CC BY
31
УДК 72.01
КОЛОСОВА ИРИНА ИВАНОВНА, доцент,
Epyon@sibmail. com
ШКИРО ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА, магистрант,
Elena. shkiro@gmail. com
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ, ОСНОВАННЫХ НА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ РЕСУРСАХ В ОБЪЕКТАХ КАПСУЛЬНОГО ТИПА
Рассмотрен опыт применения альтернативных систем жизнеобеспечения, основанных на возобновляемых ресурсах, с точки зрения минимальных пространственных и весовых характеристик установок электроснабжения, теплоснабжения, водоснабжения и водоотведения. Проанализированы основные виды и типы существующих установок, основной принцип работы, техническое оборудование, область применения. На основе полученных данных определено возможное техническое оборудование капсулы для обеспечения автономной работы объекта.
Ключевые слова: архитектура; альтернативные источники энергии; возобновляемые ресурсы; солнечная энергия; геотермальная энергия; энергия ветра; энергия воды.
KOLOSOVA, IRINA IVANOVNA, Cand. of arch. sc., assoc. prof., epyon@sibmail. com
SHKIRO, ELENA ALEKSANDROVNA, graduate student,
Elena. shkiro@gmail. com
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
USE OF ALTERNATIVE LIVE-SUPPORT SYSTEMS BASED ON RENEWABLE ENERGY SOURCES IN CAPSULAR-TYPE OBJECTS
The experience of application of alternative life-support systems based on the renewable resources in the context of minimum space and weight characteristics of installations of electricity, heating, water supply and sewerage is considered in the paper. The main types of the existing installations, the basic principle of work, technical equipment and the area of application are analyzed. Based on these data, the potential technical equipment of the capsule for autonomous operation of the facility has been defined.
Keywords: Architecture; alternative energy; renewable resources; solar energy; geothermal energy; wind energy; water energy.
В настоящее время на строительном рынке все больший интерес вызывают объекты с минимальными габаритами, так называемые капсулы. Тема использования минимальных пространств капсульного типа освещалась авторами в ряде статей, где выявлены основные сферы применения, предпочтения
© И.И. Колосова, Е.А. Шкиро, 2012
в формообразовании, в конструктивном решении, в предметном наполнении, определены основные эргометрические особенности для данного вида объектов [1, 2]. На основании полученных данных авторами сформирована проектная модель капсулы, предназначенной для эксплуатации в труднодоступных районах, и определено возможное техническое и предметное оборудование будущего объекта [3]. Проектируемая капсула по предварительным расчетам должна отвечать ряду требований, а именно: обладать минимальными габаритами (не менее 4х4х2,4 м); весовые и пространственные характеристики должны обеспечивать пространственную мобильность объекта; процесс монтажа и демонтажа не должен быть трудоемким; техническое оснащение и выбор схем жизнеобеспечения капсулы должны быть ориентированы на автономный режим работы.
Данная статья является продолжением исследования по изучаемому вопросу. Исследование проводится в рамках изучения существующих альтернативных систем жизнеобеспечения строительных объектов для того, чтобы определить возможное техническое оборудование капсулы с целью обеспечения автономной работы объекта по следующим позициям: электроснабжение, теплоснабжение, водоснабжение, водоотведение.
Рассмотрен опыт применения альтернативных систем жизнеобеспечения, основанных на возобновляемых ресурсах1 (ВР) с точки зрения минимальных пространственных и весовых характеристик установок по каждой из перечисленных позиций с целью изучения ряда параметров: основные виды и типы существующих установок, принцип работы, техническое оборудование (базовая комплектация установки), область применения. На основе полученных данных планируется определить возможное техническое оборудование капсулы для обеспечения автономной работы объекта. При рассмотрении данного вопроса основное внимание уделялось возможности встраивания технической начинки заводским способом непосредственно в конструкцию объекта либо установки в качестве сопутствующего оборудования вне структуры капсулы, обладающих минимальными пространственными и весовыми характеристиками, для обеспечения пространственной мобильности объекта.
Способы использования ВР для обеспечения электроснабжения в капсуле. В настоящее время в сфере нетрадиционной энергетики существуют различные установки для получения энергии посредством ВР. В данном исследовании рассматриваются объекты, относящиеся к малой энергетике и основанные на энергии воды (мини- и микро-ГЭС), ветра (ветрогенераторы), солнца (автономные солнечные энергосистемы) и земли (геотермальные электростанции). Малая энергетика не требует сооружения крупных технических установок, что позволяет сократить сроки строительства и упростить процесс получения разрешительных документов.
Мини- и микро-ГЭС. Мини- и микро-ГЭС (МГЭС) относятся к гидроэнергетическим объектам, чья установленная мощность составляет меньше 5 МВт.
1 Возобновляемые ресурсы - природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того, используются они или нет.
Мини-ГЭС делятся на стационарные и мобильные. Стационарные включают в себя приплотинные и бесплотинные, а мобильные - переносные, погружные и МГЭС в контейнерном исполнении [6]. Гидроагрегат малой ГЭС (МГЭС), как правило, состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления. По характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разделить на следующие категории: новые русловые или приплотинные станции с небольшими водохранилищами; станции, использующие скоростную энергию свободного течения рек; станции, использующие существующие перепады уровней воды в самых различных объектах водного хозяйства - от судоходных сооружений до водоочистных комплексов (существует опыт использования питьевых водоводов, а также промышленных и канализационных стоков). Использование энергии небольших водотоков с помощью малых ГЭС является одним из наиболее эффективных направлений развития возобновляемых источников энергии и в нашей стране [4].
Микро-ГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практически на любой территории с близлежащим водоемом (река, ручей), главное, чтобы скорость водного потока составляла не менее 2 м/с. Гидроагрегат состоит из энергоблока, водозаборного устройства и устройства автоматического регулирования (рис. 1). Одно из основных требований при применении установки микро-ГЭС - это обеспечение перепада высот (не менее 2 м) между местом водозабора и местом размещения гидротурбины и электрогенератора [5]. Габариты микро-ГЭС варьируются от 700x385x485 мм при весе в 60 кг до 1000x1000x1000 мм при весе в 100 кг. Используются микро-ГЭС как источники электроэнергии для дачных поселков, фермерских хозяйств, хуторов, а также для небольших производств в труднодоступных районах - там, где прокладывать сети невыгодно [5].
2
h - перепад
высоты
(не менее 2 м)
Рис. 1. Схема работы микро-ГЭС:
1 - забор воды; 2 - труба рукава; 3 - гидротурбина; 4 - электрогенератор; 5 -электроприбор
Вывод: как видно из схемы (рис. 2), получение энергии таким способом возможно только на территориях с близлежащими водоемами в районах, где присутствует холмистый или горный тип рельефа (для обеспечения перепада высот), что, в свою очередь, ограничивает пространственную мобильность капсулы, а также установка данных гидроагрегатов возможна только в ка-
3 4 5
честве сопутствующего оборудования, которое существенно увеличивает весовые характеристики всего объекта. Следовательно, для обеспечения автономного бесперебойного электроснабжения капсулы посредством мини-и микро-ГЭС для капсул не представляется возможным.
Рис. 2. Схема установки микро-ГЭС в структуру капсулы:
1 - капсула; 2 - место размещения дополнительного оборудования; 3 - энергоблок; 4 - труба рукава; 5 - водозаборное устройство
Ветрогенераторы. Для получения энергии ветра применяют ветрогене-раторы (ветряки). Выделяют несколько видов ветряков и несколько их классификаций. Существуют классификации по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта. Каждый из видов имеет свои преимущества, но и свои недостатки. Основной принцип работы данной системы - преобразование энергии в современных ветроэлектрических установках (ВЭУ). Оно осуществляется в два этапа: кинетическая энергия движущейся воздушной массы (ветра) сначала преобразуется в механическую энергию, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую (рис. 3). Для преобразования энергии ветра в механическую энергию применяются аэ-ромеханические устройства, которые в соответствии с российским стандартом принято называть ветродвигателями [7]. Портативными установками считаются микро-ВЭУ, их мощность составляет 100 Вт при скорости ветра 6 м/с, и при скорости ветра 11 м/с при применении модифицированного генератора они могут развивать мощность до 500 Вт. Существуют микро-ВЭУ с вертикальной осью вращения (данный тип называют «ортогональным») и горизонтальноосевой осью вращения. Ветрогенераторы «ортогонального» типа менее распространены в силу их более позднего изобретения, однако их бесспорные преимущества по сравнению с горизонтально-осевыми установками привлекают внимание все большего числа разработчиков. К преимуществам «ортогонального» типа установок можно отнести отсутствие особых требований по подготовке площадки к установке объекта, т. к. ветроустановка размещается на столбе или элементе кровли (например, вертикальной стальной трубе) с помощью кронштейна, прилагаемого в комплекте, остальное оборудование (аккумуляторные батареи и контроллер) располагается в любом удобном и оборудованном месте. К сожалению, такие установки имеют небольшую мощность - до 100 Вт, которая используется для маломощного оборудования и обеспечения
3
2
1
освещения. Более мощные установки (с выходом 48 В постоянного тока и 220 В/50 Гц переменного тока (с инвертором)) требуют тщательной подготовки территории, а также организации собственного фундамента для всей конструкции ветрогенератора. Глубина и площадь основания фундамента определяются в зависимости от высоты мачты выбранного ветрогенератора и района застройки, минимальная глубина фундамента составляет 600 мм при площади основания 800 мм. Такие установки могут транспортироваться на вьючных животных (верблюдах, оленях) и легковых автомобилях среднего класса. Как правило, в комплект ветроустановки входит ступица с генератором, тормозом и молниеотводом, мачта с тросовыми растяжками, контроллер (регулятор), инвертор, кабели. Минимальный вес всей конструкции такого ветряка ориентировочно составляет 600 кг [8].
Данные установки используются для приготовления пищи, обогрева жилища и т. д. Устанавливаются без помощи грузоподъемных машин двумя рабочими без специальных навыков с помощью лебедки.
Рис. 3. Схема работы ВЭУ:
1 - ветрогенератор; 2 - контроллер; 3 - инвертор; 4 - аккумулятор; 5 - электроприбор
Вывод: для обеспечения достаточной мощности (не менее 1,5 кВт) необходим ветрогенератор с высотой мачты не менее 4-8 м, что требует дополнительных мероприятий по подготовке территории к установке объекта, а также организации собственного фундамента под всей конструкцией ветряка, что существенно усложняет весь процесс монтажа и демонтажа и ограничивает пространственную мобильность капсулы. Установка системы на основе ветрогенератора возможна только в качестве сопутствующего оборудования (рис. 4), которое, в свою очередь, увеличивает пространственные и весовые характеристики всего объекта. Следовательно, обеспечение электроэнергией за счет применения установки с ветрогенератором не подходит для капсульного сооружения.
Рис. 4. Схема размещения ВЭУ в структуре капсулы:
а - ветрогенератор мощностью до 100 Вт; б - ветрогенератор мощностью свыше 1,5 кВт; 1 - капсула; 2 - место размещения дополнительного оборудования; Ь -зоны отчуждения, которые должны быть не менее суммы длины мачты и высоты верхнего яруса ВЭУ
Автономные солнечные энергосистемы. Существуют различные способы получения электричества и тепла из солнечного излучения: с помощью фотоэлементов, тепловых машин, гелиотермальных установок, термовоздушных электростанций, солнечных аэростатных электростанций. Особой популярностью в настоящее время пользуются портативные автономные солнечные энергосистемы (АСЭ). Как правило, АСЭ включает в свой состав солнечный модуль, коннектор, контроллер заряда, инвертор и аккумуляторную батарею (рис. 5). Основной принцип работы АСЭ: солнечные элементы в модулях, установленные на крыше, преобразуют солнечный свет непосредственно в постоянный ток, затем инвертор преобразует эту силу в переменный ток, который может быть использован по назначению. В зависимости от предназначения существуют различные АСЭ, установленная мощность которых варьируется от 200 до 5000 Вт. При минимальной мощности в 200 Вт АСЭ применяют для кратковременного обеспечения электроэнергией маломощных нагрузок. В основном их устанавливают в летних загородных домах или коттеджах [9].
Рис. 5 Схема работы АСЭ:
1 - солнечный фотомодуль; 2 - контроллер; 3 - инвертор; 4 - аккумулятор; 5 -электроприбор
Вывод: поскольку данные установки могут быть частично вмонтированы в конструкцию капсулы заводским путем и они существенно не увеличивают пространственные и весовые характеристики всего объекта, то способ получения электроэнергии посредством АСЭ для капсульного объекта может быть применен (рис. 6), но данная установка не дает возможности организовать постоянную бесперебойную подачу электроэнергии для обеспечения автономной работы капсулы.
Возможное техническое оснащение капсулы при применении АСЭ с установленной мощностью до 200 Вт приведено в табл. 1.
3
Рис. 6. Схема размещения АСЭ в структуре капсулы:
1 - капсулы; 2 - место размещения дополнительного оборудования; 3 - АСЭ
Таблица 1
Техническое оснащение капсулы при применении АСЭ
Название прибора Габариты, мм (вес, кг) Внешний вид Назначение
А £Э «Сансет»
Солнечный модуль ФМС 95 12 В
1193x543x35
(9)
Преобразует энергию солнечного излучения в электрическую
Контроллер заряда Могт^йт 8ИБ-6 12 В
151x66x36
(0,113)
Контролирует заряд и разряд аккумуляторов от солнечных батарей
Инвертор ПН7-12В 350 Вт
70x160x61
(0,65)
Устройство для преобразования постоянного тока или переменного в переменный ток с изменением или без величины напряжения и частоты
Окончание табл. 1
Название прибора Габариты, мм (вес, кг) Внешний вид Назначение
Аккумуляторная батарея (АКБ) Volta ST AGM 12B 65 А-ч 355x167x179 (21) *< ■ Источник энергии для питания потребителей тока АСЭ
АСЭ «Санни Лайт»
Солнечный модуль ФСМ-150 12 В 1476x667x35 (12) в Д| i i«fj{ Преобразует энергию солнечного излучения в электрическую
Контроллер заряда Morningstar SHS-10 12 В 151x66x36 (0,113) ГГ1' С ь"* ■ * Cfoj ['"/ j Уj I Контролирует заряд и разряд аккумуляторов от солнечных батарей
Инвертор ПН-7 12В 600 Вт 110x210x63 (0,85) -В Устройство для преобразования постоянного тока или переменного в переменный ток с изменением или без величины напряжения и частоты
АКБ Volta ST AGM 12B 100 А-ч 328x172x242 (31,5) Источник энергии для питания потребителей тока АСЭ
Данные системы подойдут для кратковременного обеспечения электроэнергией маломощных нагрузок. АСЭ «Сансет» является наиболее бюджетным решением для электроснабжения маломощной аппаратуры. Номинальная мощность инвертора составляет 350 Вт, пиковая мощность 1100 Вт. АСЭ «Санни лайт» является превосходным решением для электроснабжения электрооборудования с номинальной мощностью до 600 Вт. Номинальная мощность инвертора составляет 600 Вт, пиковая мощность 1200 Вт. Оба комплекта способны обеспечить маломощную нагрузку летнего загородного дома или мини-капсулы.
Геотермальные электростанции. В плоскости практического применения для выработки электрической энергии посредством использования энергии Земли существует 3 типа геотермальных электростанций, основанных на классификации геотермальных источников: это геотермальная паровая электростанция; гидротермальная электростанция; геотермальная электростанция с бинарным циклом.
Геотермальная паровая электростанция относится к простейшим геотермальным электростанциям прямого типа, использующим для производства электроэнергии пар, который поступает из скважины непосредственно в турбину генератора. В состав данной электростанции входят: добывающая скважина, скважина нагнетания, турбины, генератор и сама электросеть (рис. 7).
Рис. 7. Схема работы геотермальной паровой электростанции:
1 - добывающая скважина; 2 - турбина; 3 - скважина нагнетания; 4 - генератор; 5 - электроприбор
Гидротермальные электростанции относятся к геотермальным электростанциям с непрямым типом производства электроэнергии, на сегодняшний день они наиболее распространены. Для их работы используются горячие подземные воды, которые закачиваются при высоком давлении в генераторы, установленные на поверхности. Как правило, такие электростанции состоят из добывающей скважины, скважины нагнетания, испарителя, турбины, генератора и самой электросети (рис. 8).
Ж
'/// ///
От 30 до 100 м
/// /// /// ///
Пласты
твердой
породы
5
6
1
4
Рис. 8. Схема работы гидротермальной электростанции:
1 - добывающая скважина; 2 - испаритель; 3 - турбина; 4 - скважина нагнетания; 5 - генератор; 6 - электроприбор
Геотермальная электростанция с бинарным циклом относится к смешанному типу. В данных электростанциях, кроме подземной воды, используется дополнительная жидкость (или газ), чья точка кипения ниже, чем у воды. Они пропускаются через теплообменник, где геотермальная вода выпаривает вторую жидкость, а получаемые пары приводят в действие турбины. Такая замкнутая система экологически чиста, поскольку вредные выбросы в атмосферу практически отсутствуют. В состав геотермальной электростанции с бинарным циклом входят: добывающая скважина, скважина нагнетания, турбины, генератор и сама электросеть (рис. 9) [10].
Рис. 9. Схема работы геотермальной электростанции с бинарным циклом:
1 - добывающая скважина; 2 - теплообменник с рабочей средой; 3 - турбина; 4 -скважина нагнетания; 5 - генератор; 6 - электроприбор
Вывод: геотермальные установки могут быть применены только в регионах, где имеются источники подземных термальных вод. Для получения энергии данным способом необходимо бурение скважин глубиной от 30 до 100 м, кроме того, работы по бурению допустимо производить не ближе 2,5 м от строений и при отсутствии линий электропередач в радиусе 6 м, что усложняет процесс монтажа и демонтажа, а также ограничивает пространственную мобильность всей капсулы. Также необходимо принять во внимание, что геотермальные установки могут быть применены только в качестве сопутствующего дополнительного оборудования капсулы, что, в свою очередь, увеличивает пространственные и весовые характеристики всего объекта (рис. 10). Таким образом, применение геотермальных установок для обеспечения электроснабжения капсулы не представляется возможным.
~Ж 27 77Г
От 30
до 100 м
2
1
3
Рис. 10. Схема размещения геотермальной электростанции в структуре капсулы:
1 - капсула; 2 - место размещения дополнительного оборудования; 3 - геотермальная электростанция
Способы использования ВР для обеспечения теплоснабжения в капсуле. В современном мире разработано множество альтернативных энергосберегающих технологий, которые способны составить достойную конкуренцию используемым для отопления традиционным теплогенераторам. В данной статье проанализированы способы применения альтернативного отопления, основанного на использовании энергии Солнца (солнечные системы теплоснабжения на основе солнечных коллекторов), энергии ветра (системы теплоснабжения на основе ветрогенератора), энергии Земли (геотермальные системы теплоснабжения на основе теплового геотермального насоса).
Солнечные системы теплоснабжения. По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные. Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п.). Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления,
в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию (рис. 11). При использовании солнечной системы отопления здания, как правило, применяют солнечные водонагревательные установки (СВУ). В зависимости от инженерного исполнения СВУ может быть представлена в моно- или полифункциональном исполнении и обеспечивать следующие потребности: горячее водоснабжение, отопление, устройство теплого пола, нагрев бассейнов. СВУ состоит из трех обязательных элементов (солнечный коллектор, накопительный резервуар и центр управления), обеспечивающих её эффективное функционирование [11].
Рис. 11. Схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления с плоскими коллекторами и их автоматическим дренажом при прекращении циркуляции:
1 - солнечные плоские коллекторы; 2 - расширительный блок; 3 - дополнительный теплоисточник; 4 - теплообменник; 5 - приборы; 6 - циркуляционные насосы; 7 - бак-теплоаккумулятор
Вывод: обеспечение капсулы теплоснабжением посредством применения солнечных систем возможно (рис. 12), но данный способ не позволяет организовать постоянную бесперебойную подачу теплоснабжения для объекта и увеличивает пространственные и весовые характеристики капсулы за счет дополнительного оборудования всегі системы.
3 '
Рис. 12. Схема размещения солнечных систем теплоснабжения в структуре капсулы: 1 - капсула; 2 - место размещения дополнительного оборудования; 3 -
солнечные плоские коллекторы
Возможное техническое оснащение капсулы при установке систем солнечного теплоснабжения сведено в табл. 2
Таблица 2
Возможное техническое оборудование системы солнечного теплоснабжения
Наименование
прибора
Г абарит, мм
Внешний вид
Назначение
Вакуумный солнечный коллектор ББ-8И8/100
2020x995x155
Поглощает солнечную энергию и преобразовывает ее в высокую температуру теплоносителя
Солнечный теплообменный аппарат БАТВ25-30
297x124x600
Для теплообмена между высокотемпературным теплоносителем и санитарной водой системы ГВС
Циркуляционный насос бИшИбЫ
300x300x285
Предназначен для обеспечения принудительного движения жидкости по замкнутому контуру (циркуляции), а также рециркуляции
УЛКБМ80ЬЛЯ 12Ыг. Расширительный бак 130'С вТ0001
0 270 мм И = 302 мм
Предназначен для регулирования давления в системе при нагреве воды
Бак-теплоаккумуля-тор высокого давления для солнечных коллекторов «Гиперион»
0 470 мм, И = 1430 мм
Станция управления гелиосистемой (солнечная станция) 8Я961
420x280x140
Для накопления и передачи тепловой энергии при неравномерности или периодичности работы источника тепловой энергии
Компьютер станции управляет встроенным насосом и дополнительными исполнительными устройствами (ТЭНы, насосы, реле и т. п.), что позволяет полностью автоматизировать систему
Солнечный контроллер 8Я868С8
120x120x18
Предназначен для контроля температуры воды в системе Регулирует количество и подачу воды в системе
Системы теплоснабжения на основе ветрогенератора. Построение системы теплоснабжения на основе ветрогенератора - относительно новое и перспективное направление (рис. 13). Функционирование системы обеспечивается нагреваемым тэном. Он встраивается непосредственно в радиаторы и имеет ручной или автоматический терморегулятор. Прокачка и циркуляция теплоносителя в системе отопления производится небольшими электрическими помпами. Зачастую такие системы снабжаются резервным накопительным генератором или дополнительным подключением к электрическим сетям. Это делает их работу более стабильной и менее привязанной к погодным условиям.
Рис. 13. Возможная схема подключения теплоснабжения с применением ветрогенератора:
1 - ветрогенератор; 2 - блок автоматики; 3 - вспомогательный бак с водяным тэном; 4 - основной котел системы; 5 - приборы водоснабжения; 6 - приборы отопления
Идеальным вариантом использования ветрогенераторов в отоплении является запитка от него системы «теплый пол». Благодаря относительно низкой рабочей температуре, количества вырабатываемой ветряком энергии хватит на отопление всего дома и останется еще и на обеспечение горячего водоснабжения. Как и все прочие системы отопления, построенные на использовании альтернативной энергии, отопление с использованием ветрогенератора в большинстве случаев нуждается в дополнительном источнике традиционной энергии в качестве вспомогательного фактора эффективной и бесперебойной работы [12].
Вывод: данный способ теплоснабжения не подходит для капсульных объектов, т. к. ограничивает пространственную мобильность и увеличивает пространственные и весовые характеристики всего сооружения. Это обусловливается тем фактом, что для обеспечения достаточной мощности необходим ветрогенератор высотой от 4-8 м и дополнительное оборудование для функционирования данной системы, размещение которого существенно бы увеличило площадь проектируемой капсулы. Также необходимо учесть тот факт, что для ветрорегератора такой высоты необходимы дополнительные мероприятия по подготовке территории к установке объекта, а также организация собственного фундамента под всей конструкцией ветряка (рис. 14), что делает процесс монтажа и демонтажа всей конструкции капсулы более трудоемким.
Рис. 14. Схема размещения систем теплоснабжения на основе ветрогенератора в структуре капсулы:
1 - капсула; 2 - место размещения дополнительного оборудования; 3 - ветроге-нератор мощностью свыше 1,5 кВт; Ь - зоны отчуждения, должны быть не менее суммы длины мачты и высоты верхнего яруса ВЭУ
Геотермальные системы теплоснабжения. Для систем теплоснабжения применяют геотермальные тепловые насосы, такая система предполагает использование тепловой энергии, накопленной в грунте или в воде, и небольшого количества электрической энергии. Геотермальная система теплоснабжения представляет собой систему, состоящую из 3 основных элементов: подземного контура (теплообменника), теплового насоса и внутреннего контура (системы отопления) (рис. 15). Наружный геотермальный контур состоит из грунтового коллектора и циркуляционного насоса. Основной задачей грунтового коллектора является отбор низкопотенциального тепла, накопленного в грунте в течение летнего периода времени. Циркуляционный насос обеспечивает движение теплоносителя через грунтовый коллектор. Так как во внешнем контуре температура может опускаться ниже 0 °С, в грунтовый коллектор заливается незамерзающая жидкость (раствор этилен-гликоля или пропилен-гликоля). Тепловой насос - это современный источник энергии, используемый для поддержания работы систем кондиционирования, отопления, горячего водоснабжения [13].
Вывод: геотермальные системы теплоснабжения могут быть применены только в регионах, где имеются источники подземных термальных вод, при этом для получения тепла данным способом необходимо бурение скважин глубиной от 30 до 100 м. Кроме того, необходимо соблюдать требования по безопасности проведения всего технического процесса, что существенно усложняет процесс монтажа и демонтажа, а также переводит капсульный объект в разряд стационарных сооружений (рис. 16). Также необходимо принять во
внимание, что геотермальные установки могут быть применены только в качестве сопутствующих установок капсулы, а дополнительное вспомогательное оборудование системы в свою очередь увеличивает пространственные и весовые характеристики всего объекта. В связи с вышеперечисленным применение геотермальных установок для обеспечения теплоснабжения капсульного сооружения не представляется возможным.
Рис. 15. Схема работы геотермальной системы теплоснабжение с применением теплового насоса:
1 - подземный контур (теплообменник); 2 - блок автоматики; 3 - тепловой насос; 4 - тепловой аккумулятор; 5 - приборы водоснабжения; 6 - приборы отопления
1
/// Ж—27---Ж
От 30 до 100 м
Рис. 16. Схема размещения систем теплоснабжения на основе геотермального насоса в структуре капсулы:
1 - капсула; 2 - место размещения дополнительного оборудования; 3 - геотермальный насос
Способы использования ВР для обеспечения водоснабжения в капсуле. В основном водоснабжение осуществляется от централизованных сис-
тем водоснабжения (водопровода) и от индивидуальных источников (колодцы, скважины), но существуют также альтернативные источники водоснабжения, а именно системы использования дождевой и талой воды.
Комплектация такой системы включает в себя: фильтрующий колодец, накопительную емкость (резервуар), насосную станцию, подвод к приборам потребляемой воды (рис. 17). Существуют 2 системы для сбора и использования дождевой и талой воды - это система с наружным (подземным) резервуаром и система с наземным резервуаром. Дождевую и талую воду при применении такой установки можно использовать для обеспечения хозяйственных и бытовых нужд потребителя [14].
Рис. 17. Схема работы системы для сбора дождевой воды с наземным резервуаром: 1 - кровля; 2 - фильтр; 3 - резервуар; 4 - насос; 5 - прибор
Вывод: данные установки могут быть частично вмонтированы в конструкцию капсулы заводским способом, что упрощает монтаж и демонтаж всей конструкции на месте; размещаемое дополнительное оборудование системы существенно не увеличивает пространственные и весовые характеристики всего сооружения (рис. 18), при этом сохраняется пространственная мобильность всего объекта. Соответственно системы сбора и использования дождевой и талой воды могут быть применены при проектировании капсульного объекта для обеспечения хозяйственных и бытовых нужд потребителя.
Рис. 18. Схема размещения систем сбора и использования дождевой и талой воды в структуре капсулы:
1 - капсула; 2 - место размещения дополнительного оборудования; 3 - системы по сбору воды и подогрева крыши и водостоков
3
Возможное техническое оснащение системы приведено в табл. 3.
Таблица 3
Возможное техническое оснащение капсулы при применении системы сбора дождевой и талой воды
Наименование прибора Габариты, мм Внешний вид Назначение
Фильтр Multifilter iClean 385x370x120 1 1”1 Для очистки дождевой воды
Емкость (резервуар) Plast Dnepr, 200 л 0 500 мм h = 980 мм Si Для хранения дождевой и талой воды
Насосная станция Wilo-MultiPress-MP 303 216x375x190 Для обеспечения принудительного движения жидкости внутри системы
Автономные системы для обеспечения водоотведения в капсуле. Автономная канализации - прекрасное решение проблем, связанных с водоотведением бытовых стоков за городом или в районах, где отсутствует централизованная сеть водоснабжения и канализации. Она используется для удаления жидких и твёрдых продуктов жизнедеятельности, а также для очистки сточных вод от загрязнений. Существует несколько видов автономных систем канализации: простейшая система накопительного типа, система раздельной очистки бытовых сточных вод с использованием биотуалета, система раздельной очистки бытовых сточных вод с использованием смывного туалета. Для небольших сооружений все чаще применяют систему раздельной очистки бытовых сточных вод с использованием биотуалета (рис. 19). В этой системе используется безводный биотуалет, и для обработки остаются только стоки из кухни, пости-рочной, ванной и бидэ. Стоки из этих источников объединяются в усовершенствованном септике (объединение септика и биофильтра-усреднителя) с последующим пропуском воды через фильтрующие траншеи, расположенные ниже зоны промерзания. Затем они направляются в накопительный резервуар. Биотуалет в такой системе может быть электрический, торфяной или мобильный (портативный). В последнее время наибольшим спросом пользуются мобильные (портативные) биотуалеты. Такой биотуалет имеет слив и приемный бак объемом не более 24 литров. Для очистки отходов используют специальные жидкости, под действием которых отходы растворяются [15].
Рис. 19. Система раздельной очистки бытовых сточных вод с использованием портативного биотуалета:
1 - биотуалет; 2 - прибор водоснабжения; 3 - прибор водопотребления; 4 - септик; 5 - почвенная доочистка; 6 - накопительный резервуар
Вывод: рассмотренный способ отвода сточных вод не подходит для проектирования капсулы, поскольку раздельная очистка сточных вод требует почвенной доочистки, что ограничивает пространственную мобильность капсулы и усложняет процесс монтажа и демонтажа объекта, а дополнительное оборудование системы увеличивает пространственные характеристики (рис. 20).
/// /// /// 7у/ /// /// /// /// 5
3 4
77Г
Рис. 20. Схема размещения раздельной очистки бытовых сточных вод в структуре капсулы:
1 - капсула; 2 - место размещения дополнительного оборудования; 3 - септик; 4 - почвенная доочистка; 5 - накопительный резервуар
Общие выводы
Анализ существующих альтернативных систем жизнеобеспечения строительных объектов, основанных на возобновляемых ресурсах, позволил сделать ряд общих выводов.
Из изученных систем для обеспечения автономной работы капсулы по каждой из рассмотренных позиций (электроснабжение, теплоснабжение, водоснабжение, водоотведение) получены следующие результаты:
- Электроснабжение. Из рассмотренных систем на основе гидроэнергетики, ветроэнергетики, геотермальной энергетики не подходит полностью ни одна из изученных установок. Частично для обеспечения автономного электроснабжения капсулы подходят установки (АСЭ), основанные на солнечной энергетике.
- Теплоснабжение. Из изученных систем теплоснабжения могут быть применены только солнечные установки. Остальные системы, основанные на ВР, не соответствуют изначальным критериям, предъявляемым к техническому оборудованию жизнеобеспечения капсульного объекта.
- Водоснабжение. Обеспечение достаточного объема воды для водоснабжения капсульного объекта (23 л в сутки на человека) возможно лишь посредством привозной воды в баллонах и применения систем сбора и использования дождевой и талой воды для бытовых нужд потребителя.
- Водоотведение. Из проанализированных систем ни одна из установок не может быть применена в капсульном объекте.
На основе систематизации данных, полученных по первому пункту общих выводов, была составлена табл. 4 с целью изучения изменения пространственных характеристик капсулы (4х4х2,4 м) при применении той или иной системы жизнеобеспечения капсульного объекта.
Таблица 4
Изменение пространственных характеристик капсулы (4х4х2,4 м)
с учетом использования автономных систем жизнеобеспечения
Наименование системы
Пространственное размещение системы в структуре капсулы
Габариты капсулы с учетом размещения оборудования, м
е
& *
& * й ^ ла
т *
е
и
-н
ое
ч «
т ^ Щ ей
н
с
АСЭ
4х4х2,8
Солнечные системы теплоснабжения с применением АСЭ
4х4,6х2,8
Системы сбора и использования дождевой и талой воды
4х4,6х2,4
+
+
+
+
Окончание табл. 4
Пространственное Габариты капсу- е & * еб ла ет * е -и -он оле ^ £ с
Наименование сис- размещение систе- лы с учетом раз-
темы мы в структуре мещения обору-
капсулы дования, м
<и
«
1 И
О Й
Щ ей И о
Схема пространственных характеристик капсулы с учетом использования автономных систем жизнеобеспечения
АСЭ
Солнечные системы теплоснабжения Системы сбора и использования дождевой и талой воды
4х5,2х2,8
+
+
+
Как видно из табл. 4, все применяемые системы жизнеобеспечения капсульного объекта увеличивают пространственные характеристики всего сооружения от изначальных габаритов 4х4х2,4 до 4х5,2х2,8 м. Также необходимо отметить тот факт, что применяемые установки могут быть лишь частично встроены в конструкцию капсулы и требуют организации дополнительных пространств-пристроек для размещения сопутствующего оборудования используемых систем.
В заключение необходимо отметить следующее: существующие системы жизнеобеспечения, которые выпускает современная промышленность, не подходят для обеспечения автономной бесперебойной работы капсулы. Заводское производство не ориентировано на разработку портативных мощных установок для обеспечения автономной работы минимальных пространств. Но стоит заметить, что ведутся индивидуальные разработки в данной области, которые не поставлены на производственный поток, в связи с чем носят эксклюзивный характер и информация по их изучению является закрытой. Но поскольку потребность в минимальных объектах-капсулах постоянно растет, а эксклюзивные разработки по обеспечению автономной работы такого типа объекта являются дорогостоящими, необходимо проводить дополнительные исследования с целью разработки доступных портативных мобильных систем для организации автономной работы под капсульный тип объектов.
Библиографический список
1. Колосова, И.И. «Капсульная» система и реализация ее в различных областях архитектурной и проектной деятельности / И.И. Колосова, Е.А. Шкиро // Вестник ТГАСУ. -2011. - № 1 (30). - С. 80-91.
2. Колосова, И.И. Эргономика минимальных пространств / И.И. Колосова, Е.А. Шкиро // Вестник ТГАСУ. - 2011. - № 4 (33). - С. 62-78.
3. Колосова, И.И. Российский опыт оказания лечебно профилактической помощи в сельских, удаленных и труднодоступных местах (передвижные и стационарные пункты) / И.И. Колосова, Е.А. Шкиро // Вестник ТГАСУ. - 2012. - № 3 (36).
4. Лукутин, Б.В. Автономное электроснабжение от микрогидроэлектростанций / Б.В. Лу-кутин, С.Г. Обухов, Е.Б. Шандарова. - Томск : STT, 2001. - 120 с.
5. Обухов, С.Г. Микрогидроэлектростанции: курс лекций к магистерской программе «Возобновляемые источники энергии» / С.Г. Обухов. - Томск : ТПУ, 2009. - 63 с.
6. Микрогидроэлектростанции [Электронный ресурс] // Международная ассоциация делового сотрудничества интерэлектромаш. - Условия доступа : http://ersd.narod.ru/gidro12.htm (дата обращения 15.05.12).
7. Магамедов, А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. - Махачкала : Юпитер, 1996 [Электронный ресурс] / А.М. Магамедов // Альтернативная энергетика / Библиотекарь.Ру .- Условия доступа : http://www.bibliotekar.ru/alterEnergy/index.htm (дата обращения 10.15.12).
8. Каталог ГРЦ - Вертикаль [Электронный ресурс] : [официальный сайт компании ГРЦ-Вертикаль]. - Условия доступа :
http://www.src-vertical.com/production/windturbines/wpu36/sitereq_3-6/ (дата обращения
11.15.12).
9. Автономные солнечные энергосистемы [Электронный ресурс] : [официальный сайт компании Sunways Solarinntech Group]. - Условия доступа :
http://www.solarinntech.ru/products/list.php?SECTION_ID=6 (дата обращения 15.05.12).
10. Геотермальные электростанции [Электронный ресурс] // IPP инжиниринговая компания Новая Генерация. - Условия доступа :
http://www.manbw.ru/analitycs/geothermal_power_stations_plant.html (дата обращения
12.15.12).
11. Солнечные системы теплоснабжения [Электронный ресурс] : [официальный сайт группы компаний «Вира»]. - Условия доступа : http://www.vira.ru/enc/engineer/heat/sst.html (дата обращения 20.04.12)
12. Ветрогенераторы в системе отопления [Электронный ресурс] : [официальный сайт компании «АКВИС»]. - Условия доступа : http://akvis-best.ru/index.php/raboty/206-vetrogeneratori (дата обращения 26.04.12).
13. Устройство геотермального отопления в частном доме [Электронный ресурс] : [официальный сайт компании «ЭкоДом Сервис»]. - Условия доступа : http://ekobio.ru/poleznye_sovety/geoterm_otoplenie/ (дата обращения 20.04.12).
14. Дождевые стоки - сбор, очистка, отведение [Электронный ресурс] : [официальный сайт компании «Флотенк»]. - Условия доступа : http://www.flotenk.ru/info/ochistka_dozhd_vod/ (дата вхождения 21.05.12).
15. Автономная канализация [Электронный ресурс] : [официальный сайт компании «Аква-вей»]. - Условия доступа : http://www.aquaway365.ru/page/53/ (дата вхождения 21.05.12).
