автономно - непосредственно у потенциального потребителя и практически везде, где есть органические отходы (например, отходы колонии из 15 человек могут дать около 0.5 м3 биогаза в сутки, что при использовании газового двигателя с генератором позволит получить 1.1 кВт*ч электроэнергии [15]). Для сжигания твердой биомассы разработаны системы, позволяющие утилизировать до 80% содержащейся в ней энергии (против 10%, получаемых в традиционных печах при применении открытого огня). Это обещает сокращение расхода топлива и, соответственно, объемов вредных выбросов в атмосферу в несколько раз. Данные обстоятельства свидетельствуют в пользу использования технологий по производству биогаза в современном строительстве, что, однако, требует соответствующих функционально-планировочных и инженерных решений как для зданий (к примеру, ферм, теплиц и т.п.), так и для поселений. Суть данной задачи заключается в рациональном размещении основных емкостей для производства биогаза (метантэнков) и его хранения, а также эффективной функционально-пространственной организации технологических связей элементов системы, в т.ч. в целях энергосбережения. (Так, для эффективного протекания процесса метанового брожения в метантэнках необходимо поддерживать постоянную плюсовую температуру; потребности в дополнительной энергии для этих целей можно покрыть вземлением метантэнков, использованием энергии солнца, ветра и др. природных источников, включением метантэнков в структуру здания с целью эффективной утилизации его энергетических отходов - например, технологических тепловыделений [15]). Опыт строительства биоэнергоактивных зданий, имеющийся как за рубежом, так и в России, демонстрирует их высокую эффективность в современных экономических условиях.

          Кроме биоэнергоактивных зданий, типологический спектр которых довольно ограничен, в зависимости от принятой ориентации на использование того или иного (или нескольких одновременно) природного источника энергии различают:

          а) гелиоэнергоактивные здания (эффективно использующие энергию солнца);
          б) ветроэнергоактивные здания;
          в) здания, использующие гео-, гидро- и аэротермальную энергию;
          г) здания с комбинированным использованием различных природных источников энергии.

          При проектировании зданий, использующих возобновляемые природные источники энергии, ключевое значение имеет решение трех задач:

          1) как собрать энергию (как получить необходимое количество энергии, учитывая ее определенную рассеянность во внешней среде, т.е. компенсировать недостаточную мощность естественных энергетических потоков);

          2) как хранить (аккумулировать) собранную энергию (как компенсировать характерное несовпадение во времени периодов и суточно-сезонную неравномерность поступления и потребления энергии);

          3) как распределять энергию (как обеспечить регулируемое распределение энергии в здании для обеспечения требующихся в данный момент и в данное время функционально-технологических и микроклиматических параметров его элементов).

          Два принципиально отличных подхода к организации среды обитания человека – техноцентрический и экологический – определяют две группы средств для решения указанных задач, обусловливая, как показывает практика, совершенно разные качества получаемых в результате решений – архитектурно-градостроительных, конструктивных, инженерно-технических.

          Так, техноцентрический (традиционный) подход, рассматривающий здание как внутренне замкнутую систему, предполагает приоритетность задач по усилению изоляционных свойств ограждений и выражается использованием, преимущественно, инженерно-технических, или активных, средств повышения энергоэффективности здания, и в частности, использования природных источников энергии: сбор, хранение и распределение энергии осуществляется с помощью специальных систем технического оборудования, которыми оснащаются здания, а также других инженерных объектов, что предполагает "принудительный" характер протекания энергетических процессов, обеспечивающий возможность получения большого количества высококонцентрированной энергии. Однако, при этом инженерно-технические средства не только "дают", но и "берут": помимо довольно высокой себестоимости, они требуют расходов на содержание, технической осведомленности пользователя и квалифицированного обслуживающего персонала, что в сумме ограничивает область их экономически эффективного применения крупными общественными зданиями и промышленными объектами с высокой и избыточной энергоактивностью.

          Экологический подход к проектированию энергоэффективных (и в частности, энергоактивных) зданий, рассматривая здание как изначально тесно взаимосвязанный с внешней средой организм и следуя логике природных явлений, ставит целью решение энергетических задач на основе целенаправленной организации особой материально-пространственной среды, обеспечивающей регулируемое, но естественное протекание требующихся энергетических процессов: само здание, его конструкции и пространства, объекты окружающей среды выполняют роль энергетической установки Таким образом, приоритетное значение приобретают задачи по организации эффективных естественных обменных процессов внутри объема здания и с внешней средой, (в т.ч. в целях использования энергии природной среды), решаемые, преимущественно, ландшафтно-градостроительными, объемно-планировочными и конструктивными, или пассивными, средствами; технические системы при этом выполняют простые вспомогательные (в основном, корректирующие) функции. Энергетическая эффективность пассивных систем невысока: сегодня ими можно обеспечить около 50% потребности зданий в энергии. Однако, их сравнительно небольшая себестоимость, хорошие эксплуатационные характеристики (в т.ч. простота использования) и подчеркнутая экологичность обусловили целесообразность их применения при проектировании любых архитектурных объектов. Более того, результаты многих программ по энергосбережению в строительстве, полученные в конце 1980-х годов, в целом, показали более высокую экономическую эффективность пассивных энергосистем относительно большинства активных: решающее значение приобрели стоимостные и эксплуатационные качества.

          Большинство специалистов не склонно расценивать данные результаты как крах концепций активного использования энергии природной среды, объясняя их снижением цен на традиционные энергоносители во второй половине 1980-х и неизбежным вследствие этого ослаблением интереса потребителей к проблемам энергосбережения. Тем не менее, в строительной практике 1980-1990-х годов обозначилось усиление тенденции к преимущественной ориентации на энергосберегающие технологии и пассивные системы использования энергии природной среды, как комплекс средств, наиболее маневренный экономически и функционально, технологически доступный любому потребителю и символизирующий близость к природе. Развитие этой тенденции оформилось уже к сер.1980-х годов в концепции биоклиматической архитектуры, яркой отличительной чертой которой стал принцип общего экологического осмысления актуальных энергетических аспектов строительной деятельности, выражающийся в программной ориентации на комплексное использование, преимущественно, "естественных" - ландшафтно-градостроительных, объемно-планировочных, конструктивных и др. пассивных средств повышения энергоэффективности зданий [3,15].

          Однако, следует отметить, что объективная необходимость полной замены традиционных энергоносителей в ближайшие 50 лет в условиях господствующей ориентации на среднюю энергоактивность новых зданий и их все еще небольшое количество в общем объеме обусловливает рост актуальности проблемы индустриализации производства энергии от возобновляемых природных источников.

          Принципиальные отличия активных и пассивных средств (или систем) можно обозначить несколькими примерами основных средств для сбора и аккумулирования энергии различными энергоактивными зданиями.

          В гелиоэнергоактивных зданиях основными активными средствами будут являться такие технические устройства как:

          - гелиоколлекторы (гелиоприемники) – особо сконструированные плоские панели из фотоэлектрических (для получения электроэнергии) или теплообменных (для получения тепла) элементов (см.рис.*);

          - гелиостаты – зеркальные отражатели, перераспределяющие потоки солнечной энергии в пространстве (позволяют сократить площадь коллекторов в 2 - 4 раза - см. рис.*);

          - концентраторы - криволинейные отражатели, обеспечивающие сведение энергетического потока к точечному приемнику, на котором за счет повышения плотности излучения можно получать температуры до 650 О С с к.п.д. около 75% [14] (см. рис.*).

          Лидерами в исследованиях по использованию активных гелиосистем в строительстве являлись США, Япония, Швеция, Германия, СССР (к 1990 году только в США построено более 15 тыс. гелиодомов, более 100 - в СССР, среди которых, однако, есть мощные производственные гелиокомплексы [15]). На практике как экономически наиболее эффективные зарекомендовали себя системы с плоскими гелиоколлекторами теплообменного типа, использующиеся для получения тепла в системах отопления и горячего водоснабжения, в основном, односемейных и многоквартирных жилых зданий: при общем замещении 40-70% традиционных энергопоступлений они имеют минимальную стоимость [14].

          С другой стороны, основными пассивными средствами будут служить:

          - термические емкости - нагреваемые солнцем и медленно отдающие тепло естественные аккумуляторы (массивные конструкции зданий: каменные и водонаполненные стены, перекрытия; внутренние и наружные водоемы, каменные и глинистые массивы грунта и т.п. - см. рис.*);

          - энергоактивные буферные пространства, в отличие от изолирующих энергоэкономичных, собирают тепло, отдаваемое термическими емкостями во внешнюю среду, посредством естественного "парникового эффекта", который имеет место в пространствах со светопрозрачными наружными ограждениями (теплицы, оранжереи, веранды) и позволяют обеспечить до 25% энергопотребления [6,10,11,14]; так, весьма высокая энергетическая эффективность буферных пространств, использующих энергию солнца, наблюдается при устройстве теплиц на крышах зданий (общественных, производственных, жилых – см.рис.*), а также организации их как мезопространств, в которые целиком помещаются здания или даже целые поселения; наиболее совершенной формой для буферного мезопространства является купол, в частности, геодезический купол Фуллера, однако гигиенические качества таких структур вызывают нарекания многих специалистов и требуют тщательного изучения;

          - "солнечные трубы"- вертикальные пространства на всю высоту здания, через которые осуществляется внутреннее воздушное отопление (зимой) и качественное проветривание (летом) всех основных помещений за счет эффекта естественной вертикальной тяги (см.рис.*);

          - другие ландшафтно-градостроительные и объемно-планировочные средства, обеспечивающие приток наибольшего количества энергии к "улавливающим" ее частям здания, а также кратчайшие пути ее распределения (универсальный принцип для всех видов энергоактивных зданий): ориентация термических емкостей, буферных и др. пространств по солнечному потоку с учетом затеняющих объектов, использование отражающих (экранирующих) свойств соседних природных и искусственных объектов для перенаправления и концентрации потоков энергии и т.п. (см. рис.*).

          - комбинированные системы – например, стена-витраж, обеспечивающая нагрев внутренних ограждений помещения, выполненных в виде термических емкостей (в соответствующих климатических условиях позволяет получить до 17% требующейся энергии [14]), или стена Тромбэ, провоцирующая сильный "парниковый эффект" в неширокой (до 16 см) воздушной прослойке между светопрозрачной наружной поверхностью и высокотеплоемкой стеной (при использовании в целях воздушного отопления и проветривания позволяет экономить около 55% энергии [14] - см. рис.*), а также остекленные атриумы, являющиеся квинтэссенцией пассивных средств использования энергии природной среды: энергетическая структура атриума, соединяющая свойства термических емкостей, буферного пространства, "солнечной трубы" и даже световода, определяет его значение как ключевого инструмента регулирования микроклиматических параметров здания, разумное использование которого позволяет обеспечить помещения качественной вентиляцией, естественным освещением (устройство атриума наиболее эффективно, когда предусматривается его использование для вентиляции/отопления и освещения, преимущественно, основных помещений [13]) и при этом снизить теплопотери на 50-65% [13] (см. рис.*); с другой стороны, неоспоримые функциональные и эстетические качества атриумов сообщают им исключительную социальную значимость [10]; остекленные атриумы, как пассивные системы, обладающие целым комплексом ценных энергетических свойств, стали наиболее характерным элементом сооружений, проектируемых в соответствии с принципами биоклиматической архитектуры [3,5,10,11,13, 15] (см. рис.*).

          Для ветроэнергоактивных зданий активными средствами будут ветрогенераторы и ветроколеса с вертикальной или горизонтальной осью вращения (см. рис.*), пассивными - ландшафтно- градостроительные приемы и приемы формообразования энергоактивных частей здания, обеспечивающие концентрацию ветрового потока и направление его к ветроколесу (см.рис.*); для эффективной работы ветроколеса необходимо преобладание в течение года ветров со скоростью 3-5 м/с [15]).

          Основными активными средствами для зданий, использующих гео-, гидро- и аэротермальные источники энергии являются тепловые насосы - системы подземных (подводных) трубопроводов, в которых циркулирует морозостойкая жидкость (масло, спирт и т.п.), собирающая тепло грунта или воды за счет поддерживаемой разницы температур и, как правило, передающая его через теплообменники теплоносителю системы отопления/вентиляции здания (см.рис.*).

          Так, в условиях России на широте С.-Петербурга для энергоснабжения одноэтажного коттеджа теплотой грунта, извлекаемой коллектором-змеевиком, заложенным на глубине около 1 м, требуется участок земли площадью 0.2-0.5 га [15]. В условиях Швеции геотермальная теплонасосная установка мощностью около 10 кВт (для теплоснабжения индивидуального жилого дома) требует 300 - 400 м трубопровода, заложенного на глубине 0.6-1.5 м, и 300-400 м2 земли; а каждый км2 поверхности озера может обеспечить теплом около 1000 односемейных жилых домов среднего размера [17].

          Тепловые насосы относятся к наиболее эффективным средствам использования энергии окружающей среды, т.к. позволяют получить в 3 раза больше энергии по сравнению с затраченной в месте использования и покрыть все энергопотребности здания (при условии его хороших теплотехнических характеристик)[17]. Более того, тепловые насосы повышенной мощности способны обеспечивать энергией не только отдельные здания, но и целые районы городской застройки, что делает весьма целесообразным их использование в групповых (централизованных) источниках энергоснабжения: энергоустановка в г. Фагерсьё (Швеция) на основе теплового насоса, использующего тепло атмосферного воздуха, на 80% обеспечивает потребности в тепле территории с 817 жилыми зданиями, школой и торговым центром [17]. В целом, теплонасосные установки зарекомендовали себя как весьма перспективные: в той же Швеции уже к 1985 году на разных объектах было установлено более 70 тыс. тепловых насосов (около 50% из них использовали тепло атмосферного и вентилируемого воздуха) [17]. Отечественные специалисты предлагают тепловые насосы, позволяющие эффективно утилизировать геотермальную энергию в условиях вечной мерзлоты [1].

          Самым эффективным пассивным средством использования геотермальной энергии является вземление (присыпка грунтом) или заглубление здания (см. рис.*). Например, по опыту США, при стоимости строительства, эквивалентной или чуть большей (в пределах 10%) стоимости обычных зданий, заглубленные позволяют экономить до 60% энергии на стадии эксплуатации [14], что и стало причиной их активного строительства в последнее время: уже в конце 1970-х годов около 5% новых индивидуальных жилых домов в США строилось в заглубленном исполнении (см. рис.* ). В числе многих достоинств заглубленных и вземленных зданий следует выделить:

          - эффективное использование разработанного грунта, который, как правило, оставляется на площадке и применяется в качестве средства присыпки (обваловки) здания и организации ветрозащитных и солнцеаккумулирующих форм рельефа на территории участка;

          - прекрасные эксплуатационные характеристики наружных ограждений: во-первых, вземление здания позволяет значительно сократить (или исключить полностью) его наиболее дорогостоящие фасадные поверхности, а во-вторых, теплоинерционные массивы грунта, укрывающие стены и кровли, существенно смягчают колебания температурно-влажностных параметров внешней среды, предохраняя материалы покрытий от быстрого разрушения;

          - высокую тепловую инертность, выражающуюся в очень медленной теплоотдаче (при отключении источника тепла температура внутреннего воздуха в заглубленном здании снижается на 1-2° С в сутки [7]).

          - высокую градостроительную маневренность: заглубление позволяет, к примеру, компактно располагать весьма крупные объекты в условиях мелкомасштабной (в т.ч. исторической) застройки, не нарушая сложившегося характера среды и обеспечивая дополнительные озелененные пространства (см. рис.*).

          Основными недостатком этих зданий является некоторая усложненность решения проблем дренажа и гидроизоляции в условиях высоких грунтовых вод, а также естественного освещения и вентиляции внутренних помещений: с одной стороны, повышенная герметичность наружных ограждений исключает неконтролируемый приток наружного воздуха, обеспечивая максимальную регулируемость микроклиматических параметров помещений, а с другой, это предполагает неизбежность устройства механических систем вентиляции, которые снижают содержание озона и ухудшают ионный состав воздуха в помещениях [6] (см.рис.*).

          Возвращаясь к активным средствам использования энергии природной среды, необходимо отметить экономическую и энергетическую целесообразность максимально возможного "сращивания" используемых технических и архитектурно-конструктивных средств, например, в виде совмещения конструкций стен (крыш) и гелиоколлекторов, включением ветрогенераторов в объемную структуру здания и т.п. Такие решения, основанные на принципе совмещения конструктивных элементов зданий и энергетических установок, позволяют снизить стоимость объекта на 25-35% [14,15] (см.рис.*).

*Автор не смог прислать рисунки ввиду давности написания отчета.

В начало                               Продолжение
 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить