Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
(ВлГУ)
Институт инновационных технологий
Архитектурно-строительный факультет
Кафедра Строительных конструкций
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К
ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ СТУДЕНТОВ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАССИВНОГО ДОМА»
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ
Направление 270800 «Строительство» программа «Теория и проектирование зданий и
сооружений»
Составитель: Гоньшаков А.Г.
Лисятников М.С.
Владимир, 2014
Содержание
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1. Основные положения курса....................…………………...3
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №2-3. Теплотехнический расчет ограждающих
конструкций………………………………………………………………………………………...9
ПРАКТИЧЕСКОЕ
ЗАНЯТИЕ
№4.
ЗАНЯТИЕ
№5-6.
Изучение
теплоизоляции
пассивных
зданий……..……….19
ПРАКТИЧЕСКОЕ
Изучение
инженерного
обеспечения
здания……………24
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №7, 8, 9. Изучение альтернативных источников энергии
для пассивного дома……………………………………………………………………………….35
Список литературы………………………………………………………………………………..62
2
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1 (2 часа)
1. Цель практического занятия: Ознакомить студентов с основными положениями
курса.
2. План проведения занятия:
2.1. Нормативные
документы
связанные
с
энергосбережением
и
энергоэффективностью. 261-ФЗ.
2.2. Энергосберегающие дома.
2.3. Стандарты энергоэффективности зданий и сооружений.
2.4.Основные принципы пассивного дома.
3. Используемые технологии преподавания.
Практические занятия проводятся в компьютерном классе. Около 50% времени
практических занятий отведено на интерактивные формы обучения основным положениям
проектирования пассивных домов. Для этого используются применение компьютеров и
новых информационных технологий (методы IT), работа в команде, case-study, игра,
проблемное, контекстное и индивидуальное обучение на основе опыта. Студентам
предлагается
изучить
основные
вопросы
и
понятия
энергосбережения
и
энергоэффективности в строительстве.
Программные средства для проведения практических занятий в интерактивной форме
содержатся в компьютерном классе аудитории 505-2.
4. Задачи, рассматриваемые на практическом занятии.
ОСНОВНЫЕ ВЫДЕРЖКИ ИЗ №261-ФЗ «ОБ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ И О
ПОВЫШЕНИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И О ВНЕСЕНИИ
ИЗМЕНЕНИЙ В ОТДЕЛЬНЫЕ ЗАКОНОДАТЕЛЬНЫЕ АКТЫ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ»
Ст.11 п.6 Не допускается ввод в эксплуатацию зданий, строений, сооружений,
построенных, реконструированных, прошедших капитальный ремонт и не соответствующих
требованиям энергетической эффективности и требованиям оснащенности их приборами
учета используемых энергетических ресурсов.
3
Ст.11 п.7 Застройщики обязаны обеспечить соответствие зданий, строений,
сооружений требованиям энергетической эффективности и требованиям оснащенности их
приборами учета используемых энергетических ресурсов путем выбора оптимальных
архитектурных,
функционально-технологических,
конструктивных
и
инженерно-
технических решений и их надлежащей реализации при осуществлении строительства,
реконструкции, капитального ремонта.
Ст.13 п.3 До 1 января 2011 года собственники зданий, строений, сооружений и иных
объектов, которые введены в эксплуатацию на день вступления в силу настоящего
Федерального закона и при эксплуатации которых используются энергетические ресурсы (в
том числе временных объектов), за исключением объектов, указанных в частях 3, 5 и 6
настоящей статьи, обязаны завершить оснащение таких объектов приборами учета
используемых воды, природного газа, тепловой энергии, электрической энергии, а также ввод
установленных приборов учета в эксплуатацию.
Ст.13 п.5 До 1 января 2012 года …. При этом многоквартирные дома в указанный срок
должны быть оснащены коллективными (общедомовыми) приборами учета используемых
воды, тепловой энергии, электрической энергии, а также индивидуальными и общими (для
коммунальной
квартиры)
приборами
учета
используемых
воды,
природного
газа,
электрической энергии.
Ст.13 п.7 Многоквартирные дома, вводимые в эксплуатацию с 1 января 2012 года
после осуществления строительства, реконструкции, должны быть оснащены дополнительно
индивидуальными приборами учета используемой тепловой энергии, а многоквартирные
дома, вводимые в эксплуатацию с 1 января 2012 года после капитального ремонта, должны
быть оснащены индивидуальными приборами учета используемой тепловой энергии при
наличии технической возможности их установки.
Ст.15 п.9 Энергетический паспорт здания, строения, сооружения, вводимые в
эксплуатацию после осуществления строительства, реконструкции, капитального ремонта,
может составляться на основании проектной документации – и называется “энергетический
паспорт по проектной документации“.
Ст.16 п.1 Проведение энергетического обследования является обязательным для
следующих лиц: 1) органы государственной власти, органы местного самоуправления,
наделенные правами юридических лиц; 2) организации с участием государства или
муниципального образования;
Ст.16 п.2 Лица, указанные в части 1 настоящей статьи, обязаны организовать и
провести первое энергетическое обследование в период со дня вступления в силу настоящего
4
Федерального закона до 31 декабря 2012 года, последующие энергетические обследования –
не реже чем один раз каждые пять лет.
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ДОМА
Первый демонстрационный проект энергоэффективного здания стартовал в 1972 г. в
Манчестере, штат Нью-Хэмпшир, США. Архитекторами были Николас Исаак и Эндрю
Исаак. Цель строительства этого здания, как, впрочем, и всех, последовавших за ним в
рамках
нового
направления,
заключалась
в
выявлении
суммарного
эффекта
энергосбережения от использования архитектурных и инженерных решений, направленных
на экономию энергетических ресурсов.
Строительство энергоэффективных зданий широко осуществляется сейчас во всем
мире. Особенно впечатляющи в этом отношении успехи стран Западной Европы и
Скандинавии. Суммарный эффект экономии тепла во вновь возводимых жилых и
коммерческих зданиях здесь составляет 50 - 70%. Столь существенная экономия позволяет
быстро окупить затраты от применения энергосберегающих технологий.
В Дании уже сейчас возводятся здания, при эксплуатации которых расходуется 16
кВт/м2, что на 70% ниже текущих энергетических затрат. Отличным примером комплексного
подхода к энергоэффективному строительству стало здание Исследовательского Центра
ROCKWOOL.
Второе здание – здание "EKONO-house" было построено в Отаниеми близ Хельсинки,
Финляндия. Авторами проекта стали инженеры фирмы, работавшие под руководством
архитектора Хеймо Каутонена. Особенностью этого проекта было строительство двух
внешне одинаковых секций здания. Одна из них была построена по существующим на тот
момент
строительным
нормам
энергосбережению.
При
энергосберегающие
решения.
и
не
строительстве
В
содержала
второй
результате
инновационных
секции
здания были
проектировщики
получили
решений
по
использованы
уникальную
возможность сравнить энергопотребление обеих секций и оценить эффективность
выбранных решений.
Первым в России энергосберегающим зданием стало эталонное жилое здание,
построенное в Москве в 8-м микрорайоне Куркино. Проект “Энергоэффективный жилой дом
в микрорайоне Никулино-2″ был реализован в 1998-2002 гг. Минобороны РФ совместно с
Правительством Москвы, Минпромнауки РФ, НП “АВОК” и ОАО “ИНСОЛАР-ИНВЕСТ” в
5
рамках
“Долгосрочной
программы энергосбережения в г. Москве”,
утвержденной
совместным постановлением Правительства Москвы и Миннауки РФ № 36-РП-6 от 15
января 1998 г. Первый энергоэффективный дом в якутском поселке Жатай был сдан в конце
2010 года.
Постоянно растет список зданий в разных регионах России, при строительстве
которых применены высокие энергосберегающие технологии. В Санкт-Петербурге это
гостиница "Санкт-Петербург", реконструируемое здание аэропорта "Пулково" и др. В Самаре
- здание железнодорожного вокзала. В Екатеринбурге - жилой микрорайон из восьми
семиэтажных элитных домов улучшенной планировки и инфраструктуры.
В Москве в рамках Программы Московского правительства по благоустройству и
развитию столицы за последние годы возведен ряд крупных торговых объектов, среди
которых торгово-коммерческий комплекс "Рублевский пассаж" и многофункциональный
гигантский супермаркет "Гвоздь" на пересечении Волоколамского шоссе и МКАД.
К списку этих объектов прибавился новый гипермаркет "Метро", открывшийся на
улице Дорожная, д. 1, (рядом с метро "Чертаново"). Торговый комплекс Metro Cash & Carry один из шести планируемых в Москве.
СТАНДАРТЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Оценка
общих
энергетических
характеристик
здания
включает
последовательных этапов, которые можно наглядно представить в виде пирамиды.
6
несколько
Верхний (первый) уровень пирамиды представляет собой основной результат:
энергетические характеристики EP и энергетический сертификат здания.
Второй уровень содержит входные данные для первого уровня: это один или
несколько числовых показателей энергетических характеристик здания (например, общее
энергопотребление на м2 площади кондиционируемых помещений), классификация и способ
выражения минимальных требований к энергетическим характеристикам EPmax.
Третий уровень описывает принципы и процедуры оценки расхода различных
энергоносителей (электричества, газа, нефти или дерева) при их объединении в единое
значение энергии, поставляемой в здание и отводимой из него. Его можно выразить, к
примеру, в виде полной первичной энергии EP или выбросов углекислого газа ECO2.
Четвертый уровень определяет категории для типов здания (например, офисные,
жилые или торговые помещения), а также размеры здания.
7
Пятый уровень описывает процедуры выявления структуры потребления зданием
энергии и структуры энергопотерь здания, которая нацелена на получение четких данных о
применении энергии.
Шестой уровень отражает потребности здания в энергии и использование энергии для
каждого процесса (отопление, охлаждение и т.д.) и взаимодействие между ними.
На седьмом уровне представлены входные данные для следующих компонентов:
характеристики
помещения,
теплопередачи,
инфильтрация
энергоэффективность
воздуха,
компонентов
естественная
системы,
а
также
освещенность
эффективность
осветительных приборов.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПАССИВНОГО ДОМА
Пассивный дом - это здание, у которого общий показатель потребления первичной
энергии при нормальной эксплуатации не превышает 120 кВтч/(м 2 год). Этот общий
показатель потребления первичной энергии означает, что в пассивном доме все бытовые
коммунальные энергетические нагрузки (отопление, горячая вода, освещение и т.д.)
приведены к минимальному расходу энергии. Это меньше того, что сегодня в среднем
потребляется в домашнем хозяйстве только на электрическую энергию для бытовых
приборов и на освещение.
Критерии для строительства пассивных домов:
1)
Удельный
расход
тепловой
энергии
на
отопление
пассивного
дома,
определенный с помощью «Пакета проектирования пассивного дома» (РНРР), недолжен
превышать 15 кВтч/(м2год);
2)
Общее потребление первичной энергии для всех бытовых нужд (отопление,
горячая вода и электрическая энергия) не должно превышать 120 кВтч/(м2год).
Условия пунктов 1 и 2 для пассивного дома являются достаточными. Не предписано, с
каким видом теплоизоляции и с какой системой вентиляции должно достигаться низкое
энергопотребление. Проектирование здания предоставляется авторам проекта. Создание
пассивного дома становится доступнее по мере улучшения качества строительных изделий и
конструкций.
8
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №2-3 (4 часа)
1. Цель практического занятия: Обучить студентов теплотехническому расчету
ограждающих конструкций.
2. План проведения занятия:
2.1. Понятие теплотехнического расчета.
2.2. Теплотехнический расчет трехслойной стены.
2.3. Теплотехнический расчет покрытия здания (мансардная крыша).
3. Используемые технологии преподавания.
Практические занятия проводятся в компьютерном классе. Около 50% времени
практических занятий отведено на интерактивные формы обучения основным положениям
проектирования пассивных домов. Для этого используются применение компьютеров и
новых информационных технологий (методы IT), работа в команде, case-study, игра,
проблемное, контекстное и индивидуальное обучение на основе опыта. Студентам
предлагается выполнить теплотехнический расчет конструкций наружной стены и покрытия
здания. Расчет выполняется инженерным метода (вручную), а также с помощью
компьютерных программ.
Программные средства для проведения практических занятий в интерактивной форме
содержатся в компьютерном классе аудитории 505-2.
4. Задачи, рассматриваемые на практическом занятии.
ПОНЯТИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
Если вам когда-нибудь случалось быть в старых купеческих домах, то вы могли
заметить, что наружные стены этих домов выполнены из керамического кирпича, толщина
которых составляет порядка 1,5 метров. Такая толщина кирпичной стены обеспечивала и
обеспечивает до сих пор вполне комфортное пребывание людей в этих домах даже в самые
лютые морозы.
9
В настоящее же время все изменилось. И сейчас экономически не выгодно делать
стены такими толстыми. Поэтому были придуманы материалы, которые могут ее уменьшить.
Одни из них: утеплители и газосиликатные блоки. Благодаря этим материалам, например,
толщина кирпичной кладки может быть снижена до 250 мм.
Теперь стены и перекрытия чаще всего делают 2-х или 3-х слойными, одним слоем из
которых является материал с хорошими теплоизоляционными свойствами. А для того, чтобы
определить оптимальную толщину этого материала, проводится теплотехнический расчет и
определяется точка росы.
Для расчета потребуются два СНиПа, один СП, один ГОСТ и одно пособие:

СНиП
23-02-2003
(СП
50.13330.2012).
"Тепловая
защита
зданий".
Актуализированная редакция от 2012 года.

СНиП
23-01-99*
(СП
131.13330.2012).
"Строительная
климатология".
Актуализированная редакция от 2012 года.

СП 23-101-2004. "Проектирование тепловой защиты зданий".

ГОСТ 30494-96 (заменен на ГОСТ 30494-2011 с 2011 года). "Здания жилые и
общественные. Параметры микроклимата в помещениях".

Пособие. Е.Г. Малявина "Теплопотери здания. Справочное пособие".
В процессе выполнения теплотехнического расчета определяют:

теплотехнические характеристики строительных материалов ограждающих
конструкций;

приведённое сопротивление теплопередачи;

соответствие этого приведённого сопротивления нормативному значению.
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРЕХСЛОЙНОЙ СТЕНЫ
1. Климат местности и микроклимат помещения.
Район строительства: г. Нижний Новгород.
Назначение здания: жилое.
Расчетная относительная влажность внутреннего воздуха из условия не выпадения
конденсата на внутренних поверхностях наружных ограждений равна - 55% (СНиП 23-022003 п.4.3. табл.1 для нормального влажностного режима).
Оптимальная температура воздуха в жилой комнате в холодный период года tint= 20°С
(ГОСТ 30494-96 табл.1).
10
Расчетная температура наружного воздуха text, определяемая по температуре наиболее
холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 = -31°С (СНиП 23-01-99 табл. 1 столбец 5);
Продолжительность отопительного периода со средней суточной температурой
наружного воздуха 8°С равна zht = 215 сут (СНиП 23-01-99 табл. 1 столбец 11);
Средняя температура наружного воздуха за отопительный период tht = -4,1°С (СНиП
23-01-99 табл. 1 столбец 12).
2. Конструкция стены.
Стена состоит из следующих слоев:

кирпич декоративный (бессер) толщиной 90 мм;

утеплитель (минераловатная плита), на рисунке его толщина обозначена знаком
"Х", так как она будет найдена в процессе расчета;

силикатный кирпич толщиной 250 мм;

штукатурка (сложный раствор), дополнительный слой для получения более
объективной картины, так как его влияние минимально, но есть
3. Теплофизические характеристики материалов.
Значения характеристик материалов.
11
4. Определение толщины утеплителя.
Для
расчета
толщины
теплоизоляционного
слоя
необходимо
определить
сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции исходя из требований санитарных
норм и энергосбережения.
4.1. Определение нормы тепловой защиты по условию энергосбережения.
Определение градусо-суток отопительного периода по п.5.3 СНиП 23-02-2003:
Dd = (tint - tht)zht = (20 + 4,1)215 = 5182°С×сут
Примечание: также градусо-сутки имеют обозначение - ГСОП.
Нормативное
значение
приведенного
сопротивления
теплопередаче
следует
принимать не менее нормируемых значений, определяемых по СНИП 23-02-2003 (табл.4) в
зависимости от градусо-суток района строительства:
Rreq= a×Dd + b = 0,00035 × 5182 + 1,4 = 3,214м2×°С/Вт,
где: Dd - градусо-сутки отопительного периода в Нижнем Новгороде,
a и b - коэффициенты, принимаемые по таблице 4 для стен жилого здания (столбец 3)
4.2. Определение нормы тепловой защиты по условию санитарии
В нашем случае рассматривается в качестве примера, так как данный показатель
рассчитывается для производственных зданий с избытками явной теплоты более 23 Вт/м3 и
зданий, предназначенных для сезонной эксплуатации (осенью или весной), а также зданий с
расчетной температурой внутреннего воздуха 12 °С и ниже приведенное сопротивление
теплопередаче ограждающих конструкций (за исключением светопрозрачных).
Определение нормативного (максимально допустимого) сопротивления теплопередаче
по условию санитарии (формула 3 СНиП 23-02-2003):
12
где: n = 1 - коэффициент, принятый по таблице 6 для наружной стены;
tint = 20°С - значение из исходных данных;
text = -31°С - значение из исходных данных;
Δtn = 4°С - нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего
воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции,
принимается по таблице 5 в данном случае для наружных стен жилых зданий;
αint = 8,7 Вт/(м2×°С) - коэффициент теплопередачи внутренней поверхности
ограждающей конструкции, принимается по таблице 7 для наружных стен.
4.3. Норма тепловой защиты.
Из приведенных выше вычислений за требуемое сопротивление теплопередачи
выбираем Rreq из условия энергосбережения и обозначаем его теперь Rтр0=3,214м2×°С/Вт.
5. Определение толщины утеплителя.
Для каждого слоя заданной стены необходимо рассчитать термическое сопротивление
по формуле:
где: δi- толщина слоя, мм;
λi - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя Вт/(м × °С).
1 слой (декоративный кирпич): R1 = 0,09/0,96 = 0,094 м2×°С/Вт.
3 слой (силикатный кирпич): R3 = 0,25/0,87 = 0,287 м2×°С/Вт.
4 слой (штукатурка): R4 = 0,02/0,87 = 0,023 м2×°С/Вт.
Определение минимально допустимого (требуемого) термического сопротивления
теплоизоляционного материала (формула 5.6 Е.Г. Малявина "Теплопотери здания.
Справочное пособие"):
где: Rint = 1/αint = 1/8,7 - сопротивление теплообмену на внутренней поверхности;
Rext = 1/αext = 1/23 - сопротивление теплообмену на наружной поверхности,
αext принимается по таблице 14 [5] для наружных стен;
ΣRi = 0,094 + 0,287 + 0,023 - сумма термических сопротивлений всех слоев стены без
слоя
утеплителя,
определенных
с
учетом
коэффициентов
теплопроводности
материалов, принятых по графе А или Б (столбцы 8 и 9 таблицы Д1 СП 23-101-2004) в
соответствии с влажностными условиями эксплуатации стены, м2·°С/Вт
13
Толщина утеплителя равна (формула 5,7):
где: λут - коэффициент теплопроводности материала утеплителя, Вт/(м·°С).
Определение термического сопротивления стены (формула 5.8):
где: ΣRт,i - сумма термических сопротивлений всех слоев ограждения, в том числе и
слоя утеплителя, принятой конструктивной толщины, м2·°С/Вт.
Из полученного результата можно сделать вывод, что
R0 = 3,503м2×°С/Вт > Rтр0 = 3,214м2×°С/Вт → следовательно, толщина утеплителя
подобрана правильно.
В случае, когда в трехслойной кладке в качестве утеплителя применяются
минеральная вата, стекловата или другой плитный утеплитель, необходимо устройство
воздушной вентилируемой прослойки между наружной кладкой и утеплителем. Толщина
этой прослойки должна составлять не менее 10 мм, а желательно 20-40 мм. Она необходима
для того, чтобы осушать утеплитель, который намокает от конденсата.
Данная воздушная прослойка является не замкнутым пространством, поэтому в
случае ее наличия в расчете необходимо учитывать требования п.9.1.2 СП 23-101-2004, а
именно:
а) слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой и наружной
поверхностью (в нашем случае - это декоративный кирпич (бессер)), в теплотехническом
расчете не учитываются;
б) на поверхности конструкции, обращенной в сторону вентилируемой наружным
воздухом прослойки, следует принимать коэффициент теплоотдачи αext = 10,8 Вт/(м°С).
Примечание: влияние
воздушной
прослойки
учитывается,
например,
при
теплотехническом расчете пластиковых стеклопакетов.
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОКРЫТИЯ ЗДАНИЯ (МАНСАРДНАЯ
КРЫША).
Покрытие корпуса представляет собой стропильную конструкцию. Наклонные
стропила сечением 50×100 мм и шагом 650 мм обшиты снизу обрезной доской встык
толщиной 40 мм и вагонкой толщиной 8 мм в шпунт. По верху стропил укреплена обрешетка
из деревянных брусков сечением 50×50 мм и шагом 250 мм, поддерживающая стальную
фальцевую кровлю. Между стропилами уложена теплоизоляция из минераловатных плит Руф
Баттс, толщиной 100 мм. Пароизоляция в виде полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм
14
расположена
под
теплоизоляцией.
Между
кровлей
и
теплоизоляцией
находится
неоднородный слой, состоящий из отстоящих друг от друга деревянных брусков и
образующихся между ними замкнутых воздушных прослоек, толщиной 50 мм. Все
деревянные детали выполнены из древесины сосны расположены в конструкции так, что
тепловой поток направлен поперек волокон. Характеристики материалов покрытия –
плотность γ0, коэффициент теплопроводности в сухом состоянии 0 и коэффициент
паропроницаемости μ – принимаем по табл. П.9 приложения. При этом в расчетах
используем коэффициенты теплопроводности материалов W для условий эксплуатации Б,
(для влажных условий эксплуатации), которые получаем по формуле (2.5):
- для древесины сосны
γ0 = 500 кг/м3, 0=0,09, W =0,09(1+0,05·20)=0,18 Вт/(м·°С), μ=0,06 мг/(м·ч·Па);
- для полиэтиленовой пленки
γ0 = 930 кг/м3, 0=W =0,12 Вт/(м·°С), μ=0,000022 мг/(м·ч·Па);
- для минераловатной плиты Руф Баттс
γ0 = 120 кг/м3, 0=0,033, W =0,033(1+0,074·5)=0,045 Вт/(м·°С), μ=0,32 мг/(м·ч·Па);
- для стальной кровли
γ0 = 7850 кг/м3, 0=W =58 Вт/(м·°С), μ=0.
Приведенное
сопротивление
теплопередаче
неоднородных
слоев
покрытия,
рассчитывают по формуле (2.6): Rr=A/∑(Ai /Rri), где Аi, Rri — соответственно площадь i-го
участка характерной части ограждающей конструкции, м2, и его приведенное сопротивление
теплопередаче, м2·°С/Вт; А — общая площадь теплопередачи неоднородного слоя, равная
сумме
площадей
отдельных
участков,
м2.
Аналогичным
образом
рассчитывается
приведенное сопротивление паропроницанию неоднородных слоев: Ωr=A/∑(Ai /Ωri), где Аi,
Ωri — соответственно площадь i-го участка характерной части ограждающей конструкции,
м2, и его приведенное сопротивление паропроницанию, м2·°С/Вт; В нашем случае имеется
два неоднородных слоя: слой № 4 включает чередующиеся стропила и теплоизоляцию; слой
№ 5 – брусья обрешетки с воздушными промежутками между ними.
Термическое сопротивление покрытия (без дополнительного утепления) определяем
как
сумму
термических
сопротивлений
отдельных
слоев,
включая
приведенное
сопротивление неоднородных слоев:
Rо=1/8,7+0,008/0,18+0,04/0,18+0,0004/0,12+1,806+0,175+0,0006/58+1/23=
=2,41 м2·°С/Вт.
Полученное значение практически в два раза ниже нормативного сопротивления
теплопередаче, составляющего 4,81 м2·°С/Вт. В связи с этим необходима реконструкция
15
покрытия с укладкой дополнительного утепляющего слоя. При этом предполагается снятие
кровли и обрешетки, наращивание дополнительной доской вертикального размера сечения
стропил для размещения дополнительной теплоизоляции и восстановление кровли.
Для дополнительной теплоизоляции выбираем минераловатные плиты производства
ЗАО «Минеральная вата» марки Руф Баттс γ0=145 кг/м3, 0=0,033, W =0,045 Вт/(м·°С).
Сопротивление теплопередаче дополнительного слоя теплоизоляции Rт и должно составлять
не менее
Rт =4,81-2,41=2,40 м2·°С/Вт.
Толщину дополнительного теплоизоляционного (неоднородного) слоя найдем из
уравнения, составленного в соответствии с формулой (2.6):
0,65·1/2,40=0,60·1/(δ/ 0,045)+ 0,05·1/(δ/ 0,18),
откуда
δ=2,4(0,60·0,045+0,05·0,18)/0,65=0,133 м.
Плиты Rockwool выпускаются толщиной от 40 до 160 мм с шагом 10 мм. Принимаем
стандартную толщину плит 140 мм. Таким образом, дополнительная теплоизоляция будет
уложена в один слой. При этом суммарная толщина теплоизоляционного слоя из
минераловатных плит Руф Баттс составит 240 мм. Проверка выполнения требований по
энергосбережению. Расчетная схема мансардной крыши:
16
Произведем расчет общего приведенного сопротивления теплопередаче мансардного
покрытия при выбранной толщине теплоизоляции.
Сопротивление теплопередаче покрытия после утепления составит:
Ro=1/8,7+4,78+1/23=4,93 м2·°С/Вт.
Согласно
СНиП 23-02-2003
для
полученного
выше
значения
градусо-суток
нормируемое сопротивление теплопередаче покрытия составляет: Rcreq = 4,81 м2·°С/Вт Как
видно покрытие удовлетворяет требованиям по теплозащите (Ro> Rcreq) при толщине
теплоизоляционного слоя из минераловатных плит 240 мм. Следовательно, для утепления
кровли следует к существующей теплоизоляции добавить слой минераловатных плит РУФ
БАТТС Н толщиной 140 мм.
17
Расчетный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой
внутренней поверхности покрытия Δt0 составляет:
Δt0=n(tint – text)/(Ro·αint)=1,0(20+29)/(4,93·8,7)=1,14 ºС.
Согласно СНиП 23-02-2003 для покрытий жилых зданий допустим перепад
температуры Δt0 не более Δtn=3,0 ºС. Таким образом, второе условие (Δt0≤Δtn) выполнено.
Проверим третье условие (τint>tрос), т.е. возможна ли конденсация влаги на
внутренней поверхности покрытия при расчетной температуре наружного воздуха text = -29
°С. Температуру внутренней поверхности τint, С, ограждающей конструкции (без
теплопроводного включения) определяем по формуле:
τint= tint –Δt0=20–1,14=18,86 °С.
Упругость водяного пара в помещении еint равна:
еint = φintЕ/100=55·2102/100=1156 Па
Точка росы при максимальной упругости пара 1156 Па составляет: tрос = 9,1 °С.
Поскольку τint>tрос, то условие отсутствия конденсации пара на внутренней
поверхности наружной стены выполняется.
18
Поскольку в здании предусмотрено стационарное электро-теплоаккумуляционное
отопление, то согласно СНиП 23-02-2003 нормируемое значение амплитуды суточных
колебаний температуры составляет Аtreq=2,5 ºС.
Для материала каждого слоя определяем коэффициент теплоусвоения материала s и
показатель тепловой инерции D. Для неоднородного слоя № 4, состоящего из чередующихся
древесных и минераловатных участков коэффициент теплопроводности λW можно
подсчитать как:
λW=δ/Rr=0,24/4,333=0,055 Вт/(м·ºС),
а удельную теплоемкость как средневзвешенную величину
с=(с1γ1V1+с2γ2V2)/(γ1V1+γ2V2),
где с, γ, V – удельная теплоемкость, плотность и объем, соответственно, древесины
(индекс 1) и минераловатной плиты (индекс 2).
с=(2,3·500·0,05·0,25·1,0+0,95·120·0,60·0,25·1,0)/(500·0,05·0,25·1,0+120·0,60·0,25·1,0)=
=(2,3·500·0,05+0,95·120·0,60)/(500·0,05+120·0,60)=1,298 кДж/(кг·ºС).
Аналогично найдем средневзвешенное значение плотности:
γ0=(γ1V1+γ2V2)/(V1+V2)=(500·0,05+120·0,60)/(0,05+0,60)=149 кг/м3
Зона резких колебаний расположена в двух первых слоях ограждения, поэтому
коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения определяется по формуле:
Yint=(R1s12+s2)/(1+ R1s2)=(0,044·3,882+3,88)/(1+0,044·3,88)=3,88 Вт/(м2·°С).
Коэффициент теплопоглощения поверхности ограждения вычисляем по формуле:
В=1/(1/'int +1/Yint)=1/(1/(4,5+3,5)+1/3,88)=2,61Вт/(м2·°С).
Амплитуду колебаний температуры воздуха в помещении рассчитываем по формуле:
Atdes = m (tint – text)/ВRо=0,25(20+29)/2,61·4,93=0,95 °С,
де m – коэффициент неравномерности отопительного прибора принят равным 0,25.
Полученное значение амплитуды суточных колебаний температуры воздуха в помещении
мансарды Atdes =1,23 °С меньше нормируемого значения этой величины Аtreq=2,5 ºС,
следовательно ограждение удовлетворяет требованиям СНиП по теплоустойчивости в
холодное время года.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4 (2 часа)
19
1. Цель практического занятия: Подробно рассказать студентами о теплоизоляции
пассивных домов.
2. План проведения занятия:
2.1. Коэффициент теплопередачи. Мощность теплопотерь
2.2. Конструкции и материалы, применяемые в теплоизоляции пассивных домов.
3. Используемые технологии преподавания.
Практические занятия проводятся в компьютерном классе. Около 50% времени
практических занятий отведено на интерактивные формы обучения основным положениям
проектирования пассивных домов. Для этого используются применение компьютеров и
новых информационных технологий (методы IT), работа в команде, case-study, игра,
проблемное, контекстное и индивидуальное обучение на основе опыта. Студентам
предлагается ознакомится с теплоизоляцией пассивных домов, ее видами, основными
характеристиками и преимуществами над аналогами.
Программные средства для проведения практических занятий в интерактивной форме
содержатся в компьютерном классе аудитории 505-2.
4. Задачи, рассматриваемые на практическом занятии.
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ ПАССИВНОГО ДОМА
Устройство теплоизоляции здания - это важнейшее мероприятие, с помощью которого
возможна экономия энергии в здании.
Одновременно
возрастает комфорт и защита
(долговечность)
строительных
конструкций. Хорошая теплоизоляция имеет решающее значение для функционирования
пассивного
дома.
Каждый
пассивный
дом
20
является
конкретным
доказательством
эффективности мероприятий по теплозащите зданий. Пассивный дом просто не смог бы
функционировать, если теплопотери через наружные конструкции не были бы сокращены до
минимума. Только при этих условиях даже в самые холодные дни значение отопительной
нагрузки может быть настолько мало, что возможно отопление только с помощью нагрева
приточного воздуха (либо с помощью небольших отопительных приборов).
Чтобы понять этот принцип, необходимо составление энергобаланса здания. Такие
балансы были подтверждены прямыми измерениями в сотнях зданий. Результаты этих
измерений
каждый
раз
подтверждали
действительность
физических
законов
теплопроводности. Теплопотери через расчетные строительные конструкции, а именно
наружные стены, пол, верхнее междуэтажное перекрытие или крышу, характеризуются
коэффициентами теплопередачи U, Вт/(м2К) (или в РФ чаще обратной величиной R0,
(м2ºС)/Вт). Эта величина показывает, сколько тепла отдается строительной конструкцией
наружу в единицу времени при изменении температуры на 1 ºС (или 1 К, "Кельвин").
Единица измерения коэффициента теплопередачи U выражается в Вт/(м2К).
При
различных
значениях
коэффициентов
теплопередачи
получается
следующая мощность теплопотерь.
U, Вт/(м2К) или
R0, (м2°C)/Вт
Мощность теплопотерь, Вт
Годовой расход тепла на отопление,
КВт∙ч/(м2год)
1,00
3300
78
2640
62
1980
47
1320
31
660
16
495
12
330
8
(1,00)
0,80
(1,25)
0,60
(1,67)
0,40
(2,5)
0,20
(5,00)
0,15
(6,67)
0,10
(10,00)
Теплопотери являются решающей составляющей энергобаланса здания. Любые
теплопотери необходимо компенсировать соответствующими теплопоступлениями. В
противном случае произойдет падение температуры в доме.
Достижения низких величин U (или высоких R0) возможно только благодаря
материалам с высокими теплоизоляционными характеристиками. В следующей таблице
21
приведена информация, какой толщиной должны быть однослойные наружные конструкции,
чтобы достичь стандартных характеристик ограждающих конструкций пассивного дома с
величиной U ≤ 0,13 Вт/(м2К) (или R0 ≥ 7,7 (м2ºС)/Вт):
Материал
Коэффициент
теплопроводности, Вт/мºС
Требуемая толщина в м для достижения
U=0,13 Вт/(м2К) или R0=7,7 (м2ºС)/Вт
Стандартный бетон
2,1
15,80
Полнотелый кирпич
0,800
6,02
Пустотелый кирпич с вертикальными
пустотами
0,400
3,01
Древесина хвойных пород
0,13
0,98
Пористый кирпич, ячеистый бетон
0,11
0,83
Тюки из соломы
0,055
0,41
Эффективный утеплитель
0,04
0,30
Высокоэффективный утеплитель
0,025
0,19
Нанопористый суперутеплитель с
нормальным давлением
0,015
0,11
Вакуумная теплоизоляция (кремнезём)
0,008
0,06
Вакуумная теплоизоляция (глубокий
вакуум)
0,002
0,015
В таблице наглядно показано, что разумные границы по толщине наружной оболочки
здания возможны только в том случае, если достигается существенный теплоизоляционный
эффект
с
использованием
утеплителей
с
низкими
значениями
коэффициентов
теплопроводности. Конечно же, комбинация с другими материалами возможна и во многих
случаях необходима. Например: утепленная снаружи бетонная стена или монолитная стена из
пенобетона с теплоизоляционными плитами из силиката кальция. Конструкция наружной
оболочки будет тем тоньше, чем ниже коэффициент теплопроводности используемой
теплоизоляции.
При
применении
эффективных
утеплителей
(минеральная
вата,
пенополистирол, целлюлозная теплоизоляция) толщина теплоизоляции составит около 30 см.
При использовании высокоэффективных утеплителей, таких как пенополиуретан, толщина
теплоизоляции снизится до 20 см.
Опыт строительства первых пассивных домов показал, что увеличение толщины
эффективной теплоизоляции можно реализовать в большинстве случаев:
22
Во многих случаях при строительстве предусмотрена площадь под теплоизоляцию.
Если площади не хватает или это требует больших финансовых затрат, то можно применить
высокоэффективные теплоизоляционные материалы.
Применение увеличенной толщины теплоизоляции со строительной точки зрения не
представляет никаких проблем. При правильном применении затраты на монтаж
теплоизоляции едва ли выше, чем при меньших толщинах. Остаются только повышенные
затраты на покупку большего количества теплоизоляции, но утеплитель является все же
сравнительно не дорогим материалом.
Все применяемые сегодня стандартные конструкции оболочки зданий адаптированы
также и для пассивного дома. Это многообразие вариантов продемонстрировано в уже
построенных пассивных домах. Существуют следующие варианты: кирпичная стена
(двухслойная или со скрепленной теплоизоляцией (система теплоизоляции с тонким
штукатурным слоем) или с навесным фасадом (фасадная система с вентилируемым
зазором)), сборные строительные элементы из легких бетонов, сборные ж/б элементы,
деревянные конструкции (классические или с использованием легких балок), несъемная
опалубка, металлические конструкции и полупрозрачные элементы.
Результаты измерений в построенных пассивных домах показали, что эффективность
использования увеличенной толщины теплоизоляции соответствовала ожиданиям. Низкие
фактические значения теплопотерь совпадают с расчетными и, дома остаются теплыми даже
при таких крайне низких величинах отопительной нагрузки. При тепловизионной съемке
наружных стен здания на самом деле легко заметить высокие температуры на поверхности.
Строительные элементы с увеличенным слоем теплоизоляции, применяемые в пассивных
домах, имеют значительное преимущество в сравнении с обычными плохо утепленными или
средне утепленными оболочками зданий.
23
Строительные конструкции с усиленной теплоизоляцией больше сглаживают влияние
тепловых мостов (по наружным размерам), чем стандартно утепленные, что особенно важно
при санации старых зданий.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №5-6 (4 часа)
1. Цель практического занятия: Ознакомить студентов с инженерным обеспечением
пассивного дома, с характеристиками оборудования и принципом расчета.
24
2. План проведения занятия:
2.1. Вентиляция пассивного дома.
2.2. Отопление пассивного дома.
2.3.Водоснабжением и водоотведение пассивного дома.
3. Используемые технологии преподавания.
Практические занятия проводятся в компьютерном классе. Около 50% времени
практических занятий отведено на интерактивные формы обучения основным положениям
проектирования пассивных домов. Для этого используются применение компьютеров и
новых информационных технологий (методы IT), работа в команде, case-study, игра,
проблемное, контекстное и индивидуальное обучение на основе опыта. Студентам
предлагается ознакомится с инженерным обеспечением пассивного дома в сравнении со
среднестатистическими домами.
Программные средства для проведения практических занятий в интерактивной форме
содержатся в компьютерном классе аудитории 505-2.
4. Задачи, рассматриваемые на практическом занятии.
ВЕНТИЛЯЦИЯ ПАССИВНОГО ДОМА
Свежий воздух - это основа хорошего самочувствия и возможность соблюдения
гигиенических требований к микроклимату в помещениях. «Естественная вентиляция»
воздухом, поступающим через неплотности и щели, не может удовлетворительно обеспечить
требуемый воздухообмен, так как такая вентиляция зависит от природных факторов, которые
непостоянны. В негерметичном здании при сильном ветре возникает сквозняк, а при
безветренной погоде приток свежего воздуха в том же здании часто недостаточен. Также
направление проникающего воздушного потока часто является неблагоприятным. Например,
на первом этаже тянет внутрь под входной дверью или через приоткрытое окно в туалете,
далее воздух устремляется через всю квартиру и выходит наружу через негерметичные
участки в кровле. Инфильтрация через неплотности, а также через форточки является
поэтому в основном случайной вентиляцией и таким образом непригодна для пассивных
зданий.
Наличие С02 в воздухе в качестве критерия для хорошей вентиляции осознал
Петтенкофер еще в начале 20 века. Подавляющее большинство пользователей оценивают
качество воздуха при концентрации СО2 ниже 0,1% как хорошее. Человек в наших квартирах
25
сам является главным источником С02, поэтому требуется около 25...30 м3 свежего воздуха в
час на одного человека.
В квартирах на 3...5 человек нормативное поступление свежего воздуха составляет
90…150 м3/ч. В обычном случае этот расход воздуха примерно соответствует нормативному
расходу отработанного воздуха из туалетов (по 20 м3/ч), ванн (40 м3/ч) и кухонь (60 м3/ч).
Благодаря непрерывному движению воздуха обеспечивается постоянное удаление влаги. В
случае объединения системы вентиляции с вытяжным колпаком над кухонной плитой
необходимо во время приготовления пищи обеспечить вытяжку минимум 150 м3/ч.
Вентиляцию, которая удовлетворяет этим условиям, можно назвать требуемой.
Используя непостоянные природные факторы, невозможно реализовать требуемую
вентиляцию. Как вариант, можно порекомендовать следующее простейшее решение для
зданий с низким энергопотреблением: небольшая установка с маленьким вентилятором для
постоянной вытяжки воздуха из влажных помещений (ванные комнаты, туалеты и кухни) и
которая точно соответствует необходимому расходу. Если оболочка здания достаточно
герметичная, свежий воздух устремляется через предназначенные для этого каналы в стенах
общих комнат, столовой, детской и спальной. Для достижения благоприятного микроклимата
в помещениях эти воздушные каналы должны быть смонтированы по возможности высоко и
над отопительными приборами. Эта вентиляционная система является недорогой,
эффективной и сравнительно простой.
Для зданий с низким энергопотреблением допустимы дополнительные теплопотери от
вентиляции, однако для пассивных зданий это неприменимо. Например, рассчитываем
теплопотери со средним расходом свежего воздуха 120 м3/ч для семьи, состоящей из четырех
26
человек, в квартире площадью 120 м2. Годовые теплопотери, которые приходятся на
вентиляцию от приточно-вытяжной установки, составляют 28 кВт-ч/м2; только одно это
значительно больше, чем допустимый удельный расход тепловой энергии на отопление для
пассивного
дома,
поэтому
обязателен
высокоэффективный
рекуператор.
Опыт
с
вентиляционными установками в зданиях с низким энергопотреблением и в пассивных
зданиях приводит к следующим рекомендациям для вентиляционных систем, пригодных для
пассивных зданий:

сами здания должны иметь очень герметичную оболочку;

рекуперация тепла должна быть высокоэффективной. Доля возврата тепла (КПД)
рекуператора должна составлять более 75%. Тогда дополнительные теплопотери
достаточно малы и интегрированная система домашней техники удобна для
использования. Доля возврата тепла более 75% достижима сегодня только с
использованием больших теплообменников с принципом встречных потоков или с
использованием комбинированных теплообменников с перекрестным потоком. В
настоящее время только некоторые системы, существующие на рынке, соответствуют
этим требованиям;

потребление электрической энергии для вентиляции должно сохраняться на небольшом уровне - это касается самих вентиляторов, а также приборов регулировки и
управления. Контрольное значение составляет 0,3...0,45 Вт общей мощности на требуемый 1 м3 воздушного объема в час. Столь малая величина электропотребления
достигается оптимизацией всей системы и применением высокоэффективных
вентиляторов с равномерным потоком;

устройство системы вентиляции в зданиях необходимо проектировать тщательно:
целесообразной является система вентиляционных каналов, которые выполнены по
возможности короткими, неразветвленными и малоизогнутыми. Можно использовать
гладкостенные, отвечающие гигиеническим требованиям, воздухонепроницаемые
воздуховоды (например, спирально-навивные). Скорость потока в вентиляционных
каналах, при нормальном режиме эксплуатации, не должна превышать 3 м/с. Поэтому
для главных каналов гидравлический диаметр получается равным 150 мм и более.
При правильном проектировании помещения, из которых удаляется вытяжной воздух,
находятся относительно близко друг к другу, а помещения с приточным воздухом
расположены компактно. Это позволяет рационально расположить магистрали
воздуховодов приточного и вытяжного воздуха (можно обойтись одной главной
ниткой воздуховода для приточного и одной для вытяжного воздуха) Помимо этого,
такое размещение имеет достоинство в том, что также другие трубопроводы других
27
систем (холодная вода, горячая вода, канализация) могут быть короткими; это
размещение уменьшает потери энергии и снижает капитальные затраты Лучше всего
разделить проект системы вентиляции в здании на три зоны: зона приточного воздуха
(она охватывает, как правило, все жилые комнаты, комнаты принятия пищи, детские,
спальни и рабочие комнаты), переходная область (охватывает, например, коридоры и
лестничную клетку) и зона вытяжного воздуха (здесь соединяются все влажные
помещения и комнаты со специфической эксплуатацией, например комната для
курения).
Все помещения для зон приточного и отработанного воздуха должны иметь
вентиляционные отверстия достаточного размера, чтобы переток воздуха был возможен без
помех даже при закрытых внутренних межкомнатных дверях. В качестве основного правила
необходимо выполнять непременное условие: скорость воздуха в проходных отверстиях не
должна превышать 1 м/с. При выполнении этого требования устанавливается направленный
воздушный поток из помещений с приточным воздухом, через промежуточную зону в
помещения с вытяжным воздухом. Таким образом, в квартире с самого начала устраняется
проблема распространения запахов и вредных веществ.
Важным остается условие: вентиляционная установка служит преимущественно для
воздушной гигиены. А поэтому необходимо обратить внимание на гигиенически
безупречный воздуховод. Это означает, что:

необходимо избегать режима рециркуляции воздуха;

каждый вид добавочной воздухоподготовки (увлажнение, охлаждение) скрывает
серьезные риски, которые не должны проявляться при использовании квартирной
вентиляционной установки;

высококачественный фильтр тонкой очистки (класс фильтра F7 или F8) эффективен
при установке непосредственно в зоне после забора свежего воздуха. Выполняя это
предписание, удалось обеспечить отсутствие грязи в вентиляционной установке.
Воздуховоды через 10 лет остаются идеально чистыми и к тому же гигиеничными;

в домах с индивидуальными вентиляционными системами пар от приготовления пищи
на
кухне
можно
жироулавливающего
удалять
через
фильтра)
и
вытяжной
ответвления
колпак
(с
регулярной
воздуховода
с
заменой
ревизионными
отверстиями в вытяжном канале. Воздуховод с вытяжным воздухом, подведенный к
кухне, или регулярно очищается, или время от времени заменяется, например, элемент
гибкой трубы длиной 1,5 м. Это решение недопустимо, если к одной системе
воздуховода с вытяжным воздухом подсоединено много квартир. В этом случае
необходимо применять на кухне отдельный вытяжной плафон, который находится на
28
достаточном расстоянии от места приготовления пищи. Непосредственно над местом
приготовления пищи необходимо установить защитный колпак для засасывания
циркуляционного воздуха как отдельную систему.
Исследования в пассивном доме г. Дармштадта, р-н Кранихштайн, показали, что
вышеназванные принципы приводят к хорошему качеству воздуха в помещении.
Высокая доля возврата тепла (более 75%), согласно вышеизложенному, для пассивных
зданий является необходимым условием. При применении больших теплообменников
процесс обледенения в зоне удаляемого воздуха начинается при температурах окружающей
среды ниже -5 ˚С. Возможным решением этой проблемы является применение грунтового
теплообменника. Для этого укладывается (в зависимости от размера квартиры) от 1 до 5
трубопроводов примерно 12...30 м длиной в траншеи, приблизительно на 1 м ниже
фундаментной плиты здания. Трубы служат для подачи предварительно очищенного
наружного воздуха.
Вследствие этого даже при очень низких температурах свежий воздух зимой
подевается до 1…10 °С. Дальнейшая защита от мороза является излишней. При укладке
грунтовых теплообменников из гигиенических соображении очень важно избегать
конденсации влаги.
Другой вид защиты, пригодный для пассивных зданий, - это регулируемый подогрев
свежего воздуха до минимальной температуры, равной 0 °С. Такое решение оправдано, если
предварительный подогрев отключается системой регулирования при температуре наружного
воздуха выше 0 ˚С.
Уже в первом демонстрационном здании в г. Дармштадт был установлен
высокоэффективный
противоточный
теплообменник
(воздух-воздух)
с
годовым
потреблением электрической энергии 200...400 кВт-ч на квартиру. Обратно возвращаемое
тепло составляет 3000...4000 кВт-ч/год. Это означает, что возвращаемое тепло более чем в 10
раз превышает потребность теплообменника (вентиляторов) в электрической энергии. Эта
высокая эффективность достигается, в том числе, благодаря применению электродвигателя
постоянного тока с электронным переключателем.
ОТОПЛЕНИЕ ПАССИВНОГО ДОМА
Годовой удельный расход тепловой энергии на отопление в пассивном доме хотя и
очень незначителен, но не равен нулю. Предельное значение 15 кВтч/(м 2год) означает, что
потребление тепла на отопление в таунхаусе с жилой площадью 120 м2 соответствует
ежегодному значению примерно 1800 кВт-ч. Результаты моделирования и практический опыт
29
с построенными пассивными домами показали, что отопительная нагрузка в самые холодные
дни находится в диапазоне 10 Вт на 1 м2 жилой площади. Это означает, что для комнаты
площадью 20 м2 необходима отопительная нагрузка величиной 200 Вт - это мощность двух
обычных ламп накаливания.
Разумеется, что при этих известных условиях с имеющимися крайне низкими
потребностями и нагрузками обычная система отопления была бы избыточной и слишком
дорогой. Стандарт пассивного дома становится интересным благодаря тому, что можно
сэкономить
капитальные затраты,
необходимые для
создания системы отопления,
использующей трубопроводы. Разумеется, в пассивных зданиях также можно использовать
дополнительно традиционные системы отопления.
При максимальной нагрузке в 10 Вт/м2 для дома с жилой площадью 120 м2
необходимая мощность составит 1200 Вт. В пассивном доме необходимо применять
приточно-вытяжную вентиляционную установку с рекуперацией тепла. Если исходить из
объема приточного воздуха 120 м3/ч в нормальном режиме, то с помощью этого объема
приточного воздуха при повышении его температуры на 30 ˚С можно подвести необходимые
1200 Вт. Таким образом, обеспечение низкой потребности в тепле возможно с
использованием системы приточной вентиляции и потребляемого приточного воздуха.
Нагревание приточного воздуха происходит с помощью калорифера, который
догревает приточный воздух до необходимых параметров и расположен непосредственно за
теплообменником. После калорифера вентиляционный канал с приточным воздухом может
проходить в обычном случае только внутри теплых помещений. Необходимо предотвращать
непосредственный перенос тепла из канала с приточным воздухом в канал с вытяжным
воздухом. Часть тепла передается в помещения уже через систему каналов с приточным
воздухом, а это вполне желательный процесс.
Тепло для подогрева приточного воздуха может быть заимствовано, к примеру, из
предусмотренной проектом системы нагрева горячей воды. Требуемая тепловая нагрузка для
системы вентиляции в любом случае намного меньше, чем максимальная нагрузка для
получения горячей воды.
Тепло для нагрева горячей воды можно вырабатывать из различных источников:

небольшие
газовые
конденсационные
котлы,
с
обычной
системой
отвода
отработанных газов; в будущем возможно использование каналов вытяжного воздуха
системы вентиляции непосредственно для отвода этих отработанных газов;

небольшая низкотемпературная установка для производства тепла, работающая на
жидком топливе и не потребляющая для горения внутренний воздух из помещений;
30

печи, работающие на гранулах из прессованных древесных опилок, с автоматической
загрузкой, регулируемой в зависимости от температуры внутри помещений здания.
Отопительная нагрузка в пассивном доме очень незначительна. Она, тем не менее,
всегда достаточна, чтобы содержать здание в комфортных, теплых условиях. Если
температура в квартире все-таки понизилась (например, после полностью отключенного
отопления во время зимнего отпуска), то потребуется очень долгий промежуток времени для
повторного нагрева. Поэтому не рекомендуется полностью отключать систему отопления для
пассивного дома. При крайне низком теплопотреблении это и не обязательно.
ВОДОСНАБЖЕНИЕМ И ВОДООТВЕДЕНИЕ ПАССИВНОГО ДОМА
Так как потребление энергии на отопление в пассивных домах очень незначительное,
то самое большое внимание уделяют расходу энергии для нагрева горячей воды. В
зависимости от потребности одной семьи энергопотребление с горячей водой составляет от
1500 до 5000 кВтч/год (полезная энергия Qn). К этому часто добавляются еще от 1000 до
3000 кВтч/год на теплопотери емкостного водонагревателя, инженерных коммуникаций и
циркуляционных трубопроводов, а также тупиковых трубопроводов. Но в случае пассивного
дома, когда потребность в энергии на отопление настолько мала, что практически равна
нулю, имеет смысл тщательно проектировать оборудование, необходимое для нагрева
горячей воды для бытового использования.
В первую очередь здесь проводятся мероприятия по уменьшению потерь:

Принципиально необходимо укладывать все проходящие трубопроводы с горячей
водой внутри утепленной оболочки здания, по возможности там же должен находиться емкостный водонагреватель. Тогда теплопотери от этих устройств по крайней
мере в отопительный период будут полезными для помещения; кроме того, этим решается проблема защиты от морозов.

Сеть горячего водоснабжения должна иметь по возможности короткие трубопроводы,
это снижает как капитальные затраты, так и теплопотери. При проектировании это
означает, что помещения нужно располагать так, чтобы точки отбора воды находились
по возможности рядом. Тогда в плане кухни, ванные комнаты, туалеты и другие
влажные помещения также должны находиться по возможности рядом или друг над
другом. Это дополнительно сберегает средства на устройство водоснабжения,
канализации и каналов вытяжного воздуха.

Если вопреки рекомендации первого пункта трубопроводы и накопитель расположены
за пределами теплоизоляционной оболочки, то их необходимо очень хорошо утеплять.
31
Необходимым
и
экономически
целесообразным
является
удвоение
толщины
утеплителя по сравнению с требованиями действующего Постановления по отопительным установкам. Также здесь необходимо обратить внимание на закрытую
теплоизоляционную оболочку без мостиков холода.

Трубопроводы горячей воды и емкостный водонагреватель для хозяйственно-питьевой
воды необходимо очень хорошо теплоизолировать даже в том случае, если они
устанавливаются внутри отапливаемого помещения. Это служит не только для
уменьшения потерь энергии, но также необходимо для ограничения нагревания здания
летом. Высокий комфорт летом без необходимости активного кондиционирования
воздуха является одним из критериев для пассивного дома.

Выгодно применять оборудование, экономящее потребление воды. Надежными считаются, например, души с экономичным режимом, смесители с термостатами и ограничители расхода. Это оборудование сберегает, в свою очередь, не только энергию, но
и дорогую воду и к тому же улучшает комфорт. По тем же причинам рекомендуется
утепленная конструкция ванной.
Благодаря описанным здесь мероприятиям удается ощутимо понизить потребление
энергии для нагрева горячей воды.
Для эффективного нагрева хозяйственно-питьевой воды в пассивном доме имеется в
распоряжении целый ряд альтернатив:

Центральное горячее водоснабжение, охватывающее все секции, с циркуляционным
трубопроводом (прокладывать в пределах отапливаемой области) является недорогим
решением.
Нагрев
хозяйственно-питьевой
воды
осуществляется
центрально,
например, с помощью высокоэффективного конденсационного котла. Преимущество:
центральный
подвод
солнечной
энергии
(в
случае
применения
солнечных
коллекторов) тогда возможен намного дешевле.

Гелиоустановки (солнечные коллекторы) для нагрева хозяйственно-питьевой воды
строятся сегодня в количестве, достойном упоминания, даже если речь идет о сравнительно дорогих устройствах. В пассивном доме может стать интересным применение коллекторов, встроенных в крышу или стены, которые устанавливаются уже в
предварительно изготовленное место в оболочке здания. Высокая степень использования солнечной энергии достигается, если емкостной водонагреватель (использующий энергию солнца) рассчитывается на некоторую среднюю температуру и последующий нагрев осуществляется в проточном электронагревателе.

При небольших потребностях в нагреве хозяйственно-питьевой воды могли бы применяться небольшие (компактные) котлы, использующие деревянные гранулы.
32

При проектировании теплоснабжения для отдельной квартиры или одноквартирного
дома необходимо учитывать, что потребность в тепловой энергии для получения горячей воды превосходит максимальную отопительную нагрузку, а также годовое потребление тепловой энергии на отопление. Поэтому генератор тепла должен быть
оптимально рассчитан для нагрева горячей воды. Это требует нового подхода для
получения тепловой энергии, который может быть интересным для здания с низким
энергопотреблением: генератором тепла является емкостный водонагреватель, отапливаемый напрямую. Топливо и воздух, необходимый для горения, подводятся в камеру сгорания, которая находится в центре емкостного водонагревателя. Эта система
не должна использовать воздух из помещения и может обеспечить дополнительные
потребности на отопление.

Представленный в предыдущем пункте емкостный водонагреватель вместо топочной
камеры мог бы также обеспечиваться теплом от проложенного в секционном доме
внутреннего трубопровода с горячей водой, соединенного с отдельным источником
тепла (например, газовая котельная на один дом для горячего водоснабжения).

В пассивном доме интересным вариантом для нагрева хозяйственно-питьевой воды
является применение теплового насоса. Источником тепла может быть удаляемый
воздух из теплообменника системы вентиляции типа воздух-воздух. Большую часть
времени года удаляемый воздух имеет температуру более +15 ˚С. Кроме этого, добавляется теплота конденсации водяного пара, содержащегося в удаляемом воздухе с
тепловым потоком от 200 до 400 Вт. Суммарный тепловой поток, который можно
снять, составляет от 500 до 800 Вт. Применяя тепловой насос с этим источником тепла, можно получить от 500 до 1800 кВтч/год для нагрева горячей воды. Если тепло
удаляемого воздуха также используется для необходимого минимального отопления,
то во время небольшого количества особо холодных дней возможно в случае необходимости осуществлять прямой дополнительный подогрев хозяйственно-питьевой
воды. Эта система нагрева хозяйственно-питьевой воды с помощью теплового насоса
с испарителем, помещенным в канал удаляемого воздуха, особенно интересна для отдельно стоящего одноквартирного дома, но может быть рекомендована только при
достижении требований стандарта пассивного дома.
Вследствие незначительных капитальных затрат обсуждается также возможность
нагрева горячей воды напрямую, т.е. с использованием электрической энергии, например с
помощью нагревателя проточной воды, установленного в пассивном доме. Этот вариант, без
сомнения, является самым незначительным по капитальным затратам. Он предполагает
оптимизацию стоимости тепла для пассивного дома.
33
С помощью электрического нагрева горячей воды, однако, не так просто достигнуть
требуемого показателя потребления первичной энергии, который должен составлять для
пассивного дома не более 120 кВтч/(м2год).
Если потребление энергии на отопление и на нагрев горячей воды так сильно
уменьшено, как в пассивном доме, то в этом случае счет на оплату электроэнергии составляет
значительную часть эксплуатационных затрат.
Электрическая энергия используется в домашнем хозяйстве для многих целей:
охлаждение, заморозка, стирка, мойка посуды, связь, освещение и многое другое. Эта
используемая техника значительно облегчила нашу жизнь и сделала ее комфортнее. По
аналогии с отоплением помещений, для которых расход энергии благодаря современной
технике пассивного дома можно свести почти к нулю, потребление электрической энергии в
домашнем хозяйстве также значительно сокращается благодаря эффективным приборам.
В среднем одна семья потребляет около 32 кВт-ч/(м2год) на электро-энергию для
бытовых нужд. В первых построенных пассивных домах в г. Дармштадте в районе
Кранихштайн потребление электрической энергии для бытовых нужд было сокращено почти
в два раза, несмотря на то, что четыре блок-секции были оснащены обычными на
сегодняшний день приборами с большим энергопотреблением, вплоть до сушилок для белья,
которые не используются, так как имеется сушильное помещение.
В вопросе потребления электроэнергии решающим пунктом является техническая
эффективность приборов. Например, потребление электроэнергии для холодильников все
еще сильно различается по сравнению со стандартными новыми изделиями. Самый
эффективный из них потребляет менее чем 100 кВтч/год, в то время как в продаже попрежнему имеются старые серии с потреблением более 300 кВтч/год.
Некоторые основные принципы для эффективных систем с низким потреблением
электроэнергии в пассивном доме представлены ниже:

Важнейшим решением является покупка бытовых приборов. В качестве ориентации
здесь можно использовать, например, проектную информацию по CEPHEUS № 3
«Электрические
приборы
для
пассивных
зданий
и
проектирование
энергопотребления».

При освещении в доме рекомендуется, как правило, использовать компактные
флуоресцентные лампы (лампы дневного света) с электронным стартером. За редким
исключением (например, стол для шитья) ими можно оборудовать всю осветительную
арматуру. Расход электроэнергии будет в 4-5 раз меньше, чем при лампах накаливания.

При проектировании электрооборудования необходимо обратить внимание на
многочисленных потребителей, которые постоянно потребляют небольшое количество
34
электрической энергии. Многие приборы (внутренний телефон, кабельный тюнер,
радиотелефон и т.д.) имеют свой отдельный небольшой блок питания от сети с
постоянным потреблением более чем 10 Вт. Здесь возможна значительная экономия.
Прежде всего это относится к промышленности, которая должна в данном случае
предлагать блок питания от сети с минимальным потреблением «в режиме ожидания»
(Stendby). Тем временем уже существует международная инициатива ограничить
величину этих утечек до значения не более 1 Вт на каждый прибор.

Если установлена эффективная система для нагрева горячей воды, например, с
помощью солнечного коллектора или емкостного водонагревателя с тепловым
насосом, работающего за счет тепла воздуха внутренних помещений, то выгодно
подключение стиральной и посудомоечной машины к этому источнику горячего
водоснабжения. Это один из результатов исследований потребления электроэнергии в
пассивном доме в г. Дармштадте.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №7, 8, 9 (6 часов)
35
1. Цель
практического
занятия:
Ознакомить
студентов
с
альтернативными
источниками энергии и их использованием в пассивных домах.
2. План проведения занятия:
2.1. Солнечные батареи, коллектора и фотоэлектрические элементы.
2.2. Геотермальные тепловые насосы.
2.3. Ветрогенераторные установки.
3. Используемые технологии преподавания.
Практические
занятия
проводятся
в
лаборатории
энергоэффективности
и
энергосбережения. Около 50% времени практических занятий отведено на интерактивные
формы обучения основным положениям проектирования пассивных домов. Для этого
используются применение лабораторных стендов компьютеров и новых информационных
технологий (методы IT), работа в команде, case-study, игра, проблемное, контекстное и
индивидуальное обучение на основе опыта. Студентам предлагается изучить альтернативные
источники энергии, ознакомится с их реальным применением на примере лабораторных
стендов.
Программные средства для проведения практических занятий в интерактивной форме
содержатся в лаборатории энергоэффективности и энергосбережения 210-1.
4. Задачи, рассматриваемые на практическом занятии.
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ
Солнечная радиация может быть преобразована в полезную энергию, используя так
называемые активные и пассивные солнечные системы. Пассивные системы получаются с
помощью проектирования зданий и подбора строительных материалов таким образом, чтобы
максимально использовать энергию Солнца. К активным солнечным системам относятся
солнечные коллекторы. Также в настоящее время ведутся разработки фотоэлектрических
систем - это системы, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в
электричество.
Энергия – это движущая сила любого производства. Тот факт, что в распоряжении
человека оказалось большое количество относительно дешевой энергии, в значительной
степени способствовало индустриализации и развитию общества.
Пассивные солнечные здания - это те, проект которых разработан с максимальным
учетом местных климатических условий, и где применяются соответствующие технологии и
материалы для обогрева, охлаждения и освещения здания за счет энергии Солнца. К ним
36
относятся традиционные строительные технологии и материалы, такие как изоляция,
массивные полы, обращенные к югу окна. Такие жилые помещения могут быть построены в
некоторых случаях без дополнительных затрат. В других случаях возникшие при
строительстве
энергозатрат.
дополнительные
Пассивные
расходы
солнечные
могут
здания
быть
являются
скомпенсированы
экологически
снижением
чистыми,
они
способствуют созданию энергетической независимости и энергетически сбалансированному
будущему.
Активное использование солнечной энергии осуществляется с помощью солнечных
коллекторов и солнечных систем.
В основе многих солнечных энергетических систем лежит применение солнечных
коллекторов. Коллектор поглощает световую энергию Солнца и преобразует ее в тепло,
которое передается теплоносителю (жидкости или воздуху) и затем используется для
обогрева зданий, нагрева воды, производства электричества, сушки сельскохозяйственной
продукции или приготовления пищи. Солнечные коллекторы могут применяться практически
во всех процессах, использующих тепло.
Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленных на
крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черный цвет для
максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый
корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Таким образом,
коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую тепло под стеклянной
панелью. Поскольку солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен
иметь большую площадь.
Существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций в зависимости
от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство горячей водой для стирки, мытья и
приготовления пищи, либо использоваться для предварительного нагрева воды для
существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество
различных моделей коллекторов.
Простейший вид солнечного коллектора - это "емкостной" или "термосифонный
коллектор", получивший это название потому, что коллектор одновременно является и
теплоаккумулирующим баком, в котором нагревается и хранится "одноразовая" порция воды.
Такие коллекторы используются для предварительного нагрева воды, которая затем
нагревается до нужной температуры в традиционных установках, например, в газовых
колонках.
37
В условиях домашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бакнакопитель. Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев.
Такой коллектор - недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательной системе,
не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимального техобслуживания,
с нулевыми эксплуатационными расходами.
Плоские коллекторы - самый распространенный вид солнечных коллекторов,
используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах.
Обычно этот коллектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик
со стеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черный цвет
пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либо матовым. В
плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с
низким содержанием железа (оно пропускает значительную часть поступающего на
коллектор солнечного света). Солнечный свет попадает на тепловоспринимающую пластину,
а благодаря остеклению снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора
покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.
38
Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба вида коллекторов
бывают остекленными или неостекленными.
Традиционные простые плоские солнечные коллекторы были спроектированы для
применения в регионах с теплым солнечным климатом. Они резко теряют в эффективности в
неблагоприятные дни - в холодную, облачную и ветреную погоду. Более того, вызванные
погодными условиями конденсация и влажность приводят к преждевременному износу
внутренних материалов, а это, в свою очередь, - к ухудшению эксплуатационных качеств
системы и ее поломкам. Эти недостатки устраняются путем использования вакуумированных
коллекторов.
Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там, где
нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозь наружную
стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается в тепло. Оно передается
жидкости, протекающей по трубке. Коллектор состоит из нескольких рядов параллельных
стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплен трубчатый поглотитель (вместо
пластины-поглотителя в плоских коллекторах) с селективным покрытием. Нагретая жидкость
циркулирует через теплообменник и отдает тепло воде, содержащейся в баке-накопителе.
Вакуум в стеклянной трубке - лучшая из возможных теплоизоляций для коллектора снижает
потери
тепла
и
защищает
поглотитель
и
теплоотводящую
трубку
от
неблагоприятных внешних воздействий. Результат - отличные рабочие характеристики,
превосходящие любой другой вид солнечного коллектора.
Фокусирующие коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхности для
концентрации
солнечной
энергии
на
поглотителе,
который
также
называется
"теплоприемник". Достигаемая ими температура значительно выше, чем на плоских
коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечное излучение, что
39
приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду. Зеркальная поверхность
фокусирует солнечный свет, отраженный с большой поверхности, на меньшую поверхность
абсорбера, благодаря чему достигается высокая температура. В некоторых моделях
солнечное излучение концентрируется в фокусной точке, тогда как в других лучи солнца
концентрируются вдоль тонкой фокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке
или вдоль фокальной линии.
Жидкость-теплоноситель проходит через приемник и поглощает тепло. Такие
коллекторы-концентраторы наиболее пригодны для регионов с высокой инсоляцией - близко
к экватору и в пустынных районах.
Существуют и другие недорогие технологически несложные солнечные коллекторы
узкого назначения - солнечные печи (для приготовления еды) и солнечные дистилляторы,
которые позволяют дешево получить дистиллированную воду практически из любого
источника.
Они дешевы и просты в изготовлении. Они состоят из просторной хорошо
теплоизолированной коробки, выстеленной отражающим свет материалом (например,
фольгой), накрытой стеклом и оборудованной внешним отражателем. Кастрюля черного
цвета служит поглотителем, нагреваясь быстрее, чем обычная посуда из алюминия или
нержавеющей стали. Солнечные печи можно использовать для обеззараживания воды, если
доводить ее до кипения.
Бывают ящичные и зеркальные (с отражателем) солнечные печи.
40
Солнечные дистилляторы обеспечивают дешевую дистиллированную воду, причем
источником может служить даже соленая или сильно загрязненная вода.
В их основе лежит принцип испарения воды из открытого контейнера. Солнечный
дистиллятор использует энергию Солнца для ускорения этого процесса. Состоит он из
теплоизолированного контейнера темного цвета с остеклением, которое наклонено с таким
расчетом, чтобы конденсирующаяся пресная вода стекала в специальную емкость.
Небольшой солнечный дистиллятор - размером с кухонную плиту - в солнечный день может
вырабатывать до десяти литров дистиллированной воды.
Горячее водоснабжение - наиболее распространенный вид прямого применения
солнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов, в которых
жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячей воды, нагретой
посредством жидкости-теплоносителя. Даже в регионах с относительно небольшим
количеством солнечной радиации, например в Северной Европе, солнечная система может
обеспечить 50-70% потребности в горячей воде. Больше получить невозможно, разве что с
41
помощью сезонного регулирования. В Южной Европе солнечный коллектор может
обеспечить 70-90% потребляемой горячей воды. Нагрев воды с помощью энергии Солнца очень практичный и экономный способ. В то время, как фотоэлектрические системы
достигают эффективности 10-15%, тепловые солнечные системы показывают КПД 50-90%. В
сочетании с деревосжигающими печами бытовую потребность в горячей воде можно
удовлетворять практически круглый год без применения ископаемых видов топлива.
Термосифонными называются солнечные водонагревательные системы с естественной
циркуляцией (конвекцией) теплоносителя, которые используются в условиях теплой зимы
(при отсутствии морозов). В целом это не самые эффективные из солнечных энергосистем,
но они имеют много преимуществ с точки зрения строительства жилья.
Термосифонная
циркуляция
теплоносителя
происходит
благодаря
изменению
плотности воды с изменением ее температуры.
Термосифонная система делится на три основные части:

плоский коллектор (абсорбер);

трубопроводы;

бак-накопитель для горячей воды (бойлер).
Когда вода в коллекторе (обычно в плоском) нагревается, она поднимается по стояку и
поступает в бак-накопитель; на ее место в коллектор со дна бака-накопителя поступает
холодная вода. Поэтому необходимо располагать коллектор ниже бака-накопителя и утеплять
соединительные трубы.
Такие установки популярны в субтропических и тропических областях.
Солнечные системы подогрева воды чаще всего используются для обогрева бассейнов.
Несмотря на то, что стоимость такой установки меняется в зависимости от размера бассейна
и других специфических условий, если солнечные системы устанавливаются с целью
снижения или отказа от потребления топлива или электроэнергии, они за два-четыре года
окупаются за счет экономии энергии. Более того, обогрев бассейна позволяет на несколько
недель продлить купальный сезон без дополнительных затрат.
В большинстве зданий не составляет труда устроить солнечный обогреватель для
бассейна. Он может сводиться к простому черному шлангу, по которому в бассейн подается
вода. Для открытых бассейнов нужно всего лишь установить абсорбер. Закрытые бассейны
требуют установки стандартных коллекторов, чтобы обеспечить теплую воду и зимой.
Есть и такие установки, которые позволяют зимой использовать тепло, накопленное
летом солнечными коллекторами и сохраненное при помощи больших аккумулирующих
баков (сезонное аккумулирование). Здесь проблема заключается в том, что количество
жидкости, необходимое для обогрева дома, сопоставимо с объемом самого дома. Вдобавок,
42
хранилище тепла необходимо очень хорошо изолировать. Чтобы обычный домашний бакнакопитель сохранил большую часть тепла в течение полугода, его пришлось бы обернуть в
слой изоляции толщиной 4 метра. Поэтому выгодно делать объем накопительной емкости
очень большим. Из-за этого снижается отношение площади поверхности к объему.
Крупные солнечные установки центрального отопления используются в Дании,
Швеции, Швейцарии, Франции и США.
Солнечные модули устанавливают прямо на земле. Без хранилища такая солнечная
отопительная установка может покрыть около 5% годовой потребности в тепле, так как
установка не должна вырабатывать больше, чем минимальное количество потребляемого
тепла, включая потери в районной системе отопления (до 20% при передаче). Если есть
хранение дневного тепла в ночное время, то солнечная отопительная установка может
покрывать 10-12% потребности в тепле, включая потери при передаче, а с сезонным
хранением тепла - до 100%. Существует также возможность комбинирования районного
отопления с индивидуальными солнечными коллекторами. Районную систему отопления
можно отключить на лето, когда горячее водоснабжение обеспечивается Солнцем, и нет
потребности в отоплении.
В дополнение к прямому использованию солнечного тепла, в регионах с высоким
уровнем солнечной радиации ее можно использовать для получения пара, который вращает
турбину и вырабатывает электроэнергию. Производство солнечной тепловой электроэнергии
в крупных масштабах достаточно конкурентоспособно. Промышленное применение этой
технологии берет свое начало в 1980-х; с тех пор эта отрасль быстро развивалась. В
настоящее время энергокомпаниями США уже установлено более 400 мегаватт солнечных
тепловых электростанций, которые обеспечивают электричеством 350 000 человек и
замещают эквивалент 2,3 млн. баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных
в пустыне Мохаве (в американском штате Калифорния) имеют 354 МВт установленной
мощности и накопили 100 лет опыта промышленной эксплуатации. Эта технология является
настолько развитой, что, по официальным сведениям, может соперничать с традиционными
электрогенерирующими технологиями во многих районах США. В других регионах мира
также скоро должны быть начаты проекты по использованию солнечного тепла для
выработки
электроэнергии.
Индия,
Египет,
Марокко
и
Мексика
разрабатывают
соответствующие программы, гранты для их финансирования предоставляет Глобальная
программа защиты окружающей среды (GEF). В Греции, Испании и США новые проекты
разрабатываются независимыми производителями электроэнергии.
По способу производства тепла солнечные тепловые электростанции подразделяют на
солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.
43
Такие электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз и
рефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатывать
электричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду. Большие зеркала - с
точечным либо линейным фокусом - концентрируют солнечные лучи до такой степени, что
вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии для того, чтобы вращать
турбину. Фирма "Luz Corp." установила огромные поля таких зеркал в калифорнийской
пустыне. Они производят 354 МВт электроэнергии. Эти системы могут превращать
солнечную энергию в электричество с КПД около 15%.
Существуют следующие виды солнечных концентраторов:
 Солнечные параболические концентраторы
 Солнечная установка тарельчатого типа
 Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником.
Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы не могут вырабатывать
энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно
сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в
так называемых солнечных прудах.
Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды,
неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и
конвекционный слой с низкой концентрацией соли - на поверхности. Солнечный свет падает
на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой
концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной
энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности. Она остается у дна пруда,
постепенно нагреваясь, пока почти не закипает (в то время как верхние слои воды остаются
относительно холодными). Горячий придонный "рассол" используется днем или ночью в
качестве
источника
тепла,
благодаря
которому
особая
турбина
с
органическим
теплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного пруда
выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на
поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того,
чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через
нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается
турбина для производства электричества.
Устройства для прямого преобразования световой или солнечной энергии в
электроэнергию называются фотоэлементами (по-английски Photovoltaics, от греческого
photos - свет и названия единицы электродвижущей силы - вольт). Преобразование
солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, изготовленных из
44
полупроводникового материала, например, кремния, которые под воздействием солнечного
света вырабатывают электрический ток. Соединяя фотоэлементы в модули, а те, в свою
очередь, друг с другом, можно строить крупные фотоэлектрические станции. Крупнейшая
такая станция на сегодняшний день - это 5-мегаваттная установка Карриса Плейн в
американском штате Калифорния. КПД фотоэлектрических установок в настоящее время
составляет около 10%, однако отдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20%
и более.
Солнечные фотоэлектрические системы просты в обращении и не имеют движущихся
механизмов, однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства,
аналогичные используемым для производства интегральных схем. В основе действия
фотоэлементов лежит физический принцип, при котором электрический ток возникает под
воздействием света между двумя полупроводниками с различными электрическими
свойствами, находящимися в контакте друг с другом.
Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль.
Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают
постоянный, а не переменный ток. Он используется во многих простых устройствах,
питающихся от батарей. Переменный же ток, напротив, меняет свое направление через
регулярные
промежутки
времени.
Именно
этот
тип
электричества
поставляют
энергопроизводители, он используется для большинства современных приборов и
электронных устройств. В простейших системах постоянный ток фотоэлектрических
45
модулей используется напрямую. Там же, где нужен переменный ток, к системе необходимо
добавить инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный.
В ближайшие десятилетия значительная часть мирового населения познакомится с
фотоэлектрическими системами. Благодаря им исчезнет традиционная необходимость
сооружения крупных дорогостоящих электростанций и распределительных систем. По мере
того, как стоимость фотоэлементов будет снижаться, а технология - совершенствоваться,
откроется
несколько
потенциально
огромных
рынков
фотоэлементов.
К
примеру,
фотоэлементы, встроенные в стройматериалы, будут осуществлять вентиляцию и освещение
домов. Потребительские товары - от ручного инструмента до автомобилей - выиграют в
качестве от использования компонентов, содержащих фотоэлектрические компоненты.
Коммунальные предприятия также смогут находить все новые способы применения
фотоэлементов для удовлетворения потребностей населения.
К простейшим фотоэлектрическим системам относятся:

солнечные насосы - фотоэлектрические насосные установки являются долгожданной
альтернативой дизельным генераторам и ручным насосам. Они качают воду именно
тогда, когда она особенно нужна - в ясный солнечный день. Солнечные насосы просто
устанавливать и эксплуатировать. Небольшой насос может установить один человек за
пару часов, причем ни опыт, ни специальное оборудование для этого не нужны.

фотоэлектрические системы с аккумулятором - аккумулятор заряжается от солнечного
генератора, запасает энергию и делает ее доступной в любое время. Даже в самых
неблагоприятных условиях и в отдаленных пунктах фотоэлектрическая энергия,
сохраняемая в аккумуляторах, может питать необходимое оборудование. Благодаря
аккумулированию электроэнергии фотоэлектрические системы служат надежным
источником электропитания днем и ночью, в любую погоду. Фотоэлектрические
системы, оснащенные аккумулятором, во всем мире питают осветительные приборы,
сенсоры, звукозаписывающее оборудование, бытовые приборы, телефоны, телевизоры
и электроинструменты.

фотоэлектрические системы с генераторами - когда электричество нужно непрерывно
или возникают периоды, когда его нужно больше, чем может выработать одна только
фотобатарея, ее может эффективно дополнить генератор. В дневные часы
фотоэлектрические модули удовлетворяют дневную потребность в энергии и
заряжают
аккумулятор.
Когда
аккумулятор
разряжается,
двигатель-генератор
включается и работает до тех пор, пока батареи не подзарядятся. В некоторых
системах генератор восполняет недостаток энергии, когда потребление электричества
превышает общую мощность аккумуляторов. Двигатель-генератор вырабатывает
46
электричество в любое время суток. Таким образом, он представляет собой
прекрасный резервный источник питания для дублирования ночью или в ненастный
день фотоэлектрических модулей, зависящих от прихотей погоды. С другой стороны,
фотоэлектрический модуль работает бесшумно, не требует ухода и не выбрасывает в
атмосферу загрязняющие вещества. Комбинированное использование фотоэлементов
и генераторов способно снизить первоначальную стоимость системы. Если резервной
установки нет, фотоэлектрические модули и аккумуляторы должны быть достаточно
большими, чтобы обеспечивать питание ночью.

фотоэлектрические системы, присоединённые к сети - в условиях централизованного
энергоснабжения,
подключенная
к
сети
фотоэлектрическая
система
может
обеспечивать часть необходимой нагрузки, другая часть при этом поступает из сети. В
этом случае аккумулятор не используется. Тысячи домовладельцев в разных странах
мира используют такие системы. Энергия фотоэлементов либо используется на месте,
либо подается в сеть. Когда же владельцу системы нужно больше электричества, чем
она вырабатывает - например, вечером, то возросшая потребность автоматически
удовлетворяется за счет сети. Когда же система вырабатывает больше электричества,
чем может потребить хозяйство, излишек отправляется (продается) в сеть. Таким
образом, коммунальная сеть выступает в роли резерва для фотоэлектрической
системы, как аккумулятор - для автономной установки.

промышленные фотоэлектрические установки - фотоэлектрические станции работают
бесшумно, не потребляют ископаемого топлива и не загрязняют воздух и воду. К
сожалению, фотоэлектрические станции пока еще не очень динамично входят в
арсенал коммунальных сетей, что можно объяснить их особенностями. При
современном методе подсчета стоимости энергии, солнечное электричество все еще
значительно дороже, чем продукция традиционных электростанций. К тому же
фотоэлектрические системы вырабатывают энергию только в светлое время суток, и
их производительность зависит от погоды.
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
Геотермальная энергия вырабатывается и хранится в земле. Ее название происходит от
греческого «земля» (γη – ge) и «горячий» (θερμος – thermos). Это ресурс, который является
результатом разницы температур между ядром планеты и ее поверхностью. Этот
«геотермальный градиент» непрерывно проводит тепловую энергию к поверхности Земли,
так как породы в ядре тают от высокой температуры и давления, создавая конвекцию магмы,
47
направленную вверх, так как она легче, чем твердые породы. Несмотря на то, что
температура в ядре достигает около 5000 градусов по Цельсию, температура пород и воды в
земной коре, нагреваемых магмой, редко превышает 370 градусов по Цельсию.
Теоретически, геотермальных ресурсов Земли достаточно для удовлетворения
человеческих потребностей в электроэнергии, однако лишь очень небольшая их часть может
быть использована в действительности, потому что разведка и бурение глубокозалегающих
ресурсов стоит очень дорого. Тем не менее, продолжающийся технический прогресс
расширяет диапазон ресурсов.
По способу применения геотермальной энергии различают следующие три категории:

Прямое
использование,
при
котором
горячая
вода
и
пар,
направленные
непосредственно к поверхности Земли, используются в системах отопления,
садоводстве и производственных процессах;

Производство электроэнергии, при котором геотермальное тепло используется для
приведения в движение турбины геотермальным паром или горячей водой; или

Тепловые насосы, которые работают благодаря перемещению тепла и используются
для регулирования температуры зданий. Если точнее, то тепловые насосы, строго
говоря, не являются энергогенерирующими технологиями – и поэтому здесь они
упоминаются вкратце.
Способы прямого использования не требуют передовых технологий и существуют уже
на протяжении нескольких тысяч лет. В настоящее время способы прямого использования
включают отопление зданий (и районов, а также целых деревень и городов), парниковое
садоводство, сушку культур, аквакультуру, а также промышленные процессы, такие как
пастеризация.
В современных системах прямого использования в геотермальный резервуар бурится
скважина, чтобы обеспечить постоянный поток горячей воды. Если геотермальная скважина
не является артезианской (замкнутый резервуар подземных вод, находящийся под
положительным давлением), необходимо использовать забойный насос. Насос может поднять
жидкость на поверхность, а также предотвратить выброс вредных веществ. Как правило,
данные
забойные
насосные
системы
направляют
движение
насосных
систем
с
трансмиссионным валом или систем погружного насоса (представляют собой два
существующих типа насосов). Оба типа насосов используются для перекачивания холодной
воды и для нужд геотермальных установок. Насосы с трансмиссионным валом, как правило,
предпочтительнее, в сравнении с погружными насосами, поскольку они являются
надежными и менее дорогими. Однако, если глубина достигает более 250 м, необходимы
погружные насосы.
48
Жидкая вода, пар или двухфазная смесь транспортируется к поверхности земли с
помощью специальных жаростойких труб. Значительная разница между температурой
окружающей среды и геотермальной температурой может вызвать серьезную нагрузку на
трубопровод, который, следовательно, требует тщательного инженерного проектирования.
Геотермальная система состоит либо из однотрубной, либо из двухтрубной системы. В
зависимости от того, какая система используется, охлажденная вода либо закачивается
обратно в землю, либо распределяется в других местах на поверхности Земли. В
предыдущем типе системы, прямоточной системе водоснабжения, жидкость утилизируется
после ее использования. В двухтрубной системе жидкость рециркулирует и сохраняет
остаточное тепло. Однотрубные системы предпочтительнее, когда нет недостатка в
геотермальной энергии и чистой воде, а двухтрубные системы (стоят на 20 — 30% больше)
49
используются в том случае, когда охлажденную жидкость необходимо обратно закачать в
резервуар.
В теплообменнике геотермальное тепло передается от геотермальной жидкости к
рабочей жидкости. Среда обычно используется, чтобы изолировать геотермальную жидкость
на стороне потребителя для предотвращения коррозии и образования накипи из
геотермальной воды, которая содержит вредные газы и минералы (например, мышьяк,
сероводород и бор). Основные теплообменники, используемые в геотермальных системах –
пластинчатый, кожухотрубный и скважинный.
Теплоизоляция необходима для транспортирующих труб с целью минимизации
тепловых потерь и устранения влаги, которая может уничтожить саму теплоизоляцию и
вызвать коррозию. Значительная изоляции достигается путем подземной прокладки
трубопроводов с горячей водой (например, около трети неизолированных стальных труб).
Гораздо больший эффект на тепловые потери оказывает не материал, из которого
изготовлены трубы, а скорость потока (при низких скоростях потока тепловые потери выше,
чем при больших). Стальные трубы используются в большинстве случаев, однако при низких
температурах также могут использоваться волокнит или поливинилхлорид. Трубопроводы из
углеродистой стали могут быть изолированы полиуретановой пеной (2,5 — 10 см),
минеральной ватой или стекловолокном. При подземной прокладке такие трубы должны
быть защищены оболочкой из поливинилхлорида; при надземной — можно использовать
алюминий.
На рисунке изображена температура жидкости в зависимости от расстояния, диаметр
трубопровода 45 см, изолирован 50-сантиметровым слоем пенополиуретана.
50
Производство геотермальной электроэнергии основывается на той же концепции, что
и производство электроэнергии из ископаемого топлива: оно состоит из конструкции,
включающей турбину, которая приводит в действие генератор. Однако используемой
энергией является пар из земной коры, а не произведенный из угля, нефти или газа.
Существует три типа геотермальных энергетических технологий:

Сухой пар

Мгновенный пар

Двойной цикл
Электростанции,
использующие
мгновенный
пар,
являются
наиболее
распространенным способом получения геотермальной электроэнергии. Они используют
очень горячую воду под давлением (выше 180°C), которая течет вверх через скважины, часто
с помощью насосов. Так как горячая вода поднимается, ее давление падает, и часть воды
закипает (или «мгновенно исчезает») и превращается в пар. Пар используется для
приведения в действие турбины. Остатки воды и конденсированного пара обратно
закачиваются в резервуар.
В отличие от резервуаров с подземными водами, которые приводят в действие
электростанции, использующие мгновенный пар, электростанции, использующие сухой пар,
51
работают на подземных ресурсах пара. Пар перемещается по трубопроводу непосредственно
из подземных скважин на электростанцию, где он направляется в турбину и блок
генераторов.
Сухой пар для производства геотермальной электроэнергии используется реже,
потому что его тяжело найти, знания о его местонахождении также ограничены.
Электростанции
двойного
цикла используют
более
холодные
геотермальные
резервуары, чем электростанции, работающие на мгновенном и сухом пару. В качестве
рабочей среды выступает жидкость, которая приводит в действие турбины вместо
геотермальной воды или пара. Эти электростанции используют тепло от горячей воды, чтобы
довести эту жидкость до кипения (органические соединения с более низкой температурой
кипения, чем у воды, такие как изобутан или изопентан), выпаривая ее в теплообменнике и
используя для работы турбины. Вторичная жидкость испаряется, полученный пар вращает
турбины, которые передают энергию вращения на вал генератора. Оставшаяся вторичная
жидкость
просто
рециркулирует
через
теплообменник.
Геотермальная
жидкость
конденсируется и возвращается в резервуар. Охлажденная вода закачивается обратно в землю
для подогревания. Так как горячая вода (которая обычно содержит растворенные соли и
минералы) никогда не попадает в атмосферу до закачивания обратно в резервуар, этот тип
52
геотермальной электростанции имеет превосходные экологические характеристики по
сравнению с другими.
Электростанции двойного цикла были введены в середине 1980-х годов и, несмотря на
их относительно низкую производительность (10 — 15%), являются наиболее быстро
растущим видом геотермальных технологий с производством электроэнергии.
Геотермальные тепловые насосы иногда включают в список геотермальных
энергетических технологий.
53
В то время как они обеспечивают эффективный обогрев и охлаждение зданий, строго
говоря, они сами по себе являются приборами, потребляющими электроэнергию, и работают
благодаря перемещаемому, а не вырабатываемому теплу. Тепловые насосы могут сократить
потребление энергии здания от 30 до 50 процентов (по сравнению с обычными
электрическими системами отопления и охлаждения), и отдают в три-четыре раза больше
энергии, чем потребляют.
Усовершенствованные
геотермальные
системы
(УГС)
являются
не
столько
геотермальными технологиями преобразования энергии, сколько представляют собой метод
использования геотермальных ресурсов. В то время как природные гидротермальные
ресурсы
являются
комбинацией
значительного
количества
тепла,
жидкости
и
водопроницаемости в резервуарах, усовершенствованная геотермальная система (УГС)
является альтернативой, благодаря которой разрабатываются гидротермальные резервуары в
горячих породах.
Вместо того, чтобы использовать природные водоемы, УГС фокусируется на
глубоких, сухих, горячих резервуарах в породах ниже поверхности земли, которые будут
доступны для производства геотермальной электроэнергии. Для их использования
необходимо искусственно создать в горных породах горячие резервуары и перекачивать в них
воду под высоким давлением. Так как перекачиваемая вода нагревается, поднимается и
испаряется, полученный пар может быть использован для вращения турбины, которая
вырабатывает электроэнергию. Охлажденная вода возвращается в резервуар через
нагнетательные скважины для завершения циркуляционного цикла.
В настоящее время УГС в первую очередь поддерживаются Министерством
Энергетики
США,
геотермальной
промышленностью,
54
научными
учреждениями
и
венчурными фирмами (например, Google) в рамках демонстрационных проектов. Также
существуют программы НИОКР в Австралии, Франции, Германии и Японии, которые
направлены на то, чтобы сделать УГС коммерчески конкурентоспособными. Однако следует
отметить, что УГС в настоящее время являются экспериментальным подходом, который
требует однозначно специализированных технологий. До сих пор УГС не являются
коммерчески конкурентоспособными, так как необходим значительный прогресс в методиках
определения параметров места, создания резервуара, при разработке месторождения
скважины и завершения работ, при деятельности систем, необходимы также улучшения в
технологии бурения и преобразовании энергии.
Высказываются опасения в отношении УГС как средств, которые потенциально
ухудшают сейсмическую активность при проведении горячего сухого бурения пород. Такие
риски аналогичны тем, что связаны с гидравлическим разрывом при бурении нефтяных и
газовых скважин и получением, и хранением диоксида углерода.
ЭНЕРГИЯ ВЕТРА
Ветер - это движение воздуха относительно земной поверхности, обусловленное
разностью атмосферного давления и направленное от высокого давления к низкому.
Причиной неравномерного распределения давления атмосферы является неодинаковый
нагрев воздуха, в основном, за счет солнечной радиации. Ветер характеризуется скоростью
(υв) и направлением. Скорость выражается в м/с, км/ч или приближенно в баллах по шкале
Бофорта.
Ветроэнергетика - это отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств,
для преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию.
Важной особенностью энергии ветра, как и солнечной, является то, что она может быть
использована практически повсеместно.
Ветродвигатель - устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в
механическую энергию.
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс технических
устройств, для преобразования энергии ветра в другие виды: механическую, электрическую
или тепловую.
55
Ветродвигатель является неотъемлемой частью ВЭУ. В ее состав также могут входить
рабочие машины (электрогенератор, тепловой генератор), аккумулирующие устройства,
системы автоматического управления и регулирования и др.
Ветровая энергия представляет собой возобновляемый источник энергии, являющийся
вторичным по отношению к солнечной энергии. Причиной возникновения ветра являются
разности температур в атмосфере, образующиеся в результате действия солнечного
излучения, которые, в свою очередь, обуславливают возникновение различных давлений.
Ветер возникает в процессе рассеяния энергии, накопившейся вследствие наличия этих
различных давлений.
Ветроэнергетичическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая
удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного
потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500
Вт/м2. Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу
скорости ветра.
Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью
идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии
воздушного потока может быть равен 59,3%. На практике максимальный КПИ энергии ветра
в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50%, однако и этот показатель достигается
не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом.
Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической
энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75-95%.
56
Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным
ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30-40% мощности воздушного потока
при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных
проектом.
Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей.
Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или
настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите
от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть
извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать
номинальной электрической мощности генератора.
Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года
составляет 15-30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и
параметров ветроагрегата.
К основным техническим характеристикам ВЭУ относятся:

номинальная мощность;

номинальная (расчетная) скорость ветра;

минимальная скорость ветра;

максимальная рабочая скорость ветра;

номинальная частота вращения ветроколеса.
Номинальная мощность (Рн, кВт) - это мощность ВЭУ, развиваемая при скорости
ветра в пределах от номинальной (расчетной) до максимальной рабочей. Значение Рн
указывается изготовителем в паспорте на ветродвигатель.
Номинальная (расчетная) скорость ветра (υp, м/с) - скорость ветра, при которой ВЭУ
развивает номинальную мощность. Для различных конструкций ветроустановок эта скорость
различна.
Минимальная скорость ветра (υ0, м/с) - скорость ветра, при которой ВЭУ вступает в
работу.
Для
тихоходных
установок
эта
скорость
не
превышает
2...3м/с,
для
быстроходных υ0≥7м/с.
Максимальная рабочая скорость ветра (υM, м/с) - скорость ветра, превышение которой
может привести к разрушению ВЭУ. При υB>υM производят так называемое штормовое (или
буревое) отключение ВЭУ. Значение υMдля различных типов ВЭУ лежит в пределах
25...60м/с.
57
Зависимость выходной мощности ВЭУ от скорости ветра
при регулировании скорости вращения ветроколеса:
Рн - номинальная мощность ВЭУ;
υ0 - минимальная скорость ветра, при которой ВЭУ начинает отдавать энергию;
υp - расчетная скорость ветра;
υM - максимальная скорость ветра для работы ВЭУ
Номинальная частота вращения ветроколеса (nнвк, об./мин) - это такая скорость
вращения, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность.
Для большинства современных ВЭУ частоту вращения ветроколеса регулируют с
целью обеспечения постоянства этого параметра при изменении скорости ветра
ВЭУ по своему назначению и виду преобразования энергии ветра в другие виды
подразделяют
на:
ветромеханические,
ветроэлектрические,
ветротепловые
и
комбинированные (получение, например, механической и электрической энергии). Наиболее
универсальны ветроэлектрические установки, по этой причине они получили наибольшее
распространение.
С точки зрения автономности использования различаются ВЭУ:

автономные;

работающие
с
другими
энергоисточниками
(дизельные
электростанции,
фотоэлектрические установки и др.);

работающие в составе энергосистемы электроснабжения.
Автономные ВЭУ могут использоваться в качестве источника энергоснабжения, и в
первую очередь — электроснабжения объектов, удаленных от ЛЭП (линии электропередач),
газопроводов и других коммуникаций.
58
Учитывая непостоянство скорости ветра, а зачастую и его отсутствие, для
непрерывного энергоснабжения в составе таких ВЭУ необходимо иметь аккумуляторы того
вида энергии, который производится с помощью данной установки.
Так,
для
ветроэлектрических
установок
необходимо
иметь
электрический
аккумулятор, способный обеспечить бесперебойное поступление электроэнергии на объект
не менее 2-х суток.
ВЭУ, работающие с другими энергоисточниками, позволяют наилучшим образом
выполнять задачу непрерывного энергоснабжения любых объектов. Благодаря наличию
дизель-генератора, фотоэлектрической станции, мини-ТЭЦ или небольшой ГЭС имеется
возможность исключить потребность в аккумулировании энергии, производимой ВЭУ. При
этом за счет использования ВЭУ обеспечивается экономия традиционного топлива.
При
работе
ВЭУ
в
составе
энергосистемы
также
обеспечивается
полное
использование энергетического потенциала этой установки и экономия других ТЭР,
потребляемых электростанциями, которые питают энергосистему.
Основным рабочим органом ветродвигателя ВЭУ является ветроколесо, принимающее
на себя энергию ветра и преобразующее ее в механическую энергию своего вращения. Оно
вращается за счет аэродинамических сил, возникающих при взаимодействии ветрового
потока и лопастей. Различают быстроходные и тихоходные ветроколеса. Быстроходное
ветроколесо имеет небольшое число лопастей, обычно две или три.
Векторная диаграмма сил и скоростей в сечении лопасти быстроходного ветроколеса:

υв - скорость ветра;

ωR - окружная скорость сечения лопасти;

υп - скорость набегающего потока;

R - радиус вращения сечения лопасти;

φ - угол установки лопасти;

а - угол атаки;

Fa - полная аэродинамическая сила;

Fn - подъемная сила;

Fc - сила лобового сопротивления.
Для сечения лопасти, удаленного от центра вращения на расстояние R (радиус
вращения), при угловой скорости вращения ω линейная скорость кругового движения
(окружная скорость) сечения будет равна ωR.
Вектор этой скорости расположен в плоскости вращения ветроколеса. Для данного
сечения воздушный поток набегает с относительной скоростью υп, которая будет превышать
скорость ветра υв, так как она складывается (векторно) из υв и окружной скорости ωR.
59
Возникающая аэродинамическая сила Fa раскладывается на подъемную - Fп,
создающую вращающий момент в направлении вектора окружной скорости ωR, и на силу
лобового сопротивления Fc, действующую против направления вращения лопасти. Меняя
угол установки лопасти φ путем ее поворота, можно изменять величину и направление
векторов сил, действующих на лопасть.
Этим достигается регулирование частоты вращения ветроколеса, ограничение его
мощности, а также пуск и остановка ветродвигателя.
Мощность (кВт), развиваемая на валу ветроколеса, приближенно можно определить
по формуле:
Рвк = 3,85∙10-4∙р∙D2∙υвЗ∙Кисп
где:

р - плотность воздуха, кг/м3;

υв - скорость ветра, м/с;

D - диаметр ветроколеса, м;

Кисп - коэффициент использования энергии ветра.
Предельное значение Кисп для быстроходного идеального ветроколеса определено
русским ученым Н.Е.Жуковским и равно 0,593.
Из формулы видно, что Рвк пропорциональна υв3, что и определяет необходимость
регулирования скорости вращения ветроколеса для обеспечения постоянства развиваемой
мощности.
Тихоходное ветроколесо конструктивно может быть выполнено в виде лопастных
колес, с числом лопастей от 6 и более. Кроме того, имеются разработки тихоходных
ветродвигателей карусельного, барабанного, парусного типов и др.
Значение Кисп для многолопастных ветроколес не превышает 0,38, для карусельного
ветродвигателя - меньше 0,18.
Особенностью всех тихоходных ветродвигателей является то, что они при небольшой
скорости вращения развивают большой вращательный момент.
Регулирование частоты вращения и ограничение мощности достигается путем
поворота оси вращения ветроколеса от направления ветра, уменьшением площади рабочих
поверхностей ветроколеса и др.
В зависимости от ориентации оси вращения рабочего органа (ветроколеса, ротора и
др.) ветродвигатели делятся на горизонтально - и вертикально-осевые.
Горизонтально-осевые - это такие, у которых ось вращения ветроколеса расположена
вдоль направления ветрового потока. Для нормальной работы такие ветродвигатели требуют
установки плоскости вращения ветроколеса перпендикулярно вектору скорости ветра.
60
Вертикально-осевые
имеют
ось
вращения
рабочего
органа,
расположенную
вертикально относительно горизонтальной плоскости. Для таких устройств не требуется
установка на ветер.
Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению
на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и,
как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть.
Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией
отдельных домов.
Сооружаются ветроэлектрические станции, преимущественно постоянного тока.
Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину - генератор электрического тока,
который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.
Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент,
когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и
также автоматически отключается при противоположном соотношении.
В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько
десятилетий назад. Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических
генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на
обычную детскую вертушку, другие - на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями
вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой
подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или
вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.
При планировании ВЭУ особое внимание надо уделить на углы поворота лопасти, от
которого зависит подача ветра в генератор. Угол наклона лопастей по отношению к ветру
регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее,
воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии.
Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на
мачте против ветра.
Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость
вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С
увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент
возрастает.
Высота мачты имеет существенное значение для ветроэлектрических установок. Уже
на высоте 9 м скорость ветра, как правило, на 15—25% больше, чем в 1,5 м от земли, а даже
небольшой прирост средней силы ветра позволяет получить от станции намного больше
электроэнергии.
61
По оценке ученых, существующие способы преобразования ветроэнергии в
электрическую с помощью традиционных лопастных ветроэнергетических установок (ВЭУ)
пока экономически неоправданны. Во-первых, из-за высокой пусковой скорости ветра (4-5
м/сек),
высокой
номинальной
скорости
(8-15
м/сек)
и
небольшой
годовой
производительности в условиях слабых континентальных ветров - 3-5 м/сек; во-вторых,
стоимость ВЭУ составляет $1000-$1500 на кВт установленной мощности. Поэтому будущее
ветроэлектрических станций зависит в первую очередь от затрат на их сооружение.
При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную
погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию
ветра?
Существует несколько способов сохранения энергии:

Простейший способ – ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в
расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие
водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.

Другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей
до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные
пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива.

Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от
ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в
сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.
Решающим фактором, который определит, значителен ли будет вклад ветровой
энергии в удовлетворение потребностей человечества в энергии, является возможность
создания
соответствующей
технологии.
Он
связан
в
основном
с
национальной
энергетической политикой, затратами и приемлемостью таких установок для населения.
Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в
диапазоне от 100 Вт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе
существующих энергетических систем. В дополнение к традиционным направлениям
освоения ветровой энергии обсуждался ряд других возможностей ее использования, а
именно:

производство удобрений с использованием ветровой энергии. В этом случае
электроэнергии, выработанная ветроэнергетическим агрегатом, используется для
получения электрических разрядов в воздушном потоке. Образующиеся при этом
окислы азота поглощаются водой, превращаясь, в раствор азотной кислоты. Ведется
исследование прототипов систем такого рода. Учитывая большую потребность мира в
азотных удобрениях, создание первоначально небольших систем, основанных на этой
62
принципе для производства удобрений в отдаленных районах, особенно на островах и
в горах, могло бы обеспечить снижение расходов на их транспортировку;

использование с помощью существующей технологий электролиза электроэнергии,
вырабатываемой ветроэнергетическими установками, для производства водорода и
кислорода;

использование ветроэнергетических установок в районах с холодным климатом для
производства сжатого воздуха, который затем подается по трубам на дно рек, где он
выпускается через отверстия, чтобы воспрепятствовать замерзанию воды;

использование ветровой энергии для производства сжатого воздуха. Этот подход
может найти применение для аэрации прудов при разведении рыб, а также водоемов,
испытавших неблагоприятные экологические воздействия.
Список литературы
1.
Закон Российской Федерации "Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об
энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении
изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" (с изменениями и
дополнениями)" от 23.11.2009 № 261 // Собрание законодательства Российской
Федерации. 2009 г.
2.
Береговой
А.М.
Ограждающие
конструкции
с
повышенными
теплозащитными
качествами: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во АСВ, 2009. – 312 с.
3.
Бокарев П.А. Проект офисного здания в г. Белгород // Технологии проектирования и
63
строительства энергоэффективных зданий Passive House. - М.: ИПД, 2011. - С. 75-78.
4.
Вальчукас В. Автономные системы отопления TYPRO для частного строительства на
базе геотермального отопления тепла. Использование вторичного тепла при помощи
тепловых насосов CITYVEX для многоэтажного строительства // Технологии
проектирования и строительства энергоэффективных зданий Passive House. - М.: ИПД,
2012. - С. 100-103.
5.
Габриель И., Ладенер Х. Реконструкция зданий по стандартам энергоэффективного дома
= Vom Altbau zum Niedrigenergie und Passivhaus. - СПб: БХВ-Петербург, 2011. - 478 с.
6.
Дик ван Дейк. Европейские стандарты энергоэффективности зданий // Электронный
журнал энергосервисной компании «Экологические системы». - 2012. - №1.
7.
Дубровина Н. Жилье будущего? Нет, уже настоящего! // Технология дела. - 2013.
8.
Елохов А.Е. Обучение, семинары, расчетные программы // Технологии проектирования и
строительства энергоэффективных зданий Passive House. - М.: ИПД, 2011. - С. 191-196.
9.
Житник Э.В. Утепление кровельных систем для пассивных домов // Технологии
проектирования и строительства энергоэффективных зданий Passive House. - М.: ИПД,
2012. - С. 50-52.
10. Каплан Л.М. Вопросы энергосбережения и энергоэффективности в строительстве //
Недвижимость и инвестиции. Правовое регулирование. - 2010. - №3 (44).
11. Калапуц С Пассивный дом Всемирного Фонда Природы в Москве // Технологии
проектирования и строительства энергоэффективных зданий Passive House. - М.: ИПД,
2011. - С. 107-116.
12. Кашибин А.В. Применение материалов URSA в пассивных домах:европейский опыт //
Технологии проектирования и строительства энергоэффективных зданий Passive House. М.: ИПД, 2011. - С. 34-35.
13. Михеев А.П., Береговой А.М., Петрянина Л.Н. Проектирование зданий и застройки
населенных мест с учетом климата и энергосбережения: Учебное пособие. – 3-е изд.,
перераб. и доп. – М.: Издательство АСВ, 2012. – 192 с.
14. Смирнов Д.Л. Технология Caparol для пассивного дома // Технологии проектирования и
строительства энергоэффективных зданий Passive House. - М.: ИПД, 2011. - С. 45-47.
15. Файст В. Основные положения по проектированию пассивных домов. перевод с
немецкого с дополнениями под редакцией А. Е. Елохова. - М.: Издательство Ассоциации
строительных вузов, 2009. - 144 стр., ил.
16. Фриштер В.Ю. Доступные экологичные здания с ультронизким потреблением энергии.
Опыт
строительства
и
эксплуатации
в
Московской
области
//
Технологии
проектирования и строительства энергоэффективных зданий Passive House. - М.: ИПД,
64
2011. - С. 54-57.
17. Щеглов
С.А.
Концепция
мультикомфортного
дома
ISOVER
//
Технологии
проектирования и строительства энергоэффективных зданий Passive House. - М.: ИПД,
2011. - С. 67-70.
18. Эрнст Т. Пассивный дом. Понятие и основные принципы проектирования пассивного
дома // Builder Club, 2011.
65