Топливно-энергетический кризис перешел с нами в ХХI век. По оценкам специалистов, всех видов энергии, способных производить тепло, с каждым годом остается все меньше и меньше. Запасов угля хватит на 165 лет, нефти и газа, которые считаются в нашей стране этакой бездонной валютой, соответственно — на 65 и 50 лет, а главного топлива всех АЭС – урана – всего лишь на 37 лет.

  Поэтому сейчас во всем мире идет повсеместная экономия сырьевых ресурсов. Ученые многих стран пытаются решить эту проблему различными методами, в том числе и с помощью применения альтернативных источников энергии. К ним можно отнести такие виды, как использование водных ресурсов малых рек, морских волн, гейзеров и даже отходов производства и бытового мусора.

  Но наиболее перспективными и доступными, по мнению ученых, являются применение энергий ветра и солнца. Чего-чего, а уж ветров и солнечного светила в мире пока предостаточно.

«Старые знакомые» Дон Кихота

  Уже во II веке до н. э. упоминается применение ветряных мельниц в Персии. Еще раньше их начали использовать в Китае. И даже у нас в России к началу ХХ века были построены и успешно работали более 2500 тысяч ветряных мельниц общей мощностью примерно 1 млн. кВт. Потом «старые знакомые» Дон Кихота были незаслуженно забыты. Но в связи с грядущим энергокризисом о них вспомнили вновь.

  Несколько лет назад журналиста нашей редакции отправили в командировку на строительную выставку в Лейпциг. И по роду работы ему пришлось много ездить на автотранспорте по городам Германии – Халле, Дрездену, Берлину. Но больше всего его поразили не качество жизни, автобаны и знаменитая немецкая пунктуальность. А… огромное количество ветрогенераторов, расположившихся, как грибы после дождя, на бескрайних полях Германии. На вопрос корреспондента “СБМ”, зачем так много ветряных мельниц немцам, последовал парадоксальный ответ: “Иметь автономный источник питания значительно дешевле, чем покупать энергию из общих сетей“. При этом сама установка стоила ой как недешево – 2 млн. дойчмарок или 1 млн. евро. Но зато немцам не страшны никакие отключения наподобие тех, что недавно случились в США и Канаде.

  И, тем не менее, популярность ветроустановки завоевали далеко не сразу. Первоначально ветрогенераторы предназначались для использования в приморских и высокогорных поселках, пустынных местностях, фермерских хозяйствах, в экспедициях, в общем для такого типа условий, при которых на строительство стационарной системы электроснабжения ушло бы значительно большие средств, чем на создание автономной системы электроснабжения. Конечно, определяющее значение имело наличие в той или иной местности устойчивых ветров.

“Ветер, ветер, ты могуч…“

  Итак, что же представляет собой агрегат, который принято называть ветрогенератором или ветроэнергетической установкой? Конструктивно он состоит из ветроколеса с лопастями, повышающего редуктора, ветрогенератора, установленного на мачте, инвертора, аккумуляторной батареи. Зачастую, для большей надежности, в состав такой автономной системы электроснабжения включают блоки солнечных батарей и бензиновый (дизельный) электроагрегат.

Принцип действия современного ветрогенератора таков: сила ветра вращает колесо с лопастями, передаваясь через редуктор на вал генератора. Таким образом, реализуется принцип превращения механической энергии в электрическую. Мощность агрегата зависит от размеров ветроколеса, скорости ветра, а также высоты мачты. Выпускаемые в настоящий момент ветрогенераторы имеют диаметр лопастей от 0,75 до 60 и более метров. Инвертор представляет собой узел, который выполняет задачу преобразования электрического тока в синусоидальный и дополнительной стабилизации напряжения. В буфере с инвертором работает аккумулятор, который подает напряжение в сеть нагрузки при отсутствии ветра.

  Самым маленьким из ветрогенераторов является тип G-60. При диаметре пятилопастного ротора 0,75 метра и скорости ветра 3–10 метров в секунду он вырабатывает мощность 60 ватт напряжением 12/24 вольта, при этом весит 9 кг. Такой “малыш“ пригоден для транспортировки, так как легко умещается в любую машину или лодку. Как правило, подобный агрегат служит для зарядки батарей, работы средств связи и освещения. Все модели комплектуются мачтами решетчатой или телескопической конструкции, каждый ветрогенератор снабжен системой ориентации по ветру и защитой от ураганных порывов.

От Америки до России

  За последние несколько лет развитие альтернативной энергетики получило дополнительный толчок. В западноевропейских и скандинавских странах, а также в Америке и Японии уже созданы и уверенно развиваются при поддержке государства ассоциации альтернативной энергетики. Там разработаны и функционируют ветроэнергетические установки мощностью 1,5 и более МВт. Вырабатываемая этим сектором электроэнергия в Бельгии и Дании составляет значительную часть.

  В мире активно применяются так называемые кооперативные ветроэнергетические установки. Это тот самый пример, когда 10–15 семей совместно приобретают ветрогенератор, и в течение дальнейших 15–20 лет экономят на этом до 70% (!) потребляемой электроэнергии (ведь установка автоматически, незаметно для ее владельца, переключает все нагрузки на себя).

  Страны СНГ также делают попытки развить аналогичный сектор энергетики. Это, в первую очередь, Украина, Кыргызстан, Белоруссия, Башкортостан. У нас в России также растет интерес к ветроустановкам. Уже созданы и прошли испытания отечественные модели такие, как ВП-3,72 (объединение “Ветромоторы“) и ВЭУ-3, ВЭУ-10 мощностью соответственно 3 и 10 кВт. В настоящий момент в разных регионах России разрабатываются не только серьезные проекты создания целых систем ветровой энергетики, но и инвестиционные проекты по развертыванию производства ветроэнергетических установок 0,5–10 кВт.

Сила нашего светила

  Надо сказать, что в ветроустановках используется еще одна немаловажная деталь – солнечные батареи. Они набираются из различных модулей от 10 до 120 Вт и могут составляться на любую мощность. Вот мы плавно и подошли ко второму по популярности альтернативному источнику энергии – великой силе солнца.

  Солнечная энергия относится к возобновляемым видам энергии и с давних пор используется человеком. Она преобразовывается не только в электрическую, но и в тепловую и механическую, а также широко применяется в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят широкое применение в системах отопления и охлаждения зданий, получения горячей и опреснения морской воды, сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов. Популярны и установки солнечного горячего водоснабжения, поскольку их легко построить и использовать в личном подсобном хозяйстве.

  Но мы расскажем о sunhouse, который приобретает сегодня все большую популярность не только в странах Северной и Южной Америки, но и в Европе. "Солнечным домом" называется здание с минимальными энергопотерями, имеющее специальные системы поглощения, распределения и аккумулирования тепла.

Строим sunhouse

  Первым этапом проектирования “солнечного дома“ считается выбор оптимальной формы здания. Как правило, рекомендуется компактная, близкая к квадрату форма плана с минимальным периметром наружных стен. Показателем компактности служит коэффициент, равный отношению площади наружных стен к внутреннему объему здания.

Для уменьшения поверхности наружных стен могут использоваться цилиндрические, полусферические и другие нетрадиционные формы. Для уменьшения энергопотребления пересматриваются многие нормативы проектирования ограждающих элементов здания, усиливаются их теплоизолирующие свойства путем применения более совершенных изоляционных материалов, а также использования тройного остекления в регионах с холодным климатом. Большой эффект дает дифференциация помещений по энергопотребностям и режиму эксплуатации.

  Особое значение при возведении “солнечного дома“ приобретают планировка участка и правильная ориентация. Для эффективного использования солнечной радиации (не стоит пугаться этого термина) южная стена или кровля жилого дома должны облучаться прямыми солнечными лучами с 9.00 до 15.00 даже в самый неблагоприятный день. Для этого солнцевоспринимающий фасад должен быть ориентирован на юг с отклонением не более чем на 10–20 градусов.

В летнее время в большинстве районов требуется усиленная естественная вентиляция здания для защиты от перегрева. Поэтому рекомендуется воздухообмен, причем хорошая организация воздушных потоков в здании является основой распространения полученного тепла по помещениям за счет естественной конвекции. Это достигается созданием вертикальных воздушных потоков в пространствах атриумов, холлов, повышенных частях жилых комнат.

  Выполнение перечисленных выше мероприятий практически не повышает стоимость строительства, а лишь оптимизирует его результаты. Только сведя, таким образом, к минимуму энергопотребности здания, можно думать о проектировании каких-либо технологических устройств.

Пассив или актив?

  По способу преобразования солнечной энергии наиболее распространено разделение солнечных систем на пассивные и активные. Пассивные системы используют модификацию традиционных элементов здания для накапливания и распределения тепла. Они требуют незначительного дополнительного оборудования и поэтому более экономичны, хотя и недостаточно производительны. Для их эксплуатации не требуется специального обслуживающего персонала.

Активные системы, даже простейшие, включают в себя значительный арсенал технических средств (таких, как плоские водяные и воздушные коллекторы, специальные аккумуляторы тепла, системы распределения тепла и контроля за теплопоступлением), что увеличивает затраты на строительство и требует квалифицированного монтажа. В реальной практике встречается комбинация различных систем.

  Например, обращенное на юг окно в сочетании с тепловой массой здания и изолирующими ставнями — потенциально самая простая и в то же время наиболее удобная система солнечного отопления. Также несложными являются термосифонные воздушные коллекторы или солнечные водонагреватели.

Простая система

  Помимо вышеприведенных примеров простейшая система солнечного отопления использует коллекторы, которые работают только во время солнечного сияния и когда здание нуждается в тепле. Такие коллекторы можно на зиму устанавливать на открытых площадках около дома, а летом демонтировать. Они легко крепятся к стенам и крышам уже существующих зданий.

  В любом случае воздух из зданий подается в коллектор, нагревается солнечными лучами и затем поступает снова в помещение. Вентилятор включается по сигналу разности двух температур. В процессе работы системы посылающий этот сигнал датчик определяет, светит ли солнце и достаточно ли нагрет коллектор, чтобы довести воздух до нужной температуры. Второй прибор определяет, нуждается ли помещение в тепле или нет. Этот чувствительный агрегат должен быть настроен на верхний предел термостата. Поскольку солнечное тепло с воздухом должно поступать в помещение тогда, когда его температура достигнет такого уровня, чтобы можно было воспользоваться энергией солнца, когда оно светит.

  Естественно, данный процесс может осуществляться вручную, путем простого включения или выключения вентилятора. Поскольку в этом режиме не предусматривается аккумулятор тепла для его дальнейшего использования, то здание должно работать как контейнер теплоаккумулятора. То есть оно должно нагреваться до такой температуры, которую в состоянии выдержать находящиеся в нем люди. Чем массивнее здание, тем больше тепла оно накапливает, и тем дольше оно может обходиться без него после захода солнца или появления облачности, и тем выше будет общий КПД этой простой системы.

Система следующего уровня сложности накапливает солнечную энергию в теплоаккумуляторе. Если помещению недостаточно солнечных лучей, попадающих на здание, то включается накопившая тепло отопительная система. Однако в идеале приток солнечного тепла через окна должен удовлетворить потребность в отоплении и во время работы коллектора. Дублирующая отопительная система совершенно отделена от системы сбора и распределения солнечного тепла в целях упрощения всего комплекса. Когда солнца нет и аккумулятор "заряжен", потребность дома в тепле удовлетворяется в первую очередь за счет солнечного аккумулятора. Если этого недостаточно, то включается дублирующая система отопления.

Будет ли у нас "солнечный дом"?

  При детальном проектировании зданий (ориентация, инсоляция и т. д.) должны также учитываться по возможности энергетические требования. "Солнечные дома" необходимо проектировать очень тщательно, и этот принцип должен соблюдаться в мельчайших деталях. В нашей стране, с ее разнообразием природно-климатических условий, вообще нельзя говорить о "солнечном доме" как некоем однозначном понятии. Недаром в отечественной литературе все чаще появляются термины "энергоактивное здание", "энергоэкономичное здание".

  Энергетически эффективное здание в районе Средней Азии, оборудованное различными технологическими устройствами для накопления солнечной радиации, будет коренным образом отличаться от такого же здания на Крайнем Севере, где вообще может не быть технологических устройств, но компактная планировка, конструктивное решение и выбор строительных материалов будут направлены на сведение к минимуму теплопотерь.

  К сожалению, практически во всех регионах нашей страны жилые здания не могут функционировать без отопительных устройств. Переход на альтернативные решения должен быть обеспечен созданием индустриальной базы и квалифицированными кадрами. С этой точки зрения ориентация на первоочередное внедрение систем горячего водоснабжения как наиболее автономной части энергообеспечения дома, безусловно, оправданна.

  Солнечный коллектор, различные типы мобильных теплоизоляционных устройств, аккумуляторов тепла должны стать такими же привычными элементами жилого дома, как радиатор традиционного отопления. Только после этого можно решить более сложную задачу использования солнечной энергии и для отопления здания.

Обзор подготовлен по материалам сайтов www.know-house.ru, www.mensh.ru и информационного отдела журнала "СтройБизнесМаркет".