Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

Передовые технологии повышения энергоэффективности зданий и микрорайонов

Суворов Д.В., Горбачева А.И., Чкалова В.С.,

Сапожникова М.А., Торгов М.А., Попандопуло К.Д.,

Смирнова Е.И., Жилина В.В.

Основное содержание работы

Энергоэффективный дом - современная концепция строительства зданий будущего, отражающая рубежи к которым нужно стремится при строительстве обычных зданий. Современное строительство находится ещё на большом удалении от эффективных технологий. В первую очередь причина кроется в высокой стоимости технологий используемых в концепции энергоэффективного дома. Многие направления ещё только обретают свой путь. Человек широко освоил использование не возобновляемых ресурсов: угля, нефти, газа… Однако запасы углеводородов исчерпываются во много раз быстрее, чем обновляются на планете, и придёт время когда возобновляемые природные ресурсы придётся использовать как основной источник энергии.

Человек находясь в своём доме нуждается в определённых параметрах микроклимата: внутренняя температура и влажность воздуха, подвижность воздуха, приток свежего воздуха, освещённость помещения, солнечный свет. На этом потребности не ограничеваются, для комфортного существования так же затрачивается газ или электроэнергия на приготовление пищии решение бытовых нужд, чистая вода, канализация… Для обеспечения всех необходимых условий затрачивается энергия, добываемая в большинстве случаев из углеводоров. В данной статье рассмотрим наиболее популярные возможности экономии и замещения классической энергетики альтернативной. Каждое направление имеет высокие перспективы в масштабах всего человечества, но при этом имеет высокую стоимость и существенный ряд ограничений и сложностей, будь то низкий кпд солнечных панелей или ограниченность регионов использования тепловых насосов. Каждая тема является самостоятельным направлением.

Основные темы:

Тепловой насос......................

МГД-генераторы.....................

Утепление дома...................

Световоды.......................

Световые панели.....................

Освещение улицы..................

Тепловой насос

Можно ли сэкономить на отоплении? Вопрос волнует многих, особенно с учетом постоянного роста тарифов на энергоносители. Более 30 лет назад была предложена альтернатива - извлекать энергию из окружающей среды. Разработанная схема получила название - тепловые насосы для отопления дома. Для нас это в новинку, но опыт Европы и Японии доказывает эффективность.

Тепловые насосы как технология, позволяющая частично вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей и промышленных фирм.

Тепловой насос - экологически чистая система, позволяющая получать тепло для отопления и горячего водоснабжения коттеджей за счет использования низкопотенциальных источников и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой. В качестве низкопотенциальных источников могут использоваться грунтовые и артезианские воды, озера, моря, тепло грунта, вторичные энергетические ресурсы - сбросы, сточные воды, вентиляционные выбросы и т.п. Затрачивая 1 кВт электрической мощности в приводе компрессионной теплонасосной установки (ТНУ), можно получить 3-4, а при определенных условиях и до 5-6 кВт тепловой мощности.

При отсутствии подвода газа в современных коттеджных и дачных посёлках для отопления домов в большинстве случаев стараются использовать электричество. Несомненно, это удобно, однако дорого. Для отапливания дома электричеством требуется значительная выделенная мощность, и кроме этого, потребление электроэнергии для выработки тепла велико, что может вызвать отключение электричества и перегрузку локальных сетей. Кондиционирование дома также в большинстве случаев осуществляется с помощью электроэнергии. В результате всего вышеперечисленного затраты на отопление, горячее водоснабжение (ГВС), вентиляцию дома, кондиционирование достигают немалых сумм.

Решением проблемы можно смело назвать тепловой насос. Принцип его работы - "холодильник наоборот". Он работает на электрической энергии. Выдаваемая общая тепловая мощность насоса в 3-5 раз превосходит затрачиваемую электрическую мощность.

Целью исследования является составление карты рентабельности тепловых насосов исходя из климатических условий различных городов Российской Федерации.

Тепловые насосы могут быть актуальны в том случае если ваш дом не газифицирован, и электроэнергия подается к вам без перебоев. А также, если можно использовать ночной режим оплаты за электричество, и основное отопление производить ночью.

Для выполнения данной цели необходимо выполнить ряд задач:

Разобраться в принципе действия теплового насоса.

Найти преимущества и недостатки тепловых насосов.

Выбрать определенное количество городов России для исследования температуры воздуха и глубины промерзания грунта.

Составить необходимые таблицы с данными о промерзании грунта и о температуре в выбранных городах с обеспеченностью 0.92.

Узнать о разновидностях тепловых установок.

Провести обзор производителей тепловых установок.

Рассчитать эффективность тепловых установок в выбранных городах.

Построить карту рентабельность тепловых насосов на территории Российской Федерации.

Тепловые насосы используют только природные источники тепла - воздух, грунт или воду. Благодаря этому они не только существенно экономят семейный бюджет, заставляя забывать о внушающих счетах за газ или электричество, но и являются безопасными для окружающей среды, а также для людей, не выделяя в ходе своего функционирования никаких вредных веществ. Для многих эти два фактора являются решающими в выборе прибора для обогрева.

Тепловой насос в своей работе потребляет минимальное количество электроэнергии, что весьма ощутимо сказывается на семейном бюджете, ведь оплата за коммунальные счета будет гораздо ниже, чем была ранее, особенно в зимний период года.

Представляет он собой модифицированный холодильник. Если последний выкачивает тепло наружу, то насос, забирая тепло извне, будет нагнетать его в помещение. Тепловой насос по сути своей можно представить как устройство, в котором температура преобразуется в несколько раз.

В исследовательской части моей работы сначала я выбираю определенное количество городов России для исследования температуры воздуха и глубины промерзания грунта. Города берутся из разных природных и климатических зон. Далее рассчитываю эффективность тепловых установок в выбранных городах и на основе этих данных составляю карту рентабельности тепловых насосов на территории РФ.

Исходя из проделанной работы можно сказать, что в большинстве исследуемых городов подойдут геотермальные тепловые насосы. Так в 6 городах (Н. Новгород, Пермь, Саратов, Ростов-на-Дону, Краснодар, Махачкала) из 10 проанализированных эффективнее прокладывать грунтовый теплообменник, так как глубина промерзания почв расположена выше этой величины. В остальных городах подойдут тепловые насосы других типов.

Результатом установки теплового насоса будет полное покрытие потребности здания в ГВС и тепле; обеспечение пассивного кондиционирования, с одновременным выполнением функций энергосберегающего вентиляционного комплекса. Тепловой насос выступает незаменимой системой отопления в условиях ограничения электромощности. Теплонасосные технологии, конечно, имеют многообещающее, блестящее будущее в свете объявленного мирового энергетического кризиса.

МГД-генераторы

Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии. Пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии, например энергии в Мировом океане. Океан позволяет использовать несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Заманчивой становится перспектива - поставить такое устройство в природный нескончаемый поток естественных морских течений и получать в результате недорогую электроэнергию из морской воды и передавать ее на берег.

Одним из таких устройств может стать генератор, в котором используется магнитогидродинамический принцип. Это и стало моей темой исследования: "Современные перспективы применения МГД-генераторов".

1) Анализ сферы на сегодня.

Первые МГД-генераторы использовали в качестве рабочего тела электропроводные жидкости (электролиты). В настоящее время применяют плазму, в которой носителями зарядов являются в основном свободные электроны и положительные ионы. Под действием магнитного поля носители зарядов отклоняются от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля. При этом в сильном магнитном поле может возникать поле Холла (см. Эффект Холла) - электрическое поле, образуемое в результате соударений и смещений заряженных частиц в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

МГД-генератор - это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. Впервые идея использования жидкого проводника была выдвинута Майклом Фарадеем в 1832 году. Он доказал, что в движущемся проводнике, находящемся под действием магнитного поля, возникает электрический ток. В 1832 году Фарадей с помощниками спустил с моста Ватерлоо в воду реки Темза два медных листа. Листы были подключены проводами к гальванометру. Ожидалось, что воды реки, текущей с запада на восток, - движущийся проводник и магнитное поле Земли создадут электрический ток, который зафиксируется гальванометром. Опыт не удался. К возможным причинам неудачи причисляют низкую электропроводность воды и малую величину напряженности магнитного поля Земли. В дальнейшем, в 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС, индуцированную приливными волнами в ЛаМанше, однако отсутствие необходимых знаний по электрофизическим свойствам жидкостей и газов долго тормозило использование описанных эффектов на практике.

В последующие годы исследования развивались по двум основным направлениям:

использование эффекта индуцирования ЭДС для измерения скорости движущейся электропроводной среды (например, в расходомерах) и генерирование электрической энергии. Хотя первые патенты на генерирование электричества МГД-генератором с применением ионизированного газа энергии были выданы ещё в 1907-1910 гг., описанные в них конструкции были на практике нереализуемы. Тогда не существовало материалов, способных работать в газовой среде при температуре 2 500-3 000°C.

3) Принцип действия.

Принцип работы МГД-генератора, как и обычного машинного генератора, основан на явлении Магнитогидродинамического эффекта - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле.

Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы или ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства - магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

В качестве рабочих тел в МГД-генераторах могут использоваться:

• инертные газы с присадками щелочных металлов (или их солей);

• жидкие металлы и электролиты.

4) Преимущества МГД-генераторов.

1) Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку,

2) При более высоком к. п. д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах,

3) Большой успех в технической отработке использования МГД - генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65%.

4) Недостатки МГД-генераторов.

5) Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 - 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 - 2000 м/с.

6) Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.

7) Среда в МГД-генераторе с открытым циклом - химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом - хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий).

8) Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.

Из списка, представленного выше, видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Данные трудности решаются различными способами. Несмотря на заманчивые перспективы бурное развитие исследований в области МГДгенераторов устройства на их основе так и не нашли широкого промышленного применения вплот ь до настоящего времени.

Утепление дома.

Актуальность

В настоящее время основные источники энергии являются не возобновляемыми. Топливо при использовании переходит в энергию, которая в дальнейшем используется в различных сферах деятельности. Но с каждым годом на бытовые нужды расходуется все больше и больше электроэнергии, природного газа, тепла и воды. А между тем, многие месторождения в обжитых местах уже исчерпаны, а новые приходится искать в труднодоступных районах.

Целью моей работы является нахождение экономичного способа сохранения тепла в доме.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

Изучение различных систем отопления и вариантов сохранения тепла

Выявление преимуществ и недостатков найденных вариантов

Разработка плана по проведению эксперимента

Оценка правильности выбора

Анализ сферы на сегодняшний день

Как говорилось во вступлении, топливо при переработке переходит в энергию, которая в дальнейшем используется в различных сферах деятельности. Рассмотрим тепловой вид энергии на примере отопления. Отапливаться дома могут различными способами: газом, дровами, углем и т.д. Могут быть использованы печки, водяное отопление. Все зависит от дома. Некоторые вешают под окна конвекторы. В условиях Европейской части России, с конца апреля по начало октября, солнечный коллектор может решить проблему теплой воды.

Из всех отопительных систем радиаторные водяные системы являются наиболее распространенными, особенно в жилых и общественных зданиях.

• Главное преимущество радиаторных отопительных систем - относительная невысокая стоимость системы.

• К минусам можно отнести работу этих систем по определенному отопительному сезону.

Если дом имеет централизованное теплоснабжение, то сроки устанавливают уполномоченные органы (как правило, муниципалитеты). При этом начало отопительного периода устанавливается при среднесуточной температуре за окном ниже +8 градусов в течение пяти суток подряд. Конец - когда среднесуточная температура поднимается выше +8 в течение пяти суток подряд.

С каждым днем люди стараются придумать более эффективный и в то же время экономичный способ отопления своих домов. Например, в Германии сейчас действует такая система отопления: в частных домах - свои котельные, в многоквартирных домах - отдельное газовое оборудование, которое греет воду для батарей. Также на всех батареях установлены вентили с термостатами, ими регулируют температуру в помещении. В гостиной, где семья проводит много времени, отопление включают посильнее, а в туалете - на самый минимум.

• К преимуществам использования термостатов можно отнести экономию тепла в помещении и сбережение материальных средств на обогрев дома.

• К недостаткам - необходимость в постоянном отслеживании температуры воздуха. А также при использовании таких батарей нужно учитывать возможность быстрого появления плесени и грибков из-за частой смены температуры.

В Европе одним из основных трендов в развитии жилищного строительства становится создание пассивных домов.

• Основные их преимущества - минимальные затраты на отопление и здоровый микроклимат.

Пассивные дома - это достаточно новый стандарт для жилых строений. Благодаря утеплению и герметизации оболочки здания затраты на отопление в нем ничтожно малы и нет нужды в привычных системах отопления. Тема пассивных домов популярна сегодня в Германии и Австрии. За десятилетие там построено более 16 тыс. таких домов, причем в последние три-четыре года объемы растут очень быстрыми темпами. Требования к эффективности зданий в Германии постоянно ужесточаются, все чаще можно услышать, что через несколько лет пассивные дома могут стать обязательным общегерманским стандартом. Другие дома строить не будут вовсе.

Достигается снижение потребления энергии в первую очередь за счет уменьшения тепловых потерь здания.

Технология пассивного дома предусматривает эффективную теплоизоляцию всех ограждающих поверхностей: не только стен, но и пола, потолка, чердака, подвала и фундамента. В пассивном доме формируется несколько слоёв теплоизоляции - внутренняя и внешняя. Это позволяет не выпускать тепло из дома. Также производится устранение "мостиков холода" в ограждающих конструкциях. В результате в пассивных домах тепловые потери через ограждающие поверхности в 20 раз ниже, чем в обычных зданиях.

Теплоизоляция - это один из наиболее экономичных и эффективных вариантов сохранения тепла.

Теплоизоляция (Тепловая изоляция) - это элементы конструкции, уменьшающие процесс теплопередачи и выполняющие роль основного термического сопротивления в конструкции. Также термин может означать материалы для выполнения таких элементов или комплекс мероприятий по их устройству.

Различают три вида утепления стен: наружное, внутреннее, и изоляция, выполненная внутри стены.

По технологии необходимо утеплять стены дома снаружи - это будет наиболее правильным вариантом. Внутреннее утепление применяется только тогда, когда невозможно по каким-либо причинам выполнить внешнее. Утеплитель, находящийся снаружи возьмет на себя при морозах отрицательную температуру, не дав ей достигнуть стен дома.

Поэтому температура стен и температура внутри дома будут схожими.

При выполненной внутренней теплоизоляции стены, как правило, начинают промерзать. В местах соприкосновения внутреннего утеплителя со стенами начинает образовываться конденсат. Следовательно, в этих местах начнет скапливаться влага, ведущая к появлению сырости, а затем - плесени и грибка, которые не только негативно влияют на здоровье жильцов, но и уменьшают, к тому же, срок службы материала, из которого изготовлены данные стены.

Наружное утепление фасадов решает следующие важные задачи:

• Сохранение и аккумулирование внутри помещений тепла.

• Существенное понижение затрат на отопление здания.

• Улучшение звуковой изоляции.

• Удаление почти всех препятствий, мешающих выведению образующегося на фасадных стенах конденсата. Это служит отличной профилактикой грибка, плесени, а также солевого налета, образующегося со стороны наружных стен не утепленного здания

• Сохранение эксплуатационных характеристик здания, что позволяет намного увеличить его долговечность.

Существующие решения

В таблице представлена теплопроводность различных строительных и теплоизоляционных материалов с их коэффициентом теплопроводности.

№	Материал	К-т теплопроводности Вт/м*К
1	Гипс строительный	0,35
2	Пенобетон	0,3
3	Мипора (жесткий пенопласт)	0,085
4	Стекловата	0,05
5	Вата минеральная легкая	0,045
6	Гернитовый шнур	0,044
7	Вилатермовые трубки	0,04
8	Пенопласт ПС-4	0,04
9	Пенополистирол ПС-Б	0,04
10	Ипорка (вспененная смола)	0,038
11	Пеностекло	0,037
12	Пробковые листы легкие	0,035
13	Каучук вспененный	0,03
14	Полиэтилен вспененный	0,029
15	Пенополиуретановые панели	0,025

Эксперимент

В качестве эксперимента я предлагаю проверить характеристики теплоизоляционных материалов. Целью эксперимента является наглядное сравнение теплопроводности различных материалов. Для проведения измерений:

Построим прототип комнаты (уменьшенный). Основные стены сделаем из ПВХ панелей, перегородку - из картона.

Проведем 2 эксперимента:

• На половину перегородки прикрепим теплоизоляционный материал - пенополиэтилен. А на второй половине картона вырежем "окошко" и закроем его фольгой. Потом в образовавшуюся комнату поместим 2 сосуда с кипятком. Далее всю конструкцию накроем крышкой из пенополиэтилена. Спустя некоторое время в "комнате" температура повысится. Чтобы лучше увидеть распределение температуры исследуемой поверхности мы воспользуемся тепловизором.

• На перегородку прикрепим утеплитель - пенополистирол. Затем проделаем те же действия, что и в 1 эксперименте. После снятия крышки измерим температуру внутри "комнаты".

1. Сравним полученные температуры и узнаем какой материал является наиболее эффективным.

Вывод

В заключение я хотела бы сравнить характеристики трех разных домов:

Дом, построенный в 1990х годах

Пассивный дом

Дом, построенный в настоящее время (СП 50.13330.2012)

энергоэффективность здание микрорайон

	Дом 1990 годов R (мІСє/Вт)	Дом 2013 года R (мІСє/Вт)	Пассивный дом R (мІСє/Вт)
Стены	1,15	3,15	6,7
Окна и балконные двери	0,20	0,55	1,5
Теплый чердак	1,5	4,7	5,2
Технические подполья	1,9	4,1	6,5

Если рассмотреть жилые дома, построенные до 1991 года, то нужно сказать, что эти дома требуется утеплить приблизительно в 3 раза для того, чтобы они стали соответствовать современным нормам. Также, если сравнить современный дом и пассивный, то видна большая разница в их сопротивлении: примерно 1,5-2 раза.

Заключение

Тепловые потери в жилом здании в основном зависят от разницы температур: в доме и на улице (чем разница больше, тем потери выше) и теплозащитных свойств ограждающих конструкций.

В заключение я хочу отметить, что достигла поставленной цели и нашла экономичный и в тоже время эффективный способ сохранения тепла в доме. Использование теплоизоляционных материалов с высоким сопротивлением поможет препятствовать "утечке" тепла.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты данного исследования могут стать основанием для разработки комплекса мероприятий по сбережению тепла и привлечению общественности к решению этой проблемы.

Список литературы

1. Тепловой насос - статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)

2. Васильев Г.П., Хрустачев Л.В., Розин А.Г., Абуев И.М. и др. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Правительство Москвы Москомархитектура, ГУП "НИАЦ", 2001.

3. Электронный ресурс. Режим точки доступа: http://livescience.ru

4. Электронный ресурс. Режим точки доступа: http://dic. academic.ru/dic. nsf/ enc_physics

5. Электронный ресурс. Режим точки доступа: Ораевский В.Н. Плазма на земле и в космосе. - Киев. Наукова Думка. 1980 г. с. 206

6. Оболенский Н.В. Архитектурная физика. Издательство "Архитектура-С", 2003 год

7. Шахмаев Н.М. Физика. Колебания и волны. Оптика. М: "Высшая школа" 1977 год

8. СП 23-102-2003 Естественное освещение жилых и общественных зданий; пункты 5.04; 5.14

9. СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение"

10. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 "Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых домов и общественных зданий"

11. "Жилые дома с автономным, солнечным теплохладоснабжением". Автор: С. Танака, Р. Суда

12. "Альтернативная энергетика без тайн". Автор: Стэн Гибилиско / Stan Gibilisco

13. "Солнечная энергетика". Автор: Умаров Г.Я., Ершов А.А. http://www.gazeta.ru/science/2013/02/11_a_4961045. shtml

14. http://energosberejenie.org/stati/istoriya-sozdaniya-solnechnykh-batarej

15. http://svetdv.ru/sun/index. shtml

16. http://energomir.net/alternativnaya-energetika/princip-raboty-solnechnojbatarei.html

17. http://www.electromontaj-proekt.ru/nashi-stati/proektirovanie/naruzhnoeosveshchenie/

18. http://www.ekom. kiev.ua

19. http://ru. wikipedia.org

20. http://enargys.ru/ulichnoe-osveshhenie/

21. http://www.fundamental-research.ru/ru/issue/index

22. http://www.abok.ru/for_spec/articles. php? nid=5992

23. http://itl-light.ru/articles/article/induktsionnye-istochniki-sveta-osnova-sistemyulichnogo-osveshheniya.html

24. http://www.vrn-business.ru/offers/list/2015/07/modernizatsiya-gorodskogoosveshcheniya

25. http://indeolight.com/obekty-osveshheniya/naruzhnoe/ulichnoe/ulichnoeosveshhenie-na-stolbah.html

Размещено на Allbest.ru

...