Научная статья на тему 'Модель комплексного применения альтернативных источников энергии для высокоурбанизированных территорий'

Модель комплексного применения альтернативных источников энергии для высокоурбанизированных территорий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
186
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Вестник МГСУ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
ЖИЛИЩНАЯ АРХИТЕКТУРА / DWELLING ARCHITECTURE / ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ АВТОНОМНОСТЬ / ENERGY AUTONOMY / АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ / ALTERNATIVE ENERGY SOURCES / ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ / FUEL CELL (FC) / КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА / COMPLEX INTEGRATED SYSTEM / ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЗДАНИЙ / BUILDING ENGINEERING EQUIPMENT

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Иванова Елена Ивановна, Черкасова Полина Андреевна

Рассмотрены новые задачи в области энергосберегающих технологий, связанные с уплотнением застройки и населения высокоурбанизированных территорий. Только комплексная и автономная система инженерного оснащения зданий, сформированная с учетом принципов энергетической эффективности и экономической целесообразности, отвечает современным потребностям городской среды. Предложен вариант такой системы на основе твердооксидного топливного элемента.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Иванова Елена Ивановна, Черкасова Полина Андреевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Model of complex integrated use of alternative energy sources for highly urbanized areas

The increase of population and continuous development of highly urbanized territories poses new challenges to experts in the field of energy saving technologies. Only a multifunctional and autonomous system of building engineering equipment formed by the principles of energy efficiency and cost-effectiveness meets the needs of modern urban environment. Alternative energy sources, exploiting the principle of converting thermal energy into electrical power, show lack of efficiency, so it appears to be necessary for reaching a visible progress to skip this middle step. A fuel cell, converting chemical energy straight into electricity, and offering a vast diversity of both fuel types and oxidizing agents, gives a strong base for designing a complex integrated system. Regarding the results of analysis and comparison conducted among the most types of fuel cells proposed by contemporary scholars, a solid oxide fuel cell (SOFC) is approved to be able to ensure the smooth operation of such a system. While the advantages of this device meet the requirements of engineering equipment for modern civil and, especially, dwelling architecture, its drawbacks do not contradict with the operating regime of the proposed system. The article introduces a model of a multifunctional system based on solid oxide fuel cell (SOFC) and not only covering the energy demand of a particular building, but also providing the opportunity for proper and economical operation of several additional sub-systems. Air heating and water cooling equipment, ventilating and conditioning devices, the circle of water supply and preparation of water discharge for external use (e.g. agricultural needs) included into a closed circuit of the integrated system allow evaluating it as a promising model of further implementation of energy saving technologies into architectural and building practice. This, consequently, will positively affect both ecological and economic development of urban environment.

Текст научной работы на тему «Модель комплексного применения альтернативных источников энергии для высокоурбанизированных территорий»

УЕБТЫНС

мвви

УДК 620.92

Е.И. Иванова, П.А. Черкасова

ФГБОУ ВПО ГУЗ

МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ВЫСОКОУРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Рассмотрены новые задачи в области энергосберегающих технологий, связанные с уплотнением застройки и населения высокоурбанизированных территорий. Только комплексная и автономная система инженерного оснащения зданий, сформированная с учетом принципов энергетической эффективности и экономической целесообразности, отвечает современным потребностям городской среды. Предложен вариант такой системы на основе твердооксидного топливного элемента.

Ключевые слова: жилищная архитектура, энергетическая автономность, альтернативные источники энергии, топливный элемент, комплексная система, инженерное оборудование зданий.

Прогресс в области энергосберегающих технологий, будучи позитивным во многих отношениях явлением, ставит все новые задачи перед специалистами сопряженных областей и, в частности, перед архитекторами. В первую очередь пристального внимания в этом отношении заслуживает жилищная архитектура как наиболее подверженная пиковым нагрузкам в силу специфики эксплуатации. Вопрос модернизации существующей жилой застройки в соответствии со спецификой урбанистической среды и современными требованиями к экологической обоснованности и энергетической эффективности приобретает в настоящее время абсолютную актуальность. Формирование же новых ячеек жилищного фонда с учетом вероятности развития и уплотнения антропогенных ландшафтов, рассчитанных на перспективу многократного увеличения насыщенности технологическими новшествами, и вероятности усложнения демографической ситуации в мире [1] представляется в высшей степени необходимым. В контексте указанных обстоятельств все более востребованной становится совокупность идей и решений, известных под обобщенным названием «технология эффективного дома».

В рамках настоящей работы теоретические основы концепции энергетической эффективности не рассматриваются. В первую очередь потому что рост интереса к вопросу как в среде специалистов, так и в обществе в целом уже позволил сформировать достаточный уровень общей информированности относительно данной темы [2]. С другой стороны, в сфере коммерческого строительства и сопряженном с ней информационном поле в последние несколько десятилетий наметилась стойкая тенденция к тиражированию такого рода общей информации в чисто рекламных целях, для обеспечения позитивного резонанса конкретному проекту, что в значительной степени усложняет процесс восприятия идеи в целом. Со своей стороны, автор настоящего исследования стремится избежать подобного тиражирования и освещать только принципи-

ально новые аспекты, связанные с конкретными технологиями, ограничившись только краткой интродукцией теоретической базы во избежание некорректной интерпретации применяемой терминологии.

Под термином «эффективный дом», широко применяемым в настоящее время как в тематической литературе, так и в архитектурно-строительной практике, могут подразумеваться, в зависимости от ситуации, разные варианты технического и технологического насыщения проекта [3]. В силу специфики темы исследования речь идет исключительно о жилых зданиях, реализующих в рамках урбанистической среды принцип максимальной энергетической и инженерной автономности. Необходимо отметить, что следование этому принципу непременно должно осуществляться с позиций экономической целесообразности и минимизации воздействия на экологическую среду.

Промышленные и общественные здания, очевидно, также могут быть эффективными, однако принципы их проектирования отличаются значительной специфичностью и заслуживают отдельной статьи. Под автономностью в данном контексте следует понимать возможность функционирования в здании отопительной и вентиляционной систем, системы энергоснабжения и водоочистки, а также максимального количества других вариантов инженерного оборудования зданий (ИОЗ) без использования энергии, поступающей извне [4]. Таким образом, автономное здание исключает из своего эксплуатационного цикла неполадки, связанные с недостаточным качеством общегородских инженерных сетей или их перегрузками в экстремальных условиях. Указанный параметр определяет условия для проявления позитивного эффекта на урбанистическую среду в целом и энергетическую политику отдельных районов, кварталов, ячеек в ее составе. Гибкость и вариабельность технологии предусматривает возможность развития и уплотнения среды в дальнейшем без внесения масштабных структурных изменений, что в значительной степени повысит также экономическую эффективность городской среды.

Важно отметить тот факт, что использование этого принципа совершенно не исключает возможности интегрирования здания в общегородские сети, а также комбинированного использования источников энергии. Это обстоятельство в значительной мере облегчает процесс внедрения новой технологии и выгодно отличает ее от аналогов.

В современной инженерной и строительной практике известны различные методы достижения указанного эффекта и сопряженные с ними технологические решения, характеризующиеся разной степенью востребованности и полезности [5]. Широко известны примеры использования в жилье солнечных батарей, ветровых генераторов и других альтернативных источников энергии, которые с высоты современного уровня развития идеи уместно называть источниками первого поколения. Однако, при всем их многообразии, особенности их работы сводятся к одному принципу — накопление тепловой энергии и превращение ее в электрическую [6]. Такое принципиальное решение охарактеризовано рядом серьезных недостатков, выявленных в ходе его применения на практике: это дороговизна конвертационного блока и не слишком высокая эффективность, обусловленная изменчивостью внешних условий. В настоящее время ряду исследователей представляется очевидным, что следующим шагом

в развитии этого направления должен стать переход к процессу, исключающему стадию промежуточного перехода к тепловой энергии, дающую значительные потери КПД [7].

В рамках подготовительного этапа настоящего исследования был произведен обзор существующих на сегодняшний день технологий, как имеющих практическую реализацию, так и разработанных исключительно теоретически [8]. Анализ технического, научного и экономического аспектов выявил устройство, в значительной степени опережающее по всем показателям широко используемые технологии, но не нашедшее в инженерной практике применения. Речь пойдет о топливном элементе (рис. 1), на основе которого автор данной работы разработал и предложил ряд вариантов комбинированных решений, реализующих концепцию эффективного дома.

а б

Рис. 1. Топливный элемент (ТЭ): а — общий вид; б — схема работы твердооксид-ного топливного элемента (ТОТЭ)

Топливный элемент (ТЭ) — электрохимическое устройство, принцип действия которого сходен с принципом действия гальванического элемента; качественная разница топливного и гальванического элементов заключается в том, что вещества для электрохимической реакции подаются в ТЭ извне постоянно, а не запасены в аккумуляторе [9].

В теле ТЭ происходит непрерывный процесс превращения химической энергии топлива в электричество путем высокоэффективного «холодного» горения топлива. Таким образом, решается приоритетная как для жилищного строительства, так и для многих других сфер задача — ТЭ непосредственно вырабатывает электроэнергию [10].

Следует отметить, что принцип действия устройства был избран в ходе научных исследований, проводимых в течение продолжительного времени и имеющих истоки в наблюдениях органического мира [11]. Естественным аналогом ТЭ является митохондрия живой клетки (рис. 2), перерабатывающая органическое «топливо» — жирные кислоты, синтезируя в процессе АТФ — универсальный источник энергии для всех биохимических процессов в живых организмах. Характерно, что при синтезе АТФ митохондрии создают разность электрических потенциалов на своей внешней мембране, реализуя принцип непосредственной генерации энергии. Однако непосредственное копирование

этого процесса для получения электроэнергии не представляется возможным в силу того обстоятельства, что в таком случае на долю электрической разности потенциалов приходилась бы пренебрежимо малая доля химической энергии исходных веществ, в то время как основной ее объем передавался бы молекулам АТФ. Тем не менее идея, заимствованная в живой природе, оправдывает себя и представляет возможность для изготовления устройства исключительно высокой эффективности, будучи технически реализована иным образом. КПД, определенный для предлагаемого устройства по теплоте химической реакции, стремится к 100 % и в рамках чистой модели, учитывающей возможность превращения в работу, в т.ч. и теплоты окружающей среды, теоретически может превышать это значение. Важно отметить, что в данном случае противоречия с существующими для тепловых машин ограничениями на КПД не возникает, поскольку ТЭ реализуют иной механизм работы и не эксплуатируют принцип замкнутого цикла. Таким образом, реагирующие вещества не возвращаются в начальное состояние, постоянно расходуясь и постоянно же восполняя потребности внешней среды за счет продуктов реакции. При химической реакции в ТЭ в электрическую энергию превращается в конечном счете не теплота реагентов, а их внутренняя энергия и, как указано выше, некоторое количество теплоты из окружающей среды.

Рис. 2. Митохондрия живой клетки, природный аналог принципа работы ТЭ

Говоря о ТЭ, следует учитывать значительное разнообразие их типов. Наиболее удобно классифицировать их по типу используемого горючего и способу его переработки1:

твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) / Solid-oxide fuel cell; топливный элемент с протонообменной мембраной (ТЭПМ) / Protonexchange membrane fuel cell (PEMFC);

обратимый топливный элемент (ОТЭ) / Reversible Fuel Cell; прямой метанольный топливный элемент (ПМТЭ) / Direct-methanol fuel cell (DMFC);

расплавной карбонатный топливный элемент (РКТЭ) / Molten-carbonate fuel cell (MCFC);

фосфорнокислый топливный элемент (ФКТЭ) / Phosphoric-acid fuel cell; щелочной топливный элемент (ЩТЭ) / Alkaline fuel cells (AFC).

1 ГОСТ 15596—82. Источники тока химические. Термины и определения.

С одной стороны, различные типы ТЭ характеризуются рядом достоинств, определяющих их применимость в различных инженерных системах, но, с другой стороны, у каждого типа существуют и специфические недостатки, влияющие на экономическую и техническую эффективность их внедрения в архитектурный объект. В данной сфере, например, весьма ограниченно применим ТЭ с протонообменной мембраной, требующий значительных затрат в следствие того фактора, что в качестве катализатора реакции в нем используется платина [10]. С другой стороны, такие недостатки, как ограничения в смысле мобильности и определенная инертность, малозначимы и, следовательно, пренебрежимы в рамках указанной задачи, поскольку не оказывают влияния на ее решение вследствие статичности объектов строительства [12]. Проанализировав основные характеристики всех типов ТЭ, их достоинства и недостатки, а также особенности их работы и жизненного цикла, автор данной разработки счел наиболее оптимальным и соответствующим поставленной задаче вариант формирования комплексной системы энергообеспечения здания на основе твердооксидного топливного элемента; остановимся подробнее на схеме работы указанного устройства.

Электролитом твердооксидного (твердоокислого) ТЭ является керамический материал, проницаемый для ионов кислорода. В опытных образцах и практике наиболее часто используется состав, имеющий в своей основе диоксид циркония [13]. Эти элементы работают при сравнительно высокой температуре и вследствие этого обстоятельства применяются в основном для стационарных установок со специальным эксплуатационным режимом и рабочей мощностью, превышающей 1 кВт [14]. Их отработанные газы могут быть использованы для приведения в действие газовой турбины, что в значительной степени повысит КПД установки. КПД такой гибридной системы в среднем должен достигать 70 %, но и это значение можно превысить, включив в состав комплекса ряд опциональных технических решений, обеспечивающих утилизацию избытка тепловой энергии и ее последующего использования для обогрева здания.

В ТОТЭ ионы кислорода проходят через твердый оксид, который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде [15]. Хотя в ТОТЭ необходима высокая рабочая температура (что требует специальных керамических материалов), они не нуждаются в дорогостоящих катализаторах, таких как платина. Кроме того, рабочий цикл ТОТЭ не подвержен негативным изменениям вследствие интоксикации монооксидом углерода [16] и может быть воспроизведен с использованием различных по своей природе и свойствам видов топлива [17]. Из числа наиболее типичных вариантов компоновки ТОТЭ можно назвать элементы, работающие на метане, пропане, бутане, однако для настоящей комплексной системы энергообеспечения зданий наиболее предпочтительным является работающая на биогазе [18] модификация устройства. Важным условием стабильной и бесперебойной работы ТОТЭ на биогазе является предварительное полное удаление серы, содержащейся в топливе. На протяжении значительного времени с момента изобретения ТОТЭ это условие являлось практически единственным препятствием для его внедрения в мировую инженерную практику, однако в настоящее время указанная проблема решается посредством внесения в топливную смесь адсорбентов [19].

4/2014

Резюмируя сказанное, можно уверенно констатировать, что в ряду преимуществ ТОТЭ, кроме упомянутого высокого КПД, выделяются значительные рабочие мощности, отсутствие необходимости в использовании дорогостоящего катализатора и очистке или замене отравленного электролита и возможность использования биогаза. Кроме того, этот ряд может быть дополнен такими очевидными достоинствами, как компактность, независимость от водородной инфраструктуры, ставшая непреодолимым в настоящем и обозримом будущем препятствием на пути развития большинства альтернативных энергетических концепций и инициатив, а также экологичность в самом широком смысле, обусловленная тем, что в процессе эксплуатации установка выделяет лишь отработанную воду, чистую и пригодную для бытового использования, и некоторое количество теплоты, утилизируемое в комбинированной системе.

Кроме особенностей исключения из состава топлива следов серы, одним из основных недостатков ТОТЭ долгое время считалась высокая рабочая температура (порядка 1000 °С), однако новейшие разработки позволили снизить ее более чем вдвое [20], что делает элемент вполне пригодным для использования в системе энергообеспечения жилой застройки. Следует, однако, отметить, что объективный и беспристрастный анализ предлагаемой технологии выявляет и другую проблему, требующую решения: в силу достаточно низкой скорости химической реакции элемент характеризуется значительной инертностью, что требует дополнительных приспособлений, например, аккумуляторов, в период пиковых и импульсных нагрузок на систему (зимний период). Таким образом, именно комбинированная система в наибольшей степени соответствует выдвигаемым строительным производством требованиям к таким характеристикам, как стабильность работы и устойчивая сопротивляемость изменениям, происходящим во внешней среде.

Изложив принцип и теоретические основы работы основного элемента предлагаемой нами комбинированной системы, обратимся к схеме взаимодействия ее частей (рис. 3).

Рис. 3. Схема комбинированной системы энергоснабжения и ИОЗ

Сточные воды поступают в камеру фильтрации и отстаивания, выделяющийся биогаз поступает на ТЭ. В результате электрохимической реакции

выделяются вода, некоторое количество теплоты и отработанные газы (преимущественно кислород). Вода поступает в систему водоснабжения дома и, используясь и загрязняясь, возвращается в виде стока в камеру отстаивания. Очищенная в камере вода для повторного использования не подходит, однако может использоваться для внешних нужд (характер применения зависит от качества фильтра). Выделившаяся тепловая энергия используется для дообогрева дома, охлажденный до нормальной температуры воздух безвреден и выпускается в атмосферу или используется в системе вентиляции дома. Отработанные газы заставляют работать газовую турбину, что повышает общий КПД системы в среднем до 80 %. Турбина может быть скомбинирована с аккумуляторами, накапливающими и сохраняющими избыток энергии до момента возникновения потребности в ней в случае включения режима пиковых нагрузок.

Комментируя приведенный механизм взаимодействия составляющих системы, важно сосредоточить внимание на ряде выводов относительно целесообразности его реализации. Описанная комбинированная система, как можно видеть на представленной схеме (см. рис. 3), рационально использует не только собственно топливо, но и все побочные продукты реакции, а также возникающие в рабочем цикле отходы. Посредством интеграции в здание системы осуществляется функционирование системы отопления и горячего водоснабжения, а также водоочистки и системы вентиляции. Нетрудно рассчитать, что описанная автономная модель в значительной степени повышает показатели энергетической и экономической эффективности архитектурного объекта по сравнению с аналогами, оснащенными типичной совокупностью систем, зависимых от общегородских сетей. Важным преимуществом системы, особенно принципиальным для российских климатических условий, является наличие в ее составе дополнительного источника энергии, обеспечивающего надежность ее работы и в значительной степени гарантирующего защиту жителям от неудобств, связанных с особенностями ресурсообеспечения здания в ситуации экстремальных и пиковых нагрузок. Наконец, внедрением описанной системы кардинально решается вопрос, связанный с экологическим аспектом строительства — работа комбинированной установки на основе ТОТЭ не сопровождается вредными выбросами в атмосферу и позволяет использовать водные ресурсы планеты максимально экономно.

Таким образом, разработанный механизм позволяет обеспечить условия для внедрения в строительную практику энергетически эффективных технологий и наиболее рационального с экологической и экономической точек зрения развития урбанистической среды, т.е. полностью отвечает задаче, сформулированной в начале настоящей работы.

Библиографический список

1. Глазычев В.Л. Социально-экологическая интерпретация городской среды. М. : Наука, 1984. С. 124—126.

2. Зайцев А.В. Энергосберегающие технологии современной техники бытового и жилищно-коммунального назначения // Технико-технологические проблемы сервиса. 2010. № 3 (13). С. 46—51.

3. Байгозин Д.В., Первухин Д.Н., Захарова Г.Б. Разработка принципов интеллектуального управления инженерным оборудованием в системе «умный дом» // Известия Томского политехнического университета. 2008. № 5 (313). С. 168—172.

4. Майков И.Л., Директор Л.Б., Зайченко В.М. Решение задач оптимизации энергетических систем с несколькими автономными энергоустановками // Управление большими системами : сб. тр. 2010. № 31. С. 110—127.

5. Лепеш Г.В. Энергосбережение — приоритетная задача XXI века : колонка главного редактора // Технико-технологические проблемы сервиса. 2010. № 1 (11). С. 3—6.

6. Бутузов В.А. Солнечное теплоснабжение в России: состояние дел и региональные особенности // Энергосовет. 2011. № 5 (18). С. 39—41.

7. Панферов С.В., Телегин А.И., Панферов В.И. Некоторые проблемы энергосбережения и автоматизации в системах теплоснабжения зданий // Вестник ЮжноУральского государственного университета. 2010. № 22 (198). С. 79—85.

8. Рац Г.И., Мординова М.А. Развитие альтернативных источников энергии в решении глобальных энергетических проблем // Известия Иркутской государственной экономической академии. 2012. № 2. С. 132—135.

9. Багоцкий В.С., Скудин А.М. Химические источники тока. М. : Энергоиздат, 1981. С. 156, 284—288.

10. Лаврус В.С. Источники энергии // Информационное издание НиТ. 1997. С. 15, 43—46.

11. Bagotsky Vladimir S. Fuel cells. Problems and solutions, Hoboken: Wiley Interscience, the Electrochemical Society series, 2009. Рр. 135—160.

12. Supramaniam Srinivasan. Fuel cells. From Fundamentals to Applications, Springer Sience+Business Media. 2006. Рр. 637—640.

13. SOFC Materials properties & performance // Jeffrey W. Fergus, Rob Hui, Xianguo Li, David P. Wilkinson, Jiujun Zhang. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009. Pp. 5—16.

14. Керамика для машиностроения / А.П. Гаршин, В.М. Гропянов, Г.П. Зайцев, С.С. Семенов. М. : Научтехлитиздат, 2003. С. 383—385.

15. New Chemical Routes for Preparation of Ultrafine NiO-YSZ Powders for SOFC Anode Applications / V. Esposito, C. D'Ottavi, S. Ferrari, S. Licoccia, E. Traversa // SOFC VIII / Edited by S.C. Singhal, M. Dokiya, The Electrochemical Society, 2003. Pp. 643—652.

16. Singhal S.C. Progress in tubular SOFC Technology // SOFC VI / Edited by S.C. Singhal, M. Dokiya, The Electrochemical Society, 1999. Рр. 39—51.

17. Иванов-Шиц А.К., Мурин И.В. Ионика твердого тела. СПб. : Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2010. Т. 2. С. 909—925.

18. Панченко А.В. Биотопливо как альтернативный источник энергии // Энергобезопасность и энергосбережение. 2007. № 6. С. 14—18.

19. Singhal S.C., Eguchi K. Operation on Alternative Fuels, ch. 9, SOFC XII, The Electrochemical Society. 2011. Vol. 35. No. 1. Pp. 2641—2700.

20. Development of Intermediate-Temperature SOFC Module and System / Jun Akikusa, Takashi Yamada, Takafumi Kotani, Naoya Murakami // SOFC IX / Edited by S.C. Singhal, J. Mizusaki. The Electrochemical Society. 2005. Vol. 2 materials. Pp. 102—112.

Поступила в редакцию в марте 2014 г.

Об авторах: Иванова Елена Ивановна — кандидат архитектуры, доцент кафедры архитектуры, Государственный университет по землеустройству (ФГБОУ ВПО ГУЗ), 105064, г. Москва, ул. Казакова, д. 15, longarina@mail.ru;

Черкасова Полина Андреевна — студент факультета архитектуры, Государственный университет по землеустройству (ФГБОУ ВПО ГУЗ), 105064, г. Москва, ул. Казакова, д. 15, kayahhh@gmail.com.

Для цитирования: Иванова Е.И., Черкасова П.А. Модель комплексного применения альтернативных источников энергии для высокоурбанизированных территорий // Вестник МГСУ 2014. № 4. С. 125—134.

E.I. Ivanova, P.A. Cherkasova

MODEL OF COMPLEX INTEGRATED USE OF ALTERNATIVE ENERGY SOURCES FOR HIGHLY URBANIZED AREAS

The increase of population and continuous development of highly urbanized territories poses new challenges to experts in the field of energy saving technologies. Only a multifunctional and autonomous system of building engineering equipment formed by the principles of energy efficiency and cost-effectiveness meets the needs of modern urban environment. Alternative energy sources, exploiting the principle of converting thermal energy into electrical power, show lack of efficiency, so it appears to be necessary for reaching a visible progress to skip this middle step. A fuel cell, converting chemical energy straight into electricity, and offering a vast diversity of both fuel types and oxidizing agents, gives a strong base for designing a complex integrated system. Regarding the results of analysis and comparison conducted among the most types of fuel cells proposed by contemporary scholars, a solid oxide fuel cell (SOFC) is approved to be able to ensure the smooth operation of such a system. While the advantages of this device meet the requirements of engineering equipment for modern civil and, especially, dwelling architecture, its drawbacks do not contradict with the operating regime of the proposed system. The article introduces a model of a multifunctional system based on solid oxide fuel cell (SOFC) and not only covering the energy demand of a particular building, but also providing the opportunity for proper and economical operation of several additional sub-systems. Air heating and water cooling equipment, ventilating and conditioning devices, the circle of water supply and preparation of water discharge for external use (e.g. agricultural needs) included into a closed circuit of the integrated system allow evaluating it as a promising model of further implementation of energy saving technologies into architectural and building practice. This, consequently, will positively affect both ecological and economic development of urban environment.

Key words: dwelling architecture, energy autonomy, alternative energy sources, fuel cell (FC), complex integrated system, building engineering equipment.

References

1. Glazychev V. L. Sotsial'no-ekologicheskaya interpretatsia gorodskoy sregy [Socio-eco-logical Interpretation of the Urban Environment]. Nauka Publ., Moscow, 1984, pp. 124—126.

2. Zaytsev A.V. Energosberegayushchie tekhnologii sovremennoy tekhniki bytovogo i zhilishchno-kommunal'nogo naznacheniya [Energy-saving Technologies and Modern Technology of Domestic Housing and Utilities Use]. Tekhniko-tekhnologicheskie problemy servisa [Technical and Technological Problems of Service]. 2010, no. 3 (13), pp. 46—51.

3. Baygozin D.V., Pervukhin D.N., Zakharov G.B. Razrabotka printsipov intellektual'nogo upravleniya inzhenernym oborudovaniem v sisteme «umnyy dom» [Development of the Principles of Intellectual Control Engineering Equipment in the "Smart Home" System]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Tomsk Polytechnic University]. 2008, no. 5 (313), pp. 168—172.

4. Maikov I.L., Director L.B., Zaychenko V.M. Reshenie zadach optimizatsii energet-icheskikh sistem s neskol'kimi avtonomnymi energoustanovkami [Solution of Optimization Problems of Energetically Autonomous Systems with Multiple Power Plants]. Upravlenie bol'shimi sistemami: sbornik trudov [Managing Large Systems. Collection of Works]. 2010, no. 31, pp. 110—127.

5. Lepesh G.V. Energosberezhenie — prioritetnaya zadacha XXI veka: kolonka glavnogo redaktora [Editor's Note. Energy-saving Technologies as the Priority of XXI Century]. Tekh-niko-tekhnologicheskie problemy servisa [Technical and Technological Problems of Service]. 2010, no. 1 (11), pp. 3—6.

6. Butuzov V.A. Solnechnoe teplosnabzhenie v Rossii: sostoyanie del i regional'nye oso-bennosti [Solar Heating in Russia: Status and Regional Features]. Energosovet [Energy Advice]. 2011, no. 5 (18), pp. 39—41.

7. Panferov S.V., Telegin A.I., Panferov V.I. Nekotorye problemy energosberezheniya i avtomatizatsii v sistemakh teplosnabzheniya zdaniy [Some Problems of Energy Saving and Automation in Heating Systems of Buildings]. Vestnik Yuzhno-ural'skogo gosudarstvennogo universiteta [Proceedings of the South Ural State University]. 2010, no. 22 (198), pp. 79—85.

8. Rats G.I., Mordinova M.A. Razvitie al'ternativnykh istochnikov energii v reshenii global'nykh energeticheskikh problem [Development of Alternative Energy Sources in Addressing Global Energy Challenges]. Izvestiya Irkutskoy gosudarstvennoy ekonomicheskoy akademii [News of the Irkutsk State Academy of Economic Studies]. 2012, no. 2, pp. 132—135.

9. Bagotskiy V.S., Skudin A.M. Khimicheskie istochniki toka [Chemical Power Sources]. Moscow, Energoizdat Publ., 1981, pp. 156, 284—288.

10. Lavrus V.S. Istochniki energii [Energy Sources]. Informatsionnoe izdanie NiT [Information Science & Technology Edition]. 1997, pp. 15, 43—46.

11. Bagotsky Vladimir S. Fuel Cells: Problems and Solutions. Hoboken: Wiley Interscience, the electrochemical society series, 2009, pp. 135—160.

12. Srinivasan Supramaniam. Fuel Cells. From Fundamentals to Applications. Springer Sience+Business Media, 2006, pp. 637—640.

13. Fergus J.W., Hui R., Li X., Wilkinson D. P., Zhang J. SOFC Materials Properties & Performance. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009, pp. 5—16.

14. Garshin A.P., Gropyanov V.M., Zaytsev G.P., Semenov S.S. Keramika dlya mashi-nostroeniya [Pottery for Mechanical Engineering]. Moscow, Nauchtekhlitizdat Publ., 2003, pp. 383—385

15. Esposito V., D'Ottavi C., Ferrari S., S. Licoccia, E. Traversa. New Chemical Routes for Preparation of Ultrafine NiO-YSZ Powders for SOFC Anode Applications. SOFC VIII. Edited by S.C. Singhal, M. Dokiya. The Electrochemical Society, 2003, pp. 643—652.

16. Singhal S.C. Progress in Tubular SOFC Technology. SOFC VI. Edited by S.C. Singhal, M. Dokiya. The Electrochemical Society, 1999, pp. 39—51

17. Ivanov-Shic A.K., Murin I.V. Ionika tverdogo tela [Ionics of a Solid Body]. Saint Petersburg, St. Petersburg State University Publ., 2010, vol 2. pp. 909—925.

18. Panchenko A.V. Biotoplivo kak al'ternativnyy istochnik energii [Biofuels as an Alternative Source of Energy]. Energobezopasnost' i energosberezhenie [Energy Security and Energy Efficiency]. 2007, no. 6.

19. Singhal S.C., Eguchi K. Operation on Alternative Fuels. ch. 9, SOFC XII. The Electrochemical Society, 2011, vol. 35, no. 1, pp. 2641—2700.

20. Akikusa Jun, Yamada Takashi, Kotani Takafumi, Murakami Naoya. Development of Intermediate-Temperature SOFC Module and System. SOFC IX. Edited by S.C. Singhal, J. Mizusaki. The Electrochemical Society, 2005, vol. 2, pp. 102—112.

About the authors: Ivanova Elena Ivanovna — Candidate of Architecture, Associate Professor, Department of Architecture, State University of Land Use Planning (GUZ), 15 Kazakova str., Moscow, 105064, Russian Federation; longarina@mail.ru;

Cherkasova Polina Andreevna — student, Department of Architecture, State University of Land Use Planning (GUZ), 15 Kazakova str., Moscow, 105064, Russian Federation; kayahhh@gmail.com.

For citation: Ivanova E.I., Cherkasova P.A. Model' kompleksnogo primeneniya al'ternativnykh istochnikov energii dlya vysokourbanizirovannykh territoriy [Model of Coplex Integrated Use of Alternative Energy Sources for Highly Urbanized Areas]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 4, pp. 125—134.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.