3. 8. 2. Энергия

Энергетика вносит наибольший вклад в загрязнение окружающей среды планеты. 40 % всей производимой энергии потребляет жилищный сектор [2]. Поэтому от совершенствования архитектурно-строительных решений и систем энергоснабжения городов во многом будет зависеть качество городской среды и состояние среды планеты в целом.

       В городских агломерациях потребление энергии имеет ключевое значение для функционирования транспорта, промышленного производства, домашних хозяйств и деятельности учреждений. Существующая для большинства городов зависимость от невозобновимых источников энергии может привести к изменению климата, загрязнению воздуха с вытекающими из этого экологическими проблемами. Согласно концепции устойчивого развития населенных пунктов развитие систем энергообеспечения должно идти по двум основным направлениям. Это 1) энергосбережение и 2) переход на использование возобновляемых источников энергии [86]. По подсчётам экономистов затраты на энергосбережение оказываются в 4-5 раз выгоднее, чем на производство эквивалентного количества энергии. В США на отопление зданий затрачивается 25 % всей вырабатываемой энергии, в Финляндии – 29 %. Среднее потребление тепла в домах разных стран составляет [61]:

–        Россия – 425 квт.ч/м² год;

–        Германия – 403 квт../м² год;

–        США – 399 квт.ч/м² год;

–        Швеция – 165 квт.ч/м² год;

       В России, как видно, расходы энергии на отопление одни из самых высоких.
Самый первый и простой шаг по снижению энергопотребления – это уменьшение теплопотерь через окна, двери, стены, пол и потолок здания. Это направление энергосбережения активно развивается у нас и за рубежом. Благодаря совершенствованию ограждающих конструкций и ужесточению нормативных требований энергопотребление в домах Германии за последние 15 лет снизилось в 2-2,5 раза [119]. В России важным шагом в этом направлении стало принятие новых требований по повышению теплового сопротивления ограждающих конструкций зданий.

       Дальнейшим шагом по энергосбережению в зданиях будет использование:

1)      теплового зонирования помещений здания;

2)       плана и объема здания оптимальной формы;

3)       оптимальной ориентации относительно сторон света.

За счёт этих чисто архитектурных мероприятий возможно сократить потери тепла на 20-40 % [119]. Извлекая тепло из выбрасываемого через вентиляцию нагретого воздуха, можно ещё в большей степени снизить теплопотери. Для этих целей в системах принудительной вентиляции устанавливают рекуператоры тепла, возвращающие тепло из отработанного воздуха обратно в помещение.

Дома со сниженным энергопотреблением или энергоэффективные дома активно строятся за рубежом. Есть отдельные примеры строительства экспериментальных жилых домов с “нулевым” энегопотреблением, то есть обеспечивающих все свои потребности на основе собственной энергетикии от возобновляемых источников энергии.
 
В 1992 г. в Екатеринбурге был построен экспериментальный 2 этажный жилой дом, потребление тепла в котором было в 3 раза ниже общероссийских показателей. С середины 90-х гг. в Белоруссии строятся односемейные энергоэффективные дома, рассчитанные на массового застройщика [61].

       Вторым основным направлением по совершенствованию энергообспечения домов считается, как уже говорилось, использование возобновляемых источников энергии. Согласно классификации ООН к ним относятся: энергия Солнца, ветра, биомассы, приливов и разности температурных слоёв воды в океанах, геотермальная, гидравлическая и др. Доступность этих видов энергии разная, к самым распространённым из них относятся солнечная и ветровая энергии [61]. За счёт этих источников покрывается некоторая доля энергопотребления в странах Европы [119]:
 

Данные по состоянию на 1993 г.
 
Солнечный подогрев воды широко используется в Греции, Франции, Испании, Португалии. Например, в Солнечной деревне (Греция), состоящей из 435 блокированных домов, эксплуатируются различные виды систем использования солнечной энергии [119]. В Центральной Европе больше половины годового потребления горячей воды может быть обеспечено за счёт солнечной энергии. Расчёты российских специалистов показывают, что энергией Солнца можно покрывать в различных случаях 25-90 % потребности в отоплении [109].

Системы, использующие энергию Солнца, принято делить на две основные группы: пассивные и активные. В пассивных системах солнечные лучи нагревают элементы здания и его основания: стены, строительные конструкции, крышу, грунт под зданием. В активных системах используется подвижный теплоноситель – вода, воздух – или же происходит прямое преобразование солнечной энергии в электричество. На практике используют различные комбинации пассивных и активных систем, так, что граница между ними часто размывается. Спектр основных инженерных решений по использованию солнечной энергии показан на.
 
Использование солнечной энергии имеет хорошие перспективы в России и Сибири. Среднегодовой приход солнечной энергии на поверхность земли в разных городах страны составляет [61]:

Архангельск                   – 0,85  МВт.ч/м² в год;
Санкт-Петербург            – 0,93;
Москва                            – 1,01;
Екатеринбург                 – 1,10;
Новосибирск                  – 1,14;
Омск                                – 1,26;
Ростов-на-Дону              – 1,29;
Астрахань                       – 1,38.
 
Как видно, сибирские города получают солнечной энергии на 15-25 % больше, чем города средней полосы России. Согласно расчётам специалистов, на поверхность 2 этажного коттеджного дома в средней полосе России солнечной энергии падает более 160 МВт.час/год, что превышает его годовую потребность даже при нынешнем расточительном уровне энергопотребления [61].
Таким образом, существует принципиальная возможность обеспечения за счёт энергии Солнца всех энергетических потребностей жилого дома. Основная проблема состоит в том, как собрать эту энергию и сохранить её в течение достаточно длительного периода.

Солнечную энергию получают при помощи различных устройств, из которых можно назвать:

–      теплицу, пристроенную к дому;
–      прозрачные теплоаккумулирующие фасады [119];
–      солнечные коллекторы различной конструкции;
–      солнечные батареи на фотоэлементах.
 
Технико-экономические показатели устройств последних двух видов достаточно высоки (табл. 3.4).
 
Таблица 3.4
Технико-экономические показатели солнцеулавливающих систем.
Данные на 1993 г. [52; 119]

 
Солнечные коллекторы широко применяются для подогрева воды в Европе. В Сибири в одном из санаториев Алтайского края на крыше гостиницы “Барнаул” функционирует коллекторная установка площадью 70 м². С её помощью на 50 % обеспечивается нагрев воды в системе горячего водоснабжения здания. Установка действует с мая по сентябрь. В Германии при реконструкции старых и строительстве новых домов широко используется оборудование зданий солнечными коллекторами. С их помощью полностью удовлетворяется потребность в горячей воде в летние месяцы и на 50 % – в зимние. На одного жильца используется примерно 1 м²площади коллектора, установленного на крышах зданий под углом 30-45 градусов к горизонту [95, с. 49]. В 1998 г. здесь было произведено коллекторных установок площадью 420 000 м²
 
Для эффективного применения солнечной энергии в отоплении зданий требуется совместно с солнцеулавливающими устройствами использовать аккумуляторы тепла. Это особенно актуально для России и Сибири, где велики сезонные и суточные перепады температур. Как уже говорилось, всей падающей за год энергии на поверхность дома в принципе достаточно для удовлетворения его энергопотребностей. Но эта энергия поступает в течение года довольно неравномерно. Пик её приходится на летние месяцы, когда потребности в отоплении нет. Зимой же, когда необходимо отапливать здания, наблюдается минимум поступления солнечной энергии [61]. В этой ситуации необходимо накапливать энергию летом или в дневное время суток с тем, чтобы расходовать её зимой или в ночное время суток. Для этих целей служат суточные и сезонные аккумуляторы тепловой энергии.

Используются различные виды тепловых аккумуляторов, среди них водяные, грунтовые, химические (накапливающие энергию при фазовом переходе). Грунтовые аккумуляторы пока являются самыми эффективными для сезонного хранения тепла. Водяные аккумуляторы используются в основном как суточные. В качестве перспективных систем исследуются химические и водородные аккумуляторы тепловой энергии. Например, в Институте катализа СО РАН, г. Новосибирск, разрабатываются аккумуляторы, работающие на основе химически обратимых реакций, позволяющие запасать большое количество энергии на длительный срок. В водородных системах накопления тепла происходит выработка водорода за счёт солнечной энергии и накопление его в металловодородных аккумуляторах. Тепловая энергия, хранящаяся в таком виде, может быть легко использована (путём сжигания водорода) для отопления зданий, приготовления пищи, заправки водородных двигателей автомобилей. При этом отсутствуют экологически вредные последствия от сжигания водорода. Данные системы обещают быть высокоэффективными, сейчас они находятся в стадии разработки и испытаний. В целом же, пока не удалось получить достаточно эффективных в эксплуатации сезонных аккумуляторов тепла, что в некоторой степени, сдерживает развитие систем солнечного теплоснабжения. Но темпы исследований в этой области достаточно быстрые, и можно ожидать в ближайшее время появление решений и разработок, пригодных для жилищного строительства [61].
 
Для энергоэффективных домов, строящихся в условиях Сибири, требуется обеспечить достаточно высокую величину теплового сопротивления ограждающих конструкций. Согласно данным [77; 93], солнечный обогрев здания становится эффективным и окупает вложенные в него затраты, если тепловое сопротивление стен будет не менее 6 Вт/м² град. В частности, данный показатель на 40 % выше требований нового СНиПа по строительной теплотехнике, в котором установлена норма теплового сопротивления стен не менее 3,72 Вт/м² град. [98].
 
Другой распространенный практикой использования возобновимых источников энергии является применение ветроустановок.  В Германии доля ветроэнергии составляет 2 %  от всей производимой энергии [95]. Стоимость ветроэнергии с 1980 по 1990 гг. упала в 10 раз и в настоящее время почти сравнялась со стоимостью энергии, получаемой от ТЭЦ. К 2010 г. специалистами прогнозируется, что она будет стоить в 2 раза дешевле, чем энергия ТЭЦ [61].
Ветроресурсы особенно велики в прибрежных районах и на акваториях морей и водохранилищ.  Во многих районах России (в частности в Западной Сибири, в Барабинской степи) она имеет зимний максимум, что способствует в данном случае компенсации минимума солнечной энергии в это время года. Ветроустановки рекомендуется размещать группами, вдали от жилья, например, среди сельскохозяйственных угодий.