Новая энергетика

Альтернативная энергетика и экологическое домостроение

Новости - Современные Российские разработки

По инициативе Британского совета в Новосибирске состоялся международный научно-практический семинар «Альтернативная энергия и принципы строительства экодомов в Сибири», на котором ученые и строители из разных стран обсуждали перспективы массового возведения зданий из недорогих экологически чистых материалов с системой возобновляемых источников энергопотребления, с переработкой и полной утилизацией всех органических отходов.

В семинаре приняли участие представители научно-исследовательских институтов, вузов, бизнеса, студенческих объединений Сибирского, Уральского регионов, специалисты ряда университетов Великобритании: Института изменений в окружающей среде (ECI), Центра Оксфордского университета окружающей среды, Центра альтернативных технологий в Уэльсе, Уэльского совета исследования энергии, консультанты по экологической экспертизе проектирования разных объектов, устойчивого водопользования и интегрированного управления водными ресурсами.

Главные плюсы возобновляемых источников энергии хорошо известны. Децентрализованное обеспечение дает независимость от финансовой политики монополиста и возможность самостоятельного контроля затрат, а отсутствие углеродных топлив - хорошую разгрузку окружающей экологии. Чем меньше и обособленнее энергетическая система, тем проще ее управление и выше экономичность. Уход от централизованной системы энергопотребления дает европейскому потребителю возможность контроля расходов и сокращает размер налоговых выплат, поскольку оплата за загрязнение окружающей среды в Европе - это отдельная статья расходов. Традиционно общества или целые селения в Великобритании объединяются и самостоятельно принимают решение, какие источники энергии они будут использовать, в какую сумму им обойдется эта энергия, куда и по какой цене они будут продавать ее излишки. Правительство поощряет развитие малых систем, и тот, кто производит значительно больше энергии, чем потребляет, имеет соответствующий сертификат на ее продажу. Строительные материалы для экодома должны обладать простотой и чистотой производства и монтажа, а также максимальными изолирующими свойствами - проще сохранить энергию, чем с избытком ее производить. Основные параметры экодома - энергоэффективный корпус здания, аккумулирование тепла, утилизация и переработка отходов на месте, альтернативные источники энергии, эффективная и недорогая система водоочистки.

АВТОНОМНЫЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ: РАВНЕНИЕ НА ЗАПАД

Специфика российского жилищного строительства - массовое возведение многоквартирных домов, индивидуальное жилье в России составляет всего 30% от жилого фонда, тогда как в Северной Америке и даже в тесной многолюдной Европе эта цифра колеблется от 70 до 80%. По утверждению выступающих на семинаре экспертов, в сфере ЖКХ сосредоточена четверть основных фондов России - больше, чем в промышленности. В стоимости жилищно-коммунальных услуг энергетическая составляющая достигает 75-80%. Главная негативная составляющая сложившейся ситуации - монополизм и отсутствие системного подхода к снижению затрат на жилищно-коммунальные услуги, что приводит к неотвратимому росту оплаты жилищно-коммунальных расходов. На сегодняшний день мы пришли только к этапу внедрения контроля энергии с относительной возможностью ее экономии, такой, например, как монтаж пластиковых окон, после которого экология внутри здания нарушается - помещение, полностью изолированное от естественных потоков воздуха снаружи, нуждается в дополнительной вентиляции. Установка счетчиков также не является решением проблемы, поскольку действительное сокращение расходов может дать лишь регулируемая подача энергии, тепла и воды. Несмотря на введение контроля на объектах, потери тепла по-прежнему колоссальные. В некоторых сетях из-за их низкого качества и многочисленных нарушений теплоизоляции они достигают 30-40%.

Руководитель направления экологического строительства (ВТК «Энергоэффективные технологии в жилищном строительстве») ИТФ СО РАН Игорь Огородников выразил надежду, что после отработки технологии и проявления полной готовности к массовому внедрению проблем с выделением земельного участка и всех технических условий станет значительно меньше при условии активной официальной поддержки местными органами власти. Впрочем, многие моменты возведения экодомов и переход на возобновляемые источники потребуют изменений в законодательной базе. Ведь даже традиционное для России деревянное строительство сегодня разрешено только в статусе временного сооружения, но не жилого здания. Такое ограничение было введено для повышения пожаробезопасности. Представители европейских строительных компаний в один голос выразили удивление, что дешевые и доступные экологические материалы могут не допускаться к использованию по техническим условиям экспертами по пожаробезопасности: «У нас те, кто охраняет дома от пожаров, в обязательном порядке устанавливают пожарную сигнализацию и снабжают здание противопожарными системами, а не диктуют ограничения по материалам и технологии строительства».

СИБИРСКИЙ ЭКОПОСЕЛОК ЛОЖОК

Выступления участников семинара показали, что теоретическая и экспериментальная база для создания таких систем в Новосибирске уже существует. Некоторые из них уже получили практическую реализацию. В частности, экопоселок Ложок Барышевского МУО Новосибирского района представлен несколькими домами из стружечно-цементной плиты, а также с наполнителем из прессованной соломы между стенами из асбоцементной плиты и внутренней глиняной обмазкой. Цель проекта - показать, что автономный жилой дом в Сибири - это реальность. «Мы хотим разработать инженерно-экономическую основу типового проекта для быстрого возведения таких домов», - заявил генеральный директор компании «ДатаКрат» Михаил Матюхин. В доме, который строится под руководством Михаила Матюхина, систему теплых полов, устроенных по известной схеме (тонкие полиэтиленовые кабели, носитель - вода) будет питать вакуумный солнечный коллектор. Перекрытия сделаны из стружечно-цементных плит. Максимальная температура - около +35°-40°С. Тепло, накопленное за летний период, аккумулируется с помощью специального устройства, которое передает его участку земли под домом объемом несколько кубометров. Горячее водоснабжение в доме устроено также от водонагревателя на солнечных батареях. Электроснабжение - от солнечных батарей, ветрогенератора на 1,5 кВт и для подстраховки - дизельного генератора той же мощности.

Сибирские ученые с энтузиазмом относятся к повторению и продвижению иностранного опыта в нашем регионе и совершенно уверены, что им через год-другой удастся сбежать из каменных стен мегаполиса (опытные экземпляры строений принадлежат в основном самим разработчикам технологии), но и создать образцовые экземпляры таких зданий. В лучших из них будут расположены пункты консультаций, где все желающие смогут приобрести готовую техническую документацию с описанием проверенной и отлаженной методики. Климатические условия региона и рельеф местности диктуют ту или иную систему возобновляемых источников энергии. В Сибирском регионе предпочтительны комбинированные системы - солнечные батареи и солнечные нагреватели для производства горячей воды, гидрогенераторы и ветряные мельницы для производства электроэнергии с использованием межсезонных накопителей и компрессоров тепловой энергии. Правда, ветряные электродвигатели малой мощности практически никто не производит, говорит Михаил Матюхин, а мощности в 5 и 10 кВт для двух-трех домов не нужны. Стоимость ветряного двигателя на 1,5 кВт - 40 тысяч рублей, и окупается он за несколько лет. При объединении десятка и более домов время окупаемости, естественно, будет меньше.

Еще один дом в экопоселке Ложок запланирован с использованием целого спектра энергосберегающего оборудования и возобновляемых источников энергии. В составе инженерного оборудования - солнечные вакуумные коллекторы, солнечные фотоэлектрические панели, ветровая установка, автоматизированный блок управления электрооборудованием, электрический аккумуляторный накопитель и преобразователь, грунтовый двухконтурный тепловой аккумулятор, автоматизированная система теплового распределения, рекуперационная система вентиляции, система «теплый пол», дровяная печь медленного горения, бойлер горячего водоснабжения, система энергосберегающего освещения, электростатическая система очистки дымовых газов, теплоотражающее покрытие стекол, энергосберегающие жалюзи. Такой масштабный подход объясняется серьезными намерениями создателей на коммерциализацию разработанной системы. «Нас не интересует, сколько тепла и энергии мы можем получить в условиях Сибири при благоприятных условиях - закупив все необходимое оборудование, мы решаем задачи, проводя эксперимент при существующих, а не теоретических условиях», - поясняет один из организаторов проекта экопоселка Андрей Малых.

Строительство в экопоселке Ложок не обошлось без конструкторских ошибок и авторских экспериментов, поэтому оно ведется медленно, с осторожной оглядкой на результат. Здания уже снабжены аккумуляторами тепла, небольшие участки крыш солнечной стороны покрыты солнечными фотоэлементами для обеспечения работы водогрейных и электрических систем. Вероятно, для хмурого сибирского неба потребуется постепенно докупать эти элементы и покрыть ими крыши максимально полно - на сегодняшний день размещаемого сегмента хватает пока только на то, чтобы вскипятить чайник и осветить комнаты. Возобновляемые системы легко масштабируются и могут использоваться как для одного здания, так и для большого поселка. Опыт строительства экопоселений достаточно успешен в странах Европы, в США и других регионах с относительно мягкими климатическими условиями. Но, по утверждению специалистов, Сибирь вполне может претендовать на место в этом списке. «Благодаря накопителям, которые хранят тепло в межсезонные периоды, и специальному оборудованию, которое преобразует низкоэмиссионное тепло в меньшее количество полноценного тепла, даже в дождливой Великобритании около 60% горячей воды можно произвести при помощи солнечных нагревателей, - говорит консультант британского Центра альтернативных технологий Дэвид Линслей-Худ. - Лучше всего такие системы работают, когда режим обогрева постоянный, как в Сибири в зимний период, а не рваный, как в Великобритании. Мы обогреваем наши дома два часа утром и три часа вечером, поэтому оптимального использования у нас нет».

ЗАМКНУТАЯ СИСТЕМА ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

Освоение свободных территорий города и области всегда осложняется подведением инженерных сетей. Три основных ресурса, необходимых для жизни, - вода, тепло и электроэнергия - все они могут вырабатываться в замкнутой системе. Известно, что значительная часть стоимости дома - не строительство, а подведение коммуникаций. Для организации замкнутой системы жизнеобеспечения доктор ф.-м. н., зав. лаб. ИТФ СО РАН профессор Анатолий Востриков предложил вниманию аудитории уникальную разработку, основанную на физико-химических процессах в сверхкритических водных флюидах. Направление развивается в институте около десяти лет, и за это время получены интересные результаты. Используя данную систему в частном доме, можно получать чистую воду непрерывно в замкнутом цикле, сжигая водоугольную суспензию или биоил. Поскольку вода при температуре 400°С обеспечивает устойчивое горение органических веществ, можно получать на выходе тепло и чистую воду, применяя технологию газификации топлив. Экологическая чистота процесса обеспечивается тем, что рабочая температура горения соответствует пределу от 380 до 800°С, когда не происходит образования вредных оксидов азота и серы и уничтожаются все микроорганизмы.

Происходит полное окисление органических веществ, содержащихся в канализационных отходах и других низкосортных видах топлива. При подмешивании атмосферного воздуха в сверхкритическую воду в реакторе происходит полное окисление органической массы биоилов до углекислого газа и воды. Минеральная часть не растворяется в сверхкритической воде и остается в осадке. Топливо сжигается непосредственно в теплоносителе (в воде). Биоилы, как и канализационные стоки в целом, содержат очень много воды. В городской системе канализации эти стоки разделяются, перерабатываются в центрифугах и выпариваются в бассейнах. Из-за низкой температуры сжигания минеральная часть еще не спекается и оседает в виде высокодисперсного осадка, хорошо проницаемого для водокислородного флюида. В результате углерод полностью выгорает - окисляется до углекислого газа. Полученный мелкодисперсный осадок близок к обычному цементу. Он непрерывно удаляется из реактора в виде пластичной цементной массы. Поток воды на выходе из реактора не содержит вредных веществ и микроорганизмов (дистиллированная вода).

Высокоэнтальпийный (теплосодержащий) поток можно использовать как рабочее тепло для генерации электроэнергии в составе обычных систем с паровыми турбинами. Часть тепловой энергии можно использовать для отопления помещений. Отработанная часть воды может быть обогащена солями и использована как питьевая. Переработка биоилов и канализационных отходов используется для освобождения площадей и получения тепловой энергии. Разработка обеспечивает создание замкнутых систем для изолированных объектов. Она не требует дополнительных затрат на подключение строящихся объектов к уже перегруженным централизованным системам и позволяет избавиться от городских хранилищ. В Новосибирске биоилы (продукты канализации) складируются за городом в специальных отстойниках. Поскольку рабочее давление установки 240-300 атм, тепловые затраты при нагреве воды до 420°С эквивалентны тепловым затратам при нагреве и испарении воды (100°С). Естественно, такие установки в единичном экземпляре ни производить, ни приобретать нерентабельно. Они требуют промышленного выпуска, в этом случае их стоимость будет приблизительно равна обычному мощному нагревателю.

В завершение своего выступления профессор Анатолий Востриков продемонстрировал, что воду, получившуюся после переработки канализационных стоков, действительно можно пить.

ПРОБЛЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ И ТЕПЛОСБЕРЕЖЕНИЯ

Среди миллионных городов России в Новосибирске самая низкая средняя температура воздуха. Наиболее холодная пятидневка в городе составила в среднем - 39°С. Отопительный сезон длится 230 дней. Эти факторы заслуживают того, чтобы уделить особое внимание снижению теплопотерь в зданиях. Старший научный сотрудник Института теплофизики к. т. н. Михаил Низовцев подробнее рассказал о методах решения этой проблемы. Теплоизоляционные свойства сосредоточены в достаточно тонком слое, не более 10-15 см, и при высокой влажности этого слоя его теплозащитные свойства теряются. Лаборатория термогазодинамики ИТФ занимается исследованиями диффузионных процессов влаги в различных строительных материалах. Строительная конструкция стены состоит из нескольких слоев, поэтому главная цель производимых расчетов - определение последовательности и толщины каждого из слоев во избежание образования конденсата в теплоизоляционном слое. Как известно, основные тепловые потери зданий происходят через окна. Стеклопакеты в какой-то степени решают эту проблему, но образующаяся герметичность помещения вредит не меньше, чем его низкая температура. Сама идея стеклопакетов принадлежит вовсе не зарубежным производителям, а России. Впервые стеклопакеты в деревянных рамах начали производиться в СССР еще в 50-е гг. для вахтовых домиков. Сегодня ученые уверены, что оптимальный способ решения проблемы теплопотери через окна - использование шторок и жалюзи с напылениями на полиэтиленовой основе. Они дают возможность регулировать температуру в помещении и избежать относительной герметизации помещений и дополнительных расходов на установку дорогостоящего вентиляционного оборудования. Естественная вентиляция окна обеспечивает более высокую температуру внутренней поверхности остекления, чем при тройном и двойном остеклении без вентиляции. Один из возможных способов повысить температуру внутреннего стекла здания - применение вентилируемых окон, в межстекольном пространстве которых организуется проток воздуха. Существует множество вариантов вентилирования межстекольных прослоек. Наиболее известный из них - вентиляция пространства с помощью вытяжного воздуха, удаляемого из помещения. Для этого достаточно иметь механическую систему вентиляции. Но есть и более простые способы, как, например, естественная вентиляция с применением верхней и нижней щели внутреннего стекла трехслойного стеклопакета, через которые воздушная прослойка между стеклами сообщается с воздухом помещения. Внутри такой прослойки возникает устойчивое течение воздуха, направленное сверху вниз. Тепловой поток на внутренней поверхности остекления при естественной вентиляции окна воздухом из помещения существенно меньше, чем тепловой поток при обычных типах остекления. В конструкции оконного блока с тройным остеклением можно предусмотреть устройство, которое обеспечит возможность перехода от режима обычного окна с герметичной внутренней межстекольной прослойкой к режиму окна с естественной вентиляцией.

Основная проблема механической вентиляции в зимнее время - образование конденсата, а после его замерзания - льда внутри оборудования. Известные типы теплообменников - с противотоком, с параллельным потоком и колесной энтальпией - хорошо работают в условиях умеренного климата. Но в Сибири разница температур внутри и снаружи помещения может составлять от 40 до 70 градусов, и если теплообмен в таких условиях еще можно регулировать, то влажность, а следовательно, загрязненность воздуха - нет. При работе механических вентиляторов в зимнее время влажность внутри помещения резко падает и может составить около 15%.

Для решения этой проблемы коллектив авторов Института теплофизики и Института катализа под руководством заведующего лабораторией Института катализа д. х. н., профессора Юрия Аристова предлагает очищать выходящий из помещения воздух и насыщать его же влагой входящий сухой воздух. Теплообмен регулируется таким образом, что из помещения выходит воздух, близкий по температуре к наружному. В вентиляционной установке, разработанной Юрием Аристовым, существуют два режима направления потока воздуха - наружу и внутрь. За адсорбентом, аккумулирующим влагу, расположен регенеративный теплообменник, аккумулирующий тепло. Таким образом, входящий поток воздуха забирает влагу и тепло, а выходящий - оставляет их. Направление потока воздуха регулируется автоматически, в зависимости от степени наполнения теплом теплообменного устройства.

Использование промышленных адсорбентов-осушителей - силикагеля КСМ, ИК-011-1 и оксида алюминия - в качестве буферов влаги позволяет эффективно регулировать влажность выходного воздушного потока как на стадии адсорбции воды (осушки воздуха из комнаты), так и на стадии десорбции (увлажнения воздуха с улицы). Наибольшей эффективностью и для осушки, и для увлажнения обладает композитный адсорбент ИК-011-1. Время между переключениями направления движения воздуха зависит от требуемой кратности воздухообмена, количества адсорбента и теплоаккумулирующей засыпки, а также заданной степени регенерации теплоты и влаги.

Разработанный и исследованный прототип может быть положен в основу дешевого и эффективного устройства для регенерации теплоты и влаги в системе вентиляции бытовых и офисных помещений. Мощность оборудования составляет всего 20 кВт.

Использование теплоты вентиляционных выбросов для нагрева приточного воздуха в системе вентиляции может существенно сократить затраты тепловой энергии. Общие финансовые затраты на отопление и вентиляцию за весь отопительный период при использовании предлагаемого тепломассообменного устройства сокращаются приблизительно на 44%. В людных офисных помещениях, где необходима более интенсивная вентиляция, экономия будет существенно выше.

ЭКОЛОГИЯ В ОБРАЗОВАНИИ

Отдельной частью международной программы «Альтернативная энергия и принципы строительства экодомов в Сибири» явилось информирование студентов и преподавателей новосибирских университетов, в которых существуют учебные программы по теме семинара. В ряде вузов прошли «круглые столы» с обсуждением перспектив развития и роли альтернативной энергетики и новых строительных технологий для строительства, энергообеспечения и утилизации бытовых отходов от индивидуального жилья, поселений, различных небольших предприятий. «Круглые столы» были проведены в Новосибирском госуниверситете, Новосибирской государственной архитектурно-художественной академии, Новосибирском государственном архитектурно-строительном и Новосибирском государственном техническом университетах. Результатом явилось заключение предварительных договоренностей о совместной подаче заявок на получение грантов для проведения научно-технических исследований.