Использование альтернативных источников энергии в сфере современного строительства

Данная статья посвящена решению такой глобальной проблемы как обеспечение человечества электроэнергией. По мере того, как стремительно увеличивается население нашей планеты, растет и потребность людей в электричестве и других видах энергии. Развитие новых технологий оказывает огромное влияние на динамику роста количества потребляемой энергии. В статье рассматривается применение альтернативных источников энергии в современном строительстве. Работа включает в себя анализ некоторых примеров, таких как: «Гелиотроп» (англ. Heliotrop, 1993–1995) в Германии, «Вращающаяся башня» (англ. Dynamic Tower) в Объединенных Арабских Эмиратах, «Активный дом» (2011) в России.

Ключевые слова : электроэнергия, солнечные батареи, солнечные коллекторы, ветряные турбины.

Введение

В XXI веке из-за скорости развития мира и повышения потребностей человечества электроэнергетика встает практически на первое место среди важнейших отраслей для жизни человека. Все города без остановки затрачивают огромное количество энергии для нужд человека. В данном ресурсе нуждаются все предприятия, фирмы, заводы, фабрики, аэропорты, вокзалы, магазины, больницы, пожарные части, и этот список можно продолжать бесконечно, но количество энергоресурсов ограничено. Прогресс в сфере строительства дошел до того, что можно запроектировать и воплотить в жизнь такое здание, которое сможет самостоятельно обеспечить себя всем необходимым, полностью или частично. Данные результаты достигаются путем разработки решений с точки зрения архитектуры и строительства.

«Здание нулевого потребления»

Первый пример такого решения «Гелиотроп» — это дом, который производит энергию в несколько раз больше, чем потребляет. Свое название он получил в честь цветка « Heliotropium» , что в переводе означает «тот, кто поворачивается за солнцем», его архитектурный облик полностью оправдывает свое название. Данный проект еще называют «Солнечный дом» или «Вращающийся дом». Здание построено в Германии, на окраине города Фрайбург, в 1993–1995 гг. Идея строительства этого полностью самодостаточного дома принадлежит архитектору Рольфу Дишу. Дом может вращаться вокруг своей оси, поворачиваясь за Солнцем. «Гелиотроп» стоит на железобетонной опоре, напоминающей стебель. Внешне такое сооружение напоминает дерево.

Про такой дом часто говорят: «Здание нулевого потребления энергии». То есть это дом, который вырабатывает самостоятельно электроэнергию для собственного функционирования, и так же «Гелиотроп» отдает городу больше энергии, чем тратит. Сам дом почти полностью состоит из дерева, что позволяет облегчить конструкцию вращения. Фасад здания, который постоянно пребывает в тени, оборудован высокой степенью теплоизоляции стен. Комнаты, расположенные на другом фасаде, оснащены большими окнами со специальными стеклами, которые в зимнее время пропускают солнечное тепло, а летом его отражают [1]. В холодный период весь дом нагревается за 7 минут. На балконах находятся солнечные коллекторы, они служат, как для ограждения, так и в качестве устройства для сбора тепловой энергии солнца. Коллекторы представляют собой вакуумные стеклянные колбы, внутри которых находятся металлические трубы, по которым течет жидкость — теплоноситель. Солнечный свет нагревает ее, и затем она поступает в большой резервуар внутри дома, дальше жидкость попадает в обогреватели, расположенные на потолках комнат, а также ее используют в качестве воды на кухне и ванной. На крыше дома возвышается солнечная батарея площадью 54 квадратных метра. Она вращается, что позволяет ей выполнять свою главную задачу — всегда быть направленной на солнце. Солнечная батарея состоит из тонких пластин чистого кремния. На кремневую пластину сначала наносится небольшое количество бора, а затем фосфора. В слое кремния с фосфором возникают свободные электроны, а в слое с бором образуются «дырки», то есть отсутствующие электроны. Когда на батарею попадает квант свет, в ней начинается движение частиц из одного слоя в другой, то есть возникает электрический ток. Чем больше площадь солнечной батареи, тем она мощнее. Благодаря этой солнечной панели дом получает электричество, а избыточная энергия поступает в электросеть района города.

Рис. 1. «Гелиотроп» [2]

«Dynamic Tower» или Вращающаяся башня — это проект итальянского архитектора Девида Фишера, представляющий собой небоскрёб будущего, каждый этаж которого может поворачиваться на 360 градусов, независимо от остальных этажей. Вращение происходит при помощи голосовых команд, так же есть возможность поменять скорость или совсем остановить вращение. Каждый этаж может быть запрограммирован таким образом, чтобы вращение происходило вслед за солнцем. Здание будет иметь 80 этажей, примерно 420 метров в высоту. Это первый 4D-небоскрёб в мире.

Конструкция этого сооружения принадлежит к такому направлению, как кинетическая архитектура. Это особый вид архитектуры, когда полностью всё здание, либо его отдельные элементы могут двигаться независимо друг от друга.

Такое направление имеет три основных особенности:

— форма здания, которая приспосабливается к таким природным явлениям как солнце и ветер;

— динамические методы строительства. При возведении здания используют только сборные элементы;

— сочетание современных технологий. Кинетические здания способны производить энергию для автономного питания благодаря энергии солнца и ветра.

Все три особенности нашли отражение в проекте Вращающейся Башни Девида Фишера. Основу конструкции данного сооружения составляет монолитный бетонный стержень, на который будут насаживаться отдельные части этажей, состоящие из металла, которые предварительно собраны на заводе в Италии. Каждый из 80 спроектированных этажей — это самостоятельное сооружение, способное вращаться вокруг своей оси. Между вращающимися этажами будут установлены ветряные турбины, с помощью которых здание будет обеспечиваться электроэнергией. Суть работы ветрогенераторов заключается в преобразовании кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию. Такое устройство работает при скорости ветра от 1 м/с до 28 м/с [3].

Со слов самого архитектора: «Небоскребы обычно сильно страдают от ветра, и я подумал, что можно заставить ветер работать на нас, поэтому решил установить между этажами ветряные турбины», то есть зданию в 80 этажей понадобиться 79 турбин, полностью управляемых ветром».

Согласно расчетам, всего 7 турбин из 79 хватит чтобы обеспечить все здание электропитанием. Избытки планируется отдавать городу. Таким образом, здание тратит только ту энергию, которую само вырабатывает.

Рис. 2. Вращающаяся башня [4]

Первый «активный дом» в России

В 2011 году был построен первый в России «активный дом». Это дом с эффективным использованием природных энергоресурсов. Такой результат достигнут благодаря правильным техническим расчетам. Коттедж спроектирован таким образом, чтобы иметь максимальную площадь фасада с южной стороны и минимальную с северной [1]. Окна располагаются на южном, восточном и западном фасадах. Здание оснащено программой «умный дом», что позволяет автоматически затемнять стекла при переизбытке света, и приоткрывать окна для проветривания помещений. Стены имеют высокую степень теплоизоляции. Внешние конструкции дома имеют толщину 60 сантиметров. На крыше здания расположены солнечные коллекторы, к которым подводится вода. От попадания солнечных лучей жидкость в коллекторе нагревается и поступает в коттедж для эксплуатации. Таким образом, дом полностью обеспечивает себя водой и отоплением. Однако, создать сооружение, которое бы полностью снабжало себя электроэнергией в России невозможно из-за погодных условий. А также из-за отсутствия возможности отдавать излишнюю электроэнергию в центральную сеть. По этим причинам в доме нет солнечных батарей, и было решено подключить его к централизованному энергоснабжению.

Рис. 3. Первый «активный дом» в России [5]

На сегодняшний день термин «энергосбережение» звучит все чаще и чаще. Очень часто можно встретить энергосберегающие лампы, автоматические счетчики воды и электричества, и многое другое. Все это направлено на экономию энергоресурсов. Поэтому эта тема весьма актуальна на закате нефтяной эры. Люди ищут новые источники энергии, поэтому дома с почти нулевым расходом энергии могут по праву называться первопроходцами в сфере ресурсосбережения. Разумеется, ещё очень далеко до того момента, когда такие сооружения прочно укореняться в массовой застройке. Однако мы находимся на старте новейшего времени, когда сами здания смогут вырабатывать энергию и обеспечивать своих жильцов всеми необходимыми энергетическими благами.

Литература:

1. Д. Холлоуэй. Пассивный солнечный дом: проектирование. Пер. с англ. О. Б. Меньшинин, 2006.

2. Гелиотроп — автономный дом, который вращается за солнцем, https://fshoke.com/2015/09/04/geliotrop-avtonomnyj-dom-vrashhaetsya-za-solncem/.

4. Вращающийся дом в Дубаи, https://dubai-life.info/1280-dynamic-tower-dom-v-dubai/.

5. Первый «активный дом» в России, https://realty.rbc.ru/news/577d317e9a7947a78ce97ded.