Энергоактивные здания - Экономия энергии в зданиях, перекрытых пространственными конструкциями

1. Экономия энергии в зданиях, перекрытых пространственными конструкциями

О. А. Курбатов, И. И. Масленников

В настоящее время в СССР и за рубежом большое внимание уделяется экономии энергетических ресурсов, вопросам охраны окружающей среды, что естественным образом приводит к использованию солнечной энергии для коммунальных нужд. В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов» (1981) борьба за экономию топлива определена как важнейшая хозяйственная и политическая задача.
В нашей стране на отопление зданий расходуется 20% общих затрат топливно-энергетических ресурсов, что составляет 238 млн. т условного топлива в год. Естественно, что снижение, даже на несколько процентов, расхода топлива за счет использования солнечной радиации в масштабах страны даст огромную экономию.

Рис. 5.71. Вариант решения аграрно-энергетического комплекса, в котором используются различные виды возобновляемых энергетических ресурсов (разрез)

Рис 5.72. Конструкция двухслойного мембранного покрытия, используемая как воздушный гелиоколлектор
а — общий вид мембранного покрытия, оборудованного для сбора солнечной энергии; б — поперечный разрез здания: в — режим работы гелиосистемы; А — опорное кольцо, совмещенное с воздуховодом, Б — центральное кольцо, совмещенное с воздуховодом; I вытяжка через воздушную прослойку покрытия; II — подогрев приточного воздуха; III подогрев воздуха, используемого в абсорбционной холодильной машине; 1 — мембрана, совмещенная с гелиоколлектором; 2 — воздушные заслонки; 3 — внешняя мембрана (абсорбирующий слой, стальной лист, фольга); 4 — воздушная прослойка; 5 — внутренняя мембрана (пароизоляция, утеплитель, пароизоляция, стальной лист)

Рис. 5.73. Конструкция пологого армоцементного свода, используемого как жидкостный гелиоколлектор а общий вид пологого армоцементного волнистого свода, оборудованного для сбора солнечной энергии: б — режим работы жидкостной гелиосистемы; в — поперечный разрез покрытия здания, I — подогрев воды; II — обезвоживание раствора хлористого лития; 1 — трубопровод, подающий холодную воду; 2 — волнистый армоцементный свод; 3 — сборники подогретой воды; 4 — подача холодного теплоносителя; 5 — синтетическая армированная пленка (гидроизоляция и чернение элементов волнистого армоцементного свода; теплоизоляция, пароизоляция); 6 — опорная балка; 7 — сборник подогретого теплоносителя

Анализ результатов проведенных исследований показывает, что экономия энергии в капитальном строительстве может быть достигнута тремя основными способами:
сокращением энергетических расходов на производство строительных конструкций и материалов;
снижением энергозатрат на возведение здания или сооружения;
сведением к минимуму расхода энергии во время эксплуатации зданий и сооружений. Здесь имеются в виду затраты как на отопление, так и на искусственное освещение, вентиляцию, кондиционирование и т. п.
Использование конструктивных решений зданий с применением различных типов пространственных систем обеспечивает относительно высокий энергетический коэффициент полезного действия. Это объясняется более низким расходом строительных материалов, легкостью и высокой степенью заводской готовности строительных элементов (что приводит к уменьшению энергозатрат при изготовлении и монтаже), малой строительной высотой, благодаря чему существенно уменьшается отапливаемое и вентилируемое пространство, большой вариабельностью устройства световых проемов для организации естественного освещения.

Рис. 5 74. Конструкция структурной плиты. Наклонная часть используется как воздушный гелиоколлектор, в горизонтальную часть интегрированы жидкостные гелиоколлекторы а общий вид покрытия из стержневой структуры, оборудованного для сбора солнечной энергии, б — поперечный разрез здания; в — принципы работы гелиосистем, совмещенных с покрытием, А —деталь покрытия, 1 — синтетическая армированная пленка; (стержневая структура, абсорбирующий слой утеплитель, пароизоляция), 2 — собирающий трубопровод, 3 — элементы стержневой структуры, 4 — плоский жидкостный гелиоколлектор, 5 — подающий трубопровод; 6 — рефлектирующий слой; 7 — собирающий воздуховод, 8 — рефлектор; 9 — сбор подогретой воды 10 — световой фонарь, 11 — подача холодной воды в плоские гелиоколлекторы; 12 — утеплитель, 13 — воздушный гелиоколлектор, совмещенный с наклонной частью покрытия, 14 — подающий воздуховод

Вместе с тем геометрическая структура ряда пространственных конструкций подсказала возможность использования их в качестве интегральных гелиоколлекторов, позволяющих реализовать свойства активного сбора солнечной энергии для непосредственной утилизации в системах энергоснабжения зданий. Из большого числа типов пространственных конструкций наибольший интерес в этом плане представляют те из них, которые могут образовывать сообщающиеся с коллекторами замкнутые полости, где может циркулировать тот или иной теплоноситель — волнистые своды, складки, стержневые и пластинчато-стержневые конструкции, дублированные мембраны и др. Анализ геометрии пространственных конструкций позволил определить годовой и суточный режим их облучения солнцем.
Каждому типу здания соответствует определенный режим функционирования, а следовательно, и энергетический режим. Совместный анализ энергетического режима эксплуатации и режима облучения солнцем дает возможность оценить целесообразность применения пространственной конструкции того или иного типа (рис. 5.72—5.75).
Геометрия пространственной конструкции влияет также на тип теплоносителя и характер его циркуляции в гелиосистеме. Так, для сводов с большим перепадом отметок пяты и замка наилучшим теплоносителем является воздух. Для плоских сводов в качестве теплоносителя используется вода или раствор хлористого лития (работа системы в режиме охлаждения).
Наибольшее внимание при анализе свойств пространственных конструкций уделяется достижению максимальной экономии энергии в процессе эксплуатации здания. 

Рис. 575 Закрытая складчатая армоцементная конструкция используемая как воздушный гелиоколлектор
а — общий вид закрытой складчатой армоцементной конструкции, оборудованной для сбора солнечной энергии; б — поперечный разрез покрытия здания: в режим работы воздушной гелиосистемы, А, Б — соответственно верхний и нижний распределительные воздуховоды, I — подогрев приточного воздуха, II — снижение теплопотерь здания пропуском вытяжного воздуха через покрытие, III — подогрев воздуха в покрытии и его использование в абсорбционной холодильной машине для выработки холода; IV — охлаждение покрытия созданием тяги через воздушную прослойку; 1 — армоцементное покрытие; 2 — опорная рама, 3 — армоцементная складка (пароизоляция, плитный утеплитель, пароизоляция), 4 — армоцементная складка закрытого профиля (наружная поверхность зачернена, внутренняя оклеена фольгой)

Эксплуатационные расходы энергии идут на горячее водоснабжение, холодоснабжение, отопление и вентиляцию, а также на освещение постройки Рассмотрим различные пространственные конструкции в связи с указанными направлениями расхода энергии.

1. Экономия энергии на горячее водоснабжение достигается предварительным нагревом холодной воды в гелиоколлекторах, интегрированных в пространственной конструкции.

Дальнейшее повышение температуры воды до рабочих параметров может осуществляться в бойлерах или тепловых насосах. Это позволяет при достаточной солнечной радиации перейти на автономный режим горячего водоснабжения. Гелиоколлектор в данном случае представляет собой «горячий ящик», основой которого служит утепленная пространственная конструкция (пологие армоцементные своды и складки) либо встроенные в пространственную конструкцию инвентарные гелиоколлекторы (стержневые структуры).

1. Экономия энергии на холодоснабжение. Существуют следующие способы использования солнечной энергии, собираемой с площади пространственной конструкции для выработки холода:

а)   в абсорбционной системе солнечного охлаждения. В качестве абсорбента используется водный раствор хлористого лития, обезвоживаемый в жидкостном гелиоколлекторе под воздействием солнечной теплоты. Подобная система охлаждения уже в течение 10 лет эксплуатируется в НПО «Солнце» в Ашхабаде;
б)   если в систему горячего водоснабжения введен тепловой насос, нетрудно комбинировать систему так, чтобы она работала в режиме как нагрева, так и охлаждения;
в)   при применении воздушной системы отопления возможно использование для выработки холода теплового насоса типа «воздух—воздух»;
г)   наиболее совершенной является система отопления — охлаждения с тепловым насосом, работающим по циклу Ренкина. Одним из преимуществ этой системы является то, что двигатель, работающий по циклу Ренкина, при избытке солнечной энергии наряду с выработкой теплоты и холода может быть совмещен с генератором для выработки электроэнергии.

1. Экономия теплоты на отопление и вентиляцию. Большинство пространственных конструкций либо представляет собой двойную оболочку, либо легко оборудуется второй оболочкой. Воздушная прослойка, находящаяся между оболочками, является конвектором, нагревающим под действием солнечных лучей поступающий в нее воздух. В зависимости от характера отопления конкретной зоны постройки принимаются следующие режимы работы системы: подогрев приточного воздуха; вытяжка воздуха из интерьера; равномерный нагрев всей оболочки здания; концентрация собранной теплоты в конкретной функционалы ной зоне.

В большинстве случаев применение пространственных конструкций ведет к уменьшению отапливаемого объема здания по сравнению с использованием стоечно-балочной каркасной системы, а следовательно, и к экономии энергии. Эти конструкции позволяют гибко изменять характеристики внутреннего пространства постройки в зависимости от протекающих в них функциональных процессов. Сокращается и площадь ограждающих конструкций, что также ведет к экономии энергии на отопление.

1. Экономия энергии на освещение. Пространственные конструкции — структурные плиты, своды и т. д. — позволяют предусматривать световые проемы нужного размера, обеспечивающие естественное освещение зданий, что ведет к экономии электроэнергии, расходуемой на эти цели.

Разработанные типы энергосберегающих пространственных конструкций ориентированы на применение их в объектах различного общественного назначения — спортивных и торговых залах, плавательных бассейнах, складских помещениях и др., имеющих пролеты от 12 до 100 м. В зависимости от географического положения здания, его функционального назначения и принятой конструктивной схемы энергосберегающие пространственные системы обеспечивают экономию энергозатрат от 30 до 60%.

Список литературы

1. Андерсон Б. Солнечная энергия (основы строительного проектирования). — М.: Стройиздат, 1982.
2. Селиванов Η. П. Энергоактивные солнечные здания (использование солнечной энергии в инженерном обеспечении зданий). — М.:, 1982.
3. Оболенский Н. В. Руководство по проектированию и применению солнцезащитных средств в промышленных зданиях. — М., 1980.
4. Харкнесс Е., Мехта М. Регулирование солнечной радиации в зданиях. — М . 1981
5. Николаев И. С., Мыслин В. А., Матвеев Е. С. Архитектурная типология промышленных предприятий.— М.: Стройиздат, 1975.
6. Дроздов В. А. Новое в строительной науке (Некоторые проблемы строительной физики по материалам Международного совета по строительным исследованиям). — М.: Знание, 1984. (Новое в жизни, науке, технике. Сер, Стр во и архитектура. № 8)
7. Ежов В. И. Архитектура общественных зданий массового строительства. — М.: Стройиздат, 1983.
8. Ващеико С. А. Экологические условия размещения солнечных энергетических станций/Материалы
9. Всесоюзного совещания по космической антропоэкологии — Л., 1984
10. Гречко Г. М., Мелуа А. И., Пешков А. Б., Селиванов Η. П. /Земля — наш дом во Вселенной. — Л.: Стройиздат, 1983.
11. .        Казначеев В. П. Учение о биосфере (Этюды о научном творчестве В. И. Вернадского) — М.: Знание, 1985.
12. .        Преобразование солнечной энергии.—М.: Наука. 1985.
13. Теоретические основы и опыт экологического мониторинга. — М.: Наука. 1983.
14.     Кини Р. Размещение энергетических объектов: выбор решений/Пер. с англ. — М.; Энергоатом издат, 1983.
15.      Яргина З. Н. Градостроительный анализ. — М.: Стройиздат, 1984.
16. Осмоловский М. С., Старков А. А., Шарудеико Ю. С. Животноводческие комплексы на промышленной основе — 2-е изд., перераб., и доп. — М. Стройиздат, 1984.