Будівельно-кліматичний паспорт міста

Зібрання метеорологічних і геофізичних даних, які характеризують загальні і місцеві погодно-кліматичні умови і які використовуються в містобудівній практиці, представляються в вигляді будівельно-кліматичного паспорту міста.

В групу загальних характеристик входять:

- сонячна радіація - прихід на горизонтальну і вертикальну поверхні, тривалість випромінювання, ультрафіолетова радіація;

- температура повітря - середня, екстремальна; зимового, літнього і опалювального періодів;

- вітер - напрямок, швидкість;

- вологість повітря - відносна, абсолютна;

- опади - суми, середні і екстремальні, сніговий покров, ожеледь;

- промерзання ґрунтів - глибина, хід нульової ізотерми в зимовий час.

До групи комплексних характеристик входять:

- кліматичне районування;

- радіаційний і тепловологісний режими - еквівалентно-ефективна температура;

- погодні умови - суворість клімату, термічна роза вітрів, сніговий клімат, снігоперенос, піскоперенос, косі дощі.

Більш докладніше з вимогами до будівельно-кліматичного паспорту міста можна ознайомитись в „Рекомендациях по методике строительно-климатической паспортизации городов для жилищного строительства”, розробленого ЦНИИЭПжилища м. Москва у 1981 р.

Ефективність архітектурних засобів

Зниженню витрат тепла сприяють наступні заходи:

- збільшення ширини корпуса з 12 до 16 метрів на 8 – 9 %;

- збільшення поверхів до 12 - на 4%;

- застосування подвійних окремих віконних перепльотів замість спарених - на 10 -12%;

- застосування теплозахисного скла, вкритого плівкою двоокисі олова - на 7 – 10 %.

Підвищують витрати тепла наступні заходи:

- збільшення на 20 см висоти поверху - на 3-4 %;

- влаштування лоджій, які входять в теплий об’єм будинку - на 4 – 6 %;

- застосування невщілених притворів вікон, погана заділка віконних коробок - на 13-14 %.

Планувальне рішення квартири мало впливає на температуру повітря, але суттєво - на його рух. Провітрювання помешкання наскрізь в декілька разів інтенсивніше бокового чи кутового.

В умовах літнього перегріву житла температура в помешканнях залежить від наявності сонцезахисних пристроїв і орієнтації вікон. Так при відсутності сонце захисту температура в західних і східних кімнатах на 3 - 3,5° вище, ніж в північних. Літом в південних районах в помешкання через вікна надходить більш 70% тепла. Але застосування регульованого сонцезахисту.

Лекція 8

Енергоактивні будинки з використанням сонячної, вітрової, гео-, гідротермальної енергії, біогазу

Людство стоїть перед проблемою вичерпання традиційних джерел енергії та бачить вихід у використанні нетрадиційних, альтернативних. Задача архітекторів – придання привабливого архітектурно-художнього вигляду енергоактивним будинкам.

 

Геліобудинки

  (дивись додатково конспект лекцій «Проектування енергоекономічних та енергоактивних будівель», частина 2, Єгорченков В.О.)

Вітроенергоактивні будинки (ВЕАБ) – принципи підходу

ВЕАБ – будинки (житлові, промислові або сільськогосподарські), що наділяються додатковими функціями – уловлювати і перетворювати енергію вітру в інші види: електричну, теплову або механічну. Швидкість вітру на висоті 1,5 м повинна складати не менше 3 м/с.

Вітер – похідна від сонця, характеризується інтенсивністю, спрямованістю і періодичністю, будівлі деформують повітряні потоки.

Вітровий потік, що проходить через перетин площею F із швидкістю u, має потужність (Вт)

                                                     (8.1)

і питому потужність (Вт/м2)

                                                                 (8.2)

де η – густина повітря (при температурі 15 ^оС значення η = 1,225 кг/м3); ρθ2/2 – кінетична енергія.

Слід зазначити, що неточність в оцінці швидкості вітру на 1 – 1,2 м/с для діапазону швидкостей 3 – 6 м/с може привести до помилки в оцінці енергії вітру, що досягає 100 % і більш.

Облік рельєфу здійснюється на підставі поправочних коефіцієнтів, значення яких для рівня 2 м від поверхні землі даються в таблиці 7.1.

Перерахунок швидкості на висоту вітроагрегата здійснюється по ступеневому закону, приведеному в першій лекції.

Принципи проектування ВЕАЗ

1. Будівля забезпечується рухомими елементами, трансформованими в елементи в і троколеса.

Реалізація здійснюється:

- використовування поворотних стулок світлових прорізів (зенітні ліхтарі на покриттях);

- додання стулкам аеродинамічної форми;

- вироблення електроенергії генератором (на рис. 8.1 показана робота за першим принципом).

 

Рис. 8.1. Ветроенергоактівниє елементи будівель - група зенітних ліхтарів із захисними стулками, трансформованими в лопаті вітроколеса: а – розріз, б – план

 

 

Таблиця 8.1 - Коефіцієнти зміни швидкості вітру в різних умовах рельєфу в порівнянні з відкритим рівним місцем (на висоті 2 м)

Форма рельєфу		Час Доби	Коефіцієнт при швидкості вітру на рівному місці, м/с
			3-5	6-10
Відкрите рівне місце			1,0	1,0
Вершини відкритих холмів більше 50 м   менше 50 м		день ніч день ніч	1,4-1,5 1,8-1,7 1,3-1,4 1,7-1,6	1,2 – 1,1 1,5-1,4 1,1 1,3-1,4
Навітряні схили ухилом 3-10^о верхня частина   середня частина   нижня частина		день ніч день ніч день ніч	1,2-1,3 1,4-1,6 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0 0,8-0,9	1,0-1,1 1,2-1,3 1,0 1,1 0,9-1,0 1,0
Паралельні вітру схили ухилом 3-10^о верхня частина   середня частина   нижня частина		день ніч день ніч день ніч	12-1,1 1,4-1,3 0,9-1,0 1,1-1,0 0,9-0,8 1,0-0,9	0,9-1,0 1,0-1,1 0,9-0,8 1,0 0,8-0,7 0,8-0,7
Підвітряні схили ухилом 3-10^о верхня частина   середня частина   нижня частина		день ніч день ніч день ніч	0,9-0,8 0,9-1,0 0,9-0,8 1,0-1,1 0,8-0,7 -	0,8-0,9 0,9-1,0 0,8-0,9 0,9-1,0 0,7-0,6 -
Дно лощин, долин, ярів, що продуваються вітром Дно лощин, долин, ярів: що не продуваються вітром   замкнутих	день ніч   день ніч день		12-1,1 1,5-1,3   0,8-0,7 0,6 0,6	1,1-1,0 1,3-1,4   0,7-0,6 - -
Горби з плоскими вершинами і пологими схилами ухилом 1-3^о вершини, верхні частини навітряних і підвітряних схилів   середні і нижні частини таких схилів	день ніч   день ніч		1,2-1,4 1,3-1,5   0,8-1,1 1,0-1,3	- -   - -

 

2. Наявність конструктивних елементів будівлі, що збільшують інтенсивність вітру.

Ефективність досягається за рахунок:

- нагнетаючо-розряджаючій формі покриття (конфузор - дифузор);

- установці у вузькому місці вітротурбіни;

- генерації енергії (схема на рис. 8.2 дає уявлення про роботу за другим принципом). 

Рис. 8.2. Вітроенергоактівні форми будівель

 

3. Форма будівлі зручна для розміщення вітроколеса. Для цього:

- частина будівлі перетворюється у вітроактивну;

- вибраній частині надається аеродинамічна форма (циліндр, многогранник);

- вітротурбіна поліфункціональна - з лопатями, що розвертаються, кожна з яких має нагоду торкання з суміжною лопаттю, тим самим знижуються тепловтрати або регулюється інсоляція (рис. 7.3. ілюструє цей принцип роботи).

 

 

Рис. 8.3. Енергоактивні будівлі з вітроколесом у вигляді вертикального циліндра, що охоплює циліндровий об'ємний елемент (технічний поверх, машинне відділення, муфта): 1- циліндровий блок будівлі; 2 – вітроколесо; 3 – трансформовані лопаті 

 

4. Будівля своєю формою уловлює і концентрує подачу повітряних потоків до елементів вітроколеса.

5. Будівля – опора для вітроколес.

6. Поєднання з іншими енергетичними системами (сонячна радіація).

 

Містобудівні прийоми підвищення ефективності використовування вітру:

1. Вивчення і облік метеоданних, рельєфу, випробування в аеродинамічних трубах. Прив'язка будівлі в зоні найбільш забезпеченою енергією.

2. Організація за допомогою рельєфу аеродинамічних русел.

3. Взаємне розташування ВЕАЗ для посилення аеродинамічного ефекту.

 

Приведені варіанти ВЕАЗ мали на меті показати можливості використовування будівлі для цілей вітроенергетики. В майбутньому можуть з'явитися інші форми реалізації цієї ідеї. В даний час невирішеними є проблеми відбору і акумуляції енергії, шумо- і віброзахисту і т.п.

 

Гідротермальні енергоактивні будівлі (ГідроЕАБ)

Використовується низька потенціальна теплова енергія, накопичена у водоносних пластах земної поверхні. Джерела енергії можуть бути природними (гейзери) або штучними (скидні води ТЕЦ, металургійних виробництв і т. п.).

Реалізація може здійснюватися:

- пропуском гідротеплоносія через порожнини захищаючих конструкцій;

- напірною подачею води через трубчасті теплообмінники;

- забір води з водонасиченого шару грунту.

Конструктивне рішення ГідроЕАЗ:

1. Виконання фундаментів у вигляді резервуару (гідроколектора), гідроізолюються від зовнішнього середовища і сприймають навантаження від будівлі.

2. Будівля з гідротермальним колектором, розташованим у водонасиченому шарі ґрунту.

Рис 8.4. Конструктивне рішення будівлі з гідротермальними колекторами

 

 

Геоенергоактівниє будівлі (ГеоЕАБ)

Використовується низькопотенціальна теплова енергія, накопичена в товщі земної поверхні. Шар землі в межах 1,5 – 3 м від поверхні землі представляє практичний інтерес для енергоактивних будівель. Спостереження, проведені в Петропавловську-Камчатському (табл. 8.2), наприклад, ілюструють розподіл температур таким чином.

 

Таблиця 8.2 – Розподіл температур в ґрунті

Період	Температура повітря, ^оС	Температура на глибині, м
		0,2	0,4	0,8	1,6	3,2
Січень	- 8,4	- 1,7	- 0,3	1,1	2,6	5,8
липень	12,6	13,5	12,5	9,4	6,7	4,0
рік	1,9	4,5	4,6	4,6	4,6	5,1

 

Таблиця 8.2. указує на річну стабільність температури на глибині 3 м.

Для використовування тепла землі застосовуються різні варіанти:

- масив ґрунту підключений до системи тепло- і холодозабеспечення;

- у масив включається щебінь або галечник для збільшення тепломасообмінних властивостей;

- шар ґрунту теплоізолюються;

- ґрунт теплоізолюються; а потім насичується водою;

- додаткове використовування сонячної радіації;

- виконання укосів, що обрамляють частину або всі стіни будівлі. 

 

Біоенергоактівні будівлі (БіоЕАБ)

Використовують біогаз – кінцевий продукт багатоступінчатої конверсії сонячної енергії. Сировиною є органічні відходи сільськогосподарської і тваринницької діяльності, лісорозробок, легкої промисловості і т.п.

Отримання біогазу або Метанове бродіння проходить цикли: завантаження (в метантенки), перемішування, сепарації і відведення газу, видалення відходів, зберігання газу в газгольдерах. Для активізації здійснюється додатковий обігрів метантенків теплотою промислових відходів. В результаті синтезу утворюється газ з низьким октановим числом (110-115) і відходи у вигляді азотних і фосфорних добрив. В традиційних способах приготування добрив втрачається 30-40 % азоту.

Тільки за рахунок переробки відходів харчової промисловості в Україні методами біоконверсії можна буде одержати в рік до 850 млн. м3 біогазу, або 850 тис. т умовного палива. Спосіб отримання біогазу без механічного перемішування приведений на мал. 7.6.

 

                           світлопрозора плівка

 

                                                                                        газ    

           

     

 

 

                                                              біомаса

Рис. 8.5. Спосіб отримання біогазу без механічного перемішування

 

Для активізації процесу отримання газу використовуються спеціальні види ємностей, з яких найбільш зарекомендували себе циліндрові резервуари з конусною верхньою і нижньою частиною або яйцеподібні. Вони характеризуються невеликим простором для накопичення газу, концентрованої в обмеженому об'ємі плаваючою кіркою, а також хорошим відведенням шламів. Резервуари такої форми виготовляються з бетону, а останнім часом з металу. Особливістю роботи таких установок є необхідність підтримки постійної температури бродіння субстрату.

 

 

 Рис 8.6. Конструктивні прийоми поєднання підігріву і перемішування біомаси в метантенках: а – лопатевий пристрій з трубчастим теплообмінником; би – теплообмінник в днищі метантенка, повідомлений з сонячним колектором; в - те ж, з безпосередньою подачею сонячної енергії на метантенк