Ресурсосберегающие технологии в концепциях экспериментального проектирования
Александра Кашицына, Марианна Бродач
Сегодня активно ведется поиск способов борьбы с парниковым эффектом и истощением природных ресурсов. С этой точки зрения особый интерес представляет биотопливо, поскольку при его сжигании в атмосферу выбрасывается минимальное количество парниковых газов. А также биотопливо в отличие от нефти получают из возобновляемых ресурсов. Многие страны оценили данный энергоресурс и существенную часть своих энергетических потребностей покрывают благодаря сжиганию биотоплива.
Рис.1. Схема устройства биореактора
В качестве сырьевой базы для получения биотоплива в основном используют зерновые и другие культуры. Это требует задействования значительных площадей для их выращивания. Решением проблемы может быть использование морских водорослей для получения биотоплива. Тем более, что морские водоросли более активно по сравнению с любой другой растительностью поглощают углекислый газ. Топливо, получаемое с помощью микроводорослей, относится к биотопливу третьего поколения, сейчас ведется его всестороннее изучение и производство [1].
Первоочередной задачей является усовершенствование процесса получения биотоплива. Первые попытки производства биотоплива на основе сырья из водорослей были энергетически затратными. Требовалось много энергии на сушку водорослевой массы, содержащей большое количество воды.
Для коммерческого применения подходит метод гидротермального сжижения. Его основной принцип заключается в нагревании мокрой биомассы до температуры свыше 300 оС и сжимании ее компрессором под давлением в 200 атм. На выходе получается горючий газ метан и спрессованная биомасса. Газ используется в качестве топлива, а биомасса, как удобрение. Аналогичный процесс протекает естественным образом в природе, когда под действием высоких температур и давления в недрах Земли образуется нефть [2].
Рис.2. BIQ HOUSE – первое в мире здание с энергией от водорослей.
Первым в мире пилотным проектом по внедрению биореактивного фасада в жилое здание является дом BIQ HOUSE (Bio Intelligent Quotient) в Гамбурге. Здание было построено в 2013 году при сотрудничестве архитектурной студии Splitterwerk Architects и инженерной компании Arup.
Рис.3. Энергетический цикл. Технология SolarLeaf
Биореактивный фасад (SolarLeaf) генерирует возобновляемую энергию из водорослевой биомассы и солнечного тепла. Общая площадь панелей с микроводорослями составляет 200 м2. Поглощение углекислого газа осуществляется при помощи фотосинтеза водорослей и составляет 6 т в год. Среду для фотосинтеза обеспечивают стеклянные фотобиореакторы, установленные на юго-западной и юго-восточной сторонах. В то же время, эта инновационная система объединяет дополнительные функции, такие как динамическое затенение, теплоизоляция и снижение шума, подчеркивая весь потенциал этой технологии.
Рис.4. Фасадный модуль биореактора с микроводорослями. Технология SolarLeaf
Модули реакторов с водорослями PBR являются основой всех энергетических процессов, протекающих в здании. Потребности в тепловой и электрической энергии покрываются путем преобразования и распределения различных видов энергии.
Энергетический цикл с возобновляемыми системами [3]:
Фасад биореактора. Из-за солнечного света и постоянной турбулентности, чтобы избежать агрегации водорослей, микроводоросли растут внутри PBR, выделяя тепло и биомассу. Фасад биореактора является конкурентоспособным по сравнению с другими технологиями благодаря тому, что обеспечивает аналогичный уровень эффективности и удаляет большое количество CO2 с помощью дымовых газов, подаваемых в газовую горелку, для производства биомассы в PBR.
Биомасса водорослей. Биомасса, полученная в результате роста (30 кВт•ч/м2), автоматически собирается через сепаратор водорослей и собирается в контейнере с регулируемой температурой. Затем это количество удаляется на наружную биогазовую установку для производства биогаза.
Тепло. Выработка тепла около 40 °C (150 кВт•ч/м2) повторно вводится в систему через теплообменник в сети отопления или хранится в геотермальных скважинах.
Биогаз. по прибытии на внешнюю биогазовую установку до 80 % биомассы превращается в метан.
Скважины для хранения. Скважины расположены под недрами здания, и используются для хранения тепла от 16 до 35 °С в зависимости от сезона.
Тепловой насос. Когда для отопления или горячего водоснабжения требуется более высокая температура, для закачки его обратно в систему используется высокоэффективный тепловой насос.
Газовая горелка. Агрегат используется для подачи СО2 – питательного вещества (дымового газа), необходимого для роста микроводорослей, и в то же время для обеспечения подачи горячей воды при температуре 70 °C или нагрева в энергетической сети.
Центр управления: центральная система управления зданием (BMS), называемая Rockwell SPS, управляет всеми процессами, необходимыми для эксплуатации фасада биореактора и полной интеграции его с системой энергоменеджмента здания. Это включает контроль плотности клеток водорослей и температуры в культуральной среде.
Система централизованного теплоснабжения. «Центральная интегрированная энергетическая сеть Вильгельмсбурга» – это название локальной сети, которая снабжает теплом здание и получает его из здания.
Фотовольтаика (не реализована). Первоначальный план предусматривал использование фотовольтаики на озелененной поверхности крыши. Пока вся необходимая электроэнергия поступает из сети.
Потребность в тепловой энергии в здании уже относительно низкая, так как «BIQ» работает в соответствии со стандартом пассивного дома. Поэтому большая часть тепла необходима на сезонной основе для горячей воды.
Algae Green Loop – экопроект модернизации башен в Чикаго
В современном мире большие города пытаются найти решение противоречивой проблемы – развитие экономики городов при одновременном сокращении выбросов парниковых газов, вызванных этим развитием. Одним из вариантов решения является Чикагский центральный план действий (CAAP), который предусматривает обеспечение и расширение роли центра города как двигателя региональной экономики. К 2020 году центральный район достигнет среднего роста в 5 000 рабочих мест в год, увеличивая примерно 30 % своего постоянного населения и, согласно CAAP; в центре города должен увеличиться рост количества офисов, в среднем на 1,5 млн офисных помещений [4].
Рис.5. Концепция INFLUX STUDIO для реконструкции башен Марина-Сити в Чикаго
Эта ситуация показывает необходимость введения новой устойчивой модели, которая предполагает использование чистой энергии по замкнутым циклам, сокращение выбросов CO2 и, наконец, обеспечение устойчивого экономического роста.
Парижская компания Influx Studio предложила неординарный подход к модернизации одного из самых инновационных зданий, построенных в Чикаго: башни Марина-Сити. Этот шедевр XX века, задуманный архитектором Бертраном Гольдбергом и получивший название «город в городе» был построен в 1964 году для остановки миграции жителей в пригороды. Здание является не только самым высоким жилым домом в мире, но и первым многофункциональным комплексом в США с жилыми помещениями, а так же знаковым сооружением своего времени [4].
Рис.6. Концепция INFLUX STUDIO для реконструкции башен Марина-Сити в Чикаго
Основная цель концепции Influx Studio заключается в демонстрации потенциала использования водорослей в создании новейшей интегрированной системы очистки CO2, которая включает в себя очистку загрязненного воздуха, генерации энергии без использования традиционных ресурсов, получения продуктов питания для роста водорослей и обработку сточных вод для повторного использования [4].
В настоящее время одной из передовых технологий, позволяющих эффективно захватывать СО2 из атмосферного воздуха, является – «колебание влажности», разработанное доктором Клаусом Лакнером (Центр устойчивой энергетики Ленфеста, Колумбийский университет). Концепция Algae Green Loop основана на принципах биотопливного производства и технологии «колебание влажности». Две установки, расположенные на вершине башни, улавливают CO2 из фильтруемого воздуха, и выделяют кислород. В завершении углеродного цикла создается ценный продукт для «кормления» биомассы. В верхней части обеих башен ветряные турбины усиливают воздушный поток к устройствам поглощения углерода и обеспечивают их электроэнергией. Модульная система трубок с водорослями, расположенными на вершине башен и на одной из парковочных рамп, по задумке должна производить достаточное количество энергии для удовлетворения всех энергетических потребностей здания [4].
Рис.7. Концепция INFLUX STUDIO для реконструкции башен Марина-Сити в Чикаго
Энергоэффективная технология «тепловое зеркало»
Одним из наиболее доступных решений для сбережения энергии и улучшения качества микроклимата внутри помещений является технология «тепловое зеркало» (Heat Mirror), которая разработана в Массачусетском Технологическом Институте в 1970-х годах во времена острейшего мирового энергетического кризиса. За основу были взяты идеи напыления низко эмиссионных покрытий, используемые в космической отрасли: так защищали скафандры космонавтов от излучения.
Принцип действия энергосберегающего стеклопакета «тепловое зеркало» состоит в отражении тепловых лучей в направлении его источника. Таким образом сохраняется прохлада внутри помещения в летний период, а в зимний – данный стеклопакет не отдает тепло наружу.
Основным элементом энергосберегающего стеклопакета является оптическая полиэтилентерафталантная пленка Soutwall Technologies с низко эмиссионным слоем толщиной до 0,75 мкм, который наносится путем вакуумного магнетронного напыления и обеспечивает выборочное (селективное) пропускание электромагнитных волн через пленку. Так же стеклопакет состоит из двух стеклянных панелей двойной толщины, пространство между которыми заполнено криптоном [5].
Низкоэмиссионная пленка пропускает видимый спектр света, а тепловые (инфракрасные) лучи отражает, блокируя при этом ультрафиолетовые лучи. Благодаря низкоэмиссионным пленкам во многих случаях решается вопрос тяжелых оконных конструкций, состоящих из многокамерных стеклопакетов.
Рис.8. Технология «Тепловое зеркало»
Преимущества технологии «тепловое зеркало»
Отсутствие ощущения холода вблизи оконных проемов в зимнее время.
Существенное, снижение теплопотерь (до 60 %) из помещений в холодное время года.
Исключение перегрева от солнечных лучей в летнее время года без использования затемненных стекол, штор или жалюзи.
Снижение энергозатрат (до 30 %) на кондиционирование помещений летом.
Равномерное распределение температуры внутри помещения в течение всего года.
Исключение запотевания оконных стеклопакетов изнутри помещения.
Улучшенная звукоизоляция помещений в сравнении с традиционными стеклопакетами.
Рис.9. Эмпайр Стейт Билдинг
Реконструкция Эмпайр Стейт Билдинг (Empire State Building)
В большинстве зданий наблюдается перерасход энергии из-за неэффективных систем отопления и охлаждения, плохой теплоизоляции, устаревших электрических и сантехнических систем, а также устаревших окон с одинарным или двойным стеклопакетом. По данным Всемирного делового совета по устойчивому развитию до 40 % всей энергии в США потребляется зданиями. Коммерческие здания в плотных городских условиях, таких как Нью-Йорк, могут потреблять до 75 % энергии.
Эмпайр Стейт Билдинг – это 103-этажный небоскреб, построенный в 1931 году на острове Манхэттен, на Пятой авеню между Западными 33-й и 34-й улицами. Данное офисное здание было самым высоким небоскребом в мире в период до 1970 года.
В 1991 году во время реконструкции оригинальные окна здания Эмпайр Стейт Билдинг были заменены двойными стеклопакетами. Это позволило увеличить теплоизоляционные свойства здания с класса R-1 до класса R-2. Чтобы еще более улучшить R-значение, характеризующее отражающую способность, потребовалось бы добавить третью стеклянную панель, что являлось очень затратным решением, поскольку требовало замену всех стеклопакетов целиком.
Выходом стало использование подвесных пленок с покрытием по технологии «тепловое зеркало». В результате практически невесомая пленка обеспечила высокое R-значение, соответствующее добавлению третьего стекла, но только без утяжеления конструкции и без изменения геометрии окна. Кроме того использование пленки на 6 514 окнах в Эмпайр Стейт Билдинг позволило сократить расходы на энергопотребление здания более чем на 400 000 долл. США в год [6].
Как уже упоминалось, вопрос использования энергосберегающих технологий сегодня достаточно актуален. В этом ключе была разработана концепция офисно-административного многофункционального центра в Москве. Объемно-планировочное решение здания представляет собой два корпуса: офисно-административный и жилой. В последнем расположены апартаменты для сотрудников.
_.jpg)
Рис.10. Концепция офисно – административного центра в Москве
_.jpg)
Рис.11. Концепция офисно – административного центра в Москве
Рис.12. Концепция инженерного обеспечения офисно-административного здания в Москве
Оба здания центра оборудованы современными инженерными системами, контроль за эксплуатацией которых осуществляется с единого диспетчерского пункта комплекса. Работа инженерных систем комплекса полностью автоматизирована, а их надёжность, безопасность, экологичность позволили отнести комплекс к зданиям первой категории. Примененные энергосберегающие технологии:
Технология биотопливного производства (система биореакторов с микроводорослями) для дополнительного получения энергии на электроснабжение здания (около 30 % поступаемой альтернативной энергии).
Технология «тепловое зеркало» для наружных ограждающих светопрозрачных конструкций в качестве защиты от перегрева в летний период и сбережения тепла внутри здания в зимний.
Система вентиляции с рекуперацией тепла и влаги.
Двойные вентилируемые фасады (естественная вентиляция помещений в теплое время года).
Охлаждающие потолки вместо традиционной системы кондиционирования воздуха.
Низкотемпературный грунтовой теплообменник в качестве источника холодоснабжения.
Накопленные человечеством знания уже сегодня позволяют применять при строительстве объектов различного назначения энергоэффективные и при этом нередко вполне бюджетные конструктивные и инженерные решения. Несмотря на это, обществом пока не вполне осознана важность сохранения природных ресурсов. Когда запрос на решение экологических и энергетических проблем сформируется полностью, уже построенные высокотехнологичные здания, которые представляют собой успешный результат прогрессивного тандема архитектора и инженера, станут ориентирами при создании зеленых городов для будущих поколений.
Литература
1. Топливо из водорослей [электронный ресурс] URL: https://polit.ru/article/2017/06/21/ps_biofuel/ (дата обращения: 4.01.2019)
2. Новые технологии в теплоснабжении и строительстве: сборник работ аспирантов и студентов – сотрудников научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки». // Выпуск 16. – Ульяновск: УлГТУ, 2018 г. – С. 74–77
3. BIQ House+SolarLeaf – the use of microalgae [электронный ресурс] URL: https://pocacito.eu/sites/default/files/BIQhouse_Hamburg.pdf (дата обращения: 4.01.2019)
4. Algae Green Loop / Influx Studio [электронный ресурс] URL: https://www.archdaily.com/191229/algae-green-loop-influx-studio (дата обращения: 6.01.2019)
5. Explaining Heat Mirror Technology [электронный ресурс]. URL: https://www.allprowindows.com/about-us/blog/explaining-heat-mirror-technology.html (дата обращения: 10.01.2019)
6. Empire State Building becomes more energy efficient utilizing Heat Mirror/Film Technology [электронный ресурс]. URL: https://www.kensingtonhpp.com/heat-mirror-film-technology/empire-state-bldg.html (дата обращения: 10.01.2019)
