Лекция 15

Способы эффективного использования и экономии энергии. Использование солнечной радиации. Основы проектирования современных зданий с эффективным использованием энергии. Пассивные (градостроительные объемно-планировочные и конструктивные) меры. – 1 час

Энергосберегающие технологии и способы энергосбережения

В настоящее время энергосбережение - одна из приоритетных задач.

Это связано с дефицитом основных энергоресурсов, возрастающей стоимостью их добычи, а также с глобальными экологическими проблемами.

Экономия энергии - это эффективное использование энергоресурсов за счет применения инновационных решений, которые осуществимы технически, обоснованы экономически, приемлемы с экологической и социальной точек зрения, не изменяют привычного образа жизни. Это определение было сформулировано на Международной энергетической конференции (МИРЭК) ООН.

Энергосбережение в любой сфере сводится по существу к снижению бесполезных потерь энергии. Анализ потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что большая часть потерь - до 90% - приходится на сферу энергопотребления, тогда как потери при передаче электроэнергии составляют лишь 9-10%. Поэтому основные усилия по энергосбережению сконцентрированы именно в сфере потребления электроэнергии.

Основная роль в увеличении эффективности использования энергии принадлежит современным энергосберегающим технологиям. Энергосберегающая технология – новый или усовершенствованный технологический процесс, характеризующийся более высоким коэффициентом полезного использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).

Внедрение энергосберегающих технологий в хозяйственную деятельность как предприятий, так и частных лиц на бытовом уровне, является одним из важных шагов в решении многих экологических проблем - изменения климата, загрязнения атмосферы (например, выбросами от ТЭЦ), истощения ископаемых ресурсов и др.

Обычно предприятия внедряют следующие типы технологий, которые дают значительный энергосберегающий эффект:

1. Общие технологии для многих предприятий, связанные с использованием энергии (двигатели с переменной частотой вращения, теплообменники, сжатый воздух, освещение, пар, охлаждение, сушка и пр.).

2. Более эффективное производство энергии, включая современные котельные, когенерацию (тепло и электричество), а также тригенерацию (тепло, холод, электричество); замена старого промышленного оборудования на новое, более эффективное.

3. Альтернативные источники энергии.

Режим энергосбережения особенно актуален для механизмов, которые часть времени работают с пониженной нагрузкой - конвейеры, насосы, вентиляторы и т.п. Существует немало устройств, которые позволяют добиться уменьшения потерь при работе электрооборудования, основными из которых являются конденсаторные установки и частотно регулируемые приводы. Частотно регулируемые электроприводы со встроенными функциями оптимизации энергопотребления гибко изменяют частоты вращения в зависимости от реальной нагрузки, что позволяет сэкономить до 30 50% потребляемой электроэнергии. При этом зачастую не требуется замена стандартного электродвигателя, что особенно актуально при модернизации производств. Такие энергосберегающие электроприводы и средства автоматизации могут быть внедрены на большинстве промышленных предприятий и в сфере ЖКХ: от лифтов и вентиляционных установок до автоматизации предприятий.

Российскими учеными разработана установка, при работе которой часть тепла, уходящего в трубу после сжигания на производстве природного газа, используется для выработки дополнительной энергии, способной дать освещение пяти шестнадцатиэтажных зданий.
Энергосберегающие технологии в строительстве носят комплексный характер, сюда входит утепление стен, энергосберегающая кровля, энергосберегающие краски, стеклопакеты, экономичные системы обогрева и охлаждения поверхностей.

Одна из наиболее распространенных энергосберегающих технологий с большим потенциалом для улучшений в сфере строительства жилья - это котельные. Современные технологии способны существенно уменьшить потребление энергоносителей, снизить затраты на обслуживание, даже повысить КПД. Кроме того, замена котельной часто позволяет компании перейти с экологически грязного и дорогого угля или мазута на более дешевое и чистое топливо, такое как газ или древесные гранулы.

Также дает большую экономию, если вместо отдельно стоящих центральных тепловых пунктов разместить в здании индивидуальный тепловой пункт, оснащенный современными бесшумными насосами, компактными и эффективными пластинчатыми теплообменниками.

При организации вентиляции в здании применяют системы рекуперации (утилизации для повторного использования) тепла отработанного воздуха и переменной производительности приточно-вытяжных агрегатов в зависимости от числа людей в здании. Эти системы позволяют не тратить впустую тепло, вырабатываемое людьми, осветительными приборами, торговым и офисным оборудованием, и снижают тем самым потребление тепла от внешнего источника - теплосети или котельной.

Примером домов, которые в будущем позволят человеку жить в гармонии с природой, в то же время не лишая себя привычного комфорта, являются так называемые жилища нулевой энергии (zero energy house) или пассивные дома (passive house), объединяемые общим термином "энергоэффективные дома". "Энергоэффективным" будет считаться такой дом, в котором комфортная температура поддерживается зимой без применения системы отопления, а летом - без применения системы кондиционирования.

Чтобы дом был энергоэффективным, при его строительстве должно быть сделано следующее:

1. Применение современной тепловой изоляции трубопроводов отопления и горячего водоснабжения.

2. Индивидуальный источник теплоэнергоснабжения (индивидуальная котельная или источник когенерации энергии).

3. Тепловые насосы, использующие тепло земли, тепло вытяжного вентиляционного воздуха и тепло сточных вод.

4. Солнечные коллекторы в системе горячего водоснабжения и в системе охлаждения помещения.

5. Поквартирные системы отопления с теплосчетчиками и с индивидуальным регулированием теплового режима помещений.

6. Система механической вытяжной вентиляции с индивидуальным регулированием и утилизацией тепла вытяжного воздуха.

7. Поквартирные контроллеры, оптимизирующие потребление тепла на отопление и вентиляцию квартир.

8. Ограждающие конструкции с повышенной теплозащитой и заданными показателями теплоустойчивости.

9. Утилизация тепла солнечной радиации в тепловом балансе здания на основе оптимального выбора светопрозрачных ограждающих конструкций.

10. Устройства, использующие рассеянную солнечную радиацию для повышения освещенности помещений и снижения энергопотребления на освещение.

11. Выбор конструкций солнцезащитных устройств с учетом ориентации и посезонной облученности фасадов.

12. Использование тепла обратной воды системы теплоснабжения для напольного отопления в ванных комнатах.

13. Система управления теплоэнергоснабжением, микроклиматом помещений и инженерным оборудованием здания на основе математической модели здания как единой теплоэнергетической системы.

Есть и другие пути рациональнее использовать электроэнергию, причем не только на производстве, но и в быту. Так, уже давно известны "умные" системы освещения. Энергосберегающий эффект основан на том, что свет включается автоматически, именно когда он нужен. Выключатель имеет оптический датчик и микрофон. Днем, при высоком уровне освещенности, освещение отключено. При наступлении сумерек происходит активация микрофона. Если в радиусе до 5 м возникает шум (например, шаги или звук открываемой двери), свет автоматически включается и горит, пока человек находится в помещении. Такие системы освещения используют энергосберегающие лампы. Светодиодные светильники позволяют достичь существенной экономии электроэнергии по сравнению с традиционными источниками света лампами накаливания (до 80%) и люминесцентными лампами (свыше 40%). Эти светильники можно использовать в освещении самых разных объектов: подземных пешеходных переходов и автомобильных парковок, садово парковом освещении, уличном освещении, освещении в ЖКХ и аварийном освещении.

Существуют и перспективные энергосберегающие проекты в транспортной отрасли. Американские инженеры подошли вплотную к производству легковых автомобилей, оснащенных насадками, преобразующими тепло выхлопных газов в электричество. Теплоэлектрогенератор, установленный на глушителе, преобразовывает часть тепла выхлопных газов в электричество, которое в дальнейшем может обеспечивать работу системы климат контроля, музыкальной системы и т.п.

Немецкие ученые разрабатывают высокоэффективные энергосберегающие устройства, необходимые для автомобилей с гибридными двигателями. Устройство работает с помощью нефти на автостраде и на электричестве в городе, таким образом, используя сравнительно меньше энергии.

Способы преобразования солнечной энергии

По способу преобразования солнечной энергии наиболее распространено разделение солнечных энергетических систем на пассивные и активные.

Их подробная характеристика, соответствует принятым в отечественной литературе классификациям. Пассивные системы используют модификацию традиционных элементов здания для накапливания и распределения тепла. Они требуют незначительного дополнительного оборудования и поэтому более экономичны, хотя и недостаточно производительны. Для эксплуатации их не требуется специального обслуживающего персонала.

Активные системы, даже простейшие, включают значительный арсенал технических средств (плоские водяные и воздушные коллекторы, специальные аккумуляторы тепла, системы распределения тепла и контроля за теплопоступлением), что удорожает строительство и требует квалифицированного монтажа. В реальной практике мы обычно встречаемся с комбинацией различных систем и планировочных приемов. Обращенное на юг окно в сочетании с тепловой массой здания и изолирующими ставнями является потенциально самой простой и в то же время наиболее удобной системой солнечного отопления. Также несложными являются термосифонные воздушные коллекторы или солнечные водонагреватели.

Простейшая система солнечного отопления использует солнечные коллекторы, которые работают только во время солнечного сияния и когда здание нуждается в тепле. Такие солнечные коллекторы можно на зиму устанавливать на открытых площадках около дома, а летом демонтировать. Их можно прикреплять к стенам и крышам существующих зданий. В любом случае воздух из зданий подается в коллектор, нагревается солнечными лучами и затем поступает снова в помещение. Вентилятор включается по сигналу разности двух температур. В процессе работы системы посылающий этот сигнал датчик определяет, светит ли солнце и достаточно ли нагрет солнечный коллектор, чтобы нагреть воздух до нужной температуры; второй прибор определяет, нуждается ли помещение в тепле или нет. Этот чувствительный прибор должен быть настроен на верхний предел термостата, поскольку солнечное тепло с воздухом должно поступать в помещение тогда, когда его температура достигнет такого уровня, чтобы воспользоваться преимуществом использования энергии солнца, когда оно светит (естественно, этот процесс может осуществляться вручную путем простого включения или выключения вентилятора).

Поскольку в этом режиме работы не предусматривается аккумулятор тепла для его дальнейшего использования, то здание должно действовать как контейнер солнечного теплоаккумулятора. Таким образом, оно должно нагреваться до такой температуры, которую могут выдержать находящиеся в нем люди. Чем массивнее здание, тем больше тепла оно может запасти, тем дольше оно может обходиться без тепла после захода солнца или появления облачности и тем выше будет общий КПД этой простой системы. Покрытые землей и подземные здания с изоляцией, находящейся между бетоном и грунтом, очень близки к этим простым системам, поскольку массивные бетонные конструкции хорошо аккумулируют тепло. Система следующего уровня сложности накапливает солнечное тепло в теплоаккумуляторе. Если помещение нуждается в тепле, хотя солнечная энергия на здание поступает, то включается накопившая тепло отопительная система. Однако в идеале приток солнечного тепла через окна должен удовлетворить потребность в отоплении и во время работы солнечного коллектора. Дублирующая отопительная система совершенно отделена от системы сбора и распределения солнечного тепла в целях упрощения всего комплекса. Когда солнца нет и аккумулятор «заряжен», потребность дома в тепле удовлетворяется в первую очередь за счет солнечного аккумулятора. Если этого недостаточно, то включается дублирующая система отопления.

Типологические исследования американских специалистов позволяют объединить все виды пассивного энергообеспечения в 3 основных группы:

прямой обогрев помещений через различные типы остеклений южного фасада: витражи и окна, фонари верхнего света, вертикальные окна, расположенные в верхней части двусветного пространства и др. (direct gain);

нагревание наружного термального массива; нагревание иэолированного объема, теплый воздух из которого затем распространяется по всему зданию (isolated gain).

Все пассивные методы использования солнечной энергии основаны на применении энергии солнечной радиации, которая попадает в дом через окна. Пассивное использование солнечной энергии в энергетически эффективном доме весьма желательно, так как оно не требует капитальных затрат, которые необходимы при активных методах, и в то же время позволяет экономить значительное количество энергии.

Согласно последним исследованиям в области применения пассивных методов использования солнечной энергии, двойное остекление окон, ориентированных на юг, позволит получить определенную экономию энергии даже без использования портьер или жалюзи в ночное время. Это доступное тепло солнечной радиации следует рассматривать как весьма важный фактор при выборе местоположения заглубленного здания, у которого оконные проемы обычно располагаются по одному фасаду, чтобы обеспечить максимальную засыпку здания.

Если исходить из оптимального использования солнечного освещения, то следует признать целесообразной ориентацию всех оконных проемов на юг, оставив, таким образом, три стены полностью под засыпку. Количество энергии, получаемой путем пассивного использования солнечной радиации, значительно уменьшается при окнах, ориентированных на восток и запад, и полностью исключается при окнах, ориентированных на север.

Рис. 14

Необходимо сознавать, что условия площадки и некоторые другие условия проектирования могут ограничивать принятие выгодных решений. В этих случаях допустимы альтернативные решения, которые позволят использовать максимальное количество солнечной энергии. Применение верхнего света (световых фонарей), например, может быть использовано в целях накопления (пассивной) солнечной энергии, однако проектирование таких элементов должно быть выполнено весьма тщательно, так как они могут стать причиной потерь энергии. Важно также отметить, что солнечный свет, желательный во время отопительного сезона, нежелателен в помещении в теплое время года, когда возникает потребность в охлаждении воздуха. Существуют различные способы уменьшения поступления солнечного тепла, например, использование растений, навесов или жалюзи.

Дата добавления: 2014-12-16