водопостачання та водовыдведення / Інженерне обладнання будинків. Кравченко В. С., Садлій Л. А., Давидчук В. І

7.4. Нетрадиційні та відновлювальні джерела енергії

До основних нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії відносять: енергію сонця, вітру, тепла землі, біомаси (органічні відходи в господарській діяльності людей, енергетичні плантації), океанів та морів (наприклад, припливи та відливи, температурний градієнт); нетрадиційні види гідроенергетики (малих річок, гідроакумулюючих систем), а також вторинні енергетичні ресурси (теплові відходи промислових та сільськогосподарських підприємств).

Розвиток в Україні нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії обумовлено:

-можливим дефіцитом традиційних для України паливноенергетичних ресурсів;

-дисбалансом в розвитку енергетичного комплексу України, який орієнтовано, по-перше, на централізоване електрота теплопостачання і, по друге, на значне (більше 40%) виробництво енергії на АЕС при фактичній відсутності підприємств отримання ядерного палива, утилізації та переробки відходів, а також підприємств з виготовлення та модернізації обладнання АЕС (ядерних реакторів тощо);

-наявністю науково-технічної та промислової бази, яка придатна для виробництва практично усіх видів обладнання нетрадиційної енергетики;

-сприятливими кліматично-метеорологічними умовами для використання основних видів нетрадиційних та

відновлювальних джерел енергії.

Використання енергії відновлювальних джерел дозволитиь знизити споживання дефіцитних для України нафтопродуктів на 5-6%, у тому числі за рахунок використання енергії сонця – на 1,7%, вітрової енергії – на 2,8%, геотермальної енергії – на 0,1%, біогазу – на 0,2%,

гідроенергії річок – на 0,9%[37].

7.4.1. Використання енергії сонця для енергопостачання будинків

Перспективним джерелом тепла в Україні є енергія сонця. Рівень інсоляції становить від 3,8 ГДж/м2 на заході до 4,99 ГДж/м2 – на півдні країни [23]. Інтенсивність сонячного випромінювання в Україні складає приблизно 3,48 МВт год на рік. Тому сонячну енергію можна достатньо ефективно використовувати для теплопостачання будинків.

принциповими схемами, які передбачають пасивне або активне використання сонячної енергії. Будинки з пасивним використання енергії сонця можна визначити як кліматично збалансовані будівлі, в яких максимально використовується теплота сонячної радіації для обігріву приміщень. Задача проектування будинків із пасивним використанням енергії сонця полягає в застосуванні оптимальних взаємоузгоджених архітектурно-конструктивних і об’ємнопланувальних заходів, які сприяють максимальній утилізації теплоти сонячної радіації у тепловому балансі приміщення у холодну пору року і не приводять до перегріву приміщення в теплий період року. Архітектор повинен пам’ятати, що найбільший ефект економії енергії досягається у будинках, де одночасно використовують активні і пасивні системи утилізації енергії сонця.

В практиці проектування будинків із пасивним використанням теплоти сонячної радіації для зниження витрат електроенергії на обігрів приміщень враховують таке: орієнтацію будинку, площу вікон у зовнішніх огороджувальних конструкціях, місце розташування світлових прорізів, спосіб регулювання теплота сонцезахисту світлового прорізу, теплотехнічні показники матеріалів огороджувальних конструкцій. Раціональною вважають таку конструкцію будівлі, яка забезпечує максимальне теплонадходження у житлові приміщення. Для південних районів рекомендується приймати будинки широтної орієнтації, витягнуті у плані, щоб забезпечити найбільше надходження теплоти сонячної радіації у холодну пору року і найменше – у теплу. Захист приміщення від перегріву у теплу пору року можливо досягти за рахунок архітектурно-конструктивних і об’ємно-планувальних рішень. Так, наприклад, спальні кімнати слід розташовувати так, щоб вони освітлювались сонцем лише в ранкові години, а решту житлових кімнат – у денні години. Якщо влітку спальні кімнати будуть нагріватись у вечірні години, то вночі їх важче буде охолоджувати.

Для забезпечення найбільших надходжень теплоти сонячної радіації у холодний період року світлові прорізи слід орієнтувати на південь і при цьому передбачати захист від надходження теплоти сонячної радіації в теплу пору року. В цьому випадку досить ефективне застосовування зовнішніх або міжвіконних теплоємних сонцезахисних пристроїв типу штор, ставень, жалюзей чи інших екранів із теплозахисних матеріалів, які в нічний час забезпечують додатковий теплозахист і зниження добових витрат енергії на обігрів приміщення. Для огороджень південної орієнтації з метою збільшення надходжень теплоти від сонячної радіації в холодну пору року при низькому стоянні сонця і зменшення надходжень теплоти від сонячної радіації в теплу пору року при високому стоянні сонця доцільно

366

проектувати світлові прорізи, в яких ширина більша за висоту або передбачати спеціальні козирки.

Збільшення коефіцієнта засклення огороджень, що орієнтовані на південь, і одночасне використання теплоємкого регульованого сонцезахисту сприяє покращенню добового теплового балансу приміщень.

У малоповерхових будинках для пасивного використання енергії сонця використовують конструкцію “масивна стіна” Тромба-Мішеля (мал.7.7). В цих конструкціях біля зовнішнього огородження, що орієнтоване на південь, влаштовують екран із одноабо двошарового засклення таким чином, щоб між шарами скла були прошарки повітря. Нагріте повітря у прошарку через спеціальні отвори у верхній частині стіни надходить у приміщення і в холодну пору року нагріває його, а охолоджене - через отвори в нижній частині стіни, вертається у прошарок. Влітку перегріте повітря скидається за межі приміщення.

Мал.7.7. Схема конструкції “масивна стіна” Тромба-Мішеля:

1 – масивна стіна; 2 – чорна поверхня; 3 – засклення

Активне використання сонячної енергії, на відміну від пасивного, передбачає застосування сонячних установок (солярних, геліо), що перетворюють сонячну енергію у теплову, яка призначається для теплопостачання будинку. Основою сонячної установки (мал.7.8) є сонячні колектори. Наприклад, вакуумний сонячний колектор, який має вигляд панелі, на котрій розміщені трубки Девара (борносилікатне скло). Це двостінні трубки (одна в одній), у просторі між ними - вакуум. Внутрішня скляна трубка має селективну оболонкупоглинач, яка акумулюює теплову енергію. Теплоносій – рідина, яка не замерзає (на основі гліколю, витримує до –400С). Ним заповнений

367

перший контур солярної установки, який з’єднує сонячну батарею з водяним теплообмінником необхідного об’єму. Крім цього, до складу геліоустановки входять: насоси, пульт управління, регулятор температури. Щоб підвищити ефективність роботи установки, в теплообміннику застосовують додаткове джерело енергії, наприклад електронагрівач, який підігріває воду в зимовий період або в холодну чи хмарну погоду.

Мал.7.8. Схема системи теплопостачання із використанням геліоустановки:

1 – сонячний колектор; 2 – водонагрівач; 3 – додаткове джерело енергії; 4 – насос; 5 – регулятор роботи додаткового джерела енергії; 6 – холодна вода; 7 – гаряча вода; 8 – верхній датчик установки; 9 – нижній датчик установки; 10 – датчик водонагрівача; 11 – мережа додаткового джерела енергії

Геліоустановки класифікуються: за способом перетворення сонячної енергії (крім безпосереднього нагріву теплоносія, відомі електрохімічний, фотоелектричний, барогальванічний та інші); за формою сонячного колектора (плоскі та концентруючі параболоциліндричної форми); за типом теплоносія (вода, повітря).

Геліоустановки використовуються для приготування гарячої води і опалення будинків. Система опалення може бути окремою від системи гарячого водопостачання або поєднана з нею. Якщо передбачається лише опалення будинків із використанням геліоустановок, то, в цьому випадку, переважно влаштовують не водяну, а повітряну систему, як простішу і економічнішу.

368

Системи сонячного теплопостачання передбачають влаштування сонячних колекторів на даху під кутом 450-500 або на вертикальних південно орієнтованих огороджуючих конструкціях. Площа сонячного колектора займає значну площу і тому є визначним формоутворюючим елементом будинку. Крім того, поверхня сонячного колектора може бути гладкою плоскою, хвилястою, трубчастою або ребристою і до того ж чорного кольору для кращого поглинання сонячної енергії.

Архітектору слід пам’ятати, що традиційне розташування колекторів на даху може дати економію коштів на влаштування самого даху, але при цьому можлива деяка монотонність забудови. У випадку встановлення на будинку замість сонячних колекторів сонячних концентраторів, як правило, параболоциліндричної форми, задача архітектора спрощується, оскільки їх можна розташовувати на плоскому даху, тобто розташувати так, щоб вони були невидимі з землі і не впливали на зорове сприйняття будинку в цілому.

Крім систем сонячного теплопостачання, використовують сонячні фотоелектричні установки, які безпосередньо перетворюють сонячну радіацію на електричну енергію за допомогою напівпровідникових фотоелектроперетворювачів (мал.7.9, 7.10). В цих установках для роботи приладів перемінного стуму передбачають інвертори.

Мал.7.9. Принципова схема сонячної фотоелектричної установки

369

Мал.7.10. Схема енергопостачання індивідуального будинку від сонячної фотоелектричної установки

7.4.2. Використання біоенергетики для енергопостачання будинків

У біоенергетиці джерелом енергії є біомаса. В даному випадку під цим терміном розуміють відходи, які мають органічну природу, тобто всі види рослин, відходи сільського господарства (рослинні та тваринні), відходи деревообробної та інших видів промисловості, побутові відходи. Використання біомаси як джерела енергії до недавнього часу зводилося до прямого спалювання її у відкритому вогнищі або в печах і топках з відносно низьким ККД. Крім того, недоліком біомаси як палива є відносно великий, порівняно з іншими видами палива, вміст вологи. При використанні біомаси як джерела енергії перспективнішою є технологія отримання з біомаси біогазу, який є сумішшю метану та вуглекислого газу і який в подальшому використовують як паливо. Біогаз отримують в анаеробних умовах у спеціальних біореакторах, які обладнані і відрегульовані таким чином, щоб при зброджуванні біомаси забезпечити максимальне виділення метану. Якщо реактор працює нормально, отриманий біогаз містить 60-70% метану, 30-40% двооксиду вуглецю, невелику кількість сірководню, а також суміші водню, аміаку та оксиду азоту. Енергія, яку отримують при спалюванні біогазу, може досягати 60-90% енергії

370

вихідного матеріалу, в той час як при прямому спалюванні вихідного матеріалу ця величина становить 35-50%.

Залишок (зброджені відходи), утворений в процесі одержання біогазу, містить значну кількість поживних речовин і може бути використаний як добриво. За сприятливих для збродження умов розкладається близько 70% органічних речовин, а 30% утримується в залишку. Метод анаеробного збродження найбільш прийнятний для переробки тваринних та органічних побутових відходів з точки зору гігієни та охорони навколишнього довкілля, оскільки забезпечує найбільше знезаражування залишку та знищення патогенних мікроорганізмів. Схема біогазової установки наведена на мал.7.11.

Мал.7.11. Принципова схема роботи біогазової установки

Мал.7.12. Схема отримання і використання біогазу:

1 – житловий будинок, який опалюється газом; 2 – газопровід; 3 – накопичувач відходів у тваринницькому комплексі; 4 – трубопровід подачі відходів у біореактор; 5 – пункт управління; 6 – газорозподільча система; 7 - біогазовий реактор (метантенк); 8 –

зливна шахта; 9 – ємність для накопичення зброждених відходів

371

Одержувати біогаз можна в установках різних масштабів (мал.7.12; 7.13), як у великих тваринницьких та птахівницьких господарствах, так і в невеликих фермах і, навіть, сільських садибах. Особливо ефективно використання біогазових установок в агропромислових комплексах, де переробляється постійний потік відходів і є можливості повного екологічного циклу.

Мал.7.13. Малогабаритна біоенергетична установка:

1 – бетонна ємність; 2 – органічні відходи; 3 – кришка; 4 – ручна мішалка; 5 – сальник; 6 – трубка відведення газу; 7 – запобіжний клапан; 8 – труба завантаження органічних відходів; 9 – труба для вивантаження збродженого осаду

При проектуванні об’єктів із біореакторами слід пам’ятати, що розташування установок можливо: в спеціальних прибудовах, в окремо розташованих спорудах, в підвалах господарських надвірних прибудов тощо. При проектуванні агрокомплексів або заводів метанові установки повинні бути віднесені від основних цехів на віддаль не менше 60 м із умов вибухота пожежобезпеки. Промислові біореактори слід дублювати. Біореактори індивідуальних будинків влаштовують без резервних ємностей.

7.4.3. Використання енергії вітру для енергопостачання будинків

Сила вітру – це одне з найдавніших джерел енергії, яке використовується людством. В Україні достатньо високопродуктивного вітрового потенціалу, зокрема в Приазовському, Причорноморському і Карпатському регіонах, і розвиток вітроенергетики в цих районах може стати пріоритетним.

Вітроенергетичні установки (ВЕУ), перетворюють кінетичну енергію вітрового потоку в електричну за допомогою генератора. Лопаті ВЕУ використовуються для обертання центральної ступиці, яка

372

під’єднана через коробку передач до електричного генератора. При цьому швидкість вітру і площа, що охоплюється лопатями вітротурбіни, є найважливішими факторами, що впливають на кількість енергії, яку ВЕУ може перетворити в електроенергію. Енергія вітру змінюється пропорціонально кубу швидкості вітру. Тобто, якщо швидкість вітру подвоюється, то кінетична енергія, яку отримає ротор, збільшиться у вісім разів.

За розташуванням осі обертання розрізняють два типи ВЕУ (мал.7.14). ВЕУ із горизонтальною віссю обертання мають дві або три лопаті, що встановлені на вершині башти. Довжина лопатей переважно становить 15 – 40 м. Розміри сучасних ВЕУ мають широкий діапазон: від малих 100 кВт-них, що призначені для забезпечення електроенергією окремих будинків та котеджів, до великих - потужністю більше 1 МВт. Сучасні ВЕУ зазвичай мають такі основні компоненти: лопаті, ротор, трансмісію, генератор і систему контролю

(мал.7.14.,7.15).

Мал.7.14. Схеми вітрових енергетичних установок

Важливими факторами, що впливають на продуктивність ВЕУ, є висота установки та її місце розташування. Оскільки швидкість вітру зростає з висотою, то більшість ВЕУ мають високі башти (приблизно 30 м). Будинки, дерева та інші перепони зменшують швидкість вітру, у той час як значні водні простори чи території аеродромів не спричиняють стримуючого ефекту на вітер. ВЕУ повинна бути вищою

373

за оточуючі перепони, які знаходяться в радіусі 100 м, мінімум на 10 м. Вважається, що мінімальна економічна висота установки – 15 м.

Мал.7.15. Зовнішній вигляд основного вузла вітроенергетичної установки

Крім того, архітектору слід пам’ятати, що при виборі ділянки під ВЕУ необхідно враховувати: шум та вібрацію, які утворюються від обертання лопатей; небезпеку зіткнення з літаками під час низьких польотів; зорові ефекти та електромагнітні впливи на роботу телевізійних, радіо і радарних установок. Критичні рівні шуму ( 40 дБА) зазвичай досягаються на віддалі біля 250 м від встановленої ВЕУ до житлової забудови. Відомо, що вібрація впливає на комах та невеликих тварин, але це явище недостатньо вивчене.

Енергію вітру використовують також для підняття води з підземних джерел, тобто для роботи водопідйомних насосів.

Вцілому в рідких випадках ВЕУ забезпечують 100 % -ну потребу

велектроенергії і, як правило, ВЕУ використовують в комбінації з іншими джерелами електроенергії. У будь якому випадку через непостійність вітру енергія, отримана від ВЕУ, повинна акумулюватись для її використання у безвітрову погоду.

374