КОНЕВОДЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С ИНТЕГРИРОВАННЫМИ ОБЪЕКТАМИ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
HORSE BREEDING COMPLEX WITH INTEGRATED OBJECTS OF ALTERNATIVE POWER ENGINEERING

Изобретение относится к строительству сооружений, предназначенных для коневодства, и может быть также применено в других животноводческих комплексах.
Целью изобретения является разработка нового универсального коневодческого комплекса, который станет базой для формирования комплексов для племенного коневодства и других типов коневодческих предприятий - устройства производственного здания (конюшни), оснащенного объектами альтернативной энергетики, которое не только позволяло бы эффективно использовать возобновляемые источники энергии в условиях средней полосы России, но и отражало бы национальные архитектурные особенности.
Актуальность изобретения определена современным развитием национальной коневодческой индустрии, обеспечением сохранения и развития ипподромов и племенных конных заводов, а также необходимостью модернизации и повышения энергоэффективности архитектуры коневодческих комплексов с учетом современных требований и технологий.
Одной из задач отраслевой программы «Развития племенного коневодства в Российской Федерации на 2013 - 2015 годы и на плановый период до 2020 года», в которой предусмотрено увеличение объемов производства молодняка племенных лошадей с 10,0 до 13,0 тыс.голов и увеличение общего конского поголовья с 1362,1 до 1520,0 тыс.голов, является совершенствование организационно-технологических приемов ведения отрасли коневодства и разработка новых типов коневодческих предприятий для племенного коневодства.
Вместе с тем приоритетными задачами строительной науки и практики в настоящее время являются задачи энергетической эффективности проектируемых архитектурных объектов и модернизации архитектуры энергоактивных зданий. Это связано с рядом серьезных проблем, важнейшими из которых являются сырьевой кризис и загрязнение окружающей среды. Мировое сообщество предпринимает различного рода попытки решения данных проблем, в числе которых особое место занимает использование альтернативных источников энергии в архитектуре зданий и сооружений.
В 1996 году был утвержден Указ Президента РФ №440 «О концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию», в соответствии с которым определяется «введение хозяйственной деятельности в пределы емкости экосистем на основе массового внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий». В связи с этим использование в нашей стране средств альтернативной энергетики приобретает особое значение, что нашло отражение в дополнении от 08.09.2017 Постановления Правительства РФ N 87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию» пункта ж(1) «Сведения об использовании возобновляемых источников энергии и вторичных энергетических ресурсов». Работа также и основных задач, предусмотренных Федеральным законом от 23 ноября направлена на реализацию Энергетической стратегии России на период до 2030 года 2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
Известно изобретение «Опреснительный комплекс» [5], в котором применяются гелиоколлекторы при функционировании опреснительного комплекса.
Известны изобретения «Устройство для выращивания растений» [6] и «Дом лесника» [7], в которых применяются гелиоколлекторы и ветрогенераторы при функционировании автономных зданий дома лесника и сооружений промышленных теплиц.
В изобретении «Мобильный солнечный дом» [8] предложены решения по созданию объекта с комфортной средой проживания, обеспечением экологически благоприятной среды энергоснабжения здания, повышением энергоэффективности, которые достигаются использованием солнечных батарей и гелиоколлекторов.
При анализе опыта проектирования энергоактивных зданий было определено, что многие изобретения затрагивают вопросы, связанные с размещением, интеграцией установок альтернативной энергетики в архитектурной среде, их комбинированием с ограждающими конструкциями зданий. Но следует отметить, что большинство из них связано с энергоактивными жилыми и общественными зданиями, практически не затрагивая специфики проектирования зданий и сооружений коневодческих комплексов.
Большое количество фирм в России и за рубежом занимается разработкой и установкой средств альтернативной энергетики, для монтажа которых выпускают специальные требования и рекомендации. Однако до сих пор не в полной мере решен вопрос эффективности и экономической доступности применения данного оборудования.
Новизна предлагаемого изобретения обусловлена новыми архитектурными приемами интеграции объектов альтернативной энергетики в коневодческие комплексы, учитывающими типологические особенности сельскохозяйственных производственных зданий, которые способны обеспечить максимальную производительность установок, сохранение выработанной энергии, экономическую доступность и универсальность проектных решений как для нового строительства, так и для реконструкции уже существующих зданий. При этом предложенные приемы демонстрируют новое прочтение традиционной русской архитектуры и его отражение в художественном образе здания с учетом технического прогресса и использования новейших инженерных систем.
В предлагаемом изобретении разработан новый тип производственного высокотехнологичного современного энергоактивного здания, отличающегося по своему функциональному назначению - коневодческий комплекс с интегрированными объектами альтернативной альтернативной энергетики, который (фиг. 1) включает такие основные элементы как здание конюшни 1, открытые площадки, плац 2, а также элементы озеленения и древесно-кустарниковые насаждения на территории 3. В случае размещения предприятия вблизи водоемов 4, где могут наиболее эффективно эксплуатироваться ветроэнергетические установки, на территории в водоохранной зоне предусматриваются локальные очистные сооружения 5.
В качестве основы для разработки использовано здание стандартной конюшни с одним центральным проходом, на первом этаже которого находятся следующие помещения (фигура 2): денники для содержания лошадей 6, душевой денник, место чистки лошадей 7, проход 8, фуражная 9, помещение для подстилки 10, амуничник 11, техническое помещение для размещения инженерного оборудования 12, тамбуры и лестничные клетки на вновь устроенный второй этаж 13. Для интеграции объектов альтернативной энергетики над зданием надстраивается дополнительная кровля, в результате чего образуются дополнительные помещения второго (мансардного) этажа, которые могут быть использованы для размещения посетителей комплекса и административно-бытовых помещений (фигура 3): коридор и холл служебных помещений 14, душевые и раздевалки 15, служебный санузел 16, комната отдыха, административно-офисные помещения 17, помещение для посетителей 18, трибуны 19, санузлы для посетителей 20, балкон 21, тамбур, лестничная клетка 22.
В качестве дополнительного источника энергии предлагается интеграция в структуру комплекса объектов альтернативной энергетики - солнечные коллекторы, солнечные фотоэлектрические элементы и ветроэнергетические установки - использующие возобновляемые и неисчерпаемые источники энергии.
В связи с особенностями природно-климатических условий средней полосы России, характеризующимися четко выраженной сезонностью, с холодной и продолжительной зимой и жарким летом, отсутствием ярко выраженных постоянно действующих природных процессов (сильные ветры, солнце, высокотемпературные геотермальные источники) в изобретении применены комбинированные объекты альтернативной энергетики, выбираемые с учетом энергопотенциала среды. На основании полученных данных, в связи с хорошей освоенностью и практически повсеместной доступностью на территории средней полосы России, а также возможностью обеспечить предприятие различными видами энергии - отопление, электроснабжение, горячее водоснабжение, работа водяных помп для подъема воды, сушка сена - предлагается использовать следующие виды объектов альтернативной энергетики, интегрированные в здание конюшни (фигуры 4, 5, 6): ветрогенераторы - ротор Савониуса 23, эффективно работающий при низких скоростях ветра (1-3 м/с), ротор Дарье 24, эффективно работающий при средних и высоких скоростях ветра (5-15 м/с) и объекты солнечной энергетики - поликристаллические фотоэлектрические элементы 25 и фотоэлектрические элементы из аморфного кремния 26, использующиеся для выработки электроэнергии, а также трубчатые вакуумные солнечные коллекторы 27, служащие для отопления и горячего водоснабжения. Таким образом, более низкий уровень солнечной энергии в зимнее время компенсируется более высокой скоростью ветра.
2
Из-за низкой интенсивности и большой рассеянности альтернативной энергии (ветра и солнца) в пространстве с плотностью менее 300 Вт/м [1], небольшие отдельные установки имеют низкую мощность и большие потери при передаче энергии по энергосетям, ограничивающая их протяженность. Максимальная длина кабеля от источника энергии до потребителя при падении напряжения меньше 2% для систем 12 В составляет - 15 м при силе тока до 16А, 250 м - при силе тока до 1 А) [3]. В связи с этим в изобретении предложена интеграция объектов альтернативной энергетики в структуру здания конюшни, что позволит получать энергию с максимальной площади участка, включая площадь застройки. Сокращение протяженности инженерных коммуникаций значительно снизит затраты на строительство и эксплуатацию инженерных сетей, связывающих между собой многочисленные установки со зданиями-потребителями, а также уменьшить потери при передаче выработанной энергии, значительно возрастающие по мере увеличения протяженности. В то же время использование новых элементов в архитектуре зданий может стать средством формирования нового высокотехнологичного образа современных зданий.
Для малоэтажных производственных зданий, расположенных в сельской местности и для коневодческих комплексов в частности кровля составляет значительную долю от общей площади ограждающих конструкций и, находясь на максимальной высоте от поверхности земли, защищена от посторонних негативных воздействий, и как следствие, становится основным элементом конструкции здания для интеграции объектов альтернативной энергетики.
В изобретении предложено совмещение интегрируемых установок солнечной энергетики 31 и ветроэнергетических установок 32 с дополнительной скатной кровлей 33, конструкция которой устраивается на всю высоту здания и может возводиться как при проектировании новых, так и при реконструкции существующих производственных зданий 34, сохраняя стандартные унифицированные объемно-планировочные решения (фигура 7). При этом конструкции здания для обслуживания установок предусматриваются балкон для обслуживания объектов солнечной энергетики 28 и ходовой мостик на кровле для обслуживания ветрогенераторов 29 (фигура 8). Инженерное оборудование и аккумуляторы 30 при этом размещаются в свободном чердачном пространстве.
Так устройство и формообразование конструкций покрытия с интегрированными объектами альтернативной энергетики позволяет повысить эффективность использования на предприятиях возобновляемых источников энергии. Единая наклонная плоскость кровли 33, позволяет расположить большую площадь установок солнечной энергетики 31 под оптимальным углом к солнцу (35°-40° для Московского региона), обеспечивающим прямой максимальный уровень инсоляции их поверхности (фигура 9).
Наклонная конструкция кровли 33 позволяет также направить и сконцентрировать в область ветроэнергетических установок 32 потоки ветра, увеличив выработку энергии, и позволяя эксплуатировать ветрогенераторы даже при слабых ветрах (фигура 10). Скат кровли при этом должен быть направлен в сторону преобладающего направления ветра, определенного по розе ветров места строительства.
2
2
Представленная в изобретении конюшня располагается на берегу водохранилища и эффективно использует движущиеся с открытого пространства южные воздушные потоки, что позволяет совместить плоскость кровля для использования установок солнечной энергетики и ветрогенераторов. Принятая в проекте широтная ориентация корпуса здания и уклон кровли с интегрированными в него солнечными фотоэлектрическими элементами и солнечными коллекторами, равный 35-40° позволяет получать максимальный уровень поступления солнечной радиации для принятых условий средней полосы России - 1173,7 кВт*ч/м*год, а единая поверхность - разместить большую площадь объектов гелиоэнергетики. Поверхность, занятая солнечными фотоэлектрическими элементами из поликристаллического кремния, площадью 300 м позволяет вырабатывать от 20 кВт*ч до 163 кВт*ч в сутки и до 53 МВт*ч электроэнергии в год. В проекте используется два типа ветряных турбин - типа Савониуса, расположенные вдоль конька кровли, способных работать при низких скоростях ветра (1-3 м/с), и два ротора Дарье, более эффективно работающие при скоростях ветра 3-7 м/с. Производительность такой системы за год составит порядка 3 МВт*ч при средней скорости ветра 3 м/с.
Для наиболее эффективной работы ветроэнергетических установок в условиях слабых ветров средней полосы России, необходимо использование более сильных местных воздушных потоков, а также проведение мероприятий по их усилению и направлению в область установки. Для размещения проектируемого коневодческого комплекса было выбрано место вблизи водохранилища, где присутствуют регулярные местные ветры -бризы (фигура 11). В случае расположении комплекса в пределах водоохранной зоны необходимо проведение мероприятий по исключению загрязнения почвы и прибрежной полосы и устройство организованного поверхностного стока в локальные очистные сооружения.
Высаженные вдоль береговой линии аллеи 2 помогают защитить открытые площадки от сильных ветров и концентрируют воздушные потоки в месте установки ветряных турбин 32, расположенных отдельно или на конюшне 1 в створе посадок (фигура 12). Открытые площади сельской местности, разделенные лесозащитными полосами, также хорошо подходят для размещения ветроэнергетических установок. Для защиты открытых площадок и плаца 2 от ветра здание конюшни 1 с интегрированными объектами ветроэнергетики 32 следует размещать с наветренной стороны (фигура 13). При этом глубина защищаемой области в десять раз превышает высоту здания Н.
Предложенное устройство предусматривает использование модульной системы построения ветряных турбин - 7 блоков по 4 турбины, а также использование нескольких типоразмеров солнечных панелей и коллекторов. Модульность интеграции объектов альтернативной энергетики позволяет выполнить требования экономической доступности и инвестиционной привлекательности объектов альтернативной энергетики за счет постепенного наращивания мощности, упрощения модернизации и ремонта энергосистемы, благодаря поэтапной замене ее отдельных блоков (модулей). Поэтапное увеличение мощности системы даст возможность на практике проанализировать и постепенно подбирать различные наиболее оптимально дополняющие друг друга средства альтернативной энергетики и, в конечном итоге, максимально обеспечить регион возобновляемыми источниками энергии. Использование нескольких независимых энергетических модулей повышает надежность, а также обеспечивает соблюдение принципа комбинирования объектов альтернативной энергетики благодаря сочетанию блоков установок различных типов на основе модульной координации размеров в строительстве. Уменьшение конструктивных размеров установок приводит к снижению влияния отрицательных факторов, что дает возможность их совмещения с архитектурными конструкциями. Возможность поэтапного добавления и комбинирования различных модулей должна учитываться в архитектуре проектируемых зданий коневодческого комплекса и может служить основой для создания выразительного архитектурного облика, за счет увеличения вариабельности архитектурных решений и объединения модулей в единую композицию.
Сегодня применение объектов альтернативной энергетики в архитектуре стало одним из основных направлений проектирования и определило конструктивные, инженерные и архитектурно-художественные решения современных производственных зданий, расположенных в сельской местности, где особенно востребовано применение возобновляемых источников солнечной и ветровой энергетики, которые практически не оказывают вредного воздействия на окружающую среду и просты в использовании.
Модульность и простота конструктивных решений дает возможность снизить объем первоначальных капиталовложений и создать энергетически сбалансированную систему. Предложенные в проекте художественные решения коневодческого комплекса развивают архитектурные традиции нашей страны, раскрывая их в новом контексте использования альтернативных источников энергии.
Использование выбранных объектов альтернативной энергетики в коневодческих комплексах дает ряд преимуществ:
- производство более качественного корма (в 1 т сена содержится на 70 кормовых единиц больше, чем в обычных условиях);
- компенсация 60-90% потребности в энергии на нагрев воды;
- обогрев зданий и электроснабжение, исключается использование холодной воды при перерывах в подаче электроэнергии [2];
- излишки энергии могут использоваться для энергоснабжения соседних зданий комплекса, а также для подзарядки аккумуляторов сельхозтехники.
В данном изобретении предложены архитектурные приемы интеграции выбранных устройств в структуру здания конюшни, которые позволят получать энергию с максимальной площади комплекса, включая площадь застройки;
За счет сокращения протяженности инженерных коммуникаций значительно снижаются затраты на строительство и эксплуатацию инженерных сетей, связывающих между собой многочисленные установки со зданиями-потребителями, а также уменьшается аварийность на коммуникациях и потери при передаче выработанной энергии, которые значительно возрастают по мере увеличения протяженности и снижения удельной мощности энергосетей.
Использование архитектуры и формообразования здания конюшни позволит не только оптимально разместить выбранные установки, но и усилить и оптимизировать степень природного воздействия на них.
Интеграция объектов альтернативной энергетики в структуру здания конюшни с использованием дополнительной возводимой поверх основного корпуса скатной кровли позволяет более эффективно использовать возобновляемые источники энергии в природных условиях средней полосы России, легко модернизировать существующие здания конюшен и животноводческих комплексов в целом. Количество и тип используемых объектов альтернативной энергетики могут быть изменены исходя из конкретных потребностей предприятия.
2
2
2
Принятые проектные решения позволяют использовать установки с эффективностью до 80%, вырабатывая в год до 120 кВт*ч/м батарей, до 960 кВт*ч/м для солнечных коллекторов и до 12 кВт*ч/м для ветроэнергетических установок. В то же время использование новых элементов в архитектуре может стать средством формирования нового высокотехнологичного образа современных зданий.
При суммарной стоимости оборудования порядка 9 млн. руб (на основе комплекта «Независимость» ООО "Автономные Системы Освещения") и средней стоимости электроэнергии 3,5 руб/кВт*ч срок окупаемости системы составит порядка 15 лет при среднем уровне инфляции 10%. Производительность установленных 10 вакуумных солнечных коллекторов, хорошо работающих при отрицательных температурах, составляет порядка 32 МВт*ч в год. При суммарной стоимости оборудования порядка 4 млн. руб (на основе комплекта Pipebox 30 трубок) и средней стоимости тепловой энергии 3,5 руб/кВт*ч срок окупаемости системы составит порядка 15 лет при среднем уровне инфляции 10%.
Приведенные данные отражают максимально возможную производительность системы и значительно превышают потребности проектируемого базового коневодческого комплекса в летний период. Излишки энергии могут быть использованы для энергоснабжения дополнительных и специальных зданий и сооружений, участвующих в производственной деятельности предприятия или использоваться для зарядки аккумуляторов электромобилей и с. -х. техники.
Таким образом, предложенное изобретение предлагает интеграцию объектов альтернативной энергетики в структуру здания конюшни с использованием дополнительной возводимой поверх основного корпуса скатной кровли, позволяет более эффективно использовать возобновляемые источники энергии в природных условиях средней полосы России, легко модернизировать существующие здания конюшен и животноводческих комплексов в целом. В условиях слабых ветров концентрация воздушных потоков в зоне ветроэнергетических установок с помощью поверхности кровли значительно повышает их производительность. Единая оптимально ориентированная поверхность покрытия с интегрированными солнечными фотоэлектрическими элементами и коллекторами позволяет получить максимальную выработку энергии.
Модульность и простота конструктивных решений дает возможность снизить объем первоначальных капиталовложений и создать энергетически сбалансированную систему. Предложенные в проекте художественные решения коневодческого комплекса развивают архитектурные традиции нашей страны, раскрывая их в новом контексте использования альтернативных источников энергии.
Использованные источники:
1. Рябов А.В. Объекты альтернативной энергетики в архитектуре зданий. -М.: «Аналитик», 2012.
2. «Рекомендации по использованию нетрадиционных источников энергии в животноводстве, кормопроизводстве, крестьянских хозяйствах и сельском жилом секторе» - ФГНУ НПЦ «Гипронисельхоз», М., 2003.
3. Четошникова Л.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие к практическим занятиям / Л.М. Четошникова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010.
4. РД-АПК 1.10.04.03-13 «Методические рекомендации по проектированию коневодческих предприятий»- Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, М:, 2000.
5. Патент РФ №2395459 от 27.07.2010 г.
6. Патент РФ №2530516 от 14.08.2014 г.
7. Патент РФ №2506374 от 10.02.2014 г.
8. Патент РФ №2460863 от 10.09.2012 г.