Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
Строительный институт.
Реферат.
Энергосбережение, энергоэффективное домостроение; энергия солнца и ветра.
Выполнил: Андреев
Проверила: Никитина
Екатеринбург, 2012
В последние десятилетия мировое сообщество всерьез обеспокоено такими проблемами, как сохранение экологии и истощение запасов полезных ископаемых, используемых в качестве основных источников энергии: по подсчетам ученых, нефти, каменного угля и газа человечеству хватит максимум еще на сто лет, что в масштабах существования нашей планеты совсем мало. Именно поэтому экономия энергоресурсов стала приоритетной задачей не только для стран Запада, но и для России. Согласно статистике, половина всего объема энергопотребления приходится на жилые здания. В связи с этим важнейшим направлением в решении вопросов ресурсосбережения становится строительство энергоэффективных домов.
Основоположники
– Основоположниками технологии строительства энергоэффективных домов считаются доктор Вольфганг Файст (Германия) и исследователь Дэвид Орр (США). Вообще первые попытки построить энергоэффективные дома предпринимались в мире с начала 70-х годов XX века, но четкость данная концепция обрела лишь с возникновением в 1996 году в Германии, в городе Дармштадте, «Института пассивного дома» (Passivhaus Institut – нем.), который основали немецкий ученый Вольфганг Файст и его коллега из шведского Лундского университета Бо Адамсон.
В октябре 2008 года одно из московских издательств перевело на русский язык книгу Вольфганга Файста «Основные положения по проектированию пассивных домов», а филиалы немецкого «Института пассивного дома» под теми же названиями в начале XXI века открылись и сейчас открываются во многих странах мира, в т.ч. и в России.
Основными критериями снижения энергоемкости при проектировании зданий и сооружений являются следующие.
- Обеспечение нормативных требований по низкой теплопроводности ограждающих конструкций. При этом в многослойных ограждающих конструкциях с теплой стороны необходимо располагать слои с большей теплопроводностью и меньшей паропроницаемостью.
- Снижение расходов всех материалов на единицу строительной продукции. При этом особое внимание следует уделять ограничению применения материалов с высокой энергоемкостью.
- Снижение веса зданий и сооружений.
- Применение новых эффективных инженерных систем, обеспечивающих жизнедеятельность зданий и сооружений и позволяющих снизить эксплуатационные расходы.
- Приближение окон по теплотехническим характеристикам к ограждающим конструкциям.
Энергосберегающие мероприятия при разработке генеральных планов:
- Развитие городов с рациональным использованием городских территорий за счет уплотнения застройки, дополнительное жилищное строительство на сложившихся территориях.
- Организация замкнутых дворов и внутриквартальных территорий для ликвидации сквозных продуваемых ветром пространств с сохранением принципов организации воздухообмена.
- Вынос технологического оборудования на открытые площадки. При этом снижение энергозатрат происходит как в процессе строительства (снижение материалоемкости), так и в процессе эксплуатации (сокращение затрат на отопление, вентиляцию продольного фасада здания).
- Осуществление при проектировании максимального блокирования зданий.
Последнее время застройщики и государственные власти уделяют все больше внимания вопросам энергоэффективности в строительной отрасли. Уже объявлено о запуске нескольких проектов в этом направлении. Последним крупным событием стало подписание совместного российско-германского соглашения о сотрудничестве в области энергосбережения при возведении жилого района в Екатеринбурге, рассчитанного на проживание 325 тысяч человек. Вопрос о том, насколько быстро российские застройщики адаптируются к современным технологиям домостроения, остается открытым.
Об энергоэффективности строительства не раз говорили президент России Дмитрий Медведев и премьер-министр Владимир Путин. По их мнению, современные технологии позволят значительно снизить себестоимость жилья. При этом Владимир Путин заявлял о необходимости отдавать приоритет малоэтажному строительству. По его словам, в ближайшие годы не менее 40 процентов россиян должны получить возможность покупать, в том числе с помощью ипотеки, качественное жилье эконом-класса, возведенное с помощью современных технологий. Его стоимость, по оценкам премьера, должна составлять около 30 тысяч рублей за "квадрат".
Руководство страны чиновниками было услышано. В конце февраля 2010 года глава Министерства регионального развития Виктор Басаргин заявил, что в России в ближайшее время начнется строительство нескольких экспериментальных малоэтажных поселков, где будут использованы все современные энергосберегающие технологии.
Без сомнения, энергоэффективность строительства надо улучшать. Но также очевидно и то, что речь идет о возведении социального жилья, которое муниципальные власти будут предоставлять очередникам, военным, ветеранам и другим льготным категориям граждан. При этом возникает вопрос, готовы ли частные застройщики использовать современные системы энергосбережения, которые могут привести к увеличению их затрат? С другой стороны, в нынешней ситуации у девелоперов особого выбора нет. Лишившись из-за кризиса финансирования или заморозив большинство проектов, сейчас они просто вынуждены работать по госзаказу. Есть еще одна трудность: как быстро российские власти смогут внедрить на рынке новые технологии домостроения и как быстро к ним смогут привыкнуть застройщики.
Солнечная Энергия
Солнце является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Оно греет всю Землю, приводит в движение реки и сообщает силу ветру. Под его лучами вырастает 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря тому же Солнцу на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа и пр., которые мы сейчас активно сжигаем. Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива. (Теплота сгорания условного топлива - 7 000 ккал/кг). Разведанных мировых запасов угля человечеству хватит на 200 лет, нефти и природного газа – на 36 лет, ядерного топлива – на 40 лет. Солнечная энергия – это наименьшее количество загрязнения для планеты и наиболее неистощимый из всех известных источников энергии. Человечество только начинает выявлять и использовать ее потенциал. Сегодняшние солнечные системы уже рентабельны, надежны и просты в эксплуатации. Их использование набирает популярность в развитых странах.
Солнечная энергетика— использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии, и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.
Ныне солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически.
"СОЛНЕЧНЫЕ" УСТАНОВКИ
Солнечная энергия есть не что иное, как воздействие солнечной радиации на здание или воспринимающие поверхности. Идея использования солнечной радиации для получения энергии долго не находила эффективного технологического решения. Но во времена энергетического кризиса 1970-х годов во всем мире возрос интерес к солнечной энергии. Правда, на территории бывшего СССР, за исключением космических технологий, она практически не использовалась, хотя высокая солнечная активность - особенность почти всей этой территории.
Преимущество использования фотоэлектрических генераторов солнечной энергии - экологическая безопасность. Сами по себе генераторы нуждаются в минимуме обслуживания и не требуют особых эксплуатационных затрат. Им не нужны громоздкие конструкции, занимающие значительные территории, они надежны и бесшумны. Возможность установки солнечной электростанции определяется по количеству солнечных дней в году, а так же по количеству солнечной энергии, приходящейся на единицу площади (Вт/м2). Экономически выгодными для использования солнечных панелей являются районы с солнечной активностью 100-250 кДж/см2. Зарубежные и отечественные компании выпускают солнечные панели единичной мощности 50 Вт, 100 Вт на напряжение 12 В для получения необходимой мощности - в результате получается солнечная электростанция. В районах с высоким солнечным потенциалом она может окупиться в течение 2-5 лет. Срок службы солнечной панели до 50 лет, причем каждые 10 лет она теряет всего 1% мощности.
Правды ради стоит сказать, что у солнечной энергетики есть и ряд недостатков: подобные электростанции не работают ночью и в холод, а оборудование для преобразования солнечной радиации в электричество остается дорогим.
Применение солнечного излучения для обогрева здания или нагрева воды может быть либо активным либо пассивным.
Пассивное использование солнечной радиации возможно за счет восприятия и отдачи энергии при прямом улавливании лучей через остекленные проемы (окна, витражи, витрины) и косвенном, за счет массивов стен, крыш, ограждений зимних садов и т.п.
Другими словами, это архитектурно-строительные системы, улавливающие солнечное тепло, направляющие его в глубь помещения, аккумулирующие его там и отдающие его в нужное время во внутреннюю среду. Эти системы не требуют практически никакого инженерного оборудования (за исключением в некоторых случаях небольших вентиляторов).
Активное же использование солнечной радиации возможно за счет восприятия и передачи энергии специальными устройствами: гелиоколлекторами, солнечными фотоэлектрическими установками наземного использования и т.п.
Сегодня в гелиоэнергетике развиваются два основных направления. Солнечные установки теплоснабжения - солнечные коллекторы - предназначены для обеспечения отопления и горячего водоснабжения зданий, для подогрева воды в бассейне. Например, в такой далеко не южной стране как Германия, владельцы солнечных установок экономят в среднем 60% топлива, заодно на сотни тонн уменьшая выбросы углекислого газа в атмосферу.
Солнечные коллекторы получили большое распространение во всем мире, как в частном, так и в общественном строительстве. В Испании, в частности, новые здания не принимаются в эксплуатацию без солнечных коллекторов на крыше.
Другое направление солнечной энергетики - фотоэлектронная технология - разработано для получения электроэнергии. За последнее десятилетие рынок фотоэнергетики вырос более чем в 10 раз, но все же на современном уровне солнечная электроэнергия останется для украинцев дорогим удовольствием. А вот системы отопления с жидкостным солнечным коллектором уже вполне доступны для владельцев частных домов, гостиниц и других небольших объектов.
Отопительная гелиосистема включает в себя такое оборудование: коллектор солнечной энергии, аккумулятор теплоты, теплообменники, насосы, вентиляторы, устройства для управления работой системы. Необходимо также иметь резервный источник теплоты, например, обычный котел. Специфика использования солнечной установки состоит в том, что для обеспечения максимальной эффективности требуется системное решение, которое состоит в точном согласовании всех элементов. Принцип ее работы таков: жидкость, нагретая в коллекторе, через теплообменник, установленный в накопителе, передает тепло проходящей через него воде систем тепло- и водоснабжения.
Еще лет тридцать назад у нас в стране, да и во всем мире, под использованием солнечной энергии понимали применение специального инженерного оборудования, такого как солнечные коллекторы, теплообменники, баки-накопители нагретой солнцем воды или другой жидкости, автоматику, регуляторы и т.п. (то есть, подразумевался активный тип). Такие системы в наше время широко применяются в развитых странах.
Используя приемы "солнечной архитектуры", современный "солнечный" дом может быть оборудован как пассивными, так и активными элементами для использования энергии. Причем - таким образом, чтобы максимально поглощать и использовать солнечное излучение для обогрева, горячей воды и электрообеспечения.
Главными инженерными элементами солнечной архитектуры являются расположенные на крыше дома солнечные коллекторы для нагрева воздуха и воды, солнечные батареи. Выгода использования солнечной энергии будет максимальной, если дом еще правильно расположить и эффективно утеплить.
Устройство солнечного коллектора принципиально простое. Его прототип, издавна известный каждому, - бак с водой, установленный над дачной душевой. Но современный коллектор массового применения и эффективнее, и сложнее. Он представляет собой герметично закрытую плоскую коробку с уложенными внутри трубами, заполненными жидкостью (вода со специальными добавками) и работает по принципу "горячего ящика" - служит ловушкой для солнечных лучей, поступающих в него через прозрачное стекло. Коллектор устанавливается чаще всего на крыше дома, для большей эффективности под определенным углом (который зависит от географической широты) и с ориентацией на юг, чтобы эффективнее улавливать солнечные лучи. Коллектор должен быть сделан из качественных материалов, поскольку работает в экстремальных условиях - температура в нем может подниматься до 200?С.
Важнейшим элементом системы является накопитель для горячей воды. В нем осуществляется теплообмен между нагретой водой из коллектора и системой водоснабжения и отопления здания. Накопители для гелиосистем отличаются тем, что имеют соотношение диаметра и высоты в среднем 1:2,5 (высокие и узкие), что позволяет нагревать воду в нижней части (где установлен теплообменник), а отбирать ее в - верхней. Рекомендуется также обеспечить в накопителе дополнительный нагрев воды на случай пасмурных дней.
Весьма повышает эффективность гелиоустановок использование насоса и автоматических систем управления. Например, когда температура в коллекторе высокая, насос может быстрее прогонять через него воду, чтобы увеличить объем теплоносителя, проходящего через теплообменник и, соответственно, количество полученного тепла.
"Правильное" расположение и строительство дома предполагает его южную ориентацию (для максимального съема солнечной энергии) и наличие буферных зон (теплица с юга, гараж с севера, веранды с запада или востока и т.д.). В холодное время года солнце используется в пассивном режиме отопления, снижая тем самым нагрузку на обогревающую систему.
В теплый период энергия солнца используется для подогрева воды. Получение тепловой энергии от солнца осуществляется в солнечных коллекторах, в которых нагревается воздух или вода. В идеале от системы солнечного обогрева нужно получить столько тепла, чтобы компенсировать все тепловые потери и обеспечивать семью теплой водой для бытовых нужд. Избытки тепловой энергии накапливаются и хранятся в сезонных и суточных аккумуляторах. Длительному сохранению тепла в доме способствуют также архитектурные и конструкторские решения, эффективные утеплители.
Выработка электроэнергии происходит в солнечных батареях. Но сегодня еще нет дешевых сезонных аккумуляторов и значимым источником тепла остается котел, но его расход топлива в несколько раз меньше. Отопление, безусловно, будет нужно, когда пасмурная погода затянется. И здесь должен выручать бак-аккумулятор, в который из коллекторов должна нагоняться горячая вода. В солнечный день вода с антифризом, которая циркулирует в коллекторах, установленных на домах, может разогреваться до +70-80°C. Она постепенно будет использоваться для отопления и бытовых нужд в холодные дни. Зная показатели солнечной радиации для данного района, можно рассчитать, какая система коллекторов, которые, как правило, устанавливают на крыше, будет оптимальна для конкретного дома.
Оптимальными представляются наклон коллектора под углом в 45 градусов и ориентация на юг. Если коллекторы размещены на восточном или западном скате крыши, количество улавливаемой энергии снижается на 15-20%. Такие потери могут возместить лишь соответственно увеличенные размеры установки.
Предлагаются в основном две системы: плоские коллекторы со стеклянным покрытием и коллекторы с вакуумными трубками. Наилучшим вариантом соотношения между затратами и результатом на сегодняшний день следует признать установки с плоскими коллекторами. Несколько более высокий у вакуумных коллекторов КПД уравнивается за счет того, что площадь плоского коллектора может иметь большие размеры. И тогда плоская установка дает точно столько же теплой воды, сколько вакуумная - при возможном уменьшении первоначальной стоимости. В среднем цена самих коллекторов составляет примерно треть всех расходов. Еще треть приходится на накопители, мелкие детали и регулировку. Остаток следует отнести на долю монтажника.
"Загрузка солнечным теплом" обыкновенно происходит через теплообменник, расположенный в нижней части накопителя. Второй теплообменник в верхней части накопителя позволит дополнительно подогревать воду с помощью отопительного котла.
Большинство установок для подогрева воды для бытового использования работает сегодня с двумя циркуляционными системами, по принципу так называемой двойной циркуляции. Солнечная циркуляция начинается лишь тогда, когда температура в коллекторе на несколько градусов выше, чем в накопителе.
Идеальные солнечные накопители бывают высокие и прямые, чтобы температура располагалась "слоями". Поэтому вода, которую берут с самого верха накопителя, всегда горячая, а солнечный теплообменник в более прохладной нижней части работает в оптимальном режиме. Довольно распространенный и наиболее перспективный вариант использования солнечной энергии для теплоснабжения индивидуальных домов и других небольших объектов - система, которая представляет собой комбинацию солнечных коллекторов, бака-аккумулятора, одного или нескольких отопительных котлов. Такое сочетание обеспечивает комфортные условия с наименьшими затратами традиционных энергоносителей. В данном случае бак-аккумулятор с системой встроенных теплообменников играет роль объединяющего и согласующего элемента всей установки теплоснабжения.
Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра —кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2008 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 120 гигаватт, увеличившись вшестеро с 2000 года.
"ВЕТРЯКИ"
В отличие от солнечных коллекторов, ветровые установки предназначены для получения электричества. При этом ветровые электрические установки (ВЭУ) - не обязательно стоящие в поле мегаваттные системы. Вполне эффективно их применение для электроснабжения частного дома или любого другого объекта, для чего в мире давно производится оборудование для "ветряков" небольшой мощности. Лидерами в этой области являются европейские страны, на долю которых приходится 75% всех установленных в мире ветроагрегатов. Многие государства, например, Дания, Германия, Испания стимулируют строительство частных ветряных электростанций различными льготами.
Использование энергии ветра давно знакомо человеку. На него веками работали ветряные мельницы. Но когда на службу были поставлены уголь, нефть, а с ними - электричество и турбины, показалось, что "время парусов" закончилось. Природные твердые и жидкие источники энергии получили явное преимущество и широкое распространение. Но "ветряки" не потеряли своих достоинств и не исчезли совсем. Хотя, по мнению сторонников использования энергии ветра, в настоящее время виной недостаточно активного внедрения "ветровых технологий" являются консерватизм и инертность.
Для частных хозяйств и небольших объектов используются ветроустановки меньшей мощности. При этом 300 Вт вполне достаточно для обеспечения электричеством дачи, 2-5 кВт - частного коттеджа, 10 кВт - для большого дома с прилегающей территорией, 20 кВт - для нескольких домов, поселка. Самый маленький ветрогенератор можно собрать и запустить самостоятельно, а те, что побольше, устанавливают специалисты.
В состав небольших ВЭУ входят следующие составляющие: башня (мачта) высотой 10-20 м; ветроколесо (лопасти) диаметром 5-10 м из прочного композитного материала, например, фибергласса; турбина (электрогенератор); аккумуляторы (в виде отдельных модулей); инвертор, а также автоматическая система контроля и регулирования работы системы. Рабочая скорость ветра - 2-28 м/сек, номинальная (расчетная) - 9-10 м/сек. При увеличении скорости ветра выработка электроэнергии растет по экспоненте, а при превышении скорости ветроагрегат автоматически отключается в целях безопасности. Автоматическая система также следит за направлением ветра и поворачивает лопасти в нужную сторону, а также стабилизирует скорость вращения лопастей.
Ветрогенератор небольшой мощности вырабатывает постоянный ток напряжением 12 В, поэтому обязательно нужен инвертор, повышающий напряжение до необходимых 220 В переменного тока. Мощные "ветряки" дают ток более высокого напряжения, достаточного для работы бытовых приборов. Велика роль аккумуляторов, которые накапливают и хранят выработанную электроэнергию.
Башня может быть установлена во дворе дома и не требует вокруг себя "зоны отчуждения". Чем выше башня, тем продуктивнее работает система. Современные ветроустановки практически бесшумны в работе и не превышают шумовой фон, создаваемый ветром.
Энергия ветра имеет множество преимуществ. Она доступна и с точки зрения технологического развития, и в смысле наличия ресурсов. Слабым местом ее использования является недостаточная "энергетическая плотность" этого природного ресурса: для производства электричества необходимо значительное число генераторов. Ветровые турбины не могут быть размещены повсеместно, поскольку не везде достаточно ветрено, а в тех местах, где ветра много, строительство и эксплуатация ветровых ферм могут оказаться неоправданно дорогостоящими ввиду удаленности от потребителя. Против использования ветряных двигателей выдвигаются порой и чисто визуальные соображения.
Основным критерием для их установки является средняя скорость ветра, а лучше всего среднемесячная и среднегодовая скорости ветра. Ниже этой скорости не имеет смысла устанавливать ветряную электростанцию. Причем эта среднегодовая скорость ветра должна быть измерена на так называемой флюгерной высоте. Точное место расположения установки на участке заПервый в России энергоэффективный дом, питающийся энергией солнца и ветра, построен в Белоярском районе Свердловской области. Перестроенный из коровника "энергодворец", - именно так окрестили его местные жители, - заселят его создатели, ученые крупнейшего уральского технического вуза УГТУ-УПИ. Как сказал корр.ИТАР-ТАСС один из жильцов, доцент кафедры энергетики вуза Владимир Велькин, часть энергопотребления в доме восполнит электричество, вырабатываемое ветряком, - так, при скорости ветра около 5 метров в секунду генератор вырабатывает около 4 киловатт и "запитывает" электронасос, подающий воду из скважины. Укрепленные на фасаде фотоэлектрические панели заряжают аккумуляторы, которые обеспечат жильцов светом и теплом в случае аварии на линиях электропередачи или при повышенном энергопотреблении в квартирах.
Ученых не смущает то, что дом построен из бывшего коровника. "Элегантное здание с 8 двухуровневыми квартирами станет для нас не только жильем, но и экспериментальной площадкой для научных разработок, - сказал Велькин. - О массовом строительстве такого "умного" жилья еще говорить рано, так как лишь техническая его начинка стоит около миллиона рублей". По его словам, стоимость такого жилья значительно снизится при постановке этой технологии "на поток".
Более чем в 70 странах мира разработаны и действуют гелиоэнергетические программы. Так в Германии реализован проект «Тысяча крыш», где 2250 домов было оборудовано фотогальваническими установками. В США принята программа «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 2010 г. В настоящее время эксплуатируется более миллиона солнечных водонагревателей. Получают распространение «солнечные дома». Разработаны способы управления регулированием систем.
Во всем мире производится анализ эффективности по использованию возобновляемых источников энергии. Мировыми лидерами по применению энергии солнца и ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. Также активно ведутся разработки в таких странах, где климатические характеристики близки к Московской области, таких как Скандинавия, Норвегия, Канада.
Использование возобновляемых видов энергии, в частности энергии солнца и ветра, приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным прогнозам, эта доля к 2010-2015 гг. во многих государствах достигнет 10% и более. Большее применение нашло использование энергии ветра из-за более низких удельных капиталовложений. Возрастает наряду с суммарной мощностью ВЭУ (ветровая энергоустановка) единичная, превысившая 1 МВт. Суммарная установленная мировая мощность крупных ВЭУ и ВЭС составляет от 10 до 20 ГВт.
Конечно, на сегодняшний день без дублирующих систем энергоснабжения зданий, использующих невозобновляемые ресурсы, не обойтись, но даже 20%-ное замещение их дает несомненный положительный эффект. Что дают эти 20%? Это прежде всего, снижение на 1/5 использования количества невозобновляемых энергоносителей, используемых для эксплуатации зданий, снижение риска надвигающейся экологической катастрофы и, что самое важное для хозяина, снижение затрат на содержание своего дома.
Возможность полного, либо частичного замещения невозобновляемых энергоносителей для энергоснабжения зданий позволяет решить многие проблемы. Просто необходимо обеспечить жилые дома экологичными системами отопления (и летнего охлаждения), горячего водоснабжения. Да, конечно, стоимость оборудования и монтажа гелиосистем на сегодняшний день не самое дешевое и не самое простое решение. Но с учетом того, что солнечная энергия ничего не стоит, а стоимость на невозобновляемые энергоносители постоянно растет, оборудование окупится за 2-3 года и будет служить до полного износа.
С учетом перспективы разработок, ведущихся в этом направлении, можно смело прогнозировать, что к 2010 году появятся новые гелиосистемы, с большей эффективностью и сроком окупаемости до 1 года. Стоимость установок сегодня уже на порядок ниже, чем была 10 лет назад.
Список использованных ресурсов:
http://www.uralstroyportal.ru
http://www.stroikaural.ru/