Українська   English

Содержание

Введение

Альтернативная энергия – относительно новая отрасль, которая не находит широкого числа сторонников. Мировая энергетика стоит на пороге глобальных изменений, которые отделяют традиционные источники энергии от альтернативных источников энергии. Получение энергии от таких источников является менее опасным и позволяет потребителю быть автономным и энергосберегающим.

1. Актуальность темы

Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом. Он заменяет собой традиционные источники энергии, которые функционируют на нефти, добываемом природном газе и угле. Эти вещества выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению. Наиболее важным достоинством альтернативной энергетики является ее экологичность и нет никакой угрозы равновесию экосистемы. Все идет к тому, что все больше альтернативных источников применяется как при строительстве новых зданий, так и при эксплуатации существующих.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Развитие отрасли энергосбережения и энергоэффективности несет главную цель – модернизация экономии и сокращение издержек при производстве и транспортировке энергии и производимой продукции. Все это создает конкурентную продукцию и делает дешевой электроэнергию, что повышает уровень жизни граждан и самого потребителя как объекта производства. А это все подталкивает различные производства от машиностроения до металлургии создавать рабочие места и строить различные социальные объекты и инфраструктуру.

3. Источники и способы получения альтернативной энергии для зданий

Будущее за альтернативной энергией

Будущее за альтернативной энергией (Анимация: 6 кадра; 461 Кбайт размер анимации)

Источников альтернативной энергии, которые могут применяться для зданий не мало. Многие уже применяются в строительной отрасли в различных масштабах и количествах. Рассмотрим подробно все возможные источники, которые могут применяться как непосредственно для Донбасса, так и для других регионов.

3.1 Солнечная энергия

Это первичная энергия не только в плане энергетической единицы, но и для обеспечения жизнедеятельности живых существ на Земле. В большинстве районов Земли она может быть основным источником для энергии экодома. Экодом – это индивидуальный дом с участком земли, являющийся радикально ресурсосберегающим и малоотходным, не агрессивным к окружающей среде. Солнечная энергия довольно мощный источник. Общее количество энергии, идущей от Солнца к Земле – 123 триллиона тонн условного топлива в год – в 3000 раз больше , чем энергия всех остальных видов топлива [1]. В ясный солнечный день около 80 % энергии солнечного излучения достигает земной поверхности. Всего на Землю на уровне моря ежегодно приходит около 800 триллионов мегаватт часов солнечной энергии, что в восемь тысяч раз больше чем вся современная выработка энергии. Трудно осознать, сколько мы теряем энергии. Технически на сегодняшний день возможно использование только порядка трети солнечной энергии. Эту энергию можно преобразовывать в электрическую, химическую или тепловую.

Для Донецкой области согласно карте солнечной активности в среднем за год можно получать от 1300 до 1450 кВт·ч энергии на метр квадратный. Например, этой энергии достаточно будет чтобы покрыть годовую потребность двухэтажного дома площадью в 100 м2 .

3.2 Тепловые солнечные батареи

Солнце излучает огромное количество тепла. Количество тепла, посылаемого на Землю Солнцем можно измерять актинометром [2]. Рабочим звеном превращения энергии солнечного излучения в тепло являются тепловые солнечные коллекторы. Коллекторы нагревают теплоноситель – воду, воздух. Тепловые солнечные преобразователи имеют довольно высокий КПД, который достигает 45–60 %. Однако актуальность получения тепла в доме летом невелика, а сохранить полученную энергию летом к более холодным периодам сложно. В энергоэффективных домах применяются солнечные коллекторы для горячего водоснабжения и отопления. Такие дома принято называть сенечный дом [3].

Эффективность солнечных коллекторов увеличивается, если они оснащены концентратором солнечного излучения. Наличие концентратора (автоматическая система слежения за Солнцем) влияет на стоимость самого коллектора. Плоские коллекторы (без концентратора) в домовом хозяйстве применяются ограничено, так как они дают низкотемпературное тепло. Концентраторные коллекторы более эффективны, сложны в эксплуатации и имеют более высокую стоимость. Сам же коллектор представляет собой плоский ящик с прозрачным покрытием, обращенным к Солнцу, во избежание потерь он теплоизолированный. Внутри ящика расположена система трубопроводов для теплоносителя. В качестве прозрачного покрытия применяется стекло с максимальным пропусканием солнечного спектра. Один из способов уменьшения теплопотерь в коллекторе это откачка из него воздуха. На таком принципе работают вакуумные коллекторы. Вакуум поддерживается в стеклянных трубках, которые окружают каналы с теплоносителем. В случае применения тонкого стекла с улучшенным пропусканием спектра применяют коллекторы с понижением давления воздуха внутри, так как это стекло не выдерживает обычного атмосферного давления, которое внутри составляет 10 тонн на квадратный метр.

Кроме обычных коллекторов существуют также вакуумные и коллекторы с понижением давления. Они дороже, но их работа характеризуется улучшенными показателями при работе в облачную погоду и зимой.

Тепло от коллекторов может использоваться для горячего водоснабжения и отопления. Этот вид получения энергии актуален для всех регионов земного шара, кроме приполюсных регионов, где есть продолжительные полярные ночи с отсутствием солнечного света.

3.3 Теплоулавливающие стены

Простейшим устройством для здания, использующего энергию Солнца для получения тепловой энергии является Стена Тромба. Обычно на южной стене снаружи располагается тонкий темный слой, который поглощает солнечное излучение, а за ним воздушная прослойка. В этой прослойке нагревается воздух в солнечный день и поступает в помещение через верхние отверстия за счет тепловой циркуляции или принудительно с помощью вентиляторов. Через отверстия происходит отток холодного воздуха из помещения в нагревательную прослойку, и так цикл повторяется.

Рассмотрим стены с прозрачной теплоизоляцией. Прозрачная термоизоляция представляет собой слой прозрачного термоизоляционного материала расположенного снаружи стены. Такой способ, отличается тем, что может улавливать солнечную энергию, которую можно использовать даже через несколько часов после заката Солнца. Также теплоизоляция имеет красивый вид при реконструкции и ремонте здания, но довольно высокую стоимость, что ограничивает применение. За счет уникальной структуры уменьшается теплоотдача в окружающую среду. Следующий слой является приемником солнечной энергии. Этот слой нагревает материал стены, а сама стена уже отдает тепло помещению.

Стены Тромба и стены с прозрачной теплоизоляцией являются очень перспективными в плане повышения энергоэффективности зданий при их реконструкции. Эти способы получения энергии целесообразны для районов с относительно мягкой и солнечной зимой, где дом можно эффективно обогревать зимним солнцем. Поступление энергии через такие стены заметно превышает теплопотери, что является основным показателем их полезности и целесообразности.

3.4. Фотоэлектрические системы

Универсальным и первостепенным видом энергии является электрическая энергия. По сравнению с тепловой она характеризуется гораздо меньшими потерями, ее легко передавать, распределять и контролировать расход. Ее можно преобразовывать в любой другой вид энергии и использовать ее эффекты: химические, магнитные, механические, тепловые, световые. Жизнедеятельность современного человечества полностью зависит от электроэнергии. Но у этого вида энергии есть также недостатки. Главными недостатками является высокая стоимость из–за низкого КПД при производстве и трудность накопления в большем количестве.

Согласно данным на 2015 год основное количество электроэнергии во всем мире производят из природных ресурсов: уголь/торф (39,3 %), природный газ (22,9 %). Запасы этих ресурсов ограничены. Поэтому актуальным и перспективным для будущего являются фотоэлектрические солнечные приемники. Эти устройства работают в комплексе с электрическими преобразователями. Главным преимуществом преобразователей является отсутствие в них движущихся частей, простота и надежность конструкции.

Сделать эффективным преобразование солнечной энергии в электрическую удалось после применения для этой цели полупроводников. На их основе были созданы первые полупроводниковые батареи. Они были очень дорогими и применялись только на уникальных объектах – космических аппаратах. Современные тенденции ставят перед собой усовершенствование их производства: повышение КПД, снижение себестоимости, чтобы сделать их доступней для бытового использования. Срок службы такой батареи удовлетворительный и достигает нескольких десятков лет. Это дает возможность создания автономных электростанций для зданий и возможность генерации электроэнергии в общую сеть, что дает возможность и небольшого заработка. Препятствует этому цена фотоэлектрической батареи (энергия от них в несколько раз дороже сетевой). Массовое применение их возможно только при административном финансировании. Примером этому является Германия, которая в 1990–1995 гг. запустила программу 1000 крыш. Эта программа по установке фотоэлектрических систем на крышах частных и общественных зданий, благодаря которой были установлены и стали доступны почти 6 МВт мощности. Цифра на первый взгляд кажется небольшой, но это серьезный шаг в области применения фотоустановок и пропаганды экологически безопасного источника энергии.

3.5. Размещение гелиоустановок

Это установки, которые размещаются на фасадах и крышах, ориентированных на юг, юго–восток и юго–запад. Гелиоустановки породили новое понятие – энергетическая крыша. Размещение зависит от климата, рельефа, характера затененности. Выбор схемы установки производится в зависимости от вида потребителя, объема водопотребления, расчетной температуры и качества воды, схемы традиционного теплоснабжения объекта [4]. Повышение КПД установки достигается путем оснащения трансформируемыми платформами, которые подстраиваются под положение Солнца.

Существует проблема при оснащении гелиоустановками существующих зданий – затенение деревьями и существующими застройками. Проще решить проблему затенения при проектировании путем обеспечения пространственно высотного соотношения между зданиями. Одним из вариантов является достаточно плотное, но шахматное расположение зданий. В настоящее время для районов подверженных стихийным бедствиям производится фоточерепица, которая выдерживает попадание камня.

3.6. Вращающиеся дома

Все мы привыкли к статическому размещению зданий. Удачный способ повышения энергоэффективности дома заключается в том, чтобы южные фасады делать с увеличенным остеклением и солнечными батареями, северные – с минимальным остеклением и наиболее утепленными стенами. Вследствие малого применения поворотных механизмов для солнечных батарей на крышах домов было предложено создать здание, которое поворачивалось вслед за солнцем, как подсолнух. Такой дом возводится на металлической вращающеся основе, которая стоит на опорах. Основание для узла механизма вращения заглубляется на ту же величину, что и обычный фундамент. Поворотный механизм прост в обслуживании и требует только периодических осмотров. В мире сейчас уже существует несколько зданий подобной конфигурации. Например, недалеко от Вероны, на севере Италии, находится вилла Girasole (Подсолнух). Она стала первым в мире зданием, способным поворачиваться вертикально вокруг оси на 360° в зависимости от движения солнца на протяжении всего дня. Подобные здания: Башня Heliotrop (Германия), Suite Vollard (Бразилия).

Suite Vollard (Бразилия)

Suite Vollard (Бразилия)

3.7. Ветровая энергетика

Ветровая энергия, как и солнечная, используется человеком с давних времен. Примером первого применения является ветряные мельницы. На основе первых мельниц была получена первая установка для получения электроэнергии, так называемые ветряки. Это не очень сложная по своей структуре конструкция. Ветряк небольшой мощности можно сделать своими руками [5].

Основой ветряка является лопастный электродвигатель. Принцип действия заключается в том, что под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Количество выработанной энергии увеличивается с увеличением диаметра ветроколеса. Классифицируют ветроагрегаты на две группы: ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные).

На сегодняшний день многие страны активно развивают ветроэнергетику. Основным показателем для целесообразности установки ветряных станций является средняя многолетняя скорость ветра. Эффективным показателем считается не менее 4–5 м/с для обычных установок и не менее 3 м/с для многолопастных и вихревых. Обычно большой ветровой потенциал распространен в прибрежных районах и на акваториях. Для Донбасса среднегодовая скорость ветра составляет от 5,5 м/с до 6 м/с в зависимости от места установки. Это свидетельствует о целесообразности использования ветряков в нашем регионе [6].

Ветроэнергетические установки имеют ряд достоинств [7]:

– стоимость 1 кВт установленной мощности, ниже, чем у фотоэлектрических систем;

– ветровые ресурсы распределены достаточно равномерно на протяжении года и дня;

– ветроэнергетические установки можно разместить недалеко от объекта электроснабжения, в отличие от ГЭС;

– производство не требует высокотехнологического оборудования.

Как всегда есть и негативные стороны. Под ветроустановки необходимо выделять земельные участки, ветроустановки производят шум, изменяют ландшафт, создают помехи связи, могут приводить к гибели птиц, небезопасны при авариях. Технический прогресс позволил снизить некоторые недостатки: появились малошумящие лопасти, не отражающие электромагнитное излучение; мачты, которые автоматически складывающиеся при опасном ветре.

Рекомендуется ветродвигатели размещать группами на отдельных площадках, удаленных от жилья. Занимаемые площади можно использовать в сельскохозяйственных целях. Ветродвигатели способны превращать в электроэнергию более 30 % энергии ветряного потока. Однако ветряной поток является изменчивым во времени и эффективность установки достигается при комбинировании ветроустановки с другими источниками энергии, например солнечными.

3.8. Вземление зданий

Этот способ повышения энергоэффективности основан на использовании геотермальной энергии. Первой страной, которая активно заинтересовалась в развитии этого способа получения энергии, являлись Соединенные Штаты Америки. Опыт эксплуатации позволил выделить следующее достоинства:

– использование разработанного грунта, который, как правило, применяется в качестве присыпки зданий и организации ветрозащитных и солнцеаккумулирующих форм рельефа на территории участка;

– теплоинерционные массивы грунта, укрывающие стены и кровли, смягчают резкое колебание температурно–влажностных параметров внешней среды;

– медленная теплоотдача (при отключении источника тепла температура внутреннего воздуха в здании снижается 1–2 °С в сутки);

– градостроительная манёвренность – заглубление позволяет компактно располагать весьма крупные объекты в условиях масштабной застройки.

Недостатками заглубленных зданий является проблема дренажа и гидроизоляции в условиях высоких грунтовых вод, а также естественного освещения и вентиляции. Кроме того, при строительстве требуется резерв территорий для обвалоки (земляной вал, которым обсыпают вземленное здание по периметру).

Выводы

Вопрос использования альтернативных источников энергии для повышения энергоэффективности зданий является очень важной составной частью существования человека. Необходимо учитывать не только энергетическую, но и экономическую целесообразность использования архитектурно–конструктивных средств в виде совмещения конструкций стен (крыш) с источниками альтернативной энергетики. Это позволит существенно снизить стоимость объекта. Рассмотренные способы повышения энергоэффективности зданий имеют свои достоинства и недостатки, условия наибольшей энергоэффективности и прочее. Поэтому вопрос размещения того или иного источника в определенной местности и климатических условиях требует дополнительных исследований о его целесообразности, но их разнообразие позволяет сделать выбор.

Также следует отметить, что в мире постоянно ведутся исследования и не исключено, что рано или поздно появятся новые источники энергии, а существующие все больше и больше будут усовершенствованы. Поэтому переход к альтернативным источникам энергии неизбежен, и они займут достойное место и в нашей повседневной жизни и в промышленности.

Список источников

  1. Голицын М. В. Альтернативные энергоносители / М. В. Голицын, А. М. Голицын, Н. В. Пронина. — М.: Наука, 2004. — 159 с.
  2. Аристов Г. А. Солнце / Г. А. Аристов. — М: Гостехиздат, 1950. — 52 с.
  3. Танака С. Жилые дома с автономным солнечным теплохладоснабжением / С. Танака, Р. Суда, пер. с яп. Е. Н. Успенской; Под ред. М. М. Колтуна, Г. А. Гухман. — М. Стройиздат, 1989. — 184 с.
  4. Аверьянов В. К., Тютюнников А. И. и др. Альбом для проектирования установок солнечного горячего водоснабжения, СПб, 1992. — 55 с.
  5. Кажинский Б. Б. Простейшая ветроэлектростанция КД–2/ Б. Б. Кажинский. — М: ДОСАРМ, 1949. — 40 с.
  6. Кривцов В. С. Неисчерпаемая энергия. Кн. 2. Ветроэнергетика / В. С. Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев. — Учебник. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т Харьк. авиац. ин-т, Севастополь: Севаст. нац. техн. ун-т, 2004. — 519 с.
  7. Четошникова Л. М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Л. М. Четошникова. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010. — 69 с.