Энергосберегающие и энергоактивные здания

Энергосберегающие и энергоактивные здания

Министерство образования и науки РФ

Волгоградский Государственный Архитектурно-Строительный Университет

Волжский Институт Строительства и Технологий

Кафедра ГСХ

Реферат по дисциплине «Экология»

На тему «Энергосберегающие и энергоактивные здания»

Выполнил: ст. гр. ГСХ-1-08

Гриценко А. В.

Проверил: Тиханкин Г. А.

Волжский 2011

Содержание

1 Введение

.Пути повышения энергоэффективности объектов строительства

. Преимущества энергоактивных зданий. Типы зданий по энергоактивности

. Использование возобновляемых источников энергии

. Достоинства альтернативной энергетики

. Проектирование энергоактивных зданий

.1 Проблемы проектирования энергоактивных зданий

.2 Пути решения

.3 Принципы проектирования энергоактивных зданий

.3.1 На уровне градостроительства

.3.2 На уровне объемно-планировочного решения

.3.3 На уровне конструктивного решения

.3.4 На уровне инженерно-технического обеспечения

.4 Применение солнечной энергии при проектировании зданий

.4.1 Общие положения

.4.2 Отечественный опыт применения солнечных систем

.4.3 Зарубежный опыт разработки гелиозданий

.5 Принципы проектирования ветроэнергоактивных зданий

.6 Проектирование зданий с использованием гидротермальной и

геотермальной энергии

.7 Заглубленные жилища

.7.1 Проблема сохранения энергии

.7.2 Примеры заглубленных жилищ

Заключение

Список использованной литературы

энергосберегающее энергоактивное здание

1. Введение

Влияние энергетики на экономику можно смело отнести к числу определяющих факторов современного общественного развития. Энергетическая проблема представляет собой одну из ключевых технических, экономических и социальных проблем, стоящих сейчас перед человечеством. Обеспечение потребностей в энергии влечет за собой необходимость глубокой, динамичной перестройки как самого топливно-энергетического хозяйства, так и структуры и способов потребления энергии с точки зрения рационализации и всемерной экономии в сфере энергопотребления, вовлечения в энергобаланс новых и возобновляемых источников энергии, строительства и реконструкции энергоэкономичных, а на последующих этапах - энергоактивных зданий.

Вся эта огромная работа ведется с учетом ограничивающих факторов экологического, технологического, ресурсного (включая прежде всего трудовые ресурсы) и социального характера. Например, архитектурно-планировочные проблемы необходимо решать в условиях грандиозной перестройки топливно-энергетического комплекса и сферы потребления энергии.

Совсем недавно энергобеспечение зданий за счет солнечной энергии в России считалось экономически невыгодным, тогда как за рубежом: в Канаде, Финляндии, США, Японии, Австралии, Израиле, Греции и многих других странах такие дома давно уже существовали. В связи с постоянным ростом стоимости энергоносителей в России постепенно стал расти интерес к вопросам энергосбережения и использования возобновляемых источников энергии, среди которых одним из основных является солнечная энергия.

Несмотря на то, что Россия обладает существенными запасами ископаемых топлив и является одним из крупнейших поставщиков природного газа и нефти на мировой рынок, от этого проблема рационального использования энергоресурсов в нашей стране не теряет своего значения. Потенциальные запасы угля, природного газа, нефти у нас действительно велики, но прирост добычи в дальнейшем будет осуществляться в основном за счет освоения новых месторождений в отдаленных и труднодоступных районах. Это требует очень больших капиталовложений на добычу и транспортировку топлива, что вызывает его существенное удорожание.

Опыт проектирования и строительства зданий с системами солнечного теплоснабжения в нашей стране не велик: проектирование индивидуальных домов с пассивными гелиосистемами, используя стены тромба, гравийные теплоаккумуляторы, а зимние сады и ряд таких элементов конструкций здания, как атриумы, веранды, теплицы служат средством привлечения заказчиков. Такие элементы пассивного использования солнечной энергии, как зимние сады и встроенные теплицы показали свою высокую эффективность для энергосбережения. Кроме того, эти элементы повышают комфорт и уют дома, позволяют снежной российской зимой наслаждаться окружением естественной зелени. Правильно запроектированные теплицы обеспечивают в центральных районах России значительную экономию топлива.

Пассивные гелиосистемы могут быть эффективны как в индивидуальных, таки многоэтажных домах. Методы расчета таких систем зависят от формы и объема здания, местных климатических условий, инсоляции и других факторов.

Активные системы солнечного тепло и холодоснабжения зданий дороже пассивных гелиосистем, но они и более эффективны, с их помощью возможно также приготовление горячей воды. Наряду с плоскими солнечными коллекторами в гелиозданиях могут применяться и концентрирующие системы. Это удорожает строительство и эксплуатацию зданий, но дает в ряде случаев большую эффективность. Выбор типа системы солнечного обеспечения и гелиотехнического оборудования в каждом конкретном случае индивидуален.

Одним из путей снижения затрат топлива является использование возобновляемых источников энергии особенно нетрадиционного типа, которые ранее либо совсем не использовались, либо использовались в очень ограниченных масштабах. Это солнечная энергия, энергия биомассы, гидротермальная, приливная и многие источники низкопотенциального тепла природного и искусственного происхождения.

Возобновляемые и нетрадиционные виды энергии привлекают внимание также и относительно высокой экологической чистотой по сравнению с традиционными.

Проектирование энергосберегающих и энергоактивных зданий является в настоящий момент одной из наиболее перспективных областей развития архитектуры, как в жилом строительстве, так и в общественных и промышленных зданиях и сооружениях.

Здания подобного типа позволяют значительно снизить затраты на энергообеспечение, т.е. уже сегодня, несмотря на высокую стоимость специального оборудования, являются экономически рентабельными. В дальнейшем цены на оборудование будут снижаться, следовательно, интерес к подобным зданиям будет постепенно возрастать.

2. Пути повышения энергоэффективности объектов строительства

Наиболее выигрышны сегодня два пути повышения энергоэффективности объектов строительства:

. экономией энергии (снижением энергопотребления и энергопотерь, в т.ч. утилизацией энергетически ценных отходов);

. привлечением возобновляемых природных источников энергии.

Мероприятия, соответствующие преимущественной ориентации на один из этих путей, имеют принципиальные отличия и позволяют выделить два класса энергоэффективных зданий - использующих и не использующих энергию природной среды.

Энергоэкономичные здания - не используют энергию природной среды (т.е. альтернативных источников) и обеспечивают снижение энергопотребления, большей частью, за счет усовершенствования систем их инженерного обеспечения (как наиболее "энергоемких" составляющих энергетического "каркаса" здания), конструктивных элементов, определяющих характер и интенсивность энергообмена с внешней средой (наружных ограждений, окон и т.п.), а также оптимизации архитектурных решений, направленной на сокращение энергопотерь (повышение компактности объемов, сокращение площади остекления, использование градостроительных приемов и архитектурных форм, нивелирующих отрицательные воздействия природно-антропогенных факторов внешней среды - ветра, солнца и т.п.).

Энергоактивные здания - ориентированы на эффективное использование энергетического потенциала внешней среды (природно-климатических факторов внешней среды) в целях частичного или полного (автономного) энергообеспечения посредством комплекса мероприятий, основанных на применении объемно-планировочных, ландшафтно-градостроительных, инженерно-технических, конструктивных средств, которые предполагают ориентированность пространств, архитектурных форм и технических систем на энергетические источники внешней среды (солнце, ветер, грунт и др.)

3. Преимущества энергоактивных зданий. Типы зданий по энергоактивности

Идея энергоактивных зданий явилась результатом поиска путей наиболее экономичных средств энергоснабжения объектов строительства 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 (или 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.

4. Использование возобновляемых источников энергии

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

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

· 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;

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

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

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. 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. 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).

5. Достоинства альтернативной энергетики

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 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:

· гелиоэнергоактивные здания (эффективно использующие энергию солнца);

· ветроэнергоактивные здания;

· здания, использующие гео-, гидро- и аэротермальную энергию;

· здания с комбинированным использованием различных природных источников энергии. (Н. П. Селиванов, А. И. Мелуа, С. В. Зоколей)

6. Проектирование энергоактивных зданий

.1 Проблемы проектирования энергоактивных зданий

Наиболее важной проблемой при проектировании зданий, использующих энергию природной среды, является поиск путей и средств эффективного управления процессами распределения энергетических (воздушных, тепловых, световых и др.) потоков с целью поддержания оптимальных микроклиматических параметров помещений в условиях циклических (суточных, сезонных) и периодических (облачность, осадки) изменений параметров внешней среды. При этом ключевое значение имеет решение трех задач:

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

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

. 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).

.2 Пути решения

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 архитектурно-градостроительных, конструктивных и инженерно-технических решений.

. 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 пока 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. (Т. А. Маркус, Э. Н. Моррис).

.3 Принципы проектирования энергоактивных зданий

.3.1 На уровне градостроительства

. выявление благоприятных и неблагоприятных с энергетической точки зрения факторов внешней среды (природно-климатических и антропогенных) в районе строительства и оценка их возможных воздействий на энергетический баланс проектируемого объекта(в т.ч. с целью использования в качестве источника энергии);

. выбор площадки строительства с наибольшим потенциалом энергетически благоприятных факторов и наиболее высокой степенью естественной защищенности от неблагоприятных;

. целенаправленное использование существующих и организация новых природных и антропогенных форм ландшафта с целью концентрации энергетически благоприятных и защиты от неблагоприятных воздействий факторов внешней среды.

.3.2 На уровне объемно-планировочного решения:

. повышение компактности объемных форм зданий с целью снижения удельной площади поверхности теплоотдачи;

. оптимизация формы и ориентации объекта, направленная на максимальное использование благоприятных и нейтрализацию неблагоприятных воздействий внешней среды в отношении энергетического баланса здания;

. обеспечение объемно-пространственной трансформативности здания как средства адаптации к меняющимся воздействиям внешней среды;

. включение (предусмотрение возможности включения) в объемно-пространственную структуру здания элементов, обеспечивающих приток и эффективное использование энергии внешней Среды

.3.3 На уровне конструктивного решения:

. оптимизация энергетической проницаемости (изолирующих свойств) ограждений с целью защиты от неблагоприятных и использования благоприятных воздействий внешней среды;

. придание конструкциям здания дополнительных функций (введение дополнительных конструктивных элементов), обеспечивающих эффективное регулируемое распределение внешних и внутренних энергетических потоков в процессе эксплуатации объекта;

. обеспечение геометрической трансформативности конструкций как основных средств адаптации объекта к изменению условий внешней Среды.

6.3.4 На уровне инженерно-технического обеспечения

. снижение энергопотребления системами инженерно-технического обеспечения зданий и территорий за счет улучшения их технико-эксплуатационных параметров;

. утилизация вторичных энергетических ресурсов, образующихся в процессе функционирования систем инженерно-технического обеспечения зданий и территорий;

. обеспечение автоматического контроля и регулирования процессов распределения энергии в системах инженерно-технического обеспечения зданий.

.4 Применение солнечной энергии при проектировании зданий

.4.1 Общие положения

Солнечная энергия, а также солнечное излучение, аккумулированное в виде тепла в окружающей среде, являются одним из дополнительных энергетических источников.

В жилище солнечная энергия может быть использована для систем отопления, горячего водоснабжения и охлаждения зданий.

Системы солнечного энергообеспечения подразделяются на «пассивные», где роль элементов системы обогревания играют конструкции здания; «активные» состоящие из коллекторов, тепловых насосов и тепловых аккумуляторов; и смешанные (интегральные).

Пассивная система солнечного отопления - система отопления, основанная на применении архитектурных и конструктивных решений для повышения степени использования солнечной радиации и (или) снижения тепловых потерь здания без применения гелиотехнического оборудования.

Системы с прямым солнечным обогревом. Наиболее существенной частью таких систем является правильно ориентированный гелиоприемник, например, окно.

Внутри комнаты должны быть темные, хорошо поглощающие солнечный свет поверхности, обладающие высокой теплоемкостью для аккумулирования поглощенной теплоты.

В некоторых вариантах пассивных систем на определенном расстоянии от окна устанавливают низкую перегородку (высотой не более 1 м), которая частично берет на себя роль гелиоприемника и теплового аккумулятора.

В других случаях для улавливания солнечной радиации используют верхний ряд окон. Теплота поглощается и накапливается противоположной стеной.

Система «массивная стена». Эту систему часто называют по именам ее создателей стеной Тромба-Мишеля. Обычно это толстая стена (каменная, бетонная или кирпичная) с темной поглощающей поверхностью, защищенная снаружи одним или двумя слоями стекла. Около уровня пола и потолка расположены отверстия (продухи) для входа и выхода воздуха. Радиация поглощается поверхностью стены, она нагревается и, в свою очередь, нагревает воздух в прослойке между стеной и стеклом. Воздух расширяется, становится легче, и начинается термосифонная циркуляция, в результате которой теплый воздух попадает в комнату через верхние продухи и, нагревая комнату, сам охлаждается и через продух около уровня пола снова поступает к гелиоприемнику после чего цикл повторяется.

Системы с инсолируемым объемом. Наиболее широко используемый вариант этой системы - оранжерея. Ее можно рассматривать как видоизмененный вариант системы «массивная стена» где обычное расстояние между стеклом и стеной, равное 100-120 мм, увеличено до 2 м. Это помещение можно использовать как оранжерею - для выращивания растений, но оно служит также и источником теплоты для комнаты, расположенной за ней, за счет либо конвекции, либо замедленной теплопередачи через стену.

Система типа «водонаполненная стена». Из всех наиболее распространенных материалов вода имеет самую высокую теплоемкость. Поэтому ее целесообразно использовать в качестве теплоаккумулирующей среды.

Вода в различных формах контейнеров часто используется в системах, сходных с системой типа «массивная стена». Между водяными контейнерами (бочки или стальные трубы) оставляются промежутки, пропускающие некоторое количество солнечного света и теплоты непосредственно в комнату.

Термический диод. Его можно рассматривать как вариант системы типа «водонаполненная стена». Он состоит из двух контейнеров с водой, разделенных слоем теплоизоляции и сообщенных друг с другом только одним трубчатым каналом вверху и одним внизу. Термодиод образует стеновую панель шириной 900 мм, высотой 2,4 м и общей толщиной около 400 мм. Наружная часть панели такая же тонкая, как гелиоприемник обычного плоского солнечного коллектора. Она может быть покрыта одинарным или двойным остеклением (как в системе «массивная стена»), но в теплых климатических районах можно обойтись без остекления. Если в воду добавить антифриз, то остекление необязательно и в условиях более холодного климата.

Вода в наружной панели, нагреваясь за счет солнечной радиации, поднимается вверх и проходит во внутренний контейнер через верхний сообщающий их канал. Внутренний контейнер имеет толщину примерно 250 мм. Более холодная вода будет выходить из него в гелиоприемный контейнер через нижний соединительный канал. Таким образом, здесь происходит термосифонная циркуляция.

Система типа «водоналивная крыша». В одноэтажных домах поверхностью, наиболее открытой для излучения (солнечной радиации и теплового излучения в атмосферу) является крыша. Поэтому логично использовать эту поверхность как для поступления солнечной теплоты, так и для отдачи избыточной теплоты в ночное небо.

В этой системе стальной настил покрытия образует потолок над помещениями здания. Наполненные водой баллоны из зачерненного пластика расположены поверх металлического настила. Они обеспечивают слой воды толщиной в среднем 220 мм. Для защиты баллонов с водой предусмотрены теплоизолированные трансформируемые экраны скользящего типа.

Система работает следующим образом. Зимой в дневное время щиты сдвинуты к торцу здания и, таким образом, солнце нагревает воду. С заходом солнца экраны возвращают в исходное положение, чтобы сохранить теплоту. Металлический потолок выполняет функцию теплового излучателя. Таким образом, теплота, накопленная в воде, обогревает помещения. Летом экраны в ночное время сдвинуты к торцу, и вода охлаждается за счет отдачи теплоты в ночное небо. В дневное время экраны закрыты. Металлический потолок обеспечивает радиационное и конвективное охлаждение помещений (рис. 1).

Активная система солнечного теплоснабжения (горячего водоснабжения отопления обеспечения технологических нужд) - система, содержащая гелиотехническое и обычное теплотехническое оборудование и предназначенное для обеспечения теплоснабжения здания (рис. 2).

В энергоактивных зданиях аккумулирование солнечной энергии может происходить различными способами (вода, камень, контейнеры с тугоплавкими солями) и это влияет на эффективность гелиосистемы, стоимость гелиотехнического оборудования и всего здания. Наиболее эффективным для длительного аккумулирования солнечной энергии в гелиосистемах является применение аккумуляторов с фазовыми переходами (тугоплавкие соли).

В период с минимальной солнечной активностью необходимо использование вспомогательных источников энергии (дублеров). Дополнительной энергией может служить, в первую очередь, энергия ветра, а также традиционные виды энергии.

При сравнении различных вариантов энергоактивных зданий с экономической точки зрения преимуществами будут обладать такие здания, при проектировании которых соблюден принцип полифункциональности (совмещении части ограждающих конструкций с коллектором).

Перспективным направлением в проектировании солнечных зданий должно стать сочетание многофункциональной активной системы с простейшими видами систем и использованием определенного объема дома под зимний сад.

В интегральных системах совмещен принцип действия пассивных и активных систем. Например, в здании с «массивными» стенами на скатной крыше расположены плоские солнечные коллекторы или в многоэтажном здании, на крыше которого находится остекленный объем с зимним садом ограждения балконов решены в виде коллекторов

Основная система Вариант Смешанная система

Рис. 1. Технические решения пассивных систем

Рис. 2. Энергоактивные конструкции зданий, совмещенные с коллектором солнечной энергии

.4.2 Отечественный опыт применения солнечных систем

Пока что в нашей стране имеется сравнительно ограниченный опыт применения систем солнечного теплоснабжения с использованием солнечных коллекторов, хотя работы по их созданию велись довольно давно на основе государственных программ (рис.3). К сожалению, при низкой стоимости энергоносителей, конечные потребители не были заинтересованы в дополнительных затратах на новое нетрадиционное оборудование, а об экологии никто всерьез не задумывался. Солнечные коллекторы не производились, их пытались «внедрять», принимая программы и постановления, но небольшие партии коллекторов делались из дешевых подручных материалов, и срок службы таких коллекторов был намного меньше их срока окупаемости.

Тем не менее, неплохо работали отдельные системы и в Украине, Грузии и в Средней Азии и в некоторых других районах. Именно в этих наиболее солнечных районах и велись ранее основные работы по гелиосистемам, а применение их в России было достаточно ограничено.

Гелиосистемы в России - это, в основном, системы горячего водоснабжения, и большинство их сосредоточено в Краснодарском крае, хотя имеются несколько опытных установок и в других южных регионах России, вплоть до Забайкалья. Системы разрабатывались, как правило, для применения на крупных объектах, например для горячего водоснабжения больниц, пансионатов или санаториев, и имеют площадь солнечных коллекторов в десятки и сотни квадратных метров. Часть объектов использует импортные коллекторы. Применение отечественных разработок в этой области ограничено недостаточным производством современных и высокоэффективных солнечных коллекторов. Так, например, в Сочи созданы и работают системы солнечного горячего водоснабжения пансионата «Шексна», использующие полностью импортное оборудование, а в системах санатория «Лазаревское» и в Одесской областной больнице применены отечественные солнечные коллекторы (рис. 4).

Рис. 4. Клинический корпус Одесской областной больницы

Рис. 5. Одноквартирный жилой дом серии «М» с системой солнечного горячего водоснабжения и отопления (полигон «Солнце»)

а) б)

Рис. 6. Группировка зданий и сооружений в строительные гелиокомплексы, повышающие энергетическую эффективность зданий в поле солнечной радиации а- подвижное опирание на ствол башни маяка или другого осесимметричного объекта двух обитаемых энергоактивных объемных блоков с возможностью их вращения в режиме слежения за солнцем и дополнительного снабжения солнечной энергией от поворотных экранов-отражателей (СССР); б - дополнительное снабжение коллектора автономного здания солнечной энергией от направленно отражающих экранов регулируемо укрепленных на стволе радиорелейной мачты или другой высотной опоры инженерного сооружения (СССР); 1 - коллектор; 2 - отражатель; 3 - высотное сооружение; 4 - мобильный энергоактивный блок

Рис. 7. Общественное здание в Ялте с применением солнечных коллекторов установленных на крыше

В 1980-х - 1990-х годах были построены экспериментальные солнечные дома в Армении, Дагестане (рис.5), где применялись тепловые коллекторы, строительные гелиокомплексы (рис.6), объекты типа «солнечной деревни» в Краснодарском крае с применением фотоэлектрических преобразователей, общественные здания в Ялте (рис. 7) с применением солнечных коллекторов, установленных на крыше и многие другие объекты.

В настоящее время в России ведутся исследования в области гелиоархитектуры и осуществляется строительство солнечных зданий. Особенно большой вклад в развитие нового перспективного направления - применения солнечной энергии при проектировании зданий внесли ученые Селиванов Н.Р., Сахаров А.Н., Табунщиков Ю.А., специалисты Московского архитектурного института и ЦНИИЭП инженерного оборудования (г. Москва), а также ученые и архитекторы Новосибирска, разработавшие программу «Экодом в Сибири».

Несмотря на то, что проблема применения экологически чистых источников энергии при проектировании зданий в России является несомненно актуальной, опыт по созданию «солнечных домов» недостаточно востребован а темпы признания и внедрения новых объектов в стройиндустрию являются чрезвычайно низкими.

.4.3 Зарубежный опыт разработки гелиозданий

Во многих зарубежных странах при проектировании зданий широко используются возобновляемые источники энергии, в первую очередь солнечная энергия. Серьезное внимание уделяется установкам солнечного горячего водоснабжения (наиболее популярны солнечные водонагреватели в Израиле, Австралии, Японии, Турции и Греции), а также применению «пассивных» и «активных» систем теплоснабжения гелиозданий. Значительно меньше развиты системы фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Это связано с сохраняющейся до сих пор высокой стоимостью оборудования. Они применяются только в ограниченных случаях, когда получение электроэнергии другими способами невозможно или обходится еще дороже.

Рис. 8. Поселок в Германии

Достаточно динамично развивается применение солнечной энергии в Германии. Принятие специальных программ по экологии и энергосбережению, оказание существенной государственной поддержки этому направлению привело к тому, что счет построенных систем и установок ежегодно идет на сотни тысяч квадратных метров. С учетом экономии энергии при эксплуатации создаются новые проекты зданий, целенаправленно и комплексно реализующие основную идею - комфортное жилье в экологически чистой среде без затраты своих средств на ее обогрев. Помимо домов с автономными системами солнечного теплоснабжения, в Германии проектируются также и солнечные поселки (рис. 8).

В США солнечные установки находят широкое применение в системах отопления и охлаждения зданий, получении горячей и опреснении морской воды, сушении материалов и сельскохозяйственных продуктов.

Использование систем солнечного отопления и охлаждения в существующих зданиях является одной из первоочередных задач в США. Переоборудование старых зданий может осуществляться на различных уровнях технологической сложности денежных и энергетических расходов и практического подхода.

В первых гелиозданиях солнечные коллекторы устанавливались на крышах существующих зданий традиционной архитектуры. В последующие годы главным направлением стало проектирование и строительство гелиозданий с оригинальными архитектурными решениями и с расположением солнечных коллекторов в структуре дома (в несущих конструкциях наклонной или плоской крыши, в стене, в ограждениях балконов и лоджий).

В настоящее время специалистами США выделяются несколько типов жилых домов (по уровню использования ресурсов окружающей среды):

) энергетически эффективный дом, теплопотери которого сведены к минимуму за счет выбора оптимального объемно-планировочного решения и усиленной теплоизоляции;

) энергетически эффективный дом с усиленным поглощением солнечной радиации, но без устройств, для аккумулирования полученного тепла;

) дом с минимальными энергопотерями, который имеет специальные системы поглощения распределения и аккумулирования тепла (солнечный дом).

Соответственно рекомендациям специалистов к первому типу относятся все вновь спроектированные дома, так как этого требует экологический подход к проектированию жилой среды. Дома второго типа эффективно функционируют во всех районах США, хотя и требуют некоторого увеличения стоимости строительства. Дома третьего типа целесообразно строить в благоприятных климатических условиях так, как применяемые в них технологические устройства значительно удорожают строительство (рис. 9).

Рис. 9. Солнечный дом в Бедфорде

Солнечный дом в Бедфорде (Нью-Хемпшир, США) с солнечным коллектором «Trombe Wall» и изоляцией «Beadwall» был построен по проекту, разработанному научно-исследовательской и проектной фирмой «Total Environment Action, Inc.» с главной конторой в г. Гаррисвилл (рис. 10).

Рис. 10 Солнечный дом в Бедфорде (Нью-Хемпшир, США): а - поперечный разрез по южной стене: 1 - прозрачная стена с шариками изоляции; б - режим отопления (работа коллектора в режиме накопления тепла); в - режим охлаждения (работа коллектора в режиме вентиляции); г - вид на южный фасад и план: 1 - гараж; 2 - кухня; 2 - столовая; 4 - ванная; 5 - спальня; 6 - жилая комната; 7 - солнечный водонагреватель, расположенный в центре стены; д - вид с восточный стороны; е - вид с западной стороны.

Бетонные стены дома обвалованы землей с западной, северной и восточной сторон, а изоляция размещена между бетоном и грунтом. Пол бетонный. Весь южный фасад - комбинация окон и солнечных коллекторов. Вспомогательные источники энергии - две дровяных печи.

Солнечные коллекторы представляют собой бетонные стены толщиной 300 мм, открытые для солнечных лучей в течение дня и защищенные от потерь тепла во внешнюю среду ночью изоляцией «Beadwall». Воздух циркулирует между бетоном и изоляцией. Солнечное тепло поступает также через окна и накапливается в бетонных стенах и полу. Для уменьшения потерь тепла ночью окна закрываются изолирующими ставнями. Вода для бытовых нужд предварительно подогревается циркулируя по трубам в бетонной стене коллектора, прежде чем поступит в солнечный водонагреватель.

Главное здание газеты «New York Times» по потреблению энергии на единицу площади оно одно из самых экономичных в мире, так как оно умеет заманивать в ловушку солнечный свет. Здание разработано итальянским архитектором Ренцо Пиано (Renzo Piano), в кооперации с компанией Fox & Fowle Architects.

Нужно сказать, что Пиано - всемирно известный архитектор, чьи творения уже не один десяток лет прочно стоят во многих странах. Интересная внешность нового здания сочетается с любопытной начинкой.

А дело было так. Когда шефы всемирно известной газеты решили собрать своих служащих (заметим, работающих сейчас в семи зданиях в разных районах Нью-Йорка) под одной крышей, то сразу подумали: «Новый небоскрёб должен быть и удобным, и эффективным офисом». Следовательно, необходимо было найти самые передовые энергосберегающие технологии. Решение такой задачи было найдено в лаборатории Беркли (Berkeley Lab <#"582515.files/image011.gif">

Рис.11 Макет небоскрёба, вписанный в его нью-йоркское окружение).

Кроме того, стоит Солнцу уйти в сторону от фасада, как в соответствующих комнатах резко снижается освещённость.

Напротив, излишне резкий свет, бьющий в окна, когда Солнце находится прямо перед зданием, заставляет служащих закрывать жалюзи или шторы и работать при искусственном освещении.

Порой его не выключают в любое время дня и ночи.

В обеих ситуациях выгода от внешнего освещения резко снижается.

При этом немаловажен психологический момент. Как излишняя открытость помещения, так и «законопаченная конура» - не самая лучшая атмосфера для работы.

Прежде всего, здание «New York Times» просвечиваемо насквозь. За исключением лифтовых шахт и некоего ряда внутренних помещений все этажи в башне - это огромные открытые площадки, с полностью стеклянными (по всей высоте и ширине) стенами, со всех сторон здания. Изюминка проекта - это тысячи горизонтальных керамических труб диаметром в несколько сантиметров. Они расположены на расстоянии 45 сантиметров перед стёклами, с внешней стороны стен.Эти белоснежные трубы имеют необычайно высокий коэффициент отражения.Вместе с тем, они матовые, так что рассеивают падающий на них с любого направления свет также - в самых различных направлениях.

В результате достигается удивительный эффект. Трубы направляют свет, льющийся с неба, на потолки и стены внутри здания. При этом освещённость на «простреливаемых» насквозь этажах почти не изменяется в течение всего дня, пока Солнце не проходит вокруг башни и, наконец, не спускается уж слишком низко к горизонту. На уровне глаз людей, стоящих перед стенами-окнами, в чересполосице труб сделаны пропуски высотой примерно один метр. Так что обитателям башни обеспечен прекрасный обзор. Им не придётся смотреть на город «из-за решётки».

Рис.12 Вертикальная дистанция между трубами-ловушками будет плавно меняться по высоте небоскрёба. Наибольший частокол керамики установят на нижних этажах, испытывающих самую острую нехватку солнечного света в условиях города. Наверху, где прямого освещения от неба куда больше, трубы будут смонтированы несколько реже .

Вместе с тем, почти при любом положении Солнца нет ослепляющего эффекта.Кроме того, внутри помещений есть и традиционные жалюзи с электроприводом, выполненные из металла, а кое-где - из стекла. Всеми жалюзи, как и электрическим освещением башни, а также всеми кондиционерами, управляет единая компьютерная система. Она собирает данные о температуре воздуха и освещённости по всему зданию. Передвигая по своему разумению жалюзи на разных фасадах небоскрёба и разных его этажах, компьютер регулирует параметры среды так, чтобы кондиционеры и лампы приходилось включать как можно реже.

Рис.13 Пристройка также будет отличаться прозрачностью во всех направлениях и стеклянной крышей

Сейчас инженеры из лаборатории Беркли построили полноразмерный макет части этажа будущей башни.

По подсчётам авторов исследования, небоскрёб «New York Times» суммарно за год тратит лишь 30-40% от электроэнергии, требуемой для существующих офисных зданий аналогичного размера.

Из любопытных архитектурных задумок нужно отметить полностью прозрачные (уже без керамических труб) первые два этажа.

рис 14 Набор белых труб наверху здания будет постепенно «растворяться» в небе, подчёркивая слитность башни с воздушным океаном

Как отмечают авторы работы, прозрачное здание штаб-квартиры «New York Times» не только высокотехнологично, но очень символично, ибо отражает миссию газеты проливать свет на события в городе, стране и мире. Наверное, эта идея понравилась заказчикам.

.5 Принципы проектирования ветроэнергоактивных зданий

Рис. 15. Здания с размещенными на них ветроколесами

Ветер традиционно учитывают в градостроительном, архитектурном и теплотехническом аспектах проектирования зданий. Расчетными факторами являются скорость и распределение направлений ветра - роза ветров. С учетом ветра решаются следующие основные вопросы градостроительного проектирования: взаимное расположение промышленных зон и селитебных территорий с точки зрения уменьшения загрязненности воздушного бассейна промышленными выбросами в атмосферу, а также оптимизация аэродинамического режима микрорайонов городов и промышленных объектов. В архитектурном и теплотехническом проектировании ветер учитывается как фактор аэродинамического давления через расчетную ветровую нагрузку на конструкции, а также при разработке систем аэрации зданий и проведении расчетов воздухопроницаемости и вентиляции ограждающих конструкций. При этом кинетическая энергия ветра, преобразующаяся при взаимодействии с неподвижными конструкциями здания в фактор давления (положительного или отрицательного), а также порождающая инфильтрацию, в том числе холодного воздуха, в помещения и обусловленные этим повышенные теплопотери зданий в отопительном сезоне, естественно, рассматривается специалистами как негативный природно-климатический фактор.

Попытки использовать энергию ветра для оптимизации энергетического баланса зданий и экономии энергии других источников, предпринимавшиеся в разных странах, сводятся к размещению в окрестностях здания или на его конструкциях известных ветродвигателей одноцелевого назначения (рис. 15) и не имеют прямого отношения к архитектурно-строительному проектированию зданий.

Наша задача заключается в выработке представления о ветроэнергоактивном здании как объекте жилого, промышленного сельскохозяйственного или иного назначения, конструкции которого наделены дополнительной функцией улавливать и преобразовывать энергию ветра в другие полезные виды энергии - электрическую, тепловую, механическую. Одновременно необходимо определить основные приемы и дать исходные рекомендации по проектированию ветроэнергоактивных зданий на основе принципа полифункциональности. Для выработки таких представлений необходимо учитывать следующее:

ветер как возобновляемый источник энергии, взаимодействуя со зданиями, представляет собой производную от солнечной энергии, выраженную в виде адвективного перемещения в приземном слое воздушных масс, наделенных кинетической и тепловой энергией;

энергетическое воздействие ветра на здание характеризуется интенсивностью и направленностью, а также периодическими или апериодическими изменениями этих величин;

здание или комплекс зданий, в свою очередь, деформируют воздушные потоки, дополнительно турбулизируют их, внося локальные изменения в направление и местную интенсивность потоков, порождаемых ветром.

Практическое использование энергии ветра зданиями возможно путем усиления локального воздействия конструкций на воздушный поток и отбора энергии подвижными трансформируемыми элементами здания или его инженерного оборудования. Отсюда вытекают следующие принципы проектирования ветроэнергоактивных зданий.

Принцип первый: ветроэнергоактивное здание должно быть снабжено подвижно укрепленными эелментами полифункционального назначения с возможностью их трансформации в элементы ветроколеса.

Принцип второй: ветроэнергоактивное здание может быть снабжено защитными конструктивными элементами гюлифункционального назначения, форма и пространственная ориентация которых обеспечивают деформирование потоков ветра и их местную интенсификацию в зоне активной работы элементов ветроколеса.

Принцип третий: часть ветроэнергоактивного здания может быть спроектирована в форме, удобной для размещения около или вокруг нее двигателя ветро-энергоустановки, состоящего преимущественно из элементов полифункционального типа.

Принцип четвертый: ветроэнергоактивное здание может быть спроектировано в форме, обеспечивающей улавливание ветра и концентрированную подачу воздушных потоков к элементам ветроколеса или системы ветроколес (лепестковое расположение секций зданий с образованием концентратора, в узкой части которого расположено ветроприемное устройство; то же, с дополнительным образованием диффузора из элементов здания).