Рисунок 3.1.5. Модель активного дома

Энергоэффективные гелиоздания классифицируют по признакам:

- по степени энергоактивности и трансформируемости (нетрансформируемые здания со стационарно ориентированным коллектором, мобильные здания со следящим коллектором, стационарные с трансформируемой защитой, стационарные с концентрированной подачей солнечной энергии на плоский коллектор, стационарные со следящим солнечным коллектором);

- по расположению солнечных коллекторов в системе наружных ограждающих конструкций (на скатных и плоских покрытиях, наружных стенах, ограждениях лоджий, соляриев, в оконных проемах, зенитных фонарях, на цоколе и ниже, в окрестностях здания);

- по типу отопительной системы (с воздушным отоплением и охлаждением; с водяным, со смешанным).

Ветроэнергоактивные здания

При проектировании зданий любого типа всегда учитывают ветровые характеристики местности такие как, скорость и направление господствующих ветров в разные периоды года. Эти факторы существенно влияют на выбор градостроительных, архитектурных и конструктивных решений в каждом конкретном случае. Подробнее о влиянии ветровых характеристик на проектирование энергоэффективных зданий рассмотрено в разделе 3.2 данного пособия.

Для оптимизации энергетического баланса зданий и экономии энергии других источников в благоприятных для этого климатических районах используют энергию ветра. Ветродвигатель, задача которого заключается в улавливании и преобразовании энергии ветра в другие виды энергии (электрическую, тепловую и механическую), размещают рядом со зданием или непосредственно на его конструкциях. Ветродвигатели (ветряки) по расположению оси вращения делят на вертикально-осевые и горизонтально-осевые. Вблизи зданий и над ними эффективнее размещать ветряки вертикально-осевой конструкции, так как их вращение не зависит от направления и скорости ветра. Для горизонтально-осевых ветряков больше всего подходит стабильное перемещение воздушных масс в одном направлении, в связи с чем их чаще всего размещают рядом со зданиями на открытой площадке. Примеры ветроактивных зданий приведены на рис.3.1.6 - 3.1.8.

 

б)

а)

Рисунок 3.1.6. Жилые ветроактивные здания:

а - жилой комплекс Strata SE1 в Лондоне, Великобритания; б - коттеджный поселок с ветряками eddyGT в Иллинойсе, США.

 

 

б)

а)

Рисунок 3.1.7. Общественные ветроактивные здания:

а - Бахрейнский Всемирный торговый центр в Манаме; б - здание Медицинского исследовательского фонда в Оклахома-Сити (18 осевых ветротурбин V2 установлены на крыше).

 

Ветроэнергоактивные здания относятся к зданиям с «нулевым» энергобалансом (nearly zero-energy buildings). В качестве ветроэнергоактивных конструкций могут быть использованы покрытия, стены, в верхней части здания защитные элементы светопроемов (зенитных фонарей), конструкции экранов и надстроек. Мощные ветровые турбины часто устанавливают на технических этажах внутри самого здания, что позволяет продувать здание насквозь, не создавая сквозняков и воздушных ям. Такие здания имеют плавные обтекаемые формы, что позволяет уменьшить ветровую нагрузку здания повышенной этажности.

а)

б)

Рисунок 3.1.8. Многофункциональные общественные здания:

а - многоэтажная парковка с вертикальными ветряными турбинами в Чикаго; б - здание с ветряной турбиной (Башня Анара (Anara Tower), Дубай).

 

Здания с применением гидро - и геотермальной энергии

Здания, используемые в качестве источника энергии энергию земли и горячей воды, по своим архитектурным и планировочным решениям существенно не отличаются от зданий традиционного типа.

Принципиальная схема для использования гидротермальной и геотермальной возобновляемой энергии включает: узел подачи энергии внешнего источника с подводом теплоносителя к конструкциям здания, систему каналов для подачи теплоносителя в здание, насос для принудительной циркуляции теплоносителя в системе, теплообменники системы здания.

Дополнительно могут устанавливаться блоки тепловых насосов и резервный аккумулятор энергии, например, теплоизолированная емкость с нагретой водой для системы горячего водоснабжения здания.

Гидроэнергоактивные здания используютв качестве источника энергии нагретую солнцем воду наземных и подземных водоемов.

В этом случае вода применяется в системах с отдачей или отбором тепловой энергии в зависимости от ее дефицита или избытка в тепловом балансе здания. При этом возможны следующие варианты гидроэнергоснабжения здания (рис.3.1.9):

- напорный поток сбросных вод ТЭЦ, подаваемых из реки или частичный отвод горного водостока, с теплообменом, осуществляемым при открытом настильном перетекании струй по поверхности конструкций зданий;

- напорная подача воды через трубчатые теплообменники, размещенные в ограждениях здания и подключенные к водопроводу;

- напорная подача с забором воды из водонасыщенного слоя грунта или водоема в окрестностях здания.

б)

а)

 

Рисунок 3.1.9. Принципиальные схемы гидроэнергоснабжения здания:

а - забор воды из водонасыщенного слоя грунта; б - забор воды из открытого водоема.

 

Энергоактивные здания геотермального типа используют в качестве источника энергии грунт, как универсальный источник рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и целый год подогревается от земного ядра и способен отдавать тепло в независимости от погоды. Необходимая зданию энергия собирается грунтовым теплообменником, углубленным в землю, и аккумулируется в теплоносителе, который подается в испаритель теплового насоса и возвращается назад за новой порцией тепла. Геотермальные системы зимой можно использовать для отопления помещений, а в жаркое время года геотермальна установка работает как кондиционер. На выбор геотермальной системы влияют региональные факторы, климат и расположение объекта.

Различают несколько типов грунтовых теплообменников (рис.3.1.10):

 

б)

а)

г)

в)

  

Рисунок 3.1.10. Типы грунтовых теплообменников:

а - горизонтальные грунтовые коллекторы; б - энергетические корзины; в - вертикальные коллекторы; г - энергетические сваи.

 

- грунтовый коллектор (горизонтальный коллектор) - длинная труба, горизонтально уложенная под слоем грунта по различным схемам (петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм);

- энергетические корзины (энергетические петли) относятся к коллекторам горизонтального типа, но не требуют больших свободных площадей для установки, предназначены для отопления зданий небольшой площади;

- вертикальные коллекторы (геотермальные зонды) - система длинных труб, опущенных в скважину глубиной 50-150 м;

- энергетические сваи - вид геотермальных систем, при устройстве которых внутрь каждой сваи монтируют пластиковые трубопроводы, с помощью которых удается интегрировать геотермальный теплообменник напрямую в свайный фундамент. Предназначены для отопления или охлаждения крупных объектов (промышленных или офисных зданий).

Заглубленные жилища

При строительстве заглубленных домов используют особенности рельефа местности и территории, непригодные для размещения наземных зданий. Кроме того, такой тип зданий способствует сохранению энергоресурсов и снижению энергопотребления за счет использования в качестве естественной теплоизоляции грунтовой толщи. Теплопотери сокращаются за счет термического сопротивления грунтового слоя и отсутствия инфильтрации холодного воздуха через ограждающие конструкций. В связи с постоянством разницы температур на большой глубине постоянны и условия поддержания теплового режима в здании.

Существенным ограничением по строительству заглубленных зданий является необходимость соблюдения гигиенических норм естественной освещенности и инсоляции. Поэтому здания такого типа, как правило, имеют не более 2 уровней.

 

Рисунок 3.1.11. Типы заглубленных зданий [1].

В практике проектирования и строительства встречаются следующие виды заглубленного жилья (рис.3.1.11):

1 - полузаглубленные без внутреннего двора;

2 - полузаглубленные с внутренним двором;

3 - заглубленные с внутренним двором;

4 - врезанные в склоны;

5 - возвышающиеся заглубленные;

6 - заглубленные с внутренним двором и солнцеприемником.

При проектировании и строительстве заглубленных зданий для создания оптимальных условий для эффективного энергосбережения необходимо учитывать следующие требования:

- выбор места строительства (характер рельефа, грунтовые и гидрогеологические условия);

- тип здания;

- размещение здания на участке и его ориентация;

- рациональные планировочное и конструктивное решения;

- состав инженерного оборудования, благоустройство и озеленение участка строительства.

При проектировании заглубленных домов в системе существующей застройки необходимо учитывать потребность в обваловке дома, соответствующие разрывы между зданиями для обеспечения пожарной безопасности, естественного освещения и инсоляции, вентиляции. Рассмотрим примеры часто встречающихся вариантов заглубленных зданий.