Энергоактивные здания - Ветроэнергоактивные здания

1. Ветроэнергоактивные здания как направление в архитектурном и инженерном проектировании (принципы подхода)

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. 2.6) 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 элементами полифункционального назначения с возможностью их трансформации в элементы ветроколеса.
Принцип второй: ветроэнергоактивное здание может быть снабжено защитными конструктивными элементами полифункционального 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 ветроэнергоустановки, 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.
Первый (простейший) принцип проектирования 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. 2.7).

1. 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.
Второй принцип повышения эффективности работы 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. 2.8) —  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.

Рис. 2.7. 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, 3 — ось ветроколеса

Рис. 2.8. Конструктивные схемы ветроэнергоактивных зданий с солнцезащитным 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 солнцезащитными экранами: 1 — экран; 2 — ветроколеса (турбина), 3 — концентратор воздушного потока; 4 — диффузор

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.
2. Придают выбранной части здания необходимую аэродинамическую форму, например вертикального цилиндра или близкого к нему многогранника, вокруг которого соосно с ним размещают ветротурбину (рис. 2.9.).
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. 2.10—2.12.
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.