ПРЕДПОСЫЛКИ СТРОИТЕЛЬСТВА ГЕЛИОЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ ПРИМОРСКОГО КРАЯ
Р.С. Федюк, г. Владивосток, ДВГТУ, преподаватель
Энергетическая стратегия России на период до 2020 года ставит своей целью не просто наращивание душевного энергопотребления и энергетического потенциала страны, но и освоение экологически чистых, безопасных, надёжных и экономически приемлемых энергетических установок (рис.1).
Одним из путей её выполнения является расширение масштабов примениения нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Это диктуется рядом обстоятельств.
Стоимость органического топлива будет постоянно расти. Несмотря на то, что согласно многочисленным прогнозным оценкам, в течение ближайших нескольких десятилетий населению планеты не угрожает энергетический голод, наиболее эффективные с экономической точки зрения месторождения органического топлива по мере разработки постепенно истощаются. При этом вовлечение в хозяйственный оборот новых месторождений, являющихся, как правило, более сложными и дорогими для разработки по техническим причинам, и в большинстве случаев, находящихся на значительном удалении от центров энергопотребления, требует значительных капиталовложений на всех этапах: начиная с геологоразведочных работ и заканчивая транспортировкой добытого топлива потребителям.
Развитие ядерной энергетики все ещё вызывает значительные опасения общественности. Разрабатываемые новые ядерные реакторы с повышенной внутренней безопасностью во всех случаях будут довольно дорогими, как следствие, увеличится и стоимость электроэнергии, производимой АЭС [1, с.148].
Потенциал гидроэнергии, по крайней мере в европейской части России, в значительной степени использован. Сооружение крупных ГЭС на великих сибирских реках требует применения дорогостоящих мероприятий по повышению их экологической безопасности; всё это с учётом необходимости сооружения новых мощных ЛЭП также будет приводить к удорожанию электроэнергии.
Другой движущей силой является забота о состоянии окружающей среды. Окружающая среда, так же как и топливо органического происхождения, является ограниченным ресурсом, неспособным бесконечно абсорбировать антропогенное загрязнение, обеспечивая при этом высокое качество природных услуг, предоставляемых человечеству. В настоящее время затраты ряда промышленно развитых стран на предотвращение или ликвидацию негативных экологических последствий, в значительной мере обусловленной именно влиянием роста энергопроизводства и энергопотребления, достигают 3 % объёма произведённого валового внутреннего продукта. При этом масштабы негативного воздействия энергетики на окружающую среду до настоящего времени имеют чёткую тенденцию к увеличению.
При разработке новой редакции энергетической программы России до 2020 г. было отмечено, что топливно-энергетический комплекс является крупнейшим загрязнителем окружающей среды, выбрасывающим 48 % всех вредных веществ в атмосферу, 27 % загрязнённых сточных вод, свыше 30 % твёрдых отходов производства и до 70% общего объёма парниковых газов.
Необходимо также учитывать и тот фактор, что при высокой концентрации производства электрической и тепловой энергии в стране многие районы России с населением около 10 млн. чел. Не присоединены к электро- и тепловым сетям.
Наряду с дальнейшей интенсификацией энергосбережения, которое признаётся большинством российских и зарубежных специалистов оптимальной возможностью снижения остроты изложенных проблем, существенный вклад в повышение уровня топливо- и энергообеспечения населения Земного шара при одновременном ослаблении экологической напряжённости на планете может и должно внести расширение использования НВИЭ.
Использование НВИЭ в России имеет свою историю. Так, в начале 20 века их доля в общем топливно-энергетическом балансе достигала 90 %, сегодня она составляет менее 1 %.
В настоящее время ежегодное замещение органического топлива всеми видами НВИЭ оценивается в 1,5 млн. т условного топлива, и это при том, что экономический потенциал этих источников составляет примерно 270 млн. т условного топлива. Инвестиционная привлекательность НВИЭ состоит в том, что сооружение этих установок может быть произведено в короткие сроки и не требует больших инвестиций.
Опыт разработки строительства и эксплуатации объектов с системами солнечного теплоснабжения, анализ и обобщение мировых достижений в данной области, показывают, что одной из эффективных является пассивная система солнечного отопления, отличающаяся простотой прежде всего с точки зрения конструктивного решения [2, с.86] (рис. 2).
Проектирование, строительство и эксплуатация различных сооружений требуют знания особенностей климата и учёта влияния климатических факторов. Среди них большая роль принадлежит солнечной радиации.
Зимой солнечная радиация снижает теплопотери через ограждения, проникая через светопроёмы, она может служить дополнительным источником отопления, что даёт для ряда районов (в частности, для Приморского края) заметный экономический эффект.
Для правильной оценки и учёта воздействий солнечной радиации на здания и сооружения в комплексе с другими метеорологическими элементами или отдельно необходимо знать закономерности пространственно-временного распределения солнечной радиации по территории и прежде всего особенности радиационного режима вертикальных поверхностей [3, с.112].
Анализ поступления солнечной радиации на стены здания, проведённый различными авторами, показал, что наиболее благоприятные гелиоклиматические условия в нашей стране, создающие предпосылки для первоочередной разработки и внедрения в практику строительства систем солнечного теплообеспечения, имеются в Приморском крае.
Так как Владивосток до 1954 года являлся единственным актинометрическим пунктом на Дальнем Востоке, где непрерывно с 1927 года проводятся актинометрические наблюдения, в данной работе он стал опорным пунктом для характеристики основных особенностей режима солнечной радиации и её составляющих в южных районах действия муссонной циркуляции.
По условиям радиационного режима Приморье резко отличается от территорий тех же широт. Под влиянием муссонов зимой преобладает ясная, солнечная погода, летом - пасмурная.
Это поределяет максимум суммарной солнечной радиации в зимний и переходный периоды и минимуму в летний. Вероятность солнечного сияния, выраженнвая в процентах к возможной, составляет 70-80% зимой, 20-30% летом. В большинстве же районов страны наоборот (в зимний период лишь 30-40% ясных дней, а в летний период – до 70%.). Так, например, у Владивостока характерно малое число солнечных дней в весенне-летний период [4, c.29].
Суточный ход прямой солнечной радиации в реальных условиях для Владивостока показывает, что кривая имеет два максимума: один в феврале-марте, другой в сентябре. Оба максимума особенно резко выражены в околополуденные часы и обусловлены двумя факторами: годовым ходом облачности и высотой солнца.
За три зимних месяца прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность больше, чем в Ташкенте и почти в пять раз больше, чем в Феодосии.
Максимум радиации, поступающей на южную сторону, отмечается в полдень В связи с утренним максимумом облачности дополуденные суммы радиации меньше послеполуденных, асимметрия может достигать 25 %.
Как показывает практика, даже при безоблачном небосводе рассеяная радиация составляет значительную долю в суммарной радиации.
Величина радиации (при безоблачном небе) зависит прежде всего от высоты солнца, прозрачности атмосферы и альбедо подстилающей поверхности.
Анализ данных наблюдений показывает, что суточные суммы рассеяной радиации в течение года для г. Владивостока меняются от 14 до 418 кал/см²сут. Максимальное значение рассеяной радиации достигается в мае (198 кал/см²сут.). В июне и июле, несмотря на увеличение продолжительности дня, она несколько уменьшается, что объясняется сплошной облачностью. Минимум средней суточной суммы наблюдается в декабре (61 кал/см²сут.).
Для правильного определения внутреннего микроклимата и практических затрат при проектировании энергоэкономичных зданий необходимо правильно выбрать архитектурно-планировочное решение (рис.3). При этом большое значение имеет правильная ориентация здания, топография участка, грунт, количество солнечной радиации, ветровые характеристики, осадки, водоёмы и растительность. На внутренний микроклимат помещения оказывают влияние солнечная радиация и естественная вентиляция, которая непосредственно зависит от ориентации здания и преобладающих ветров. Окончательный выбор ориентации здания может быть сделан только после оценки всех преимуществ каждого элемента.
Процесс проектирования энергоэкономичных зданий должен начинаться с анализа объемно-планировочных решений.
Для учёта общих положений по проектированию зданий, как и учёта особенностей районов строительства, обеспечения и инсоляции, естественного освещения и др., следует руководствоваться положениями строительных норм и правил (СНиП).
Рациональной следует считать такую ориентацию здания, которая обеспечивает максимальное теплопоступление от солнечной радиации в холодный период года.
Применение гелиосистемы (солнечного отопления) активно влияет на объёмно-планировочную структуру воинских зданий.
Оптимальная форма гелиоздания должна обеспечивать минимум теплопоступлений в помещения летом и содействовать минимальным теплопотерям зимой. Поэтому естественно, что объёмно-планировочное решение здания должно изменяться в зависимости от климатического района строительства.
Проектируя гелиоздание, следует стремиться к рациональной архитектурно-планировочной организации, сокращению периметра наружных стен, компактной форме плана, увеличению протяжённости южного фасада здания, размещая здесь основные отапливаемые помещения и присоединяя остеклённые пространства летных помещений.
В районах с муссонным климатом (в частности, Приморский край) целесообразна форма зданий в виде узкого, вытянутого параллелепипеда, что способствует нейтрализации высокого давления водяного пара. Для снижения термического воздействия окружающей среды рационально блокировать отдельные здания, располагая их в ряд в виде протяжённых параллелепипедов или единых массивных блоков, а также повышать этажность зданий. Наиболее рационально проектировать здания кубической формы или слегка вытянутые с узким корпусом в направлении оси восток-запад.
Для жилых и общественных зданий целесообразно применение пространственных покрытий.
Основной принцип проектирования гелиоздания – максимальное совмещение функций конструктивных и ограждающих элементов с функциями элементов гелиосистемы. Определение требований необходимого комфорта и эффективности потребления энергии здания зависит от свойств его светопроницаемого остова, термического сопротивления, термической мощности и термического отражения. Взаимодействие между светопроницаемым остовом и другими элементами здания – важный резерв сохранения энергии. При этом возможно выделить два вида резервов сохранения энергии в здании: увеличивающие термическое сопротивление структуры здания и изменяющие тепловую мощность и термическое отражение. Для этой цели весьма важно также рациональное решение планировки, интерьера здания, конструкции стен и покрытий.
Структура несущего остова здания, решение его конструктивно-планировочных элементов, параметры микроклимата помещений, типы систем энергоснабжения – необходимый комплекс мероприятий, который должен учитываться при проектировании гелиозданий.
Аккумулируемая солнечная энергия даёт возможность баланса требуемой комфортной температуры в помещениях, а также может обеспечивать другие виды энергоснабжения здания: освещение, вентиляцию, кондиционирование воздуха.
В конструкции сооружений зданий следует уделять большое внимание применению средств повышения энергоактивности покрытий и стеновых ограждений гелиозданий.
При конструировании покрытий целесообразно снижение уклона крыши, а также использование строительных материалов, повышающих отражающую способность кровли и способствующих максимальной аккумуляции солнечных лучей. В конструкциях стен рекомендуется предусматривать значительные плоскости остекления оконных проёмов и применять материалы, увеличивающие коэффициент отражения поверхности стеновых ограждений.
В интерьере следует стремиться к рациональному размещению систем инженерного оборудования, что повышает эффективность энергоснабжения зданий. Особого внимания требует устройство входных узлов и оконных проёмов.
Группировка зданий с солнечным отоплением даёт возможность перераспределения тепла в зависимости от потребностей каждой структурной единицы потребителя. При проектировании гелиокомплексов жилых и общевоинских зданий рационально предусмотреть централизованную группировку.
Проектирование конструктивных элементов энергоактивных зданий осуществляют с учётом обеспечения эффективного улавливания, преобразования и передачи в энергосистему (внутреннюю или внешнюю) энергии возобновляемых источников (солнце, ветер, гидро- и геотермальная, биохимическая энергия и т.п.).
Для повышения энергетической экономичности и экологического комфорта конструктивные элементы совмещают с конструктивными элементами энергетической установки или придают дополнительные энергетические функции (направленное обращение солнечной энергии экраном диффузора, водноэнергетическая установка и др.).
Рациональное использование солнечной энергии – общедоступного, практически неисчерпаемого экологически чистого источника теплоснабжения зданий, обеспечивает снижение стоимости отопления зданий, осуществляемого на протяжении веков за счёт камина, печей, а затем систем отопления. Оно определяется комплексом мероприятий, учитываемых в проектировании: структурой остова и конструктивно-планировочных элементов здания, параметрами микроклимата.
В структуре зданий термические свойства, мощность и отражение – три основных свойства светонепроницаемого остова здания, определяющих требования необходимого комфорта и эффективность потребления энергии зданием. Весьма важным резервом является также рациональное решение планировки и интерьера здания, а также конструктивных решений стен и покрытий.
Основная цель конструирования – повышение степени энергоактивности ограждений. Для этого наряду с требованием увеличения прочности повышают теплозащитные свойства ограждений и осуществляют устройство солнечных коллекторов.
Для повышения теплозащитных свойств ограждений используется эффективная теплоизоляция (плитная, рулонная, сыпучая), организация воздушных прослоек (с их экранированием, герметизация и сквозное проветривание), введение в ограждение массивного теплоинерционного слоя (воды, грунта, камня), внешнее экранирование ограждения, применение насыпного защитного слоя из гравия и других материалов, введение вакуумированных элементов в ограждение, нанесение на ограждение или размещение между его частями растительного слоя для повышения защитных свойств грунта. Для осуществления регулирования термического сопротивления и теплопередачи в ограждениях целесообразно использовать инженерные решения антистатической защиты конструкций в целях сохранения их прозрачности и других качеств, основанных на электромагнитных и подобных свойствах силовых полей.
Ограждающие конструкции гелиоэнергоактивных зданий проектируют применительно к двум основным системам солнечного энергоснабжения – активным и пассивным. Большинство конструкций пассивных систем регулируется потребителем; при неправильной регулировке системы она не обеспечит качественное выполнение функций. Например в определённое время закрывают или открывают теплоизолирующие стенки, вентиляционные клапаны, включают или выключают насосы и т.п.
Соответствующая установка термостата топливного дублёра значительно увеличивает или уменьшает дополнительный расход энергии.
Каждая из солнечных энергосистем, соответственно называемая пассивной или активной, т.е. совокупности устройств и элементов, обеспечивающие потребности воинских зданий в энергоснабжении включает три основные элемента: приёмник солнечного тепла (коллектор), хранилища тепла (аккумуляторы) и систему распределения тепла внутри здания.
Для преобразования солнечной энергии в тепловую применяют конструкции гелиоприёмников с использованием стеклянных или пластиковых поверхностей, в которых используется явление «парникового эффекта», т.е свойство стекла задерживать тепловое инфракрасное излучение, тем самым повышая температуру внутри объёма, ограждаемого стеклом.
В целях уменьшения теплопотерь и снижения энергетических потребностей здания целесообразно использование интегральных систем, сочетающих прогрессивные качества активных и пассивных систем.
К числу компонентов этих систем относятся: освещение помещений прямыми солнечными лучами; нагревание воды в резервуарах, расположенных в верхней части здания; использование трубопроводов, проложенных по наружным поверхностям стен, освещаемых солнцем; использование систем, в которых аккумулятором тепловой энергии служат заполнения оконных проёмов, наружные стены здания и покрытия.
В пассивных системах коллекторами и аккумуляторами являются наружные ограждения зданий, которые обладают повышенной темностью.
Преобразование солнечной энергии в тепловую может быть осуществлено непосредственным обогревом солнечными лучами и накоплением тепла пассивным наружным ограждением, аккумулирующим это тепло и постепенно возвращающим его в помещение. К системам, использующим непосредственный обогрев помещений, относятся исторически возникшие традиционные типы солнцеприёмников: солнечные окна, теплицы, оранжереи, фонари верхнего света.
Основными методами солнечного отопления широко распространёнными на практике являются: прямое солнечное нагревание, метод остеклённой массивной стены, метод присоединённого солнечного пространства.
Первый, самый простой и дешёвый, - метод «прямого солнечного нагрева». Его рационально осуществлять через большие оконные проёмы с двойным или тройным остеклением; при этом солнечные лучи нагревают стены и пол помещения; целесообразна большая площадь герметичной стеклянной поверхности окна. Во избежание «солнечного дискомфорта» (перегрева помещений) лучи солнца с помощью специальных жалюзи могут быть отражены в потолок.
Второй метод – «метод остекления массивной стены». Применение наружной массивной стены, окрашенной в чёрный цвет, покрытой двойным или тройным остеклением, обеспечивает равномерную отдачу солнечного тепла помещению.
Третий метод – «метод присоединённого солнечного пространства», характеризуется устройством с южного фасада здания пристройки-солярия (оранжереи) со сплошным остеклением, выполняющей роль аккумулятора солнечного тепла, передачу которого в помещениях регулируют открыванием дверей. Здание может иметь произвольную ориентацию при использовании интерьера с зимним садом и верхнего света в покрытии. Метод весьма теплоэффективен. В результате «парникового эффекта» температура за остеклением резко повышается. Избыточное тепло поглощается массой пола, стен, камина – пассивных аккумуляторов, которые в ночное время отдают накопленное тепло в помещение, поток которого в помещение можно регулировать, открывая в нем двери и окна.
На сегодняшний день в самом общем виде выделяются два подхода в определении критерия эффективности – стоимостной и энергетический. В связи с исключительной нестабильностью цен по времени и по территории России, применение методик на основе стоимостных показателей возможно только в конкретных обстоятельствах, то есть для данных солнечных энергосистем в данном районе в донное время.
Возможность расчёта энергетического эффекта, связанного с выходом на величину экономии тепловой энергии, позволяет получить и стоимостной эффект в конкретных обстоятельствах. Таким образом, энергетический эффект имеет в данном случае основополагающее значение.
Литература
- Системы солнечного тепло- и хладоснабжения / Р.Р. Авезов, М.А. Барский-Зорин, И.М. Васильева и др.; Под ред. Э.В. Сарнацкого и С.А. Чистовича. – М.: Стройиздат, 1990. – 328 с.
- Валов М.И., Казанджан Б.И. Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения: Монография – М.: Изд-во МЭИ, 1991. – 140 с.
- Андерсон Б. Солнечная энергия (основы строительного проектирования) – М.: Стройиздат, 1982. – 354 с.
- Чигерюс Ю. Солнце отапливает дома// Жилищное строительство. – М, 1984. - № 6. – 29 с.
