«ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЗДАНИЯ Учебное пособие 2006 Министерство образования Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет О.Н. Милашечкина, И.К. Ежова ...»

О.Н. Милашечкина, И.К. Ежова

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЗДАНИЯ

Учебное пособие

2006

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

О.Н. Милашечкина, И.К. Ежова

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЗДАНИЯ

Учебное пособие по спецкурсу для студентов специальности 290100 Саратов 2006 2

ВВЕДЕНИЕ

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. Работы в этом направлении велись в том числе в Ассоциации производителей энергоэффективных окон (АПРОК) и в Московском государственном строительном университете (МГСУ).

На основании этих исследований, архитектором Захаровой Т.В. была разработана программа дом» и запроектирован «Солнечный архитектурный проект «Сол-1», в котором реализован концептуальный подход к вопросам формирования комфортной, экологически чистой среды обитания при максимальном использовании активных и пассивных систем энергосбережения, а грамотные архитектурно-конструктивные и планировочные решения создают эффект энергоресурсосбережения и позволяют сэкономить от 30 до 80% энергии по сравнению с традиционными решениями.

«Солнечный дом» – это оптимальное комплексное сочетание архитектурно-планировочных и инженерных решений для создания комфортной среды обитания современного человека. Этот дом предполагает не перекраивание природы под свои нужды, а максимальное врастание человека в окружающую среду, установление гармонии между ними, использование современных материалов и технологий, инженерных систем позволяет отказаться от многих традиционных подходов к строительству. Совершенно бессмысленно из-за недостаточной теплоизоляции здания отапливать за свой счет окружающее пространство или сжигать высококалорийное и дорогое топливо в огромных количествах, когда необходимую энергию можно извлечь из протекающей рядом реки или моря, из земли и даже из ветра и Солнца. Весь вопрос в том, сколько это будет стоить. И мы хотим, чтобы наш дом, созданный из экологически чистых материалов и использующий при эксплуатации самое современное инженерное оборудование, обходился при строительстве и эксплуатации дешевле, чем дом традиционной конструкции.

Архитектурно-планировочные и конструктивные решения для каждого такого дома индивидуальны. По мнению экспертов в области строительства и архитектуры в недалеком будущем наши здания должны будут стать более энергоэффективными и приспособленными к окружающей среде. При этом комфорт, эстетические качества и экономичность таких зданий будут более высокими. Для отопления, охлаждения и освещения таких зданий будут использовать минимум природных ресурсов. Такие здания должны стать не только источником экономии средств, но и предметом моды.

В 1993 г. в Москве был создан Научно-исследовательский и проектный центр «Энергоэффективные здания» являющийся структурным подразделением фирмы «Сол». Основной функцией этого центра являлись исследования в области экономии энергии, инсоляции, солнцезащиты и производства энергоэкономического остекления, стеклопакетов, солнцезащитных устройств, тепловых солнечных коллекторов, фотоэлектрических элементов, тепловых насосов и другого оборудования зданий. Кроме того, задачей центра являлась разработка новых типов зданий использующих для теплоснабжения и охлаждения возобновляемые источники энергии. Центр занимается, также вопросами экономии энергии для освещения, в том числе – автоматическим регулированием искусственного освещения.

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.

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.

Возобновляемые и нетрадиционные виды энергии привлекают внимание также и относительно высокой экологической чистотой по сравнению с традиционными, т.к. экологическая обстановка в России одна из самых тяжелых.

Применение возобновляемых источников энергии, особенно солнечной, является обоснованной для объектов, оторванных от централизованных электроснабжения, таких как ряд небольших поселков в районе озера Байкал и на севере Иркутской области, Красноярского края, в Саха-Якутии.

В Саратовской области использование возобновляемых источников энергии при проектировании зданий, особенно использование энергии ветра и солнца является, несомненно, перспективным направление. При применении солнечной энергии для теплоснабжения зданий в нашем регионе необходимо обеспечить долговременное аккумулирование, а также использовать дополнительный источник энергии – дублер (например, ветер или традиционные виды энергии) на время недостаточной солнечной активности.

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.

1. ПРИМЕНЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЗДАНИЙ

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).

Все гелиоздания можно классифицировать по следующим признакам:

1) по степени трансформируемости и энергоактивности (нетрансформируемые здания со стационарно ориентированным коллектором, мобильные здания со следящим коллектором, стационарные с трансформируемой защитой, стационарные с концентрированной подачей солнечной энергии на плоский коллектор, стационарные со следящим солнечным коллектором);

2) по расположению солнечных коллекторов в системе наружных ограждающих конструкций (на скатных и плоских покрытиях, наружных стенах, ограждениях лоджий, соляриев, в оконных проемах, зенитных фонарях, на цоколе и ниже, в окрестностях здания);

3) по типу отопительной системы (с воздушным отоплением и охлаждением; с водяным, со смешанным).

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.

Рис. 2. Энергоактивные конструкции зданий, совмещенные с Солнечный коллектор – это специальный теплообменник, в котором энергия солнечного излучения преобразуется в тепло. Существуют десятки вариантов их конструкций, но принцип их устройства одинаков. Обычно это плоская металлическая панель, в которой имеются каналы для жидкости. Поверхность этой панели, обращенная к Солнцу, – черная, для лучшего прогрева. Эта панель устанавливается в корпус, выполненный в виде плоской рамы. Для снижения тепловых потерь под панелью устанавливается теплоизоляция, а сверху она защищена специальным стеклом.

Жидкость (вода или специальный теплоноситель), проходящая через коллектор нагревается солнечным излучением, а затем это тепло используется для нагрева водопроводной воды или отопления.

Температура нагрева жидкости зависит от многих факторов: плотности и долготы солнечного излучения, эффективности конструкции коллектора, расхода жидкости через него, температуры окружающего воздуха. Следует отметить, что современные коллекторы позволяют получать на выходе из них достаточно высокие температуры теплоносителя, приближающиеся к 1000С и даже выше (рис. 3).

Рис. 3. Устройство плоского солнечного коллектора Сравнительно недавно на рынке появились солнечные коллекторы другого вида: они представляют собой батарею стеклянных труб. Внутри каждой из них в вакууме располагается двойная концентрическая трубка (рис. 4). По ее центральному каналу в конструкцию поступает из распределительного коллектора (он также двойной, совмещающий функции прямого и обратного) холодный теплоноситель. Возвращаясь по среднему каналу, теплоноситель получает «захваченное» (механизм – примерно такой же, что и в плоском коллекторе) в вакуумной трубке солнечное тепло и уносит его в систему отопления или горячего водоснабжения объекта. Кроме показанного, есть коллекторы на основе вакуумных трубок, где для улавливания солнечной радиации применены контактирующие с тепловой трубкой пластины, покрытие по всей длине специальным слоем полупроводника. Это позволяет преобразовать в тепло солнечную радиацию.

Рис. 4. Принцип работы коллектора с вакуумной трубкой Среднее за год значение суммарной солнечной радиации на широте 50, которое выделяется за сутки на 20 м2 горизонтальной поверхности, составляет 50…60 кВт.ч. Это соответствует затратам энергии на отопление дома площадью 60 м2. Для условий эксплуатации сезонно заселенного жилья наиболее пригодной является воздушная система теплоснабжения.

Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздухопроводам подается в помещения. Удобство применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны: нет опасности, что система замерзнет; нет необходимости в трубах и кранах; простота и дешевизна.

Недостаток – невысокая теплоемкость воздуха.

Конструктивно коллектор представляет собой ряд застекленных вертикальных коробков, внутренняя поверхность которых затемнена матовой краской, которая не дает запаха при нагревании. Ширина короба около 60 см.

Относительно расположения солнечного коллектора на доме преимущество отдается вертикальному варианту. Он наиболее простой в строительстве и дальнейшем обслуживании. В сравнении с наклонным коллектором (например, который занимает часть крыши), не нужно уплотнение от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикального стекла легко смыть пыль. Плоский коллектор, кроме прямой солнечной радиации воспринимает рассеянную и отраженную радиацию: в пасмурную погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, которые мы часто имеем. Плоский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты, но для конвекционного отопления этого и не нужно, здесь достаточно иметь низкопотенциальную теплоту.

Солнечный коллектор располагается на фасаде, ориентированном на юг (допустимое отклонение до 300 восточнее или на запад). Неравномерность солнечной радиации в продолжение дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктует необходимость иметь тепловой аккумулятор. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешевый, простой в производстве.

Гравийное засыпание можно разместить в теплоизолированной углубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора. Для дома площадью 60 м2, объем аккумулятора составляет от 3 до 6 м3 и определяется качеством выполнения элементов гелиосистемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной радиации в конкретной местности.

Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах: отопление и аккумулирование тепловой энергии; отопление от аккумулятора; аккумулирование тепловой энергии; отопление от коллектора. В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается и через отверстия в потолке поступает в помещения.

Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор.

Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретым. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60%.

Рис. 5. Строительный гелиокомплекс Н.Н.Селиванова (СССР), образованный из группы зданий, которые концентрированно отражают солнечную Гелиотехнические требования к проектированию Гелиотехнические требования к градостроительному проектированию энергоактивных зданий сводятся к следующему:

1) при выборе площадки и конкретной привязке к ней гелиоэнергоактивного здания нужно принять такую удаленность последнего от других объектов, чтобы обеспечить незатеняемость всего здания или, по крайней мере, приемных элементов его гелиоустановки другими зданиями, инженерными сооружениями или окрестными рельефными образованиями (круглогодично или в период работы гелиоустановки);

2) гелиоэнергоактивное здание или сооружение может быть размещено автономно или привязано к системе других зданий, расположенных вместе с ним на открытой горизонтальной площадке (рис 5), на солнечном склоне естественного или искусственного рельефного образования либо у его подножья. Кроме того, на склоне рельефного образования могут быть выполнены или размещены отражатели, усиливающие солнечную облученность энергоактивного здания. В комплексных решениях возможно частичное или полное введение энергоактивного здания (сооружения) в солнечный склон рельефного образования;

3) выбор конкретной схемы привязки здания зависит от необходимой степени энергозамещения, определяемый дефицитом энергии или экономическими обоснованиями. Одновременно должен быть решен вопрос о выборе типа гелиоустановки для проектируемого здания и необходимой площади коллектора.

Выбор ориентации отдельного дома, размещаемого на обширной территории, может быть относительно свободным. В условиях пригорода фасад здания обычно располагается параллельно направлению улицы.

Когда коллектор является одним из скатов непрерывной двухскатной крыши, улица должна располагаться в направлении восток-запад. Если же дома обращены к улице фронтонами, то она должна иметь направление юг-север. В этом случае нижняя часть каждого обращенного к югу ската может быть затенена. При ступенчатом расположении зданий можно независимо от направления улицы использовать крыши-коллекторы. Для уменьшения затенения в утренние часы наклонный коллектор следует немного повернуть к востоку от направления на юг. Ту часть крыши, которая будет затеняться, можно оставить свободной. Оптимальной ориентацией коллектора является южная, но отклонение от южного направления на 100 к востоку или западу не оказывает заметного влияния на количество воспринятой энергии. Оптимальный угол наклона коллектора солнечного здания лежит между углом, равным широте местности, и горизонталью, причем его значение определяется долей диффузной составляющей в падающей радиации, а также зависит от назначения коллектора. Ориентировочно угол наклона коллектора равен широте местности +100-150. Площадь коллектора определяется индивидуально по расчету (приблизительно равна 50% площади пола отапливаемых помещений).

Использование гелиоэнергетики при проектировании жилых образований приводит не только к технологическим изменениям в их структуре. Изменяется и характер застройки, появляются новые типы сооружений. Это прежде всего сама гелиоустановка, мощные объемы аккумуляторов, огромные остекленные плоскости коллекторов, отражатели, и прочие элементы, создающие новый облик урбанизированной среды.

Первые солнечные дома по внешнему виду мало отличались от традиционных жилых зданий. Панели коллекторов либо имитировали большой витраж остекления либо размещались на скате кровли. Однако в процессе развития гелиоархитектуры основным элементом жилого дома становятся структуры коллекторов, сразу четко определяющие его типологическую принадлежность. В 1959 г. был построен первый из серии жилых домов архитектора Томасона, использующих водяные коллекторы Рис.6 Жилой дом арх. Томасона В 1956 г. архитектор Куртис построил собственный дом в Рикмансуорте (Англия), коллектором в котором служил витраж южной стены (рис.7). В 1961 г. в Уоллеси была осуществлена пристройка к зданию школы Св. Георга, которая считается, одним из лучших Рис.7 Жилой дом арх. Куртиса тепло поступало от находящихся внутри людей, электрического света, бытовых приборов. За 20 с лишним лет эксплуатации в условиях Англии в здании обеспечивалась температура помещений: 18-240С, зимой 16-200С.

Во Франции первые солнечные дома были построены в Одейло в Пиренеях в 1962 г. по проекту профессора Ф. Тромба на основе разработанного им технологического решения (рис.8). За счет солнца удовлетворялось 65% энергетических потребностей здания. По этой же системе в 1968 г. архитектор Мишель построил группу солнечных домов там же в Одейло и в 1972 г. – пятикомнатный жилой дом на СевероВостоке Франции (рис. 9).

Рис. 8. Жилой дом в Одейло Рис. 9. Жилой дом в Шовенси-ле-шато Интерес к практическому использованию солнечной энергии резко повысился в 70-е года в связи с повышением стоимости традиционных видов топлива. В США количество функционирующих солнечных домов возросло с двенадцати в 1972 году до более чем тысячи в 1977 году. К настоящему времени их число достигает нескольких тысяч. Это не только малоэтажные, но и многоэтажные жилые дома, административные, общественные и производственные здания. Разрабатываются новые модификации уже известных солнечных систем. Обогатились пространственные решения жилых домов. Для получения энергии в жилых домах пытаются использовать также и солнечные батареи. Так, в жилом доме Делаварского университета, построенного по проекту М. Телкес в 1973 г., помимо плоских коллекторов на кровле установлены солнечные батареи, обеспечивающие здания электроэнергией (рис. 10).

Рис. 10. Жилой дом Делаварского университета Таким образом, можно считать, что период поисков и экспериментальных разработок в области архитектуры солнечного жилища уже пройден. Следующим новым этапом явится переход от проектирования изолированных солнечных домов к гелиопоселкам и гелиокомплексам с централизованным получением и распределением тепла.

Формообразование здания может производиться, как правило, по двум схемам:

В первом случае принимается базовый вариант, задаваемый технологическими требованиями или по желанию заказчика. В дальнейшем разрабатываются его разновидности с целью улучшения экономических показателей, в том числе снижения капитальных затрат.

Во втором случае формирование структуры начинается от отдельных ячеек – помещений или блоков, каждый из которых конструктивно формируется в экологически оптимальном варианте по комплексу обеспечения санитарных норм ориентации и максимального использования энергии внешней среды и сбросов при условии минимизации затрат на автоматизацию систем жизнеобеспечения. Затем эти ячейки формируются в единую структуру (также по принципам минимализации затрат), что обеспечивается выполнением расчетов экономических и энергетических балансов по каждому месяцу или даже по отдельным дням года. В результате формирование архитектурнопланировочной структуры задается экономическими соображениями и отличается от традиционных не только экономической целесообразностью, соответствием избранному строительному материалу и климату данной местности, но и оригинальной нетрадиционной свежестью архитектурного решения.

Процесс совершенствования гелиотехнических объектов сдерживается незначительными масштабами их строительства, что почти повсеместно обусловлено индивидуальным подходом к проектированию каждой постройки. Эту проблему могла бы разрешить типизация крупных конструктивных элементов здания или создание отдельных модульных блоков.

Концепция использования модульных объемных блоков при возведении гелиоактивных зданий, разработанная Ю. Журовичем, дает неплохую возможность преодоления этого препятствия. Блоки, используемые при возведении гелиоактивных зданий, подразделяются на несколько видов:

расположенный ниже нулевой отметки блок аккумулятора;

поэтажные санитарно-технические блоки;

основные энергообразующие блоки, включающие в себя солнечные коллекторы и схожее по функции оборудование;

блок вставка, регулирующий высоту отметки верха.

Все габариты блоков унифицированы, что позволяет сократить до минимума проблемы компоновки блоков и образования из них объемов здания.

Но подобные решения все же мало подходят для многоэтажного строительства, так как возможностей энергообразующих блоков не хватает для охвата потребности в тепле всего жилого объема, который, при такой же площади крыши, как и у средне- и мало этажных зданий, превышает объемы последних в несколько раз. Отчасти эту проблему можно решить устроив фасад с уступами, на которых можно расположить энергообразующее оборудование.

Поиск оптимальных архитектурно-композиционных решений выявил ряд основополагающих принципов формообразования:

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

обеспечение объемно-пространственной трансформативности здания как средства адаптации к меняющимся воздействиям включение (предусмотренные возможности включения) в объемно-пространственную структуру здания элементов, обеспечивающих приток и эффективное использование энергии внешней среды;

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

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.11). 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 за последние годы 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. 12).

Рис. 12. Клинический корпус Одесской областной больницы Рис. 13. Одноквартирный жилой дом серии «М» с системой солнечного горячего водоснабжения и отопления (полигон «Солнце») Рис. 14. 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 В 1980-х – 1990-х годах были построены экспериментальные солнечные дома в Армении, Дагестане (рис.13), где применялись тепловые коллекторы, строительные гелиокомплексы (рис.14), объекты типа «солнечной деревни» в Краснодарском крае с применением фотоэлектрических преобразователей, общественные здания в Ялте (рис. 15) с применением солнечных коллекторов, установленных на крыше и многие другие объекты.

Рис. 15. Общественное здание в Ялте с применением 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.

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.

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. 16).

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

Первые солнечные здания в США появились еще в 50-х годах прошлого века. Большую роль в развитии нового направления в архитектуре сыграли работы Массачусетского технологического института (проекты солнечных зданий МТИ-I, МТИ-II, исследования посвященные проблемам аккумулирования солнечной энергии и многое другое.

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):

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

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

3) 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. 17).

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. 18).

Рис. 18 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; – 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.

Одним из примеров использования пассивного солнечного отопления является дом в Атаскадеро (Калифорния), построенный по проекту Гарольда Хэя (рис. 19).

Рис. 19. Skytherm House – одноэтажное здание площадью 115 м.

Солнечный коллектор этого дома расположен горизонтально. На плоской сейсмостойкой крыше размерами 16 11 м из профилированного стального листа уложены 4 черных пластиковых мата, наполненные водой, над которыми скользят по направляющим 12 панелей подвижной изоляции (рис. 20, 21).

Маты имеют следующие размеры:

Они содержат 26, 5 м непроточной воды, что эквивалентно примерно теплоемкости слоя бетона толщиной 400 мм, а масса равна массе 100 мм бетонной плиты. Днем маты с водой открыты для нагрева солнечными лучами. На ночь маты для предотвращения их охлаждения ночным воздухом закрываются изолирующими панелями, которые надвигаются при помощи алюминиевых зубчатых направляющих, поэтому тепло передается в основном вниз, нагревая металлический потолок дома.

Раздвижные «ставни» изолированы 50 мм слоем пенополиуретана.

Двигатель мощностью 180 вт реагирует на сигнал термостата и, работая всего две минуты утром и вечером, передвигает изоляционные панели по рейкам. Они перемещаются из положения поверх матов с водой на крыше в положение над гаражом или внутренним двориком, складываясь по секциям в три слоя. Их можно передвигать и вручную. Летом осуществляется обратная операция: днем изолирующие ставни закрывают маты, защищая их от солнца, а на ночь они откатываются назад, и черные маты излучают тепло в прохладный ночной воздух с тем, чтобы днем охлаждать помещение (рис. 22).

Рис. 22. Различные режимы эксплуатации дома Г.Хэя с естественным отоплением и охлаждением: а – отопление зимой; б – охлаждение летом; 1 – подвижные изолирующие ставни; 2 – металлический потолок; 3 – здание В доме предусмотрено электрическое отопление, но оно еще никогда не использовалось.

Описанная система естественного кондиционирования воздуха может устанавливаться, эксплуатироваться и ремонтироваться сравнительно неквалифицированными людьми. Она не требует компрессоров, конденсаторов, специальных материалов. Естественное кондиционирование воздуха обеспечивает мягкий комфорт без шумового фона, сквозняков.

ВЕТРОЭНЕРГОАКТИВНЫЕ ЗДАНИЯ

Принципы проектирования ветроэнергоактивных зданий 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. 23) 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).

Принцип пятый: здание используется в качестве опоры или как одна из опор для крепления ветроустановки, запроектированной на основе принципа полифункциональности.

Принцип шестой: элементы ветроустановки ветроэнергоактивных зданий могут быть функционально совмещены с элементами энергетических систем, рассчитанных на другие возобновляемые источники, например на солнечную энергию.

Дальнейшее повышение эффективности использования энергии ветра зданиями может быть обеспечено различными градостроительными приемами.

1. На основании изучения статистических метеоданных, характера рельефа, степени открытости площадки и, если это необходимо, экспериментальных данных, например результатов продувки в аэродинамической трубе, выявляют зоны наибольшей обеспеченности энергией ветра на территории микрорайона или города, в пределах которой может быть привязано проектируемое энергоактивное здание. Привязку здания осуществляют в зоне, наиболее обеспеченной энергией ветра, на расстоянии от других объектов, исключающем возможность аэродинамического затенения его энергоактивных систем, и ориентируют его с учетом розы ветров, если эффективность работы его ветроустановки зависит от направления ветра.

2. Изучают природно-экономические факторы целесообразности оптимизации рельефа местности с целью организации аэродинамических русел и использования их для снабжения ветроустановок зданий концентрированными потоками ветровой энергии.

3. Если намечается одновременное или последовательное строительство нескольких зданий, из которых одно или более относятся к ветроэнергоактивным, рассматривают возможности их взаимного расположения, усиливающего общий аэродинамический эффект, направленный на концентрацию энергии и интенсификацию подачи воздушных потоков к ветроустановке или системе ветроустановок зданий, образующих в совокупности строительный ветроэнергоактивный комплекс.

В качестве ветроэнергоактивных конструкций могут быть использованы покрытия, стены, преимущественно в верхней части здания защитные элементы светопроемов (зенитных фонарей), конструкции экранов и надстроек.

Трансформацию элементов здания в ветроактивную установку осуществляют по одной из следующих схем:

с вертикальной осью (в рабочем положении) ветроколеса индифферентного к направлению ветра;

то же, с ветроколесом, зависящим от направления ветра и наделенным системой изменения его ориентации (по ветру);

то же без системы ориентации и с обеспечением наиболее эффективной работы только при господствующем направлении ветра;

горизонтальной или наклонной осью ветроколеса или турбины, эффективность работы которых может зависеть или не зависеть от направления ветра.

ветроэнергоактивных зданий, основанный на трансформации полифункциональных элементов ограждающих конструкций в элементы ветроколеса, реализуют посредством следующих приемов.

1. Используют для этих целей поворотные створки защиты светопроемов (преимущественно на покрытии), вентиляционных шахт или локальных надстроек другого назначения.

2. Придают защитным створкам до определенной степени аэродинамическую форму, например, деформируя их по типу ротора Савониуса и снабжая вертикальной или горизонтальной осью вращения и прикрепляют к ограждению:

а) вертикальную ось одним из концов через промежуточный шарнир, обеспечивающий возможность складывания оси в определенной плоскости под углом, достаточным для наложения створки-ротора на защищаемую конструкцию светопроема здания;

б) горизонтальную ось шарнирно за один или оба конца с возможностью параллельных возвратно-поступательных смещений в направлении от ограждения или к нему в диапазоне, достаточном для обеспечения в одном из экстремумов беспрепятственного вращения створки как элемента ветроколеса, и наоборот, плотного примыкания створки к защищаемой конструкции в другом крайнем положении оси (рис. 24).

3. Подсоединяют к оси ротора генератор для преобразования механической энергии вращения, например, в электрическую и, сообщают его с энергосистемой здания. Такую же совокупность приемов применяют при разработке других схем ветроэнергоактивных конструкций аналогичного назначения.

трансформируемого ветроколеса путем подачи к нему дополнительных масс воздуха реализуется следующим образом.

1. Один из защитных элементов с развитой площадью, например, теневой навес над эксплуатируемым покрытием здания, проектируется полифункциональным и ему придается форма воздухозаборного устройства (рис. 25) – нагнетающего (концентратора) либо комплексного нагнетающе-разреживающего (концентратор + диффузор).

2. В зоне минимального миделя прослойки между экраном и покрытием размещают, частично или полностью перекрывая щель, систему ветроколес с вертикальной осью, ориентированной поперек перекрываемой щели, или устанавливают ветротурбину с горизонтальной осью.

3. На оси ветроустановки размещают генератор энергии, например, электрической или тепловой, и сообщают его с энергосистемой здания.

Третий принцип совмещения части здания с ветроустановкой реализуют следующими приемами архитектурного и конструктивного проектирования.

1. Исходя из энергетических потребностей здания и удельных ветроэнергетических ресурсов, выбирают часть здания для превращения ее в ветроэнергоактивную.

аэродинамическую форму, например, вертикального цилиндра или близкого к нему многогранника, вокруг которого соосно с ним размещают ветротурбину.

Рис. 24. Ветроэнергоактивные элементы зданий: а, б – группа зенитных фонарей с защитными створками, трансформируемыми в лопасти ветроколеса; в – зенитный фонарь с поворотным экраном, трансформируемым в ротор Савониуса; г – то же, с вертикальной осью и полопастной трансформацией каждого полуротора (лопасти опущены и закрывают светопроемы фонарей, расположенные в шахматном порядке;

лопасти установлены в режиме вращения, светопроемы открыты для солнечных лучей);

1 – экран, лопасть; 2 – зенитный фонарь; 1 – ось ветроколеса Рис. 25 Конструктивные схемы ветроэнергоактивных зданий с солнезащитным экраном, трансформированным в концентратор и диффузор ветрового потока:

а – крыша с односкатным экраном, выполненная в виде концентратора ветровой энергии; б – то же, с продленным экраном, образующим с подветренной стеной малый диффузор; в – покрытие с двускатным экраном с улучшенными аэродинамическими качествами концентратора и диффузора ветра; г, д – здание с комплексными аэродинамическими и солнезащитными экранами; 1 – экран; 1 – ветроколеса (турбина); 3 – концентратор воздушного потока; 4 - диффузор Рис. 26. Гипотетические решения ветроэнергоактивных зданий, обеспечивающих улавливание и концентрированную подачу воздушных потоков к ветроколесу: а – здание с концентратором ветра;

б – г – вариантные решения здания с концентратором и диффузором;

Рис. 27. Энергоактивное здание с опертым на него ветроколесом и крышей специальной аэронамической формы Рис. 28. Здание с комплексной ветро-гелиоустановкой полифункционального типа 3. Ветротурбину проектируют в полифункциональном исполнении, для чего лопасти выполняют, например, шарнирно прикрепленными вдоль их внутренней вертикальной кромки с возможностью разворота до касания со смежной лопастью и образования, таким образом, внешнего защитного кожуха, снижающего теплопотери здания или регулирующего инсоляцию и выполняющего другие защитные функции.

Приемы, реализующие четвертый, пятый и шестой принципы проектирования ветроэнергоактивных зданий, показаны соответственно на (рис. 26-28).

Рассмотренные выше примеры, иллюстрирующие приемы проектирования ветроэнергоактивных зданий, даны с целью показать пути подхода к инженерным решениям проблемы использования энергии ветра и включения ее в энергобаланс здания. При этом представляется естественным, что каждый из перечисленных принципов может быть развит в направление проектирования соответствующих типов зданий с разработкой ряда новых оригинальных решений ветроустановок, совмещенных с конструкциями зданий. А общий эффект использования энергии ветра может быть повышен путем мультипликации и комбинированного применения на одном объекте или комплексе зданий изложенных выше приемов проектирования различных ветро- и других энергоактивных систем.

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат. Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией. Традиционная компоновка ветряков – с горизонтальной осью вращения – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей. Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой скоростью, создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическая – мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии. По прогнозам фирмы Боинг (США) на текущее столетие – длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров, что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 МВт.

Типы ветродвигателей. Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Они делятся на две группы:

ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (рис. 29, б-д).

ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные:

лопастные (рис. 29 а) и ортогональные (рис. 29 е).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей (рис. 30).

Крыльчатые. Для крыльчатых ветродвигателей наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных. В то же время у карусельных – намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные. Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор [лат. Multiplicator умножающий] – повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы.

С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные. Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности проблема запуска. В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете. Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с а номинальная мощность достигается при скорости 14…16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20000 кВт. В реальной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья составит около 80 метров. У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми – взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем, можно просуммировать выходную мощность, вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений. Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания. Появление экспериментального ветродвигателя на Оркнейских островах (Англия) в 1986 году вызвало многочисленные жалобы от телезрителей ближайших населенных пунктов. В итоге около ветростанции был построен телевизионный ретранслятор. Лопасти крыльчатой ветряной турбины были выполнены из стеклопластика, который не отражает и не поглощает радиоволны. Помехи создавал стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски, предназначенные для отвода ударов молний.

Они отражали и рассеивали ультракоротковолновый сигнал. Отраженный сигнал смешивался с прямым, идущим от передатчика, и создавал на экранах помехи. Построенная в 1980 году в городке Бун (США) ветроэлектростанция, дающая 2 тысячи киловатт, действовала безотказно, но вызывала нарекания жителей городка. Во время работы ветряка в окнах дребезжали стекла, и звенела посуда на полках. Было установлено, что шестидесятиметровый винт при определенной скорости вращения издавал инфразвук. Он не ощущается человеческим ухом, но вызывает низкочастотные колебания предметов и небезопасен для человека. После доработки лопастей от инфразвуковых колебаний удалось избавиться.

Ветродвигатели могут не только вырабатывать энергию.

Способность привлекать внимание вращением без расходования энергии используется для рекламы. Наиболее простой – однолопастный карусельный ветродвигатель представляет собой прямоугольную пластинку с отогнутыми краями. Закрепленный на стене он начинает вращаться даже при незначительном ветре. На большой площади крыльев карусельный трех-четырех лопастный ветродвигатель может вращать рекламные плакаты и небольшой генератор. Запасенная в аккумуляторе электроэнергия может освещать крылья с рекламой в ночное время, а в безветренную погоду и вращать их.

Ветроэнергетические установки (рис. 31-35) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения.

Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом. Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые скорости ветра достаточно велики. Ветровое колесо, размещенное в свободном потоке воздуха, может в лучшем случае теоретически преобразовать в мощность на его валу 16 : 27 = 0,59 (критерий Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через площадь сечения, ометаемого ветровым колесом. Этот коэффициент можно назвать теоретическим КПД идеального ветрового колеса. В действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт.

Наибольшее распространение из установок, подсоединяемых к сети, сегодня получили ветроэнергетические установки (ВЭУ) с единичной мощностью от 100 до 500 кВт.

Наряду с этим создаются ВЭУ и с существенно большей единичной мощностью. В 1978 г. в США была создана первая экспериментальная ВЭУ мегаваттного класса с расчетной мощностью 2 МВт. Вслед за этим в 1979-1982 гг. в США были сооружены и испытаны 5 ВЭУ с единичной мощностью 2,5 МВт. Самая большая к тому времени ВЭУ (Гровиан) мощностью 3 МВт была сооружена в Германии в 1984 г., но, к сожалению, она проработала лишь несколько сот часов. Построенные несколько позже в Швеции ВЭУ WTS-3 и WTS-4 мощностью соответственно 5 и 4 МВт были установлены в Швеции и США и проработали первая 20, а вторая 10 тыс. ч.

В Канаде ведутся работы по созданию крупных ветровых установок с вертикальным валом (ротор Дарье). Одна такая установка мощностью МВт проходит испытания с 1987 г. Всего за 1987-1993 гг. в мире было сооружено около 25 ВЭУ мегаваттного класса. Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ обычно принимается на уровне 11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем на большую скорость ветра он рассчитывается. Однако в связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность.

Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальная мощность не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ВЭУ и даже ветровой фермы.

Автономные установки киловаттного класса предназначенные для энергоснабжения сравнительно мелких потребителей могут применяться и в районах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра.

Сегодня в некоторых промышленно развитых странах установленная мощность ВЭУ достигает заметных значения. Так, в США установлено более 1,5 млн. кВт ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3% потребляемой страной энергии; велика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии. По мере совершенствования оборудования ВЭУ и увеличения объема их выпуска стоимость ВЭУ, а значит, и стоимость производимой ими энергии снижаются.

Рис. 30. Традиционный крыльчатый ветродвигатель Рис. 31. Водяной насос, приводимый в действие ветром:

1 – шатун; 2 – деревянная направляющая тяга насоса;

3 –шаровой шарнир; 4 – насос двойного действия;

5 – невозвратные клапана; 6 – подача воды; 7 – всасывание Рис. 33.Ветроустановка в Мурманске Рис. 34. Автономная ветродизельная Рис. 35. Ветроэнергетические установки

3. ЗДАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРО –

И ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

3.1. Архитектурные и конструктивные приемы проектирования зданий с использованием гидротермальной Гидротермальная и геотермальная энергия как возобновляемые виды энергии существенно отличаются от солнечной и ветровой по физической сущности и важнейшим параметрам: это низкопотенциальная тепловая энергия, накопленная в естественном аккумуляторе высокой энергоемкости, характеризующаяся повышенной стабильностью энтальпии и температуры, изменения которых имеют слабо выраженный сезонный и суточный ход, уменьшающийся с глубиной, отсчитываемой от дневной поверхности.

использования возобновляемой энергии включает: узел подачи или отбора энергии внешнего источника с непосредственным подводом теплоносителя к конструкциям здания в одноконтурных вариантах теплообмена или включающий теплообменник в двухконтурных вариантах при повышенной загрязненности или агрессивности теплоносителя в естественном производственные стоки); систему каналов для подачи теплоносителя в здание или его рециркуляции между аккумулятором и потребителем; насос для принудительной регулируемой циркуляции теплоносителя в системе;

теплообменники системы термостатирования здания, имеющие развитую площадь и обычно совмещаемые с ограждающими конструкциями здания.

Кроме того, дополнительно могут быть установлены блок тепловых насосов и резервный аккумулятор энергии, например, теплоизолированная емкость с нагретой водой для системы горячего водоснабжения здания.

К градостроительным приемам проектирования энергоактивных зданий с использованием гидро- и геотермальной энергии относятся:

выбор места строительства энергоактивного здания исходя из энергетической оценки площадки, включая вариантное сравнение обеспеченности возобновляемой энергией соответствующего вида, доступности и простоты извлечения энергии, сравнение исходных теплотехнических параметров теплонасыщенной субстанции и возможного теплоносителя, например, геотермальных вод; основной критерий предпочтительности того или иного варианта – минимум приведенных затрат на единицу энергии получаемой от возобновляемого источника;

градостроительное обеспечение региона проектируемого энергоактивного здания, свободного от размещения на нем других однотипных с проектируемым энергоактивных зданий, использующих тот же источник энергии, т.е. выделение примыкающей к зданию внешней площадки достаточной для размещения питающего здание внешнего гидро- или геотермального коллектора; например, для энергоснабжения одноэтажного коттеджа на широте С-Петербурга за счет теплоты, извлекаемой из грунта посредством коллектора в виде змеевика из труб, заложенных на глубине около 1 м, необходим участок площадью 0,2 – 0, га.

В пределах приведенной выше общей схемы проектирование энергоактивных зданий с использованием гидро- и геотермальной энергии имеет особенности, специфические для каждого вида энергии. Рассмотрим их отдельно.

3.2. Конструктивные приемы проектирования Вода как источник энергии может применяться в системах термостатирования производственных и других зданий с отдачей или отбором тепловой энергии в зависимости от ее дефицита или избытка в тепловом балансе здания. При этом возможны следующие варианты гидроэнергоснабжения здания: напорный поток сбросных вод ТЭЦ, промышленных объектов или вод, подаваемых из реки (например, частичный отвод горного водостока), с теплообменом, осуществляемым при открытом настильном перетекании струй по поверхности конструкций зданий; то же, с частичным или полным пропуском потоков гидротеплоносителя в полостях ограждающих конструкций здания или комплекса зданий; напорная подача воды через трубчатые теплообменники, размещенные в ограждениях здания и подключенные к водопроводу; то же, с забором воды из водонасыщенного слоя грунта или водоема в окрестностях здания.

В ситуациях когда вода из источника гидротермальной энергии не может быть непосредственно подана в теплообменные системы здания ввиду ее непригодности по тем или иным причинам для отбора тепловой энергии в слое воды или водосодержащем слое аккумулятора размещают вторичный контур с замкнутой циркуляцией в нем жидкостного или воздушного теплоносителя. К аналогичному конструктивному приему прибегают в тех случаях когда в отопительном сезоне отбор теплоты намечается производить в режиме фазовых превращений, т.е. замораживая воду в грунте или в водоеме в зоне размещения каналов теплообменника.

энергоактивных зданий гидротермального типа реализуют, совмещая водозаборные конструкции теплообменные и циркуляционные каналы с конструкциями здания.

Для вариантов, когда теплосодержащая масса статически сосредоточена в водонасыщенном слое или водоеме и по высотным отметкам соотносится с конструкциями нулевого цикла здания, элементы гидроэнергоактивной системы совмещают с фундаментом, используя приемы проектирования, применяемые в гидротехническом строительстве, и применяя такие технические решения элементов фундамента, как гидролоток и водоприемный колодец.

Альтернативный технический прием заключается в выполнении фундамента гидроэнергоактивного здания в виде резервуара, конструкция которого аналогична конструкции фильтров грубой и тонкой очистки, применяемых системе водозаборных сооружений. При этом в связи с новой теплотехнической функцией известной конструкции, применяемой по новому назначению, ограждения резервуара могут быть теплоизолированы, а как несущие элементы фундамента они должны быть запроектированы под эксплуатационные нагрузки от опертого на них здания.

При относительно глубоком залегании грунтовых вод, используемых для гидроэнергоснабжения здания возможен другой конструктивный прием полифункционального использования конструкций фундаментов в виде полых тепло обменных свай, аналогичный используемому при строительстве на вечномерзлых грунтах.

В вариантных решениях, предусматривающих подачу воды в виде струй перетекающих поверху здания, теплообменник совмещают с наружной поверхностью омываемых струями воды конструкций – покрытия, стен, светопроемов. Обычно теплообменником в таких решениях фактически является непосредственно омываемый водой слой ограждения. При этом важнейшей практическое задачей представляется надлежащее обеспечение повышенной гидроизоляции; конструкций. Этот же фактор следует учитывать при обеспечении эксплуатационных качеств всех типов конструкций с гидроколлекторам, совмещенных с ограждающими конструкциями зданий.

Рассмотрим приемы проектирования энергоактивных ограждений с гидроколлекторами. Гидроколлектором энергоактивного ограждения целесообразно называть совмещенное с ограждением теплотехническое устройство, включающее теплообменник для низкопотенциального жидкостного теплоносителя, предназначенный для термостатирования ограждения (обогрева или охлаждения).

Гидроколлекторы, предназначенные для непреобразованного низкопотенциального теплоносителя, размещают в полости ограждения в любой части по толщине сечения ограждения, в том числе в подэкранной.

Возможны гидроколлекторы открытого, полуоткрытого и закрытого типа (рис. 36-43). Гидроколлекторы открытого и полуоткрытого типа, примененные в качестве самостоятельного ограждения или заполнения проема в ограждении, при наличии сквозных отверстий или щелей в коллекторе, сообщающих внутренний воздух помещения с наружным могут дополнительно выполнять функции частичного кондиционирования воздуха. Такими же свойствами обладают несквозные гидроколлекторы с частично открытым переливом воды, осуществляемым по поверхностям элементов, обращенным в сторону помещения и сообщенным с ним.

Гидротермальные коллекторы в общем случае могут применяться в зданиях в системах с энергетическим дублером или доводчиком теплотехнических параметров теплоносителя либо непосредственно внутренней среды в помещениях до уровня, обеспечивающего необходимый экологический комфорт.

Гидротермальные коллекторы закрытого типа с улучшенным потенциалом теплоносителя и температурой, достаточной для требуемого обогрева или охлаждения помещений, выполняют совмещенными со слоями ограждения, обращенными в сторону помещения, в виде внутренней облицовки стены, покрытия (перекрытия) либо в виде глухого экрана или с подэкранной прослойкой, сообщенной с помещением.

Такие гидроколлекторы конструктивно и функционально совпадают с техническими решениями отопительных и охлаждающих устройств панельно-радиационного или радиаторного типа. Их конструктивной особенностью является повышенная площадь поверхности, что обусловлено необходимостью обеспечить достаточный нагрев помещения при относительно невысоких температурах поверхности коллектора в режиме отопления, а также необходимостью исключить выпадение конденсата на поверхности ограждения-коллектора в режиме охлаждения помещения. Для удовлетворения этих требований коллектор, как правило, занимает всю площадь стены, покрытия (перекрытия) или проема светотехнического или вентиляционного назначения.

Элементы гидроэнергоактивных систем здания, соприкасающиеся с водой или находящиеся в зоне повышенного увлажнения, выполняют из водостойких водонепроницаемых, преимущественно некорродирующих или надежно защищенных от коррозии материалов: алюминия, шлакоситалла, пластмасс, эмалированной стали. Теплообменные элементы двухконтурной системы, непосредственно соприкасающиеся с агрессивной средой (химически активные производственные стоки, геотермальные воды с высокой минерализацией), должны быть выполнены из химически стойких материалов (нержавеющая сталь, теплопроводные пластмассы) либо надежно защищены от прямого контакта с агрессивным агентом.

Рис. 36. Конструктивные решения знаний с гидротермальными коллекторами Рис. 37. Гидроколлекторы полуоткрытого типа: а – в конструкции стены, солнцезащитного экрана у стены здания; 1 – гидроколлектор;

2 – стена; 3-селективно прозрачная защита; 4 - водоприемник Рис. 38. Коллектор закрытого типа для пер- Рис. 39. Коллектор закрытого типа для вого контура системы отопления зданий: отопления и охлаждения зданий:

а - схематический разрез здания; б, в – ва- 1 – наружная обшивка; 2 – теплоизолярианты поперечного сечения стенового ог- ция; 3 – внутренняя обшивка-теплоображдения (фрагменты); 1 – внутренняя об- менник; 4 – канал для циркуляции вошивка; 2 – теплоизоляция; 3 – наружная ды; 5 – питающий трубопровод; 6 – вообшивка – теплообменник; 4 – канал для дораздаточная труба; 7 - отводящая циркуляции воды; 5 – водозабор; 6 – водо- труба раздаточная труба; 7 – отводящая труба;

8 – водоносный слой грунта; 9 – защитный экран Рис. 40. Коллектор открытого типа с каскадным переливом воды для защиты от перегрева стеновых ограждений а-вертикальный разрез; б-горизонтальный разрез по воздуховодному каналу; 1–обшивка стены; 2-теплоизоляция; 3-экран; 4-продольная пластина;5воздуховодный канал; 6-полое ребро; 7-проем в экране; 8-водораздаточная труба Рис. 42. Коллектор открытого типа с каскадным переливом воды для защиты от перегрева стеновых конструкций 1 –обшивка стены;

2 – теплоизоляция; 3 –экран; 4 – продольная пластина; 5 – водораздаточная труба; 6 –проемы в экране ппппп Рис. 43. Коллектор открытого типа для защиты от перегрева кровельных ограждений 1 – пластина орошаемого экрана; 2 – вентилируемая воздушная прослойка; 3 – зазор; – наклонное ребро для крепления пластин экрана; 5 – наклонное покрытие с рулонной кровлей; 6 – водораздаточная труба 3.3. Архитектурно-строительные приемы проектирования зданий работающих с использованием геотермальной энергии Принимая во внимание сочетание теплотехнических и физикомеханических свойств верхнего слоя литосферы как возобновляемого источника геотермальной энергии, можно сформулировать следующие общие приемы проектирования энергоактивных зданий геотермального типа.

1. Массив грунта в основании ли окрестностях здания может быть подключен к системе тепло- и холодоснабжения здания через размещенный в нем теплообменник, выполненный в виде системы труб или иных каналов с жидкостным или воздушным теплоносителем.

2. В массив грунта для улучшения его тепломассообменных свойств может быть вмонтирован массив щебня или галечника с повышенной воздухе- и водопроницаемостью, выполненный в виде единого блока, например, при обратной засыпке котлована либо в виде аналогично заполненной системы траншей.

3. Массив грунта, используемый как аккумулятор и источник возобновляемой энергии, может быть теплоизолирован, по крайней мере, в верхней части в зоне, примыкающей к зданию с внешней стороны или расположенной за его наружным контуром (рис. 44). Теплоизоляция может быть выполнена стационарной или трансформируемой, например, в виде съемных щитов.

4. В целях повышения теплоэнергоемкости массива грунта последний может быть гидроизолирован и после этого искусственно насыщен водой. Такое решение применяют, когда выбранный массив расположен в неводоносных фильтрующих слоях, состоящих из крупнообломочных пород, крупного песка.

5. Для обеспечения возможности повышения энергетического потенциала массива грунта его гидроизолируют и теплоизолируют путем комбинированного использования геотермальной энергии в сочетании с другими видами возобновляемой энергии, преимущественно солнечной, и дополнительно проводят следующие мероприятия:

снабжают массив системой теплообменных каналов, регулируемо сообщенных с энергоактивным зданием, коллекторами солнечной энергии или атмосферой; выбор того или иного варианта комбинированного энергоснабжения должен быть предварительно обоснован техникоэкономической оценкой сравнительной эффективности типов систем с учетом конкретных особенностей данного объекта и природноклиматических факторов, после чего принимают решение об использовании в качестве теплоносителя воздуха или воды;

подключают каналы к системе принудительной циркуляции теплоносителя (блок насосов, если теплоноситель – вода, или блок вентиляторов, если теплоноситель – воздух);

для воздушного теплоносителя в сочетании с неводонасыщенным массивом грунта применяют открыто сообщенные с ним конструкции теплообменных каналов (перфорированные трубы или заполненные щебнем траншеи);

для воздушного теплоносителя и водонасыщенного массива грунта принимают меры, предотвращающие заполнение теплообменных каналов водой и нарушение их нормального функционирования (сплошная герметизация стенок каналов и стыковых соединений, если давление теплоносителя в канале меньше давления воды в теплоаккумулирующем массиве, и избирательная перфорация система щелей или открытая снизу полость горизонтального канала, если давление теплоносителя в нем превышает давление извне, по крайней мере, в период активной работы системы);

для жидкостного теплоносителя применяют обратный набор конструктивных мер: в неводонасыщенном или водонасыщенном, но химически агрессивном массиве грунта применяют систему труб, образующих закрытый автономный теплообменный контур, а в водонасыщенном и неагрессивном массиве может быть применена система перфорированных труб или незамкнутых каналов иного типа.

6. Массив грунта может быть конструктивно выполнен в виде насыпи с откосами, обрамляющей часть или все стены здания (рис. 45), при этом:

насыпь может примыкать к наружным стенам на часть или всю высоту, а откос обращен наружу; стена должна быть снабжена повышенной гидроизоляцией в зоне контакта с насыпным грунтом;

насыпь может быть отделена от защищаемой стены воздушной прослойкой посредством промежуточного экрана, воспринимающего давление грунта;

прослойка может быть продолжена в основании насыпи, в виде системы регулируемо сообщенных с ней горизонтальных или наклонных воздушных каналов для сезонной циркуляция воздуха; это делается с целью повышения энтальпии грунта в насыпи и оптимизации энергетического режима защищаемого здание в летний и зимний периоды эксплуатации;

внешний откос насыпи может быть снабжен укрепляющим его и стабилизирующим форму слоем растительности (кустарники или многолетние травы) либо облицован плитными элементами, в том числе допускающими увеличение его наклона до значений, превышающих угол естественного откоса;

на внешнем откосе, обращенном в сторону, интенсивно облучаемую солнцем, могут быть размещены сезонные или стационарные круглогодичного действия устройства для улавливания солнечной энергии и повышения энтальпии массива грунта, выполненные, например, в виде простейших коллекторов типа «горячий ящик» (укрепленная с образованием под ней воздушной прослойки и рециркуляцией нагретого воздуха пленка с улучшенными селективными свойствами одностороннего пропускания лучистой энергии), либо в массив может быть дополнительно вмонтирован трубчатый теплообменник;

насыпь может быть выполнена автономной и обращена откосом к защищаемой стене с конструктивным оформлением откоса по одному из вариантов, изложенных выше, либо облицовка откоса может быть снабжена отражателями, усиливающими солнечную энергоблученность ограждений здания;

пространство между насыпью и зданием, например, верхней кромкой соответствующей наружной стены здания, может быть сезонно (в отопительный период) перекрыто светопрозрачным или непрозрачным трансформируемая воздухоопорная оболочка), снижающим тепловые потери здания;

в системе строительного комплекса включающего параллельно распложенные корпуса, например, производственных зданий, насыпь между ними может быть выполнена двухоткосной.

7. При ограниченной территории или иной необходимости экономить внешнюю площадь массив грунта может быть выполнен в виде энергоемкого грунто-заполненного экрана повышенной толщины либо конструктивно введен в ограждение. При этом в качестве заполнителя могут быть использованы песок, галечник щебень, ракушечник или другие местные материалы. Если же в район строительства имеется торф, в том числе низких сортов, или торфосодержащий грунт, то их можно использовать в качестве засыпки.

В связи с этим необходимо отметить, что при определенном сроке эксплуатации сооружения применение торфа непосредственно в конструкциях ограждения как фактора энергетической защиты, увеличивающего термическое сопротивление и снижающего теплопотери здания, становится экономически более выгодным, чем сжигание его в топках с целью теплоснабжения того же здания. Это утверждение в полной мере справедливо также для всех видов бурого и каменного угля а в равной степени и для пустой породы образующей терриконы, а также для шлаков из отвалов которые могут быть использованы без переработки.

Рис. 44. Здание с геотермальным коллектором, дополненным

4. ЗАГЛУБЛЕННЫЕ ЖИЛИЩА

Одним из главных аспектов архитектурного проектирования и строительства заглубленных жилищ следует назвать экономию энергии, которая может быть получена в таком типе зданий. Существуют два пути сохранения энергии, непосредственно влияющих на выбор конфигурации заглубленного здания – компактность планировки и максимально возможный объем обсыпки здания.

Потери тепла и, следовательно, количество потребляемой зданием энергии есть функция площади поверхности, через которую происходят потери тепла. У здания с большой площадью поверхности потери тепла будут больше, чем у здания с меньшей площадью поверхности, при одинаковых прочих условиях. Очевидно, что здания с одинаковой площадью пола могут иметь различную общую поверхность в зависимости от конфигурации в плане. Максимальный объем здания при минимальной площади поверхности стен можно получить, если здание будет круглым в плане. Так как конструкции круглой формы не всегда удобны в строительстве, то наиболее приемлемой и достаточно компактной формой следует считать квадратную или прямоугольную.

Если сравнивать одноэтажные и двухэтажные здания одинаковой площади, двухэтажные здания имеют значительно меньшую общую поверхность, чем одноэтажные. Чем более протяженным и менее компактным проектируется здание, тем больше будут потери тепла. Этот принцип остается верным и для заглубленного здания. Поскольку земля летом холоднее, чем само здание, тепло из него переходит в землю, и это явление следует использовать как способ охлаждения. В этом случае здание с большей поверхностью будет иметь преимущество с точки зрения его охлаждения.

Второй важный фактор сохранения энергии, который влияет на проектирование здания, - объем обсыпки стен и кровли сооружения. От этого параметра зависит количество сэкономленной энергии, поэтому определение объема обсыпки становится одним из главных аспектов проектирования.

Для максимального сохранения энергии идеальным решением было бы полностью закрытое, максимально заглубленное помещение.

Естественно, такое решение неприемлемо как с точки зрения условий внутренней среды помещения, так и с точки зрения положений строительного законодательства. Оконные проемы, внутренние дворики, световые фонари и другие подобные элементы, которые улучшают условия среды обитания, могут быть решены без значительного уменьшения размера экономии энергии, которую обеспечивает заглубление здания, а в некоторых случаях могут увеличить эту экономию.

Рис. 45. Здания с геотермальным коллектором в виде обрамляющей насыпи с различными системами аккумулирования и отвода теплоты: а – со стационарной или сезонной теплоизоляцией массива насыпи; б и в то же, с системой воздушных прослоек и дополнительно организованным солнечным подогревом массива; г и д –насыпь (или выемка) с откосами, обращенными к зданию, с улучшенным светотехническим режимом нижних этажей и возможностью сезонного перекрывания пространства между насыпью и зданием; 1 – теплоизоляция; 2 – воздушная прослойка; 3 – коллектор солнечной энергии и селективно прозрачная стационарная или трансформируемая защита; 4 – трансформируемое остекление При выборе основных решений важно учитывать требования тех людей, которые будут находиться в здании с последующей реализацией этих требований, в том объеме, который будет спроектирован и осуществлен. Так как основные, функциональные потребности большинства семей одинаковы, основные решения большинства ломов для одной семьи будут также одинаковы. Благодаря общим требованиям к домам с учетом снижения финансовых затрат и стремления к унификации, эти здания находят широкий спрос. Естественно, заглубленный дом подчиняется тем же правилам проектирования и законам рынка, что и надземный, и должен быть решен таки же образом, чтобы отвечать всем требованиям и выполнять те же функции, которые владелец предъявляет к надземному дому. Однако заглубленный дом имеет ряд особенностей, которые обусловливают особенности проектирования. Например, при строительстве частично или полностью заглубленного дома нельзя использовать параметры цокольного этажа аналогичной площади из-за того, что увеличение глубины для такого здания намного удорожает строительство и непрактично.

Типичный цокольный этаж в обычном доме выполняет ряд функций, которые должны быть признаны необходимыми и предусмотрены в основных решениях любого заглубленного дома. Едва ли эти помещения потребуют большего пространства, чем под них отводится в типичном цокольном этаже. Весьма вероятно, что новые более эффективные методы организации и использования пространства позволят совместить эти функции, характерные для цокольного этажа с функциями всего здания в целом.

Одна из функций привлекает особое внимание при разработке основных решений – это организация пространства для механического оборудования. Потребности в мощности отопительного и охлаждающего оборудования для заглубленного здания значительно меньше, чем для обычного здания тех же размеров. Но это не означает, что физические размеры оборудования могут быть уменьшены столь же значительно.

Желательно для уменьшения шума и обеспечения безопасности, механическое оборудование располагать в отдельном помещении. Только одно механическое оборудование займет площадь около 5,6 м2, если принять что сюда входят: установка для умягчения воды, солнечная установка для горячего водоснабжения, газовая или электрическая, кондиционер или установка для осушки воздуха, смонтированные под потолком трубопроводы, регулирующая аппаратура, смонтированная на стенах.

При выборе основных решений важно учитывать целесообразность применения альтернативных механических систем, таких как солнечные коллекторы, кондиционирование воздуха с использованием льда и рекуперация тепла из сточных вод. Системы солнечного отопления для заглубленных зданий представляются весьма перспективными, поскольку такие здания потребляют немного тепла и имеют хорошие тепловые характеристики. При любом решении, предусматривающем применение системы активного использования солнечной энергии, требуется дополнительное пространство для установки оборудования и накопительных емкостей. Вода и камень могут считаться лучшими накопителями тепла. Применение солнечных коллекторов оказывает существенное влияние на ориентацию участка и выбор общего решения, если коллекторы являются элементом конструкции здания.

Другим примером альтернативных механических систем, оказывающих влияние на общие решения и проектирование конструкции здания, может быть система кондиционирования воздуха с использованием больших масс льда, которая в настоящее время начинает получать все большее распространение. Эта система предусматривает устройство около здания подземного помещения, в котором зимой производится замораживание большого количества льда, используемого летом для охлаждения здания. При проектировании такой установки необходимо учитывать потребность в дополнительном пространстве для оборудования, а также взаиморасположение дома и ледника.

Все альтернативные энергетические системы, которые могут быть применены для заглубленных домов, оказывают влияние на проектные решения, и нередко оно весьма значительно. По этой причине всесторонняя, глубокая оценка таких систем при выборе основных решений позволит обоснованно включить их в проектное решение.

Поскольку к отоплению и охлаждению таких помещений, как гаражи и склады, не предъявляются столь жесткие требования, как к отоплению и охлаждению жилых помещений их целесообразно размещать на поверхности земли по соседству с заглубленным домом. Некоторые помещения, как например, веранда, также целесообразно располагать на поверхности что создает лучшие условия их использования.

Следовательно, на стадии выбора решений важно помнить, что подземное жилище представляет собой совсем иной тип, чем наземное здание, и некоторые помещения могут быть расположены на поверхности без уменьшения энергетической эффективности заглубленного здания.

Существуют три основных типа планировочных решений, каждое из которых имеет свои особенности: возвышающееся здание, здание с внутренним двориком и сквозное. Разница между ними в основном заключается в размерах и ориентации оконных проемов. У здания возвышающегося типа все окна выходят на одну сторону, три стены засыпаны землей. В здании с внутренним двориком окна расположены по периметру дворика, и все наружные стены находятся в земле. В зданиях сквозного типа окна могут быть различного размера, их допускается располагать в любом месте по периметру здания. На практике возможны различные варианты этих планировочных решений, например, в двух уровнях или комбинация наземной постройки с подземной.