Энергоактивные здания с использованием ветровой, гео-, гидротермальной энергии, биогаза

Лекция 8

Человечество стоит перед проблемой исчерпания традиционных источников энергии и видит выход в использовании не традиционных, альтернативных. Задача архитекторов – придание привлекательного архитектурно-художественного облика энергоактивным зданиям, а строители призваны дать оптимальные конструктивные решения и продуманные технологии возведения таких зданий.

Ветроэнергоактивные здания (ВЭАЗ) – принципы подхода

ВЭАЗ – здания (жилые, промышленные или сельскохозяйственные) наделенные дополнительными функциями – улавливать и преобразовывать энергию ветра в другие виды: электрическую, тепловую или механическую. Скорость ветра на высоте 1,5 м должна составлять не менее 3 м/с.

Ветер – производная от солнца, характеризуется интенсивностью, направленностью и периодичностью, здания деформируют воздушные потоки.

Ветровой поток, проходящий через сечение площадью F со скоростью u, имеет мощность (Вт)

(8.1)

и удельную мощность (Вт/м²)

, (8.2)

где ρ – плотность воздуха (при температуре 15 ^оС значение ρ = 1,225 кг/м³); ρи²/ 2 – кинетическая энергия.

Следует отметить, что неточность в оценке скорости ветра на 1 – 1,2 м/с для диапазона скоростей 3 – 6 м/с может привести к ошибке в оценке энергии ветра, достигающей 100 % и более.

Учет рельефа осуществляется на основании поправочных коэффициентов, значения которых для уровня 2 м от поверхности земли даются в таблице 7.1.

Пересчет скорости на высоту ветроагрегата осуществляется по степенному закону, приведенному в первой лекции.

Принципы проектирования ВЭАЗ:

1. Здание снабжается подвижными элементами, трансформируемыми в элементы ветроколеса.

Реализация осуществляется:

- использование поворотных створок светопроемов (зенитные фонари на покрытиях);

- придание створкам аэродинамической формы;

- выработка электроэнергии генератором (на рис. 7.1 показана работа по первому принципу).

Рис. 7.1. Ветроэнергоактивные элементы зданий - группа зенитных фонарей с защитными створками, трансформируемыми в лопасти ветроколеса: а – разрез, б – план

Таблица 7.1 - Коэффициенты изменения скорости ветра в различных условиях рельефа по сравнению с открытым ровным местом (на высоте 2 м)

Форма рельефа	Время суток	Коэффициент при скорости ветра на ровном месте, м/с
3-5	6-10
Открытое ровное место		1,0	1,0
Вершины открытых возвышенностей более 50 м   менее 50 м	день ночь день ночь	1,4-1,5 1,8-1,7 1,3-1,4 1,7-1,6	1,2 – 1,1 1,5-1,4 1,1 1,3-1,4
Наветренные склоны крутизной 3-10^о верхняя часть   средняя часть   нижняя часть	день ночь день ночь день ночь	1,2-1,3 1,4-1,6 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0 0,8-0,9	1,0-1,1 1,2-1,3 1,0 1,1 0,9-1,0 1,0
Параллельные ветру склоны крутизной 3-10^о верхняя часть   средняя часть   нижняя часть	день ночь день ночь день ночь	12-1,1 1,4-1,3 0,9-1,0 1,1-1,0 0,9-0,8 1,0-0,9	0,9-1,0 1,0-1,1 0,9-0,8 1,0 0,8-0,7 0,8-0,7
Подветренные склоны крутизной 3-10^о верхняя часть   средняя часть   нижняя часть	день ночь день ночь день ночь	0,9-0,8 0,9-1,0 0,9-0,8 1,0-1,1 0,8-0,7 -	0,8-0,9 0,9-1,0 0,8-0,9 0,9-1,0 0,7-0,6 -
Дно лощин, долин, оврагов, продуваемых ветром Дно лощин, долин, оврагов: не продуваемых ветром   замкнутых	день ночь   день ночь день	12-1,1 1,5-1,3   0,8-0,7 0,6 0,6	1,1-1,0 1,3-1,4   0,7-0,6 - -
Холмы с плоскими вершинами и пологими склонами крутизной 1-3^о вершины, верхние части наветренных и подветренных склонов   средние и нижние части таких склонов	день ночь   день ночь	1,2-1,4 1,3-1,5   0,8-1,1 1,0-1,3	- -   - -

2. Наличие конструктивных элементов здания, увеличивающих интенсивность ветра.

Эффективность достигается за счет:

- нагнетающе-разряжающей форме покрытия (конфузор-диффузор);

- установке в узком месте ветротурбины;

- генерирования энергии (схема на рис. 7.2 дает представление о работе по второму принципу).

Рис. 8.2. Ветроэнергоактивные формы зданий

3. Форма здания удобна для размещения ветроколеса. Для этого:

- часть здания превращается в ветроактивную;

- выбранной части придается аэродинамическая форма (цилиндр, многогранник);

- ветротурбина полифункциональна - с разворачивающимися лопастями, каждая из которых имеет возможность касания со смежной лопастью, тем самым снижаются теплопотери или регулируется инсоляция (рис. 7.3. иллюстрирует этот принцип работы).

Рис. 8.3. Энергоактивные здания с ветроколесом в виде вертикального цилиндра, охватывающего цилиндрический объемный элемент (технический этаж, машинное отделение, муфта): 1- цилиндрический блок здания; 2 – ветроколесо; 3 – трансформируемые лопасти

4. Здание своей формой улавливает и концентрирует подачу воздушных потоков к элементам ветроколеса.

5. Здание – опора для ветроколес.

6. Совмещение с другими энергетическими системами (солнечная радиация).

Градостроительные приемы повышения эффективности использования ветра:

1. Изучение и учет метеоданных, рельефа, испытания в аэродинамических трубах. Привязка здания в зоне наиболее обеспеченной энергией.

2. Организация с помощью рельефа аэродинамических русел.

3. Взаиморасположение ВЭАЗ для усиления аэродинамического эффекта.

Приведенные варианты ВЭАЗ имели целью показать возможности использования здания для целей ветроэнергетики. В будущем могут появиться иные формы реализации этой идеи. В настоящее время нерешенными являются проблемы отбора и аккумулирования энергии, шумо- и виброзащиты и т. п.

Дата добавления: 2014-01-07