Экоэнергетика в строительстве: современность и будущее

Жизнь современной цивилизации невозможна без энергии, в основном тепловой и электрической. Сейчас 80 % энергии для России дают ископаемые источники, углеводородное и ядерное сырьё. Для Запада это примерно 60 %. Западными учёными и экономистами предсказывается, что уже к 2030 году использование энергии ископаемого топлива сократится в среднем до 40 %. 

Актуальность вопроса использования для энергоснабжения зданий экологически безопасной энергии, выработанной из возобновляемых источников, уже давно даже не обсуждается. Однако имеется проблема выбора самого источника, вопрос, что эффективнее использовать: энергию солнечной радиации, ветра, грунта, воды и т.п.? Например, ветроэнергетика и гидроэнергетика, использующие естественные или искусственно разогнанные потоки воздуха и воды, теперь являются новыми направлениями генерации энергии для индивидуального пользования (включая гидроэлектроустановки и пневмоэнергетику), в частности, для городов с высотными зданиями, фермерских хозяйств с посёлками и малыми и крупными производствами. Какие инновационные решения предлагаются изобретателями в данной области на сегодняшний день, в период участившихся природных катаклизмов? 

В европейских странах генерация электроэнергии на ВИЭ (ВИЭ – возобновляемые источники электроэнергии) производится за счёт использования силы ветра (в основном традиционными пропеллерными установками) и составляет значительную и постоянно растущую долю в общей выработке энергии для зданий различного назначения, в городах и промзонах. Примерно столько же энергии получает Европа и от солнечных батарей. Подобное энергообеспечение городов и сёл распространено по всей Европе, в США, а также активно внедряется в странах Востока, например, в Китае и Индии. Эти схемы «чистой» энергетики пытаются внедрять и в России, но зарубежное происхождение соответствующих энергоустановок создаёт проблемы в этом процессе. Развитие ветроэнергетики происходит на базе пропеллерных ветряных электростанций (ВЭС) западных образцов, а также ветропарков, которые работают по схеме централизованного снабжения потребителей. Ветропарки так же удалены от потребителя энергии на значительное расстояние, как и ТЭЦ, АЭС и ГЭС, которые через ЛЭП и подстанции связаны с потребителем. Традиционные ВЭС, по нашему мнению, технически и морально устарели и представляют опасность для окружающей природы и для людей. 

Рациональнее и эффективнее развивать энергоснабжение потребителя (как в городе, так и на селе) по схеме собственной генерации с развитием «центробежного обеспечения», то есть совместить потребителя и источник генерации энергии в одну систему взаимовыручки. Такая схема позволит сократить до минимума необходимость в воздушных линиях электропередач и крупных подстанциях, а мегаполисы и другие населённые пункты освободятся от паутины проводов, сократятся отключения вследствие стихийных бедствий и прочих непредвиденных обстоятельств. 

Природные катаклизмы последних лет в США, Европе, на Востоке и в России показали полную несостоятельность схемы централизованного энергообеспечения, то есть зависимости «от одного рубильника», что особенно опасно в периферийных районах нашей страны и в других странах. Любая техническая или стихийная авария, приводит к большим финансовым затратам. Например, американским ураганом «Синди» были на длительное время обесточены районы с населением до 7 млн человек. Почти то же самое происходит в Европе, Азии и, естественно, в России. 

Наилучшая энергоэффективность заключается в самообеспечении отдельного здания или целого района электроэнергией на бестопливной основе, то есть на ВИЭ, причём только на трёх её основных составляющих (вода — в любом её проявлении, воздух и солнце в рациональных дозах). При этом вырабатывающие энергию установки должны быть размещены в пределах здания: в цокольной части или подвале, или на технических этажах, на крышах, или в специальных пристройках, в виде энергетических стел, пилон, или в каких либо других архитектурных формах. То есть группы зданий или вся территория района может иметь общий индивидуальный центр собственной энергогенерации на ВИЭ и локальную центробежную сеть — по принципу взаимовыручки. 

Разные участки поверхности земли, в том числе городские кварталы, в разное время года нагреваются по-разному. Можно говорить только о преимущественном сезонном направлении ветра и проценте солнечных дней в году. Среднегодовые скорости воздушных потоков в России незначительны (около 4,5 м/с), значит, по полгода все эти западные ветряки будут простаивать или же еле-еле вертеться. Но если выйти на высоту до 100 м, используя подходящую естественную возвышенность или высотное здание, то почти на половине заселённой территории любой страны, тем более в городах с высотками, можно ставить эффективные ветроагрегаты, в основном виндроторного типа, рационально вписанные в архитектуру зданий или в природный ландшафт. Речь идёт о низкоскоростных малых ветроагрегатах с вертикальными осями вращения, а не пропеллерного типа, как принято сейчас на Западе, которые устанавливаются даже на крышах зданий. Традиционные ветряки на зданиях применять нерационально — от ураганов их защитить трудно, вибрацию не скроешь, да и не так уж много энергии они вырабатывают за год. 

На фото показано здание на улице Twelve West в американском городе Портленде. Оно прежде всего привлекает внимание ветрогенераторами, расположенными на крыше. Арендаторы и жильцы этого многофункционального здания знают, что это не единственный источник возобновляемой энергии на его территории. Здание находится по соседству с быстроразвивающейся частью города West End. Своим примером оно демонстрирует, что и в условиях плотной городской застройки можно реализовать экологичный, хотя и малоэффективный проект. 

В ветроэнергетике созданы отечественные энергоэффективные технологии, позволяющие практически повсеместно использовать энергию воздушного потока, даже, казалось бы, обладающего низким энергопотенциалом. В этом случае подключаются накопители энергии или другие типы генераторов. А применение комбинации всех энергоустановок по схеме «центробежного энергосамообеспечения» потребителя может изменить экономику городов и сёл. Наши ветряки могут устанавливаться в декоративных архитектурных «излишествах» зданий, в технических этажах или на выносных стелах и пилонах. Кроме того, если здания уже построены, и архитекторы не желают изменять облик и контуры объекта и встраивать ветроустановки и солнечные тепловые приборы, то можно возводить отдельно стоящую энергетическую стелу с набором энергогенераций на группу зданий или для снабжения целого района. Гидроустановки или пневмо-гидро-аккумулирующие энергостанции могут вписаться в архитектуру малоэтажных зданий, помещены в подвалы или в существующие водоёмы. Пневмо-ГЭС — вообще находка и для фермерских хозяйств, отдалённых от центрального электропитания, так как они дают возможность использовать не только электромеханизмы и электроинструменты, но и пневмоинструменты и пневмомеханизмы, и даже пневмотранспорт. 

На крышах уже построенных высотных зданий в Москве (см. фото 2) или в других городах можно разместить, помимо оптимального количества ветровых турбин нового поколения, не нарушая архитектуры зданий, ещё и солнечные элементы, вписанные в архитектуру, а в подвалах дополнительно энергоустановки особого типа — гидро-гелио-пневмоэнергоустановки или «гидроколлайдеры». 

Главная цель — использовать любое здание не только для проживания или производства, но и как электротепловую станцию. К зданию должна подводиться только труба с холодной водой из скважины под зданием, а при некоторых условиях ещё и газовая труба. У строящегося здания в боковых пилонах и на крышах могут находиться не только лифты, лестничные пролёты и т.п., но и энергетические установки, особенно в той части, которая выходит за пределы высоты здания. Последнее позволяет не только использовать ветер, но и рекуперировать восходящие потоки воздуха в здании. В подвалах такого сооружения могут быть размещены гидроэлектроустановки нового типа, запатентованные нашим коллективом. Данные устройства «утилизируют» сточные воды, что является основным источником энергообеспечения здания, а ветроустановки и солнечные элементы являются стартовой или вспомогательной генерацией. 

Понятие «умного дома» в энергетическом разрезе, на наш взгляд, должно быть шире традиционного понятия энергоэффективности и включать в себя не только элементы, обеспечивающие его пассивность и способность к энергосбережению, но и иметь элементы самогенерации. Они должны поначалу давать возможность сосуществования с централизованным энергообеспечением в некотором соотношении, а в дальнейшем — полную энергонезависимость. На взгляд авторов, «умный» дом должен выживать энергетически при любых природных катаклизмах и при отключении электричества по любым причинам. 

Хорошо бы ещё и конструкция и форма зданий были антиураганными, в том числе и у малоэтажных строений. Разработки молодых энергетиков России (изобретателей) позволяют использовать рациональное количество генераций за счёт их комбинирования: то есть энергию солнца, воздуха (в том числе нагретый восходящий поток воздуха внутри высотных зданий или предприятий), энергогидросистемы, например, на утилизированных сточных водах высотного здания, гидроустановки на замкнутых потоках, микро-ГЭС на внутренних накопительных бассейнах и другие оригинальные схемы электроустановок (это «ноу-хау» МТК). Подобные новации в малой индивидуальной энергетике (бестопливной) позволят возвратить затраченную централизованную энергию в объёме от 30 до 100 %, в зависимости от размеров, назначения и архитектуры зданий, промпредприятий и фермерских хозяйств или целого района, как бы далеко от энергетического центра они не находились. Это относится и к фермерским хозяйствам, и к воинским частям и заставам, находящихся даже в отдалённых островах Приморья. 

(из публикации в журнале СОК №7: И.В. ЖИГУЛЕНКО, инженерный факультет Российского университета дружбы народов (РУДН), А.Л. ЯКОВЕНКО, инженер-строитель, гидротехник, изобретатель, руководитель Молодёжного творческого коллектива «iзобретатель» и МЦИРИ при МИИТе и МГУ природообустройства)