- Архитектурные и конструктивные приемы проектирования зданий с использованием гидротермальной и геотермальной энергии
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.
Общая для данных источников принципиальная схема 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 аккумуляторе (грунтовая вода на химическом предприятии, 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.
Рис. 2.9 Энергоактивные здания с ветроколесом в виде вертикального цилиндра, охватывающего цилиндрический объемный элемент (технический этаж, машинное отделение, муфта) 1 — цилиндрический блок здания, 2 — ветроколесо, 3 — трансформируемые лопасти
Рис. 2.10. 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; 1 — воздушный канал-концентратор, 2 — ветроколесо; 3 — технический или технологический этаж, 4 — диффузор
Рис. 2.11. Энергоактивное здание с опертым на него ветроколесом и крышей специальной аэродинамической формы
Рис. 2.12. Здание с комплексной ветро-гелиоустановкой полифункционального типа
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 Ленинграда за счет теплоты, извлекаемой из грунта посредством коллектора в виде змеевика из труб, заложенных на глубине около 1 м, необходим участок площадью 0,2—0,5 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.
Конструктивные приемы проектирования гидроэнергоактивных зданий.
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 замк нутой циркуляцией в нем жидкостного или воздушного теплоносителя. К аналогичному конструктивному приему прибегают в тех случаях, когда в отопитель ном сезоне отбор теплоты намечается производить в режиме фазовых превращений, т. е. замораживая воду в грунте или в водоеме в зоне размещения каналов теплообменника.
Принцип полифункциональности при проектировании 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 (рис. 2.13), конструкция которого аналогична конструкции фильтров грубой и тонкой очистки, применяемых в 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 теплообменных свай, аналогичный используемому при строительстве на вечномерзлых грунтах (рис. 2.14).
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 практической задачей представляется надлежащее обеспечение повышенной гидроизоляции конструкций. Этот же фактор следует учитывать при обеспечении эксплуатационных качеств всех типов конструкций с гидроколлекторами, 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. 2.13—2.15). 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.
Конструктивные решения ограждений с гидроколлекторами в системе гидро- энергоактивных зданий рассмотрены в п.9.2.
Архитектурно-строительные приемы проектирования зданий, работающих с использованием геотермальной энергии.
Принимая во внимание сочетание теплотехнических и физико-механических свойств верхнего слоя литосферы как возобновляемого источника геотермальной энергии, можно сформулировать следующие общие приемы проектирования энергоактивных зданий геотермального типа.
Рис. 2.13. Конструктивные решения зданий с гидротермальными коллекторами а, б — открытого типа; в, г — закрытого типа
1. Массив грунта в основании или 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.
- В массив грунта для улучшения его тепломассообменных свойств может быть вмонтирован массив щебня или галечника с повышенной воздухо- и водопроницаемостью, выполненный в виде единого блока, например, при обратной засыпке котлована либо в виде аналогично заполненной системы траншей.
- 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. 2.16). Теплоизоляция может быть выполнена стационарной или трансформируемой, например в виде съемных щитов.
- 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.
- 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 технико-экономической оценкой сравнительной эффективности типов систем с учетом конкретных особенностей данного объекта и природно-климатических 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.
- Массив грунта может быть конструктивно выполнен в виде насыпи с откосами, обрамляющей часть или все стены здания (рис. 2.17), 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 циркуляции воздуха; это делается с целью повышения энтальпии грунта в насыпи и оптимизации энергетического режима защищаемого здания 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 энергооблученность ограждений здания,
пространство между насыпью и зданием, например верхней кромкой соответствующей наружной стены здания, может быть сезонно (в отопительный период) перекрыто светопрозрачным или непрозрачным элементом (вантовая мембрана, сборно-разборный тент, трансформируемая воздухоопорная оболочка), снижающим тепловые потери здания;
в системе строительного комплекса, включающего параллельно расположенные корпуса, например производственных зданий, насыпь между ними может быть выполнена двухоткосной.
- При ограниченной территории или иной необходимости экономить внешнюю площадь массив грунта может быть выполнен в виде энергоемкого грунтозаполненного 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 районе 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.
