Энергоактивные здания - Технико-экономические обоснования строительства энергоактивных зданий в НРБ

ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ РАЗРАБОТКИ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОАКТИВНЫХ ЗДАНИЙ

1. Технико-экономические обоснования строительства энергоактивных зданий в НРБ

В. Иванов, М. Балабанов, К. Спасов (НРБ)

Экономическая целесообразность использования солнечной энергии взамен ископаемых видов топлива определяется в сопоставлении с капиталовложениями, требующимися для создания таких систем, и действительной эффективностью систем, преобразующих солнечную энергию. Эта эффективность во многом зависит от интенсивности и количества поступающей к гелиоприемникам солнечной энергии, т.е. от региональных климатических условий и географического положения района строительства. Так, для областей, которые расположены в Центральной Европе на широте около 50° с. ш., сбор и преобразование солнечной энергии, по данным NASA 1977 г [1], в 2 раза дороже, чем в Северной Африке, Южной Америке или Средней Азии, а также в южных районах европейской части СССР.

* В. Иванов, М. Балабанов, К. Спасов, 1987.

Распределение зданий в населенных местах и их энергетические свойства.

К населенным местам следует относить большие и малые города, села, курортные и дачные поселки. Большие города отличаются наибольшей плотностью застройки. Кроме того, в больших городах при наибольшей плотности застройки здания имеют наибольший объем, в то время как в селах и дачных поселках здания, как правило, малообъемны.
Архитектурный стиль и внешний облик старого жилищного фонда в больших городах зачастую не может быть изменен. Новые жилые кварталы могут и должны застраиваться согласно новым требованиям к теплофизическим характеристикам зданий. Это означает, что их теплоизоляционная способность должна отвечать новым ценам на энергоресурсы Уменьшение энергетических расходов зданий достигается с наименьшими затратами путем снижения их тепловых потерь. Активное использование солнечной энергии и теплоты окружающей среды также способствует значительному снижению энергетических расходов.
Рассмотрим здание старого жилищного фонда в ФРГ с жилой площадью 130 м² [2]. На рис. 7.1 показана эффективность отдельных мероприятий по снижению гелиопотерь здания, а на рис. 7.2 дана схема для расчета энергетического баланса здания. При этом учтены стена Тромба, остекленный цветник, каменный аккумулятор, аккумулятор холода, абсорбер, тепловой аккумулятор, электрический абсорбционный тепловой насос, тепловодяной или иной аккумулятор, солнечный коллектор и традиционное отопление (воздушное, напольное или радиаторное), возможно с каменным аккумулятором. Расчет выполнен на ЭВМ. При составлении программы для ЭВМ исходили из того, что исследуемая система подвержена воздействию большого числа реальных факторов, в частности, были взяты действительные климатические данные за 1980 г.
На рис. 7.3 показаны дневные тепловые потери зданий с различной тепловой изоляцией, а на рис. 7.4 — годовые тепловые потери опытного здания с окнами южной ориентации. Лучшая теплоустойчивость здания традиционного исполнения очевидна. Ясно также, что тепловые потери резко снижаются при использовании ставен или жалюзи в окнах большого размера.
На рис 7.5 представлена схема отопления того же самого здания и приготовления горячей воды для шести жильцов. При использовании солнечной энергии посредством трубчатых вакуумированных коллекторов или коллекторов с одним стеклянным покрытием, связанных с аккумуляторами, энергия, необходимая для отопления, уменьшается. Как видно из рисунка, трубные вакуумированные коллекторы более эффективны, но при использовании невакуумированных трубных коллекторов результаты будут лишь незначительно хуже, если их тыльная поверхность хорошо изолирована. Кроме того, при изоляции здания по шведским нормам его тепловые потери снизятся на 10500 кВт·ч и могут быть покрыты благодаря использованию трубных коллекторов площадью около 50 м².
Из сказанного выше можно сделать вывод, что для эффективного использования энергии необходимы дополнительная изоляция зданий старого жилищного фонда и строительство новых зданий только с улучшенной изоляцией.
Строительные элементы зданий, ранее построенных в Европе между 42 и 55° с. ш., имеют следующие коэффициенты теплопередачи, Вт/м²·К): внешние стены — Кст=1,6—1,9; внешние проемы — Кпр=2,33—2,56; полы — Кп= 1,4— 1,9; потолки — Kпт=1,9—2,6.
Во многих странах введены новые нормы для новых зданий или дополнительной изоляции зданий старого жилищного фонда с целью снижения расхода теплоты, например, рекомендуются следующие коэффициенты теплопередачи, Вт/(м²· К): внешние стены—Кст=0,46—0,57; внешние проемы — Кпр=1,3—1,8; полы — Кп=0,4—0,8; потолки— Кпт=0,3—0,5.

Рис. 7.1. Снижение теплопотерь при дополни тельной теплозащите зданий
1 — теплопотери за год; 2 — теплопотери после изоляции пола; 3 — то же, после изоляции потолка; 4 — то же, при ограничении отопления ночью; 5 — то же, при использовании уплотненных трехслойных окон, 6 — тоже, при использовании внешней изоляции толщиной 12 см; 7 — то же, с применением регенератора теплоты вентиляции с к.п.д. 65%


Рис. 7.3 Дневные тепловые потери зданий с различной тепловой изоляцией
а — модель здания старого жилого фонда, б — модель здания, изолированного в соответствии с нормами ФРГ, в модель здания, изолированного в соответствии с нормами Швеции

Рис 7.2. Компоненты, оказывающие влияние на энергобаланс здания

Рис. 7.4. Годовые теплопотери здания с paзличной конструкцией окон и ограждении 1 — окна без ставен, 2 — облегченные ограждения, 3 — окна со ставнями, 4 — массивные ограждения

ПО’с

Рис 7.6. Схема теплофикационной трубной сети с несколькими теплоснабжающими контурами
Рис. 7.5. Отопление здания с помощью обыкновенных и вакуумированных солнечных коллекторов и влияние годовых теплопотерь на требуемую площадь коллекторов
1 — коллектор с одним стеклянным покрытием, 2 — объем водяного аккумулятора, 3 —  вакуумированный коллектор, 4 — объем водяного коллектора

Сумма R, дающая годовые издержки на ремонт изоляции, реальна в тех случаях, когда изолируется здание старого жилого фонда, а не когда изоляция выполнена одновременно со строительством.
Если здание изолируется по нормам ФРГ, то для здания старого жилого фонда площадью 130 м² с годовым расходом теплоты 38000 кВт- ч и часовыми тепловыми потерями 16,59 кВт годовой расход теплоты упадет до 19000 кВт-ч, Стоимость изоляционных работ в этом случае достигнет примерно 18000 западно-германских марок (DM) При среднем к.п.д., равном 75%, годовой расход жидкого топлива достигнет 2179 л при цене 0,85 DM/л и за год будет израсходовано 1852 DM. Следовательно, изоляция окупится приблизительно за n=B/D=18000/1852=9,72 года. Для нового здания стоимость этой же самой изоляции составит только 6000 DM, и она окупится уже через n=6000/1852=3,24 года. Данный пример говорит о том, что здания старого жилищного фонда следует теплоизолировать только при проведении ремонта, в то время как для новых зданий нужно в обязательном порядке устраивать теплоизоляцию.
Экономический анализ показывает [3], что в настоящее время наиболее эффективны для теплоснабжения больших городов ТЭЦ, а при определенных условиях — атомные теплоэлектростанции. Температурный перепад на подающих магистралях достаточно велик. Поэтому для повышения экономической эффективности необходимо модернизировать схемы теплоснабжения [4]. На рис. 7.6 показана теплофикационная схема с несколькими теплоснабжающими контурами. Принципиально необходимы один высокотемпературный контур, два среднетемпературных и два низкотемпературных. Такое подразделение на контуры дает возможность использовать различные отопительные установки и получить максимальную эффективность теплопередающей сети. Последняя ступень — с тепловым насосом реальна и возможна благодаря высоким коэффициентам трансформации вследствие больших перепадов между температурами испарения и конденсации. Нагрев теплоносителя в централи от 10 до 50—70°С выгоднее осуществлять с помощью тепловых насосов, приводимых в действие паровыми турбинами с низким давлением, когда в качестве конденсатора используется теплообменник, связанный с тепловыми насосами (рис. 7.7)

Представленные на рис. 7 6 и 7.7 схемы особенно целесообразно применять при застройке новых кварталов. Отопительные установки в них могут располагаться по температурному интервалу таким образом, что теплопередающая сеть получит естественное распределение с одной питающей магистралью, отдающей свою теплоту от наиболее высокотемпературных установок к среднетемпературным и после этого— к низкотемпературным. Такое распределение ведет также к меньшим тепловым потерям сети, так как весь ее тепловой потенциал оказывается использованным, и вода возвращается с температурой 10°С.
В больших городах солнечную энергию можно использовать с помощью устанавливаемых по южным фасадам зданий коллекторов (рис. 7.8) [5]. Коллекторы монтируются на балконах, под окнами и на крышах. В областях с умеренным климатом дневная тепловая мощность на 1 м² площади коллектора составляет около 4 кВт·ч. Для квартиры на одну семью в здании можно монтировать стандартный бойлер на 150 л и коллектор площадью 2 м². В бойлере желательно иметь электронагревательный элемент мощностью 2 кВт. Для достижения хорошей циркуляции применяют соединение из труб диаметром 3/4 дюйма между коллектором и бойлером.
Разумеется, когда коллекторы располагаются на крыше, гравитационная циркуляция воды не может быть достигнута, и необходимо применять насос, но зато с помощью дренажного сосуда, как показано на рис. 7.9, такие коллекторы, легко могут быть опорожнены при отрицательных температурах (когда существует опасность замерзания). При монтаже коллекторов на балконах для каждого балкона и каждой квартиры опорожнение должно осуществляться индивидуально.

Энергоснабжение кварталов с малой плотностью застройки и отдельно стоящих зданий.

В кварталах с малой плотностью застройки экономичное энергоснабжение обеспечивается использованием нетрадиционных источников энергии в хорошо изолированных и правильно ориентированных в пространстве энергоактивных зданиях. Энергия солнца является наиболее универсальной. В хорошо изолированных зданиях до 50% потребности в теплоте могут удовлетворяться за счет солнечного излучения. При использовании дополнительной теплоты от окружающей среды этот показатель может в зависимости от местоположения здания увеличиться до 90%.

Архитектурные проблемы энергоактивных зданий.

В последнее время архитекторы начали придавать все более серьезное значение художественному облику зданий, активно и пассивно использующих солнечную энергию. Увеличение поверхности южных окон, снабженных жалюзи, ведет к повышению пассивного использования солнечной энергии. При хорошо оформленных остекленных южных балконах достигается тот же эффект, в известной степени увеличивается жилая площадь, а также появляется возможность для выращивания цветов и растений. На рис. 7.10 показано здание с остекленными балконами — зимними садами, а на рис. 7.11 представлены балконы — зимние сады, которые могут быть использованы в качестве помещения для приема пищи и отдыха для семьи, состоящей от двух до шести человек.
Архитектор Герхарт Берндт [9] разработал проект использующего солнечную энергию здания на одну семью. Здание расположено в Вестерстеде около Олденбурга. Его постройка завершена в мае 1984 г., проект получил национальную награду ФРГ (рис. 7.12).
Здание расходует для отопления на 50% меньше энергии по сравнению с традиционной системой, а его строительная стоимость лишь незначительно выше. Это в значительной степени объясняется наличием большого зимнего сада на южной стороне здания, который в сущности представляет собой солнечный двор. Выступающая перед остекленным фасадом крыша является хорошей защитой от высоко поднимающегося летом солнца. Зимой же солнце проникает глубоко внутрь здания, и солнечные лучи проходят до помещения столовой. Зимний сад служит своеобразным буфером в зимний и летний периоды и создает благоприятный микроклимат в здании.

Puc. 7.7. Использование бросовой теплоты в теплосиловых централях с помощью питаемого паром теплового насоса

Рис. 7.8 Расположение солнечных коллекторов по южным фасадам зданий в больших городах

Рис. 7.9. Схема центрального тепловодоснабжения от солнечных коллекторов, смонтированных на крышах зданий в больших городах 1 — солнечный коллектор; 2,3 — баки аккумуляторы (бойлеры), 4 — насос; 5—7 — автоматика системы гелиотеплоснабжения, 8 — нагреватель, 9 — двухходовой кран с автоматическим переключением, 10 — расширительный (дренажный) бак

Рис. 7.10. Здание с остекленными балконами

Рис. 7.11. Остекленные балконы — зимние сады

Рис. 7.12. Общий вид и разрез здания, построенного по проекту Г. Берндта

Рис.7.13. Здание с солнечными коллекторами Энергетической лаборатории Олденбургского университета (общий вид, план и разрезы)
Рассмотренные выше здания имеют бетонные стены, полы и потолки, а те из элементов, которые контактируют с внешним воздухом, изготовляются по типу сэндвичей — с внутренней изоляцией. Полы и стены, предназначенные для аккумуляции теплоты, выполнены из плотного бетона и изолированы с внешней стороны, а их бетонная поверхность обращена внутрь помещений, которые отапливаются или охлаждаются.
Интерес с научной точки зрения представляет также энергетически автономное здание Энергетической лаборатории Олденбургского университета [16]. Здание с солнечными коллекторами и коллекторами с кремниевыми ячейками для превращения солнечного излучения в электрическую энергию показано на рис. 7.13. Энергетические нужды лаборатории целиком удовлетворяются от возобновляемых энергоисточников:
энергия ветра превращается посредством энергопреобразователя в электрическую энергию;
кремниевые ячейки превращают солнечное излучение в электрическую энергию (фотоэлектрический генератор);
биомасса преобразуется в спирт или газ для приведения в действие двигателя электрогенератора;
солнечные коллекторы вместе с резервуаром-аккумулятором получают солнечную энергию для отопления здания и возможного кондиционирования, а также для приготовления горячей воды для бытовых нужд.
Проводимые в лаборатории исследования направлены на разработку наиболее экономичных для северных географических широт технологий и систем. Общая площадь лаборатории равна 500 м², а основные рабочие площади без вспомогательных помещений составляют только 250 м². Тепловые потери при внешней температуре 0°С равны 5 кВт. Ветродвигатель с двумя лопастями и диаметром ротора 9,2 м имеет мощность 4,1 кВт. Фотоэлектрический генератор с площадью поверхности 45 м² дает максимальную мощность 4,3 кВт. Приводимая в действие двигателем генераторная установка имеет электрическую мощность 45 кВт. Поверхность солнечных коллекторов с двойным покрытием равна 90 м². Емкость свинцовых аккумуляторов с 104 элементами и напряжением от 176 до 200 В составляет 800 А·ч. Объемы трех водяных аккумуляторов равны соответственно 110, 30 и 5 м³, а электрическая мощность трех тепловых насосов — 7, 3 и 1 кВт. В южной части двора лаборатории, перед солнечными коллекторами, выращиваются растения, которые затем используются для получения энергии.
Выбор двух источников электрической энергии — солнца и ветра — оказался довольно удачным, так как в данной местности ветреная погода чередуется с солнечной.
Благодаря постоянным измерениям притока и расхода энергии лаборатория сможет получить результаты, обработка которых на ЭВМ позволит в свою очередь получить прогнозные данные для областей с другими географическими координатами и другим климатом.

Солнечные теплонасосные системы для отопления энергоактивных зданий.

Периодичность солнечного освещения земной поверхности в течение суток и снижение его интенсивности в зимний период вследствие наклона земной оси существенно затрудняют использование солнечной энергии для отопления энергоактивных зданий. Эти затруднения можно преодолеть применением тепловых насосов.
Простейшая схема отопительной установки с тепловым насосом показана на рис. 7.14. При ясном небе и интенсивном солнечном освещении коллектор нагревает водяной резервуар-аккумулятор 14 через теплообменник 13 при функционировании насосов 3 и 8 и соответствующем положении трехходовых вентилей 4—7, которые, как и насосы, управляются автоматически в зависимости от интенсивности попадающей на коллекторы 1 энергии и уровня температуры в резервуаре-аккумуляторе 14. В зависимости от преобладающих в данной области температур коллекторный контур установки может быть наполнен антифризом или, при более мягком климате, просто водой. Когда теплота от коллекторов не реализуется, насос 3 автоматически включается, и жидкость из коллекторного контура опорожняется в дренажный сосуд 2.
При более низкой интенсивности солнечного освещения (при средней облачности или пасмурном небе) и только диффузном облучении, а также при более низких температурах в коллекторном контуре, чем в резервуаре-аккумуляторе 14, трехходовые вентили 4—7 автоматически переключаются так, что жидкость в коллекторном контуре протекает не через теплообменник 13, а через испаритель 10 теплового насоса 12, и в резервуар-аккумулятор 14 поступает более теплая вода из конденсатора 11 теплового насоса. Когда температура поступающей из конденсатора 11 воды выше, чем температура воды на уровне трехходового крана 15, последний переключается, и вода поднимается на более высокий уровень в резервуаре 14.
В момент захода солнца или при понижении температуры в резервуаре 14 тепловой насос 12 переключается на ночной режим работы и посредством змеевика отбирает теплоту из нижней части резервуара 14, в то время как вода поступает через трехходовые вентили 16 и 17 в испаритель 10. Одновременно конденсатор нагревает воду на более высоком уровне. Контур 18 служит для приготовления горячей воды для бытовых нужд, а контур 19 с вентилем 9 — для обогрева напольных змеевиков низкотемпературных отопительных установок в диапазоне температур 45—35° С. В качестве дублера монтируется электрический нагреватель 20, который может служить и в некоторых экстремальных случаях. В летний период тепловой насос может работать и как охладитель, если соответствующим образом переключатся трехходовые вентили 21—26. Тепловой насос описанной установки работает с переменным коэффициентом трансформации ε, равным от 3 до 7,7 в зависимости от внешней температуры и интенсивности солнечного облучения.
Подобная установка может содержать два резервуара-аккумулятора. С ее помощью можно снабжать энергией и более крупные энергоактивные здания Кроме того, в летний период ее можно использовать для кондиционирования здания.
Для областей с более холодным климатом и более низкими и продолжительными отрицательными температурами в зимний период, когда используется тепловой насос, целесообразно применять солнечные коллекторы как испарители [17], связанные обменным резервуаром-ресивером, который, в свою очередь, связан с двумя змеевиками и S2 (рис. 7.15). При интенсивном солнечном облучении коллектора 1 пары хладагента поступают в резервуар-ресивер 2 и там охлаждаются в змеевиках S1 и S2, причем первый змеевик S, связан с холодной водой водопровода и с ответвлением 19 для снабжения горячей водой, а второй змеевик S2 — с нижней холодной частью резервуаров-аккумуляторов 13—15. Хладагент охлаждается змеевиками S1 и S2 и конденсируется, а затем посредством насоса в трубном контуре снова нагнетается в солнечные коллекторы для испарения. В течение этого интервала времени первый компрессор без испарителя не функционирует. Когда пары хладагента не могут конденсироваться в змеевиках S1 и S2, конденсация осуществляется посредством первого компрессора 10, который охлаждается от испарителя второго компрессора 11, а его конденсатор обогревает воду в резервуаре 15, к которому подключены трубопроводы отопительного контура 17 и 18 и контур для снабжения горячей водой для бытовых нужд посредством змеевика.
Для кондиционирования воздуха при желании применяется испаритель 11 второго компрессора, а теплота от его конденсатора используется для приготовления горячей воды или отводится к обратному охлаждению.

Рис.7.14. Упрощенная установка с тепловым насосом для использования солнечной энергии в качестве источника теплоты, позволяющая создать в здании в летний период улучшенный микроклимат

Рис. 7.15. Использование солнечных коллекторов в качестве испарителей теплового насоса на основе установки показанной на рис. 7.14
S1 и S2 — змеевики-теплообменники; 1 — солнечный коллектор, 2 — резервуар-ресивер, 3 — расширительный (дренажный) бак; 4—7 — автоматика системы гелиотеплоснабжения, 8 — насос, 9 — двухходовые краны, 10, 11 — компрессоры, 12 — трехходовые краны; 13—15 резервуары аккумуляторы, 16 — нагреватель; 17, 18 — прямой и обратный трубопроводы отопительного контура; 19, 20 — прямой и обратный трубопроводы охлаждающего контура

Двигатели компрессоров могут быть газовыми, дизельными или электрическими в зависимости от наличия горючего или электричества и выбираются по принципу наибольшей рентабельности. Известно, однако, что в тепловых насосах газовые и дизельные двигатели позволяют эффективнее использовать энергию вследствие регенерирования бросовой теплоты от охлаждающей воды и газов. С другой стороны, обслуживание таких установок сложнее, а необходимость постоянного снабжения в зимний период горючим иногда вызывает затруднения. Кроме того, необходимо учитывать и местонахождение здания, климат и возможности снабжения во время зимы. Широкое распространение получили теплонасосные агрегаты, которые путем простого переключения зимой выполняют отопительную функцию, а летом — охлаждающую.

Заключение.

Сегодня человечество стоит перед угрозой исчерпания традиционных энергоисточников, однако достаточно высокий уровень развития науки позволяет надеяться на успешное решение этой проблемы.
Энергоактивные здания в зависимости от их географического местонахождения могут нуждаться в отоплении в зимний период. Для стран, бедных ископаемыми энергоисточниками, но хорошо электрифицированных, наиболее подходящим устройством являются системы с теплонасосными установками с учетом размеров, вида и местонахождения здания. В странах с холодным климатом солнечные установки дублируются ветряными. Дополнительный источник энергии — ветер — дает определенное повышение рентабельности, особенно если эта энергия превращается в теплоту и при этом не требуется использование дорогостоящих электрических аккумуляторов.
Перед современными архитекторами стоит благородная задача — придать привлекательный архитектурно-художественный облик энергоактивным зданиям, которые используют экологически чистые нетрадиционные источники энергии.

Список литературы

1. С. R. Bell, F. Jager. The solar option — NASA news report 1977 summer, Laxenburg. Austria.
2. K. R. Schreitmuller. Computer berechnet Energievcrbrauch des Inst. fur Technische Physyk der DFVLR. — Z. Sonnen Energie, H.I.S.I3.I984
3. Heinz Riesenhuber. Rationalle Energieverwendung und erneubare Energiequellen, a Kraftwarme — kopplung. Z. Sonnen Energie, H.l, S. 17.1984.
4. Велислав Иванов, Емил Малчев. В помощ на топлофикацията на големите градове. — Международен семинар по «Ефективно използуване на енергията и горивата в големите градове», София. 7—11 май 1984.
5. Ernst Beinroth. Gestaltungsfragen bei der Anbringung von Sonnenkollektoren. — Z. Sonnen Energie H.5.S 17.1983
6. S. A. Klein. Calculation of Monthly Average Insolation on Tilted surfaces, Solar Energy Laboratory — University of Wiskonsin — Madison. Madison, Wisconsin 53706.
7. I. A. Duffle, W. A. Beckman. Solar Energy Thermal Processes— 1980.
8. Chr. Gross, G. Ludwig, A. Schuhn. Der Wintergarten. — Z. Sonnen Energie, H. 1.S.I6.1984.
9. Gerhard W. P. Berndt. DOMUS — ein Serienreifes Solarhaus. — Z. Sonnen Energie. H.3.S.8.1984.
10. Ernst Beinroth. Gestaltungsfragen bei der Anbringung von Sonnenkollektoren. — Z Sonnen Energie H.5.S. 18.1983.
11. David Wright. The Suncave House, Successful Solar Energy Solution, Spruille Braden 111 Kathleen Steiner.
12. H. R. Bucni, S. Buchi. Energiedach — Warmepumpenanlage heizt Mehrfamilienhaus, Z Sonnen Energie H.I.S. 16.1983.
13. W. D. Potts, Ing M. Associates, Upton — Multi—Purpose — Center, Successful Solar Energy Solutions, Sprulle Braden III Kathleen Steiner.
14. Arch. Environmental Design Collaborative. Philadelphia, Ridley Park Post Office. Successful Solar Energy Solutions, Spruille Braden 111. Kathllen Steiner.
15. Pierre Robert Sabady. Energie und Sonnenenergie — problematik in der Architektur. — Z. Sonnen Energie H.I.S 15 und 16.1983.
16. Verfasst von der Arbeitsgruppe «Energielabor» — Universitat Oldenburg. — «Energielabor ohne Anschluss an die offentliche Energieversorgung» — Z. Sonnen Energie H2.S.8.I983
17. Velislav Ivanov. Solar Assisted Heat Pump Systms for Residential Heating Dum Techniky CSVTS Praha «Vyuziti slunecni energie» 1981.