Энергоактивные здания - Комплексный подход к архитектурному проектированию солнечных станций

1. Комплексный подход к архитектурному проектированию солнечных энергетических станций

С. А. Ващенко

 Солнечная энергия как экологически относительно чистый и возобновляемый вид энергии перспективна для использования ее в крупных масштабах [8—11]. Сооружения, с помощью которых осуществляют промышленный сбор и преобразование солнечной энергии в другие ее виды (тепловую, электрическую, химическую и др.), принято называть солнечными энергетическими станциями (СЭС). Ввиду большой рассеянности потока солнечной радиации возникает необходимость освоения больших площадей ландшафта для его утилизации. Солнечные энергетические станции могут занимать десятки и даже сотни квадратных километров. Нельзя допустить отчуждения таких территорий только под технические нужды. Это может привести к нарушению гомеостаза сложившихся ландшафтных образований и деградации природных экосистем — первичных ячеек биосферы.

Таблица 5.1.
ЭНДОГЕННЫЙ ТИП ВОЗДЕЙСТВИЯ (среда→СЭС). Характеристика наиболее важных ПРИРОДНЫХ условий и их влияние иа выбор технических решений

Таблица 5.2. ЭНДОГЕННЫЙ ТИП ВОЗДЕЙСТВИЯ (среда→СЭС). Характеристика наиболее важных АНТРОПОГЕННЫХ условий и их влияние на выбор технических решений

От традиционных промышленных объектов СЭС выгодно отличаются тем, что несмотря на большие потребности в территории, обладают относительно малой удельной материалоемкостью и отсутствием производственно-технологических перемещений, что дает им возможность включить в свою структуру компоненты природного ландшафта. В этих условиях задачи взаимодействия объектов СЭС с ландшафтным окружением становятся в ряд важнейших
Проектировщик крупных СЭС имеет дело не с отдельным строительным объектом, а со сложным комплексом природно-технических взаимодействий, составляющих экологическую систему. Его задачей становится создание целост ной, устойчивой во времени, термодинамически открытой саморегулирующейся экосистемы, способной в условиях техногенной нагрузки продуктивно эволюционировать. С этой целью проектировщику необходимо иметь как можно более полное представление о закономерностях функционирования природных экосистем под влиянием антропогенных воздействий. Методами изучения и контроля состояния окружающей среды являются различные уровни экологического мониторинга, наиболее эффективные на стадии крупномасштабного строительного эксперимента [12].
В отличие от традиционных методов проектирования проектировщик, использующий системные данные, имеет возможность (хотя и в некотором приближении) проиграть сценарий функционирования природно-технического комплекса, выбрать оптимальные архитектурно-конструктивные решения, позволяющие без ущерба для промышленной технологии сохранить способность природных экосистем к саморегуляции и возобновлению биоты. Характер взаимодействия и взаимовлияния элементов системы удобно проследить на модели. С целью создания такой модели, которую принято называть логико-концептуальной, необходимо на основе выявленных наиболее значительных факторов взаимодействия объекта проектирования с окружающей средой определить целесообразные географические и временные границы исследуемой экосистемы. Однако важно иметь в виду, что замкнутой, ограниченной какими-либо рамками системы в природе не существует. В границах системного подхода взаимоувязке подлежат только самые характерные, самые насущные переменные, находящиеся в условно ограниченной зоне влияния строительного объекта [13].
Для систематизации взаимодействий СЭС с окружающей средой удобно (в рамках исследуемой экосистемы) провести градацию ландшафтных образований на природные и антропогенные, определить характер их взаимодействия между собой и с объектом проектирования (рис. 5.67).
За основную переменную целесообразно взять сам строительный объект, т. е. его архитектурно-конструктивную и технологическую схему как наиболее вариабельную часть, способную исходя из условий сохранения гомеостаза экосистемы принимать любые необходимые формы. Рассматривая комплекс взаимодействий основной переменной (объекта проектирования) со средой (суммой природных и антропогенных факторов) целесообразно определить два типа влияния: воздействие среды на СЭС (эндогенное) и воздействие СЭС на среду (экзогенное).
Первый тип взаимодействий предусматривает способность конструктивной схемы СЭС нормально функционировать в условиях воздействия на нее средовых факторов (исходная ситуация). Второй тип взаимодействий определяет характер влияния самой СЭС на среду (сложившаяся ситуация) и изучается комплексом биосоциальных наук.
Архитектурно-конструктивная схема должна строиться из учета сбалансированного равновесия эндогенных и экзогенных (относительно СЭС) условий внешней среды (рис. 5.68). Связующим звеном в процессе проектирования, способным преобразовать сумму биосоциальных и технических знаний в проектное предложение, должна стать архитектурная наука.
Анализ подобной модели производится выборкой наиболее характерных параметров среды и их оценкой способом предпочтений (табл. 5.1—5.3). Применение какой-либо количественной шкалы не представляется возможным, так как практически невозможно количественное сопоставление всех данных, не существует соответствующих единиц измерения [14].
Основными этапами комплексного подхода к проектированию крупных солнечных энергетических станций могут стать;
а)  определение экономических показателей и места строительства СЭС;
б)   географическое выделение проектируемой природно-технической системы как самостоятельной единицы изучаемого ландшафта;
в)   выбор схемы СЭС и наиболее существенных переменных, подлежащих изучению;
г)   установление внутренних взаимосвязей между компонентами природно-технической системы и связей с другими экосистемами;
д)  определение экологического порога производственного освоения и временного адаптационного промежутка, в течение которого экосистема достигнет уровня саморегуляции и прогрессивного эволюционирования;
е)      изучение сценария социального
функционирования природно-технического
ж)           проектное предложение.

Таблица 5.3.
ЭКЗОГЕННЫЙ ТИП ВОЗДЕЙСТВИЯ (СЭС—среда). Характеристика дисциплин, посредством которых производится изучение комплекса;      

                                                                

Для более полного осознания механизмов массоэнергообмена в экосистеме необходимы качественно новые методы определения причинно-следственных связей, которые приведут к созданию принципиально новых моделей, описывающих совокупность взаимоотношений природы, техники и человека.
Невозможно с уверенностью предугадать или запрограммировать эволюцию природных экосистем, поэтому одной из основных задач при проектировании крупных СЭС должно стать возможно более полное сохранение многолетнего ядра биоты, благодаря которому сохраняется устойчивость природного комплекса к внешним воздействиям, максимально гуманное отношение к ландшафту — не отчуждение его, а активное вовлечение создаваемой биотехсистемы в структуру функционирующих экосистем. Технически разрешима задача размещения рабочего зеркала гелиостатов и коммуникаций управления на расстоянии от поверхности земли, достаточном для свободного ее использования представителями фауны и флоры или включения территории СЭС в сельскохозяйственный оборот (рис. 5.69).
Как будет развиваться биота в условиях затенения гелиостатами, покажут эксперименты, однако уже сейчас ясно, что в южных районах СССР, где растительный покров страдает от избытка солнечной радиации, частичное его затенение будет только полезным. Основной задачей проектировщиков СЭС, по-видимому, скоро станут поиски технических решений, способных осуществить гармоничный симбиоз технических и природных компонентов ландшафта.

Рис. 5.68. Модель формирования архитектурно-конструктивной схемы СЭС в структуре экосистемы
Рис. 5.69 Вариант решения поля гелиостатов с возможностью продуктивного использования ландшафта
В настоящее время об энергетической эффективности СЭС судят в основном по конечному выходу электроэнергии — наиболее универсальному энергетическому продукту. Однако анализ опыта строительства и эксплуатации технологических схем СЭС показывает, что для повышения их экономической эффективности, снижения стоимости единицы производимой энергии целесообразно использовать в качестве конечных продуктов другие энергоносители (перегретый пар, низкопотенциальное тепло, продукты фотолиза и биоконверсии, концентрированную солнечную радиацию и др.). Такой подход приведет к созданию более сложных комбинированных станций, использующих в качестве энергетического сырья различные виды возобновляемых и традиционных энергоресурсов и, как следствие, повлечет за собой необходимость согласованной работы комплекса СЭС с потребителем энергии, который смог бы учесть в своем технологическом процессе разнохарактерную энергетическую продукцию, связанную с особенностями солнечной технологии (неравномерность суточного и сезонного прихода, зависимость от погодных условий и т. д.). Наиболее продуктивно возобновляемые источники энергии могут быть использованы в аграрно-индустриальной отрасли, которая переводится на промышленную основу путем создания крупных животноводческих и растениеводческих комплексов [15].
Введение в структуру аграрно-индустриального комплекса энергетического модуля открывает большие возможности для перестройки этой отрасли на прогрессивный путь применения интенсивной технологии. Энергетический модуль может снабжать предприятия аграрно-промышленного производства помимо электрической энергии низкопотенциальным теплом, с трудом поддающимся утилизации техническими методами, подогретой водой для полива и нужд животноводства, горячим воздухом для сушки сельхозпродукции, обогрева теплиц и животноводческих помещений, перегретым паром для плодоконсервной промышленности, хладагентом для хранения сельскохозяйственной продукции, концентрированным импульсным излучением для стимуляции роста растений, жидким и газообразным органическим и химическим топливом (биогазом, этанолом, метанолом, водородом) для работы сельскохозяйственной техники, коммунально-бытовых нужд и т. д. В свою очередь отходы сельского хозяйства (компост, растительная биомасса, фекальные стоки жилищного сектора) могут служить сырьем для получения энергетической продукции.
Полифункциональное использование строительных конструкций для производства различных видов энергии и продуктов сельского хозяйства позволит более экономно и рационально использовать основные фонды строительства, осваивать неудобные для сельскохозяйственной обработки крутые склоны и т. д. Таким образом, мы вплотную подходим к созданию качественно новой типологической единицы — аграрно-энергетическому комплексу, который представляет собой совокупность взаимосвязанных зданий и сооружений основного и вспомогательного назначения, необходимых для производства энергетической и сельскохозяйственной продукции, расположенных на одном участке и объединенных единым технологическим процессом, объемно-планировочными решениями и инженерными коммуникациями. Подобный комплекс следует рассматривать как биотехническую систему, объединенную по параметру «энергия». В этой системе ведущую роль играют биологические процессы, диктующие характер перераспределения возобновляемых энергоресурсов между биологическими и техническими компонентами системы.
Создание аграрно-энергетических комплексов открывает путь для развития в сельском хозяйстве малоотходных и безотходных технологий, что приведет в конечном итоге к созданию высокоинтегрированных комплексов с замкнутой технологией, способных обеспечить сельскохозяйственным ячейкам энергетически независимое автотрофное существование и при минимальной нагрузке на окружающую среду получать устойчивые урожаи. 

Puс. 5.70. Решение аграрно-энергетического комплекса, в котором используются различные виды возобновляемых энергетических ресурсов
а — общий вид, б — разрез, А—Н — виды продукции, производимой аграрно-энергетическим комплексом, А — электроэнергия, В — насыщенный пар; С—низкопотенциальная теплота (воздух, вода); D — концентрированная солнечная радиация, Е — биогаз; F — органические одобрения; G — продукция животноводства, Н — продукция растениеводства
Одно из вариантных решений такого комплекса показано на рис. 5.70. Он представляет собой совокупность пяти энергетических систем:
а)   солнечной энергетической станции (СЭС) башенного типа с паротурбинным циклом преобразования энергии, которая состоит из поля гелиостатов 1 —  системы следящих зеркал, концентрирующих солнечное излучение на солнечном парогенераторе 5, расположенном на башне, откуда перегретый пар поступает на турбину 3 с электрогенератором 2. Строительные конструкции поля гелиостатов совмещены с конструкциями животноводческих помещений 7;
б)   солнечно-ветровой энергетической станции (СВЭС), состоящей из коллектора солнечного излучения, которым является тепличное хозяйство, расположенное под прозрачной пленкой 10, где воздух нагревается и устремляется к основанию вытяжной башни, в которой размещен электрогенератор с лопастным движителем 8. При необходимости подогретый и обогащенный кислородом воздух из теплиц может быть направлен в животноводческие помещения 7;
в)   ветровой энергетической станции (ВЭС) роторного типа, размещенной в верхней части башни 6;
г)   тепловой энергетической станции (ТЭС), состоящей из системы паровых котлов 4, использующих органическое топливо (биогаз, древесные и растительные отходы) и паровой турбины 3 с электрогенератором 2;
д)   энергетической установки для биологической конверсии органических веществ в жидкое топливо и метан, состоящей из метантенков 9, в которых путем анаэробного сбраживания отходов животноводства, растениеводства и жилищного сектора получают биогаз. Метантенки расположены в основании башни и нуждаются в низкопотенциальном подогреве, который осуществляется теплым воздухом от СВЭС и котлотурбинных агрегатов. Органические отходы, прошедшие цикл анаэробного сбраживания, обеззараживаются и превращаются в ценное легкоусвояемое растениями удобрение.
Основой другого варианта аграрно-энергетического комплекса (рис. 5.71) является СЭС башенного типа с кольцевым решением поля гелиостатов 1, конструктивно совмещенных с животноводческими помещениями 8. Гелиостаты фокусируют солнечное излучение на приемных панелях солнечного парогенератора 2, откуда перегретый теплоноситель поступает на турбину 10 с электрогенератором 9 и в систему теплового аккумулирования 13. Неизбежные конвективные потери емкостей-аккумуляторов обогревают бассейн 12 для выращивания микрофлоры, употребляемой для скармливания животным. Питательной средой для микрофлоры может служить жидкий органический субстрат — отходы метаногенеза. Дополнительное каталитическое действие концентрированного солнечного излучения достигается при помощи гелиостатов СЭС и промежуточного концентратора 6. Известна технология получения водорода с помощью каталитического фотосинтеза микроводорослей.
В теле несущей башни солнечного парогенератора удобно разместить установки 3 для промышленного получения водорода и кислорода путем фотолиза воды, которые также нуждаются в каталитическом действии концентрированного солнечного излучения. При необходимости концентрированная радиация посредством промежуточного экрана может быть направлена в паровой котел 11 для обогащения органического топлива, теплоту сгорания которого можно повысить на 30-40%. Паровой котел выполняет дублирующую роль и служит для обеспечения бесперебойной работы энергетической системы комплекса в перерывы прихода солнечной радиации.
Низкопотенциальное тепло от работы котлотурбинных агрегатов направляется для обогрева метантенков 4, в которых путем анаэробного сбраживания отходы животноводства и растениеводства превращаются в биогаз и органическое удобрение. Для получения электрической энергии фотоэлектрическим методом предусмотрено использование концентраторов типа фоклинов 7, расположенных на скатной кровле здания. Дополнительным источником электрической (тепловой) энергии могут быть фотоэлектрические преобразователи (тепловые коллекторы, абсорберы), размещенные на южной стороне башни 5.
Система аккумулирования энергетического комплекса позволяет запасать энергию на продолжительное время с использованием ее в периоды, неблагоприятные для прихода солнечной радиации.
Очевидно, что в связи с большой рассеянностью возобновляемых энергоресурсов в среде их комплексная утилизация имеет большие преимущества перед выборочной. Нецелесообразно использовать только тепловую составляющую прямого солнечного излучения (например СЭС башенного типа). Концентрированная солнечная радиация может оказаться более полезной при использовании ее каталитических свойств в биологических или химических процессах (каталитический фотосинтез, светоимпульсное облучение биологических объектов, фотолиз воды и т. д.). Необходимо как можно более полно использовать всю энергию, находящуюся в среде в виде рассеянного светового и теплового излучения, движения воздушных масс, суточных температурно-влажностных циклов и т. д. Концентрация в одном строительном комплексе различных видов биологических и технических процессов, объединенных экологически чистыми возобновляемыми источниками энергии, позволит найти и отработать новые формы обмена веществом и энергией между биологическими и техническими компонентами системы, наиболее приближенные к естественным биосферным процессам.
Академик АМН В. П. Казначеев, определяя роль человека в эволюции биосферы, писал: «...сегодняшние кризисные проблемы — экологическая и энергетическая, проблема питания и жизненного пространства — должны решаться в неразрывном единстве, в том единстве, в котором существует биосфера... в настоящее время человечество располагает значительным энергетическим потенциалом, и энергетический кризис обусловлен не величиной входа (количества энергии), а недостаточным развитием технологии. В значительной степени это обусловлено тем, что основной источник жизни — продукты питания — человечество вынуждено извлекать из биосферы, превращая ее на больших пространствах в гигантские «биосферные фабрики» продуктов и оставаясь зависимым от множества неуправляемых природных процессов» [10].
В связи с дальнейшим удорожанием цен на традиционные первичные топливно-энергетические ресурсы по мере их истощения и развитием прогрессивных технологий использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии создание аграрно-энергетических комплексов может стать одним из наиболее перспективных направлений развития крупномасштабной энергетики села.