ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ ЗДАНИЯ


Энергоактивными называются здания, объединенные с устройствами для утилизации возобновляемой энергии.
Гелиоэнергоактивные здания используют солнечную энергию для непосредственного преобразования ее в электрическую, нагревания теплоносителя и преобразования его энергии в электрическую, нагревания воды для горячего водоснабжения зданий, нагревания массивных конструктивных элементов зданий, работы биоэнергетических установок, тепловых насосов [21].

Система отопления должна позволять поглощать солнечную радиацию и преобразовывать ее в теплоту, аккумулировать теплоту ввиду непостоянства радиации, распределять ее в зоны отопления в нужном количестве. Пассивные системы солнечного отопления функционируют благодаря естественным физическим процессам. Для работы активных систем требуются механические установки — насосы, вентиляторы и т.д. Если в пассивной системе используется какая-либо установка, например вентилятор для интенсификации циркулирования теплоносителя, то система называется смешанной.
Основной частью пассивной системы являются конструкции здания (рис. 6.4). Известны следующие типы пассивных систем:
система прямого облучения (рис. 6.5, а), при которой солнечная радиация проходит сквозь оконные стекла, обеспечивающие высокое пропускание лучей с длиной волны 400...3000 нм, но задерживающие инфракрасные лучи с длиной волны около 10 мкм (парниковый эффект). Пришедшие солнечные лучи нагревают пол, стену или чердачные конструкции, обладающие высокой теплоемкостью (например, из темного кафеля) и аккумулирующие энергию;
система «массивная стена» (Тромба—Мишеля) (рис. 6.5, б), представляющая собой толстую стену с одной темной поглощающей поверхностью, которая закрыта стеклом, расположенным на небольшом расстоянии (100... 120 мм) от стены. В верхней и нижней частях стены предусмотрены проемы для циркулирования воздуха, который, нагреваясь от темной поверхности стены, становится легче и перемещается вследствие термосифонной циркуляции. Летом для исключения перегрева используют затеняющие ус-

Рис. 6.4. Общий вид здания с пассивной системой солнечного отопления


тройства, а в ночное время для сокращения потерь теплоты стекло закрывают трансформируемой теплоизоляцией. Модификацией системы «массивная стена» является система типа оранжереи, при которой за массивной стеной размещают помещение, отапливаемое за счет конвекции от массивной стены;
система «водозаполненная стена» (рис. 6.5, в), выполняемая из водозаполненных нагреваемых солнцем контейнеров, водозаполненных труб или термодиодов — двух вертикальных контейнеров, разделенных термоизоляцией и сообщающихся вверху и внизу, причем нагретая в наружном контейнере вода проходит во внутренний контейнер толщиной около 250 мм;
система «водоналивная крыша» (рис. 6.5, г), при которой поверх настила укладывают наполненные водой баллоны из черного материала толщиной около 200 мм, закрываемые в ночное время трансформируемыми теплоизолирующими экранами. Солнце нагревает воду, а та благодаря своему большому объему (более 100 м2) нагревает здание. Для циркуляции воды может быть установлен насос. В летний период вода ночью охлаждается, а днем при закрытых экранах охлаждает здание;


Рис. 6.5. Схемы пассивных систем солнечного отопления:


а — прямого облучения; б — «массивная стена»; в — «водозаполненная стена»; г — «водоналивная крыша»; д — термосифонных; 1 — зачерненная поверхность; 2 — массивная стена; 3 — насос; 4 — водозаполненные конструкции; 5 — нагреваемая солнцем поверхность (прямыми стрелками показано направление солнечных лучей, волнистыми — направление теплого воздуха)

термосифонные системы (рис. 6.5, д), при которых устройство для нагревания воздуха площадью 30...50 % от площади пола здания (тепловой коллектор) расположено ниже теплового аккумулятора, что позволяет эффективно его нагревать.
При всех пассивных системах должно быть предусмотрено автоматическое регулирование температуры. Они широко используются в одноэтажных зданиях, но могут быть применены и в незатененных многоэтажных. Системы пассивного отопления могут способствовать созданию выразительного облика здания (см. рис. 6.4).
Имеются различные модификации стен для пассивного солнечного отопления. Например, в Варшаве возведен полностью автономный двухэтажный дом, в котором использованы панели стен RymSol. Внутри этих панелей устроены наклонные каналы из теплоизолирующего материала, которые при нагревании стены солнцем передают теплоту внутрь помещения, а ночью работают как хорошая теплоизоляция, затрудняющая теплопередачу наружу здания.
Здания с активными системами, предназначенными для тепло- и холодоснабжения, принято называть гелиоэнергоактивны- ми [21]. При проектировании к ним предъявляют требования не- затеняемости, рациональности формы и ориентации.
В целях повышения энергетической экономичности целесообразно создание зданий с энергетически эффективной формой. Для этого делают внешние или внутренние гелиоконцентраторы (отражатели), концентрирующие солнечную энергию на гелиоколлекторе, устраивают дополнительные отражатели на трансформируемых защитных створках фонарей, смежных зданиях, выносят гелиоколлектор большой площади за пределы здания — на склон (рис. 6.6); применяют слежение (вращение) энергоактивного здания или коллектора за солнцем.
Гелиоколлекторы могут быть плоскими или фокусирующими. Плоские коллекторы применяют в случае потребления сравнительно низкопотенциальной энергии или в сочетании с тепловыми насосами, фокусирующие — при необходимости получения более высоких температур или для энергоустановок, в которых рабочим телом является кипящая жидкость.
Плоские гелиоколлекторы представляют собой тепловоспринимающие панели, в которых нагревается рабочее тело — теплоноситель, подаваемый с температурой, на несколько градусов меньшей, чем температура внутри панели, и идущий после нагревания в систему теплоснабжения. В качестве теплоносителя используются вода, антифриз или водный раствор глицерина (гли- зантин), не вызывающий коррозии.
Разновидность плоских гелиоколлекторов — плоские солнечные адсорберы непрозрачного типа, тепловоспринимающим элементом которых служит стальной лист, заменяющий кровельное по-

Рис. 6.6. Активные системы: гелиоколлекторы на кровле (а, б), стенах (в), экранах лоджий (г), у зданий на склоне (д, е); гелиоконцентраторы на кровле (ж) и поверхности склонов (з)


крытие. К листу приварены или прижаты трубы прямоугольного сечения, по которым движется теплоноситель. Стальные штампованные гелиоколлекторы избавлены от недостатков, присущих прозрачным конструкциям: их не надо очищать, ремонтировать при разрушении остекления. Фокусирующие коллекторы содержат концентраторы солнечной энергии. Отличаются хорошей производительностью линейные коллекторы параболического очертания, фокусирующие солнечные лучи на трубе с теплоносителем.
В качестве гелиоколлекторов могут быть использованы пространственные покрытия зданий: двухслойные мембранные (с воздухом в качестве теплоносителя, прокачиваемым сквозь нагреваемый зазор между мембранами), пологие армоцементные оболочки; складки, образующие замкнутые полости, в которых циркулирует теплоноситель — воздух или вода. Для размещения гелиоколлекторов на здании пригодны любые конструкции кровель (скатная, плоская, в форме оболочки), а также ограждения балконов. В странах с жарким климатом и сильной инсоляцией гелиоколлекторы можно устанавливать вертикально на наружных стенах.
При строительстве экологичных энергоактивных зданий обычно не ограничиваются каким-то одним энергоэкономящим мероприятием. Примером может служить шестиэтажный дом в новом экологичном жилом квартале Осло. Помимо устройства гелиоколлектора площадью 240 м2 на кровле при создании дома было использовано множество других интересных решений: аккумулирование теплоты; пассивная система солнечного отопления с южной стороны здания; теплая стена почти без проемов с более холодной северной стороны; сбор и очистка дождевой воды с твердых покрытий; небольшой пруд для очистки «серой» воды с небольшим каскадом для обогащения ее кислородом, подземный гараж (рис. 6.7). Для большей надежности площадь гелионагревателей в два раза превышает требующуюся.

Рис. 6.7. Энергоактивный и энергосберегающий дом в жилом квартале Осло


Для сглаживания суточных и других колебаний температуры в контуре гелиоколлектора тепловую энергию аккумулируют в специальных баках-аккумуляторах. Работа аккумулятора может быть основана на теплоемкостных процессах в жидком или твердом заполнителе (энергия накапливается за счет теплоемкости заполнителя), фазовых переходах (накопление энергии при плавлении заполнителя и ее выделение при затвердевании), а также термохимических процессах (накопление энергии при прохождении эндотермических реакций и ее выделение при экзотермических реакциях). Наибольших объемов требуют теплоемкостные аккумуляторы, наименьших — аккумуляторы с фазовыми переходами.
Фотоэлектрическая энергия обычно используется для энергоснабжения автономных потребителей небольшой мощности. Производство ее постоянно растет. Идет быстрый процесс совершенствования конструкций солнечных батарей (от плоских до пленочных, от непрозрачных до почти полностью прозрачных); в связи с этим растет их экономичность. В некоторых странах солнечная энергетика является одним из стратегических направлений развития энергетики, предусматривающим замену традиционных источников на возобновляемые. При массовом возведении небольших зданий с солнечными батареями они совместно могут выработать достаточно большое количество энергии, которое днем невозможно использовать. Чтобы не применять несовершенные аккумуляторы, эту суммарную электроэнергию преобразуют в промышленный ток, направляемый в городские сети через счетчик. Затем, по мере надобности, здания потребляют электроэнергию из внешних сетей, которую они как бы «запасли».
Рационально размещать солнечные электростанции (СЭС) непосредственно на крышах жилых домов. Местом установки СЭС могут быть также любые вертикальные, наклонные и горизонтальные поверхности; эффективность солнечного облучения вертикальных и горизонтальных поверхностей снижается не более чем на 20...30 % по сравнению с наклонными. СЭС площадью 120 м2 полностью обеспечивает энергетические потребности индивидуального жилого дома.
Для увеличения количества и, следовательно, снижения стоимости вырабатываемой СЭС электроэнергии применяют концентраторы солнечного излучения, устраивая СЭС в виде поля концентраторов с приемниками на кристаллических фотопреобразователях. Эти СЭС целесообразно совмещать со структурными конструкциями покрытий и солнцезащитных экранов, устанавливая концентраторы внутри ячеек структурной конструкции. С каждым годом строятся все более мощные СЭС, занимающие большие поверхности крыш. Так, в Германии возведено здание с солнечными батареями новой конструкции площадью 10 000 м2. В них фотоэлектрические ячейки занимают только часть стеклянной панели, а остальная часть прозрачна. Такие панели стоят и в ограждениях лоджий.
Интересным направлением в гелиоэнергетике является применение ламп ночного освещения, работающих на аккумуляторах, которые днем заряжаются от гелиобатарей. На вершине опоры размещается круглая в плане плоская солнечная батарея, а внутри опоры — экономичные аккумуляторы. Под батареей располагаются две лампы: одна — слабая, которая светит непрерывно, и более мощная, включающаяся только при приближении человека к лампе. Такие осветительные приборы не зависят от внешних источников энергии.
Новым шагом в направлении создания полифункциональных сооружений, формирования среды обитания в домах с учетом природно-климатических условий являются гелиокомплексы. Они состоят из нескольких взаимосвязанных локальных комплексов, в которые могут входить жилые здания, гелиосистемы (например, располагаемые на прилегающих склонах), промышленные и научные объекты.
Ветроэнергоактивные здания — это жилые производственные или сельскохозяйственные здания, выполняющие дополнительную функцию производства полезной энергии (электрической, механической, тепловой) преобразованием энергии ветра ветровыми колесами, размещенными в здании. Форма зданий может способствовать их более эффективной работе. На формирование ветровых потоков влияют некоторые местные факторы: рельеф местности, водоемы, прибрежные зоны моря и суши, общие и местные циркуляционные процессы в атмосфере. Энергия ветра зависит от солнечной энергии, часть которой преобразуется в ветровую. Примерный потенциал ветровой энергии составляет 40 ТВт, тогда как в настоящее время человечество потребляет около 10 ТВт в год. Энергия ветра исключительно неравномерно распределена по поверхности Земли; имеются устойчивые и меняющиеся ветровые потоки, причем существенное влияние на их скорость и направление оказывают застройка, особенно многоэтажными зданиями, а также озеленение поверхности земли и зданий (шероховатость поверхности).
Инженерно-экологическая оценка ветровой энергии производится с учетом данных о направлении ветра, распределении его скорости по времени и высоте, влияния региональных факторов (рельеф, микрорельеф, строящиеся здания). Для строительства ветроэнергоактивных зданий благоприятна скорость ветра 3... 10 м/с при повторяемости около 60...90 %. Велико влияние на скорость ветра рельефа местности, особенно на небольших высотах над поверхностью земли. Так, поправочный коэффициент при скорости ветра 3...5 м/с для открытого ровного места составляет 1, для открытых возвышенностей — до 1,6... 1,7, для дна не продуваемых ветром лощин — 0,6 и менее.
Проектирование ветроэнергоактивных зданий ведут в таком порядке: определяют участки, наиболее обеспеченные ветровой энергией, учитывая наличие или отсутствие аэродинамического затенения другими зданиями, а также розу ветров; анализируют целесообразность создания аэродинамических русел с учетом рельефа местности для концентрации ветрового потока; изучают возможность концентрации ветрового потока и усиления аэродинамического эффекта путем рационального размещения вновь строящихся зданий; проектируют часть или все здание такой формы, чтобы оно позволяло улавливать и концентрировать большой ветровой поток; изучают возможность полифункционального исполнения лопастей ветротурбины; анализируют возможность выполнения других НВИЭ в проектируемом здании.
Основным рабочим органом ветроэнергоактивного здания является ротор, который через механическую передачу приводит во вращение генератор. Ввиду непостоянства действия ветра в ветроэнергоактивных зданиях следует предусматривать устройства, аккумулирующие энергию.
Здание может служить опорой для размещения ветровой установки над его кровлей. Ветроустановку и кровлю можно сделать полифункциональными, например разместить на кровле гелиоколлектор, а ветроустановку использовать для перекачивания теплоносителя (воды, воздуха и др.) в энергосистему здания.
Другим полифункциональным решением является использование лопастей ветроколес в качестве конструктивных защитных элементов — зенитных фонарей, колпаков, створок защиты проемов и др.
Чаще всего применяют ветроколеса с горизонтальной осью вращения (пропеллерного типа) и диаметром ротора до 40 м. Ветроколеса с вертикальной осью вращения используют реже, так как они имеют ряд недостатков (необходимость принудительного разгона до определенной частоты вращения и др.). Однако такие ветроколеса лучше вписываются в конструкции энергоактивных зданий. Эффективность работы ветроколес можно повысить увеличением площади тех лопастей, на которые давит ветер, и сокращением площади остальных. Для этого предлагаются складывающиеся лопасти или лопасти с клапанами. Складывающиеся лопасти могут быть свободными или в рамках, причем для их складывания и разворачивания не требуются специальные приспособления — достаточно усилия ветра. В рабочее положение лопасти разворачиваются под действием ветра и дополнительного небольшого усилия пружин. Для увеличения вращающего момента лопасти должны быть отнесены от оси вращения на 5...20 м. Ветроаг- регат такого типа может приводить в действие гидронасос, если ветроколесо при вращении будет совершать небольшие вертикальные перемещения. Для этого на ветроколесо вблизи оси вращения устанавливают катки, которые при вращении катятся по криволинейному копиру, совершая гармонические колебания.
Ветроколесо с поворачивающимися лопастями может быть встроено в круглый в плане жилой дом. Такое ветроколесо можно использовать для выработки электроэнергии, подачи воды в бак на крыше здания, привода лифтов. В перспективе эффективно создание ветроколес с разворачивающимися лопастями парусного типа, имеющими очень малую массу. Они разворачиваются автоматически при скольжении рычага привода разворачивания по криволинейному копиру на оси вращения. Представляют интерес проекты ветроагрегатов с машущими лопастями, обеспечивающих возвратно-поступательное перемещение поршня гидронасоса. Для размещения таких ветроагрегатов требуется совсем малая площадь земли. Лопасти поворачиваются в рабочее положение в верхней и нижней точках автоматически с помощью рычагов, соприкасающихся со специальными упорами.
Автор предлагает новый тип ветроагрегата (например, для индивидуального пользования) с отсутствием наружных движущихся частей (рис. 6.8, а), что делает его более безопасным. Благодаря концентрации ветрового потока и малой массе вращающегося вет- роколеса он может использоваться при небольших скоростях ветра. Такой ветроагрегат легко установить на крыше дома (рис. 6.8, б). На базе трех ветроагрегатов может быть создан цветомузыкальный комплекс со звучащими органными трубами, цветовым сопровождением и насыщением воздуха ароматическими веществами (рис. 6.8, в). Последовательность подачи сжатого воздуха в трубы и включения цветных лампочек может регулироваться с помощью сменяемых валов с эксцентриками и выключателями. Ветроагре- гаты могут служить источниками энергии для экологичных фонтанов (рис. 6.8, г), а также использоваться в качестве экологичных компонентов сооружений, входящих в состав учебно-воспитательных комплексов.
Гидр о- и геоэнергоактивные здания используют тепловую энергию глубинных слоев грунта и воды со слабым сезонным и суточным изменением температуры и энтальпии. Колебания температуры уменьшаются с увеличением глубины от верхней (дневной) поверхности. Ресурсы этой энергии ориентировочно эквивалентны энергии, выделяющейся при сжигании 100 млн т условного топлива в год.
Одним из видов тепловой энергии является энергия геотермальных вод, залегающих в ряде регионов земного шара, в частности в Исландии, США (Калифорния), Японии, России (Камчатка), Украине. Бурение скважин в местах залегания геотермальных вод позволяет получить пар с температурой 200...400°С, который можно использовать для выработки электроэнергии, а также в системах теплоснабжения. Обычно вода из гидротермального


Рис. 6.8. Ветроколесо с неподвижным наружным концентратором (а) и его использование в индивидуальном доме (б), экологичном цветомузыкальном комплексе (в), экологичном фонтане (г):


1 — неподвижный концентратор; 2 — вращающееся ветроколесо; 3 — неподвижный отражатель ветрового потока; 4 — кровля дома; 5 — ветроагрегат, подающий сжатый воздух на трубы органа; 6 — ветроагрегат, вырабатывающий электроэнергию для цветных лампочек; 7 — ветроагрегат, подающий сжатый воздух на пульверизатор; 8 — бак с ароматическим раствором; 9 — распрыскиватель целебного раствора; 10 — орган; 11 — лампочки; 12 — бассейн; 13 — фонтан
источника не может быть подана непосредственно в теплообменную систему здания, поэтому отбор тепловой энергии осуществляют через вторичный контур и теплообменник.

Другой способ использования теплоты недр — бурение глубоких скважин, достигающих пород с высокой температурой, и отбор теплоты с помощью теплоносителя (воды).
Указанные способы применимы не для всех территорий. Теп- лоэнергоресурсы участков земли, прилегающих к зданию, зависят от геологического строения, водосодержания пород, теплоемкости (рост теплоемкости грунта пропорционален увеличению водосодержания) и теплопроводности грунтов, экологически безвредных масштабов извлечения теплоты из грунта, сезонных изменений температуры в грунте.
Толщина слоя грунта, служащего доступным аккумулятором геотермальной энергии низкого потенциала, как правило, не превышает 10... 20 м. Эффективное использование разности температур наружного воздуха и грунта на небольшой глубине (или воды в водоеме — море, реке) возможно при применении тепловых насосов (см. ниже), повышающих температурный потенциал теплоносителя — воды — до уровня, обеспечивающего обогрев зданий в зимнее время. В России есть организации, которые проектируют и строят системы такого типа для отопления небольших зданий — малоэтажных домов, школ и т.д. Уже есть примеры использования геотермальной энергии и для многоэтажных домов.
Для оценки эффективности размещения энергоактивного здания, использующего гидро- или геотермальную энергию, необходимо проанализировать площадку строительства с точки зрения возможности применения других НВИЭ. Одновременно должна быть определена возможность размещения внешнего гео- или гидротермального коллектора, чтобы соседние здания позволяли получить необходимую площадь внешнего коллектора в плане.
Отбор энергии из теплого массива грунта под зданием осуществляется через теплообменник, представляющий собой систему труб с энергоносителем — воздухом, водой или иной жидкостью. В верхней зоне, соприкасающейся с холодным воздухом, массив грунта, служащий для отбора энергии, теплоизолируется, а для улучшения тепломассообменных свойств он может быть частично заменен гравием, щебнем. Теплоемкость искусственного массива увеличивают его внешней теплоизоляцией и последующим заполнением водой. Энергетический потенциал массива грунта может быть повышен за счет циркуляции в нем теплоносителя, нагреваемого, например, гелиоколлектором или другим устройством, использующим возобновляемую энергию. В этом случае искусственная насыпь играет роль аккумулятора энергии. При выполнении насыпи с откосами вокруг здания ее следует теплоизолировать со всех сторон кроме южной. С этой стороны на поверхности насыпи устанавливают гелиоколлекторы. Теплота от гелиоколлекторов может поступать в массив грунта, или в воздушные каналы к стенам здания, или через каналы прямо в здание.
Большой эффект может дать улавливание (и последующая утилизация) теплоты, уходящей в окружающую среду из систем отопления, вентиляции, кондиционирования, горячего водоснабжения, выделяемой технологическими агрегатами (промышленные печи, генераторы), остывающей продукцией и др. Энергоактивные здания используют тепловую сбросную энергию ТЭЦ, промышленных предприятий. Могут быть утилизированы самые незначительные тепловыделения, например бытовых приборов, людей в здании. Для утилизации служат теплообменники, каналы с теплоносителями, тепловые насосы.
Энергию приливов и отливов, а также волновую энергию можно утилизировать, размещая соответствующие устройства на шельфе или в волноотбойных стенах и берегозащитных сооружениях. К таким устройствам относятся поплавки, перемещающиеся по вертикали относительно неподвижных опор (отдельных стоек, опор здания на шельфе), либо шарнирно соединенные между собой или со зданием (сооружением). Они могут использоваться для привода электрических генераторов, насосов.
Тепловые насосы в энергоактивных зданиях служат для утилизации разных видов тепловой энергии, повышения ее потенциала (например, для организации систем геотермального отопления или утилизации внутренней теплоты в зданиях). Они отличаются высокой эффективностью и малым потреблением электроэнергии. Тепловые насосы могут быть компрессионными (последовательное сжатие и расширение рабочего тела — воздуха или пара), сорбционными (последовательное осуществление термохимических процессов сорбции, т.е. поглощения сорбентом рабочего вещества, и десорбции — выделения его), термоэлектрическими (выделение и поглощение теплоты при прохождении через спаи материалов электрического тока). Наибольшее развитие в будущем, видимо, получат парокомпрессионные тепловые насосы.
Парокомпрессионный тепловой насос состоит из испарителя, компрессора с приводным двигателем, конденсатора и дроссельного вентиля. Компрессор засасывает из испарителя пары рабочего тела, сжимает их и подает в конденсатор. При сжатии паров в компрессоре повышается их температура. В конденсаторе пары конденсируются и отдают теплоту, которая отводится для использования. Рабочее тело поступает в жидком виде из конденсатора в испаритель через дроссельный вентиль, снижающий давление. В испарителе рабочее тело превращается в пар при более низкой температуре по сравнению с конденсацией. Для испарения рабочего тела необходима теплота, которая подводится к испарителю, например от гелиоколлектора или наружного воздуха.
Эффективность процесса работы теплового насоса повышается при уменьшении разницы температур конденсатора и испарителя. Для этого температура теплоносителя (воды) в системе горячего водоснабжения и отопления должна быть как можно ниже (около . 50 °С). В целях минимизации расхода электроэнергии на работу теплового насоса необходимо подбирать температуру испарения с учетом температуры наружного воздуха.
В биоэнергоактивных зданиях используется биомасса (деревья, трава, кустарники, водоросли, отходы сельскохозяйственного производства, в том числе животноводства, птицеводства, промышленные и бытовые отходы, бытовые сточные воды), представляющая собой мощный аккумулятор солнечной энергии. Биомасса служит исходным продуктом для образования биогаза (реже — жидкого топлива, получаемого сжижением). Для получения биогаза могут использоваться как продукты фотосинтеза (растения, водоросли и др.), так и бытовые отходы, сточные воды, органические отходы пищевой и текстильной промышленности и сельскохозяйственного комплекса. Биотехнологическое преобразование осуществляется ферментативным разложением биомассы микроорганизмами в анаэробных условиях (без доступа воздуха). Биогаз на 50... 80 % состоит из метана и на 50... 20 % из углекислого газа. Даже при низкой концентрации органических веществ в воде из нее рационально извлекать биогаз. Конверсия энергии при его получении очень велика (более 80 %). В процессе получения биогаза минерализуются фосфор и азот — основные компоненты удобрений, и эффективно очищается сточная вода.
Биогаз получают в установках, основной частью которых является реактор (метантенк) (рис. 6.9), вместимостью от нескольких единиц до нескольких тысяч кубических метров. Реактор играет

Рис. 6.9. Цикл получения и использования биогаза


роль бродильной камеры, в которую ежесуточно загружают свежий субстрат (биомассу), обеспечивая нужную температуру брожения, равномерное перемешивание массы и опорожнение от шлама (при этом оставляют небольшую часть затравочного шлама). Образующийся в реакторе газ поступает в газгольдер. Реакторы, изготовляемые из железобетона, металла, пластмасс, должны быть герметичны, непроницаемы для жидкости, прочны, теплоизолированы, их внутреннее пространство должно быть доступно для обслуживания.
В реакторах жидкость и твердые вещества должны равномерно перемешиваться с помощью механических мешалок (в том числе с приводом от ветродвигателей), струй жидкости или газов брожения. Газ, поступающий в газгольдеры высокого или низкого давления, требуется очищать от сероводорода и при необходимости сжижать. Биогаз может использоваться в горелках систем отопления, стандартных водонагревателях, газовых плитах, двигателях внутреннего сгорания, холодильных машинах абсорбционного типа.
Комплекс, включающий в себя реакторы с системами загрузки биомассы, ее перемешивания, сепарации газа, удаления шлама, а также блок аккумулирования газа (газгольдер), целесообразно проектировать с учетом совмещения функций несущих и технологических конструкций. Эти комплексы лучше всего располагать в местах постоянного накопления биомассы — на предприятиях по переработке продуктов, древесины, в жилых микрорайонах, на очистных сооружениях, в агропромышленных комплексах. Они могут быть самыми разными по размерам — от небольших (на один-два индивидуальных дома) до крупных (на несколько домов). Наилучшей формой реактора с точки зрения прочности, отвода осадков, удобства перемешивания биомассы и разрушения плавающей корки признана яйцеобразная, однако при изготовлении резервуаров из железобетона ее получение весьма трудоемко. В цилиндрическом резервуаре условия перемешивания и разрушения плавающей корки хуже, но он более технологичен.
Система биоконверсии (конверсии биомассы в биогаз) может быть проточной (непрерывной или полунепрерывной) или прерывистой. Реакторы могут быть выполнены не только в виде бродильных камер, горизонтальных резервуаров, но и в виде траншей. Самая простая вырытая в грунте траншея с наклонным дном позволяет обрабатывать большое количество субстрата. Подаваемый субстрат следует подогревать в целях обеспечения брожения, поэтому для исключения потерь теплоты надо хорошо теплоизолировать реактор. В зимнее время подогрев обеспечивается подачей через теплообменники горячей воды с температурой не выше 60 °С, может использоваться отходящая теплота технологических установок (теплота удаляемого дыма, сбросовых вод ТЭЦ, возду

ха из систем вытяжной вентиляции горячих цехов, энергетических агрегатов) или гелиоколлекторов.
Ввиду эффективности конверсии биомассы в биогаз и необходимости строительства комплексов с реакторами и газгольдерами в местах сооружения зданий различного назначения рекомендуется совмещать эти сооружения в единое биоэнергетическое здание — обычное здание сельскохозяйственного, лесохозяйственного, производственного, социального, жилого назначения со встроенным в него комплексом по конверсии биомассы в биогаз и установками по использованию биогаза для снабжения здания теплотой и энергией. 
<< | >>
Источник: Тетиор А.Н.. Городская экология : учеб, пособие для студ. высш. учеб, заведений. 2008

Еще по теме ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ ЗДАНИЯ:

  1. Здания и сооружения
  2. § 4. Основные виды недвижимых вещей: Земельные участки, здания, сооружения, помещения, объекты незавершенного строительства и предприятия (п. 1239-1244)
  3. Тетиор А.Н.. Городская экология : учеб, пособие для студ. высш. учеб, заведений, 2008
  4. 4.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ СРЕДСТВ
  5. 1.6. ИНВЕСТИЦИОННЫЙ ПЛАН
  6. Глава I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
  7. § 160. Г) Cautio damni infecti (гарантия на случай грозящего ущерба)
  8. Искусство майя
  9. 6.2. Анализ основных фондов коммерческих предприятий
  10. 12.1. Классификация средств труда
  11. Правовой режим земельного участка или недвижимости на нем при продаже того или другого
  12. Предмет договора
  13. УПРАЖНЕНИЯ Пища для размышлений 1.
  14. ГЛАВА ПЯТАЯ ФРАНЦУЗСКИЙ УМ И ИСКУССТВА. — АРХИТЕКТУРА. — МУЗЫКА
  15. Архитектура
  16. Городские поселения
  17. § 5. АНТИСЕЙСМИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО И ПРЕДСКАЗАНИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
  18. § 14. Права сервитутного типа (п. 1509-1517)
  19. 20.4. Характеристика доходных вложений
  20. § 1. Общая характеристика правового регулирования деятельности по выполнению работ