- Экспериментальные приемы разработки биоэнергоактивных зданий и сооружений
Рис. 2.14 Здания с гидротермальным коллектором, размещенным в водонасыщенном слое грунта
а — система из концентрических труб в двух ярусах, соединенных вертикальными трубами, б — система горизонтально-параллельных труб в одном или двух ярусах, в — система из двух или более коллекторов, состоящих из вертикальных труб, вынесенных за пределы здания с циркуляцией в трубах теплоносителя — легкокипящей жидкости; 1 — испаритель, 2 — конденсатор, 3 — аккумулятор, 4 — радиатор (см. стр. 83)
Рис. 2.15. Гидроколлекторы полуоткрытого типа
а — в конструкции стены, совмещенной с коллектором солнечной энергии, б — в виде солнцезащитного экрана у стены здания: 1 — гидроколлектор, 2 — стена, 3 — селективно прозрачная защита; 4 — водоприемник
Рис. 2.16. Здание с геотермальным коллектором, дополненным коллектором солнечной энергии
Рис. 2 17. 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 воз душных прослоек и дополнительно организованным солнечным подогревом массива; г и д — на сыпь (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
Биогаз как конечный продукт многоступенчатой конверсии солнечной энергии, первоначально ассимилированной в биологической массе и затем превращенной в газообразное топливо, не создает принципиально новых задач при проектировании зданий, в которых он используется для отопления, охлаждения, приготовления горячей воды и других технологических или экологических целей, так как практически его можно применять в обычных газонагревательных холодильных или отопительных установках, выпускаемых промышленностью и рассчитанных на применение природного газа в тех же целях.
Поэтому наша задача заключается в другом, а именно, в формулировке и систематизации экспериментальных приемов разработки биоэнергоактивных зданий и сооружений, включающих реакторные блоки генерации биогаза (метантенки) и блоки аккумулирования конечного продукта (биогаза) — носителя энергии (газгольдеры). Речь идет, в первую очередь, о приемах повышения энергетической экономичности, экологической целесообразности и улучшения эксплуатационных качеств таких энергоактивных объектов за счет комплексного использования возобновляемых источников энергии и рационального совмещения в проектируемых объектах функций конструктивных элементов и технологических факторов на основе принципа полифункциональности.
Строительный энергетический комплекс, предназначенный для производства биогаза и снабжения им зданий, в соответствии с технологическими требованиями, рассмотренными в п. 1.5, должен включать блок реакторов (метантенки), снабженный блоками загрузки исходной продукции — биомассы, системами перемешивания сбраживаемой массы, сепарации газа и его отвода и удаления шлама, а также газгольдер или блок газгольдеров. Расход энергии в таком биоэнергокомплексе складывается из затрат на подогрев биомассы, обогрев блока обслуживания, энергообеспечение механических процессов, перемешивания массы, взламывания корки и осадка, перекачивание газа с изменением его параметров и на фазовые превращения.
В градостроительном отношении биоэнергокомплексы различной мощности могут быть размещены и технологически закоммутированы в качестве энергоблока следующим образом.
- В сельской местности:
в системе территориально объединенных, сблокированных или локальных животноводческих зданий (предприятий);
в агропромышленных комплексах, на предприятиях по переработке сельскохозяйственной продукции;
на специально организованных пунктах по комплексной утилизации отходов сельскохозяйственного производства и переработке их в биогаз и высококачественные удобрения;
в системе поселков, на объединенных полевых станах, базах по ремонту сельскохозяйственной техники;
на туристических базах, в пионерлагерях и домах отдыха.
- На лесоразработках и примыкающих к ним территориях:
в системе поселков лесозаготовителей и в других населенных пунктах;
непосредственно в зоне лесоразработок для утилизации отходов лесозаготовки (листьев, хвои, измельченных сучьев, коры, щепы) и превращения их в транспортируемый баллонный газ;
на предприятиях по переработке древесины или объектах других отраслей местной промышленности.
- В городской застройке:
в системе промышленных предприятий;
в жилых микрорайонах.
Приемы повышения энергетической экономичности биоэнергокомплексов основаны на замещении собственных технологических энергозатрат утилизированной энергией промышленных выбросов, а также солнечной, ветровой, гидро- или геотермальной энергией.
Утилизация энергии промышленных выбросов может быть реализована путем конструктивной или технологической блокировки метантенка с энерговыделяющими или энергоотводящими системами промышленных предприятий. Дополнительное снабжение метантенка уходящей теплотой от смежного или сблокированного с ним промышленного объекта сможет осуществляться следующими способами (рис. 2.18):
обогрев специально отведенными горячими газами из системы дымоудаления котельных или применение дополнительного контура воздушного охлаждения тепловыделяющих агрегатов с подачей газов в специально запроектированный для этого нагревательный кожух метантенка или в трубчатый теплообменник, введенный в его объем;
то же, путем снабжения метантенка нагретым воздухом, подаваемым из системы вытяжной вентиляции промышленного объекта;
обогрев метантенка избыточной теплотой промышленного агрегата, цеха, предприятия посредством жидкостного теплоносителя через трубчатый теплообменник в конструкциях или объеме метантенка, сообщенный с образованием замкнутого контура с теплообменником источника избыточной теплоты промышленного предприятия или сообщенный напроток с системой сбросового удаления теплосодержащих промышленных вод;
размещение блока метантенков в проточном бассейне системы теплых вод ТЭЦ;
выполнение метантенка в виде коаксиального резервуара с образованием в нем отделенного от технологического объема проточного канала для пропуска нагретых газов или воды из системы тепловых выбросов промышленного предприятия или геотермального источника с достаточной температурой теплоносителя (30—60° С);
блокировка метантенка протяженного типа (горизонтальный, наклонный или вертикальный цилиндр, система цилиндров и т. п.) с ограждающими конструкциями промышленного здания, подвергаемыми повышенному нагреву за счет избыточных технологических тепловыделений.
Рис. 2.18. Вариантные решения утилизации энергии промышленных выбросов для обогрева метантенков
а — уходящими газами из системы дымоудаления: б — теплотой из внешнего контура энерговыделяющих агрегатов (печей, реакторов), в — теплотой сбросовых вод ТЭЦ; г — воздухом из системы вытяжной вентиляции промышленного объекта с избыточными тепловыделениями; д — контактно передаваемой теплотой энергетического агрегата (плавильной или стекловаренной печи, автоклава); 1 — метантенк, 2 — теплообменник
Аналогичные приемы применительно к объектам сельскохозяйственного строительства или к агропромышленным комплексам заключаются в следующем: совмещение метантенка, выполняемого в виде протяженного горизонтального канала, с конструкциями нулевого цикла животноводческих зданий, например с модифицированными каналами системы навозоудаления (рис. 2.19), которые для этого могут быть выполнены в виде вытянутого по длине канала и занимающего большую часть его сечения воздушного колокола с гидравлическим замком по одной или двум боковым граням;
совмещение метантенка с блоком культивационных сооружений агропромышленного комплекса с достижением многоцелевого эффекта — оптимизации энергетического режима метантенка за счет уходящей теплоты агропромышленного комплекса, экологически чистой утилизации отходов сельскохозяйственного производства, использования полученной в метантенке продукции для снабжения комплекса энергией (биогаз), высококачественным удобрением (шлам) и технологически необходимым для повышения продуктивности выращиваемых культур (овощей) углекислым газом, полученным при сепарации биогаза и подаваемым непосредственно в рабочую зону теплицы.
Рис. 2.19. Конструктивное совмещение биоэнергоактивных систем с производственными зданиями и сооружениями (экспериментальные предложения)
а — животноводческое здание с системой навозоудаления, совмещенной с метантенком и газгольдером: б — культивационное сооружение, объединенное с системой метантенков: 1 — метантенк; 2 — газгольдер; 3 — решетка канала навозоудаления; 4 — гибкая стенка, 5 — зона подачи углекислого газа; 6 — светопрозрачный экран, локализующий зону 5
Рис. 2.20 Конструктивные приемы совмещения подогрева и перемешивания биомассы в метантенках
а — лопастное устройство с трубчатым теплообменником; б — теплообменник в днище метантенка, сообщенный с солнечным коллектором; в — то же, с непосредственной подачей солнечной энергии под метантенк
Рассмотрим приемы повышения энергетической экономичности биоэнергетических комплексов за счет использования геотермальной энергии.
- Размещение всех объектов комплекса или, по крайней мере, его реакторного (метантенки) и газонакопительного (газгольдеры) блоков в стволах и штреках отработанных шахт и превращение их, таким образом, в «вечный» источник переработанной солнечной энергии.
- Выполнение метантенков в районах с холодной зимой заглубленными или обвалованными, в том числе с дополнительным накоплением в окружающем их массиве грунта солнечной энергии и частично энергии ветра, преобразованной в теплоту, на основе рекомендаций пп. 2.2—2.4 (рис. 2.20). Аналогично может быть использована гидротермальная энергия грунтовых вод.
Комплексное применение в различных сочетаниях и мультипликация изложенных выше приемов конструктивного и градостроительного проектирования строительных биоэнергокомплексов, предназначенных для выработки биогаза и снабжения им зданий или предприятий, обеспечит снижение расхода энергии традиционных источников и повысит экономичность самих энергоактивных объектов, утилизирующих некондиционную биомассу — отходы других производств — и решающих при этом важную экологическую задачу.
Список литературы
- Методические указания по проектированию энергоактивных зданий. РСН 25— 84. — М.. 1985.
- Селиванов Η. П. Кладовые солнечных калорий Об основах проектирования энергоактивных зданий. — Архитектура (прил. к Строительной газете), № 25, 16 дек. 1984 г
- Селиванов Η. П. Здание следит за солнцем. Принцип чуткого реагирования зданий на энергетическую ситуацию среды. — Архитектура (прил. к Строительной газете), № 20, 6 окт. 1985 г.
