Архитектурные принципы интеграции ветрогенераторов в малоэтажных зданиях в зонах прибрежных территорий

Градостроительство и архитектура

I

УДК 728

И.А. ГРУНИЧЕВ, архитектор

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Архитектурные принципы интеграции ветрогенераторов в малоэтажных зданиях в зонах прибрежных территорий

Рассматриваются принципы интеграции ветрогенераторов в архитектуру зданий и их влияние на формообразование всего здания в целом. Предложены ветроустановки, возможные к интеграции в архитектуру малоэтажных зданий. Проанализированы варианты использования ветрогенераторов на примерах зарубежной архитектуры энергосберегающих, жилых зданий. Гипотеза и цель работы - новое формообразование жилых малоэтажных зданий в варианте преимущественного использования ветровых энергоустановок.

Ключевые слова: экологическое строительство, формообразование жилых зданий, интеграция ветрогенераторов в архитектуре, энергосбережение.

I.A. GRUNICHEV, Architect

Architectural Principle of Wind Generators Integration in Low-Rise Buildings in Areas of Coastal Territories

Principles of the integration of wind generators in the architecture of buildings and their influence on the formation of the building as a whole are considered. Wind turbines which are possible to integrate in the architecture of low-rise buildings are suggested. Variants of the use of wind generators are analyzed on examples of the foreign architecture of energy-saving residential buildings. A hypothesis and aim of work - a new formation of residential low-rise buildings in variant of the pre-emptive use of wind power plants.

Keywords: ecological construction, formation of residential buildings, integration of wind generators into architecture, energy saving.

Основой разработки архитектурных принципов применения ветрогенераторов является эффективное интегрирование ветроэнергетических установок в структуру здания (№ 1, 3, 4, здесь и далее указаны в соответствии с таблицей), используя конструктивную и архитектурную форму с учетом ветровых потоков для увеличения выработки энергии ветрогенераторами [1]. Возможность получения энергии на месте, с помощью ветрогенерато-ров и (как дополняющих элементов) солнечных коллекторов, способствует удешевлению энергии, тем самым повышая энергоэффективность здания. Ветрогенераторы, интегрированные в здания, демонстрируют экологическую направленность здания в целом, создают технические решения экологической устойчивости. В приморских зонах прибрежных территорий морей одним из основных источников альтернативной энергии используемых в архитектуре энергосберегающих зданий является ветер, а способом получения энергии ветра - применение ветро-генераторов с вертикальной и горизонтальной осью вращения. Принцип работы ветрогенератора напрямую зависит от главной функции данного устройства - преобразования механической энергии ветра в постоянную, которая обеспечивает электричеством здание или жилой комплекс, в зависимости от мощности и количества установок. Архитектор, используя энергию ветра как возобновляемого источника энергии в архитектурных решениях зданий, способствует устойчивому развитию энерго-

сбережения в целом с учетом комплексного проектирования здания [2-7].

Вертикальный генератор гораздо легче запустить на невысоком расстоянии от земли и с ним будет легче работать.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения более эффективны, чем горизонтальные, и могут быть объединены в группы, в которых турбулентности, созданные отдельно стоящими ветряными турбинами, могут помочь вращаться соседним турбинам, увеличивая эффективность общей системы. В береговой зоне, как правило, наблюдаются устойчивые ветры с достаточными скоростями. Научные исследования в области применения ветрогенерато-ров позволили пересмотреть некоторые фундаментальные основы ветроэнергетики: вместо разнесения ветротурбин на большое расстояние и подъема на максимальную высоту нужно ставить ветряки как можно плотнее и ниже, что важно в малоэтажном проектировании зданий при внедрении в них ветрогенераторов. Особенностью ветра является его непостоянство, что приводит к изменению скорости ветра; при отсутствии ветра требуется дополнительный источник энергии, компенсирующий потерю энергии, - энергия солнца (солнечные батареи и т. п.). Для ветра характерно не только изменение скорости, но и изменение направления. Использование ветрогенераторов с вертикальной осью вращения решает эту проблему, для них не требуется автоматического изменения ориентации. Наиболее

^^^^^^^^^^^^^ 12'2015

I

перспективным для интеграции в здание является применение ветрогенераторов с вертикальной осью вращения. Энергия ветра на высоте около 10 м превышает глобальное потребление электроэнергии в несколько раз. Американские ученые утверждают, что плотное размещение множества вертикальных турбин компенсирует низкую эффективность преобразования ветра в электричество и экономит средства при равном количестве вырабатываемой энергии.

Важен и тот факт, что лопасти ветрогенераторов с вертикальной осью вращения меньше шумят, они намного легче в изготовлении и способны выдерживать большие нагрузки по сравнению с ветрогенераторами с горизонтальными осями вращения. Для наращивания номинальной выходной мощности ветрогенератора достаточно в процессе эксплуатации добавить модули. В настоящее время на мировом строительном рынке существует потребность в инновациях для использования энергии ветра в архитектуре малоэтажных зданий.

Примеры использования ветрогенераторов в зданиях различного назначения

№ п/п

Внешний вид

Технические характеристики и особенности

Варианты интеграции в здании

Ветротурбина Eddy GT

Ветрогенератор с вертикальными вращающимися осями. Скорость ветра 3-55 м/с. Уровень шума при 12 м/с - 38дБ. Общее количество энергии, вырабатываемое в год при скорости ветра 5 м/с, -1250 кВ. Высота 2,7 м; ширина 1,8 м; масса 175 кг; занимаемая площадь 4,62 м2. Промежутки в сетке внешней оболочки здания являются местом для установки 600 ветровых турбин общей мощностью 6 МВт.ч, которые будут обеспечивать выработку электроэнергии

Проект здания Tower of Power

Архитектурная форма здания эффективно использует энергию ветра. Всего ветрогенератора четыре. Эффективность ветроустановок высокая, эффект сквозняка в отверстиях между противоположными сторонами фасада увеличивает скорость воздушного потока вдвое. Ветроэнергетические турбины, встроенные в отверстия, вырабатывают 10 000 кВт.ч/год

Здание Перл Ривер Тауэр

Ветровые турбины были интегрированы в конструкцию здания для сбора энергии ветра. Установки У2 отличаются своей массивностью (высота 5,5 м) и рассчитаны на выработку 4 кВт.ч/год. Начало производства энергии при скорости ветра 4 м/с. Среди преимуществ турбин низкий уровень шума, отсутствие вибраций

Ветрогенератор с вертикальной осью вращения У2

Здание в Оклахома-Сити

Особенность здания — 12 пар ветровых турбин. Расположены они в юго-западном углу здания. Ветротурбины генерируют электроэнергию, которая уходит на нужды здания и на зарядку электромобилей. Вертикальная конструкция ветряков открывается прямо на улицу

Здание с вертикальными ветряными турбинами в Чикаго

2

3

4

Градостроительство и архитектура

14 н

I

№ п/п

Внешний вид

Технические характеристики и особенности

Варианты интеграции в здании

BedZED - экокомплекс. На крышах установлены раструбы, которые улавливают ветер, и его сила приводит в действие систему вытяжной вентиляции

Интегрированные

фотоэлектрические

элементы

Климатический фасад

Пассивная энергия по климатическим зонам

V

Ветер

Проживание внутри ветровой турбины не будет связано с каким-либо дискомфортом: генерирующие мощности должны работать практически бесшумно и не вызывать вибраций

Windwheel - гибрид жилого дома и ветрогенератора в Нидерландах

Эффективная структура здания. Ветряная электростанция на верхних этажах

Верхние три этажа перфорированного каркаса здания продуваются насквозь ветряными потоками, и расположенные в отверстиях ветряные турбины вместе с фотоэлементами полностью обеспечивают потребности в электроэнергии и создают резервный запас электричества. Полученная энергия идет на потребности в электроснабжении, часть - на отопление здания

Здание COR building в Майами

Система SolarMill - ветровые турбины и солнечные панели. Размер 2950 мм

Состоит из вертикальных ветряных турбин, солнечных панелей. Каждая турбина обладает огромной плотностью энергии на единицу площади - этот показатель является самым высоким. Система расположена на крыше здания в Кингстоне, Ямайка. Расчетная мощность установки составляет 106 000 кВт. ч/год

Рассчитана на использование на зданиях, где дуют сильные ветра, а также для зданий, расположенных на побережье. Модульные ветрогенераторы можно встраивать в архитектуру здания. Ветрогенерирующий фасад здания общей площадью порядка 3,3 км2 может вырабатывать около 7 МВт. ч/год

Система модульных ветрогенераторов

10

Диаметр ветряка 2,1 м, вес устройства 86 кг. При средней скорости ветра свыше 12 км/ч SWIFT способен производить около 2000 кВт.ч/год, а шум от вращения компенсируется системой из пяти лопастей и специальным внешним кольцом; уровень шума 35 дБ

Малошумный ветрогенератор SWIFT turbine

5

6

7

8

9

I

№ п/п

Внешний вид

Технические характеристики и особенности

Варианты интеграции в здании

11

Форма здания, ориентированного вдоль господствующего направления ветра, способствует концентрации воздушных потоков и разгону воздуха вблизи стен, создает энергетический потенциал для ветровых турбин, которые должны обеспечить 13-15% от потребностей здания в электричестве

Waugh Thistleton Residential Tower

12

Уровень шума около 45 дБ, при скорости ветра 5 м/с установка генерирует примерно 1500 кВт.ч/год. Используя новую форму, удалось значительно снизить сопротивление воздуха и тем самым поднять КПД установки. Ось закреплена на обоих концах, что снижает в несколько раз уровень шума генератора, а также почти полностью избавляет от вредных вибраций. Вес 75 кг. Его высота составляет 1,5 м

Новый тип Liam F1 ветровых турбин

Ветрогенераторы, которые можно устанавливать на крышах жилых домов; разработка The Archimedes

13

Интегрированы в здание солнечные панели и ветровые турбины, работающие почти бесшумно. Таким образом, благодаря солнцу дом будет получать больше 10 КВт энергии, а благодаря ветру - еще 600 Вт. Этой энергии будет полностью достаточно для одного здания. Скорость ветра <4 м/с, высота 3,2 м, ширина 1,8 м, вес 274 кг

Ветровая турбина VisionAIR3

Автономный жилой дом Дельта в Нью-Йорке

14

Ветрогенератор - часть архитектуры здания. WindScreen вырабатывает энергию при слабом ветре. Этому способствует большая площадь генератора, это вся стена здания. Совмещение в блоках турбины с разными осями вращения позволит задействовать силу ветра независимо от его направления

Ветряной генератор как часть здания, Австралия

15

На крыше находится устройство, улавливающее ветровую энергию. На энергии ветра работает турбина, эта же энергия используется для вентиляции здания. На крыше расположены солнечные батареи

Устройство на крыше, улавливающее ветер, и ветровая турбина

Жилой дом под названием «Маяк»

Градостроительство и архитектура

I

№ п/п

Внешний вид

Технические характеристики и особенности

Варианты интеграции в здании

16

Форма крыши позволяет избежать возникновения турбулентных воздушных потоков, которые снижают эффективность работы турбин. Небольшие турбины по отдельности не способны выработать большое количество энергии, однако за счет размещения нескольких сотен генераторов повышается их общая мощность

Крыша с ветряными генераторами. Архитектор М. Янцен

17

Размещают на краю крыши с фасадом. Верх модуля может быть покрыт фотоэлементами. Каждый модуль генерирует 1600 кВт.ч/год (при скорости ветра 3,8 м). Необходима плоская кровля здания. Ветрогенератор внутри модуля использует поток ветра вблизи фасадов края и ускоряет его с помощью различия давления между фасадом и крышей

WINDRAIL-модуль, использующий энергию солнца и ветра

Результаты исследования

Классификация по принципам размещения и работы. Выявлены основные архитектурные принципы интеграции ветрогенераторов в зданиях; типы ветрогенераторов, наиболее приемлемых для интеграции в малоэтажные жилые здания в приморских зонах морей, которые используют энергию ветра как основной источник альтернативной энергии в энергосбережении зданий.

Использование плоских и наклонных кровель жилых зданий для установки ветрогенераторов, раструбов (систем вытяжной вентиляции), работающих от энергии ветра, требует создание формы крыш зданий для интеграции ветрогенераторов, способствующих улавливанию ветра и усилению скорости ветра за счет архитектуры здания. Эффективно применять энергию ветра при внедрении в кровлю здания позволяют следующие типы ве-трогенераторов (№ 5, 10, 12, 14, 17). Максимальная скорость ветрового потока достигает у вершины наклонной поверхности кровли, служит местом размещения ветро-генераторов.

Размещение в торцах глухих частей стен ветрогенераторов (№ 4, 11) с вертикальной осью вращения, ориентированных в сторону господствующих ветров с раскрытием дворовых пространств в сторону ветровых потоков.

Система модульных ветрогенераторов (№ 9, 15, 17).

Интеграция в само здание как единое целое (№ 1, 2, 6) [7].

Интеграция между зданиями (форма здания способствует поступлению ветра на турбины - пример Бахрейнского центра, скорость ветра увеличивается на 30%).

Использование ветроустановок с сопутствующим изменением архитектуры здания.

Здание и ветрогенератор - единое целое (№ 2, 4, 6, 11, 15, 16, 17).

Негативные и положительные характеристики ветрогенераторов. Одним из преимуществ является работа ве-

трогенераторов при низких скоростях ветра. Применение вертикальных ветрогенераторов в малоэтажной архитектуре зданий возможно на малых высотах от земли. Важным условием устройства ветрогенератора в структуре здания является учет шума и вибраций, производимых им, безопасности подвижных частей. Вертикально-осевые ве-трогенераторы не зависят от направления ветра, не требуют дополнительных устройств поворота на ветер [8, 9]. Эффективная работа ветрогенераторов при близком расположении друг от друга усиливает их работу. Не требуется электропитания от сетей. Вертикальные лопасти способствуют снижению вибраций и шума. Для работы ветро-генератора требуется стабильный ветровой поток. При отсутствии ветра требуется дополнительный источник энергии - энергия солнца (солнечные батареи). Предпочтительным применением в прибрежных зонах морей ветро-генератора без подвижных частей является Ewicon - ветровой генератор без вращающихся частей (№ 11). Эти преимущества открывают для системы Ewicon множество возможностей и делают ее подходящей для повсеместного использования в архитектуре малоэтажных зданий. Эффективные малошумные конструкции ветрогене-раторов позволяют (в сочетании с солнечными батареями) свести к нулю зависимость здания от внешних источников электроэнергии (№ 8, 13, 14, 17).

Архитектурные приемы, влияющие на повышение эффективности работы ветроустановок. Следует учитывать, что архитектурная форма дома способствует увеличению скорости ветра. Скорость ветра увеличивается в аэродинамической трубе, которую могут образовывать соседствующие друг с другом дома. Это значит, что пространство между ними может быть очень хорошим местом для ветроге-нератора, когда турбина устанавливается внутри специального канала, проходящего через дом, который также является аэродинамической трубой. Интеграция ветрогенера-торов в архитектуру зданий становится важной составля-

^^^^^^^^^^^^^ 12'2015

------ЖИЛИЩНОЕ ' —

строительство

ющей проектного решения энергоэффективности здания в целом (№ 1, 2, 3, 6, 7, 11). Ориентация формы здания вдоль господствующих ветров с отделкой фасадов глазурованной плиткой для увеличения скорости потока ветра к ветроге-нераторам. Закругленная форма здания способствует использованию энергии ветра (№ 11). Наклонные плоскости крыш, стен являются естественными направляющими ветровых потоков к ветроустановке. Возможно создание модульных фасадных систем ветрогенераторов для интеграции в структуру здания (№ 9, 15).

Выводы

Интеграция ветрогенераторов в жилые здания в сочетании с солнечными панелями способствует энергосбережению, автономности дома (№ 2, 8, 13, 14, 17). В среднем одна семья, по данным The Archimedes, потребляет 3300 кВтч в год; используя одну турбину Liam F1 (№ 12), покрывает половину потребляемой энергии при скорости ветра 4,5 м/с.

Применение модульных фасадных систем ветрогенери-рующих панелей способствует созданию целостной архитектурной формы здания (№ 9, 15).

Важным в архитектуре зданий, использующих энергию ветра, является совмещение ветрогенератора и здания в целом. Инновационным примером служит проект голландских архитекторов Windwheel (№ 6).

Эффективным для интеграции в застройке многоквартирными жилыми домами до четырех этажей являются ве-

Список литературы

1. Ван Дер Мелен П., Бриско К. Ветрогенераторы на крыше здания // Здания высоких технологий. 2013. Лето. С. 46-57.

2. Есаулов Г.В. Устойчивая архитектура как проектная парадигма (к вопросу определения). Труды международного симпозиума «Устойчивая архитектура: настоящее и будущее». 17-18 ноября 2011 г. Научные труды Московского архитектурного института (государственной академии) и группы КНАУФ СНГ. М., 2012. С. 22-25.

3. Цицин К.Г. Энергоэффективные технологии - будущее жилищного строительства // Эффективное антикризисное управление. 2013. № 2 (77). С. 50-51.

4. Сапачева Л.В. Экоустойчивая позиция российских архитекторов // Жилищное строительство. 2010. № 12. С. 19-22.

5. Данилов С.И. Активный, потому что пассивный и умный // Инициативы XXI века. 2011. № 4-5. С. 72-83.

6. Ремизов А.Н. О стимулировании экоустойчивой архитектуры и строительства // Жилищное строительство. 2014. № 3. С. 41-43.

7. Шонина Н.А. Ветроэнергетика // Сантехника. 2012. № 2. С. 14-19.

8. EWICON - ветряк без ротора, вырабатывает электричество с помощью капель воды // ЭкоМониторинг. 2013. № 3. С. 11-12.

9. Кулаков А.В. Ветроэнергетика в России: проблемы и перспективы развития // Энергосовет. 2011. № 5 (18). С. 37-38.

трогенераторы с вертикальной осью вращения, способные улавливать наибольшее количество энергии ветра и производить меньше шума. На их работу не влияет направление ветра. В настоящее время введены регламенты на уровень шума ветряков в таких странах, как Великобритания, Германия, Нидерланды и Дания. В дневное время уровень шума ветрогенератора не должен быть более 45 дБ, а в ночное время - не более 35 дБ. В России уровень шума около зданий в дневное время не должен превышать 55 дБА, а ночью (с 23 до 7 ч) - 45 дБА, в квартирах - соответственно 40 и 30 дБА.

Создание архитектуры зданий с использованием электроэнергии от ветра экономически выгодно при среднегодовых скоростях ветра от 5 м/с и более при больших открытых пространствах прибрежных территорий морей.

Последние исследования в области техники позволяют предположить, что в будущем ветрогенераторы с вертикальной осью вращения станут основным источником получения энергии с помощью ветра в архитектуре малоэтажных зданий прибрежных территорий морей.

В результате исследования выявлено, что архитектурная форма здания влияет на ветровые потоки и интеграцию ветрогенераторов, усиливая их работу. Архитектура здания должна формировать ветровые потоки к ветрогенераторам, и, как следствие этого, с учетом технических характеристик должны появляться новые архитектурные формы зданий и сооружений.

References

1. Van Der Melen P., Brisko K. Wind generators on a building roof // Zdaniya vysokikh tekhnologii. 2013. Summer, pp. 4657. (In Russian).

2. Esaulov G.V. Sustainable architecture as a design paradigm (the question of definition) «Sustainable Architecture: Present and Future». Papers of the International Symposium. 17-18 November 2011. Papers of the Moscow Architectural Institute (State Academy) and the group Knauf CIS. Mosckow: 2012, pp. 22-25. (In Russian).

3. Tsitsin K.G. Power effective technologies - the future of housing construction. Effektivnoe antikrizisnoe upravlenie. 2013. No. 2 (77), pp. 50-51. (In Russian).

4. Sapacheva L.V. Ecosteady position of the Russian architects. Zhilishhnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2010. No. 12, pp. 19-22. (In Russian).

5. Danilov S.I. Aktivny, because passive and clever. Initsiativy XXI veka. 2011 . No. 4-5, pp. 72-83. (In Russian).

6. Remizov A.N. On Stimulation of Environmentally Sustainable Architecture and Building. Zhilishhnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 3, pp. 41-43. (In Russian).

7. Shonina N.A. Wind Power. Santekhnika. 2012. No. 2, pp. 14-19. (In Russian).

8. EWICON - without windmill rotor generates electricity by water droplets. EcoMonitoring. 2013. № 3, pp. 11-12. (In Russian).

9. Kulakov A.V. Wind power in Russia: Problems and prospects of development. Energosovet. 2011. № 5 (18), pp. 37-38. (In Russian).