Актуальное

Инженерные системы становятся «зелеными»

Современные конструктивные и технические решения позволяют использовать природные источники для создания и надежного соблюдения микроклимата с заданными параметрами на технически сложных и ответственных объектах.

Инженерные коммуникации
Современные технологические возможности применяемых в строительстве энергоэффективных материалов и оборудования позволили значительно повысить долю альтернативной энергии на объектах разного назначения
(Чтобы увеличить, кликните на фото)

Более 80% мирового потребления энергии по-прежнему приходится на ископаемое углеродное сырье – нефть, природный газ, уголь. Вместе с тем только ветровой энергетический потенциал в мире оценивается в 170 000 ТВт/ч, что в восемь раз перекрывает годовое потребление электроэнергии. По разным оценкам, суммарная энергия водных источников превышает этот показатель втрое, геотермальная – в пять раз, а возможности солнечной радиации в генерации электрической и тепловой энергии практически безграничны.

Использовать в той или иной мере потенциал возобновляемых источников человечество научилось давно, но современные технологические возможности применяемых в строительстве энергоэффективных материалов и оборудования позволили значительно повысить долю альтернативной энергии на объектах разного назначения, в том числе особо ответственных и технически сложных сооружениях.

Широкое применение естественных источников за рамками энергетического сектора, то есть без учета ветровых, солнечных, геотермальных и других электростанций, обусловлено двумя факторами. Первый из них – быстрое технологическое усовершенствование оборудования, что обеспечивает постоянное повышение КПД, а также появление развитых систем автоматизации, оптимизирующих использование энергии.

Например, теоретический коэффициент преобразования тепловых насосов (COP) уже достигает 11, а на практике вырос до 5–6, хотя еще недавно COP составлял 3–3,5. Солнечные батареи массового производства могут преобразовать фотоэнергию в электричество с эффективностью от 9 до 27%, но опытные разработки на основе новых материалов способны в ближайшей перспективе увеличить этот показатель до 40–44%. Кроме того, к услугам проектировщиков созданы различные конструктивные решения солнечных преобразователей: от тонкопленочных для архитектурных стекол с функцией фотоэлемента до встраиваемых в дорожное полотно ударопрочных панелей.

Второй фактор влияния связан с развитием «зеленых» стандартов по системам LEED, BREЕAM и др., когда для присуждения зданию экологического сертификата необходимое количество баллов может быть набрано за счет использования энергосберегающих технологий в инженерных системах. Следуя «зеленым» тенденциям, архитекторы и инженеры активно начинают изыскивать, как извлечь каждый дополнительный киловатт энергии, в том числе из природных источников, для будущих зданий и сооружений. Таким образом, использование естественного света, тепла Земли, ветровой мощности, солнечной электроэнергии постепенно превращается в один из важнейших трендов современных инженерных систем.

Дата-центр без кондиционеров

За два года в дата-центре SDN дополнительное к естественному фреоновое охлаждение включалось не более чем на пять-семь дней. В остальное время каждая из установок, генерирующая 600 кВт холода, потребляла всего 30 кВт

Убедительным примером конкурентоспособности «зеленых» технологий можно считать предложенную голландскими разработчиками технологию KyotoСooling, которая позволила в разы сократить расходы на точное поддержание микроклимата в современных дата-центрах. Потребность в холодоснабжении для этих сооружений измеряется мегаваттами, и плотность размещения электронного оборудования растет с каждым годом. Если еще недавно на каждую стойку приходилось 5 кВт выделяемого тепла, то с появлением высокопроизводительных компьютеров нагрузка выросла до 30 кВт. Чтобы обеспечить необходимый теплоотвод, в дата-центрах используются прецизионные системы кондиционирования из расчета 35–40 кВт энергии для отвода 300 кВт тепла.

Инновационный подход к конфигурации дата-центров российской компании Stack Data Network (SDN), объединивший принципы KyotoСooling и модульные компоновочные решения Stack.Cube, позволил максимально использовать естественное воздушное охлаждение за счет роторных рекуператоров, которые изначально встроены в двухуровневое здание дата-центра.

Один из таких центров площадью 6500 кв. м проектной мощностью 1500 серверных стоек построен и уже третий год действует в Санкт-Петербурге. На каждую ячейку охлаждения здесь приходится один-два рекуператора в виде пятиметровых вращающихся колес из перфорированных алюминиевых пластин.

Принцип действия установок прост, но при этом эффективен, а с учетом N+1 резервирования по электроэнергии еще и надежен. Алюминиевые пластины ротора охлаждаются очищенным уличным воздухом, который проходит сквозь колесо благодаря избыточному давлению, создаваемому приточными вентиляторами. Вращаясь, колесо постоянно передает холод воздуху внутри помещений, который распределяется по ячейке вентиляционными системами. При этом каждый сервер, снабженный датчиками, получает поток холодного воздуха «по потребности». Регулировка режимов происходит за счет скорости вращения вентилятора, колеса, а в морозы – за счет подмешивания теплого воздуха.

Инженерные сооружения
Технология KyotoCooling сокращает расходы на точное поддержание микроклимата в дата-центрах
(Чтобы увеличить, кликните на фото)

Такая система позволяет поддерживать среднегодовую температуру в помещениях дата-центра не выше 22 °С с минимальным расходом электроэнергии, которая тратится только на вращение двигателей, вентиляторов и работу электронного оборудования, отвечающего в любых условиях за точность температуры до десятых долей градуса.

В летнее время включаются фреоновые компрессоры, охлаждающие поступающий воздух. Как показал опыт эксплуатации, в течение двух лет дополнительное охлаждение включалось суммарно не более чем на пять-семь дней. В остальное время каждая из установок, генерирующая 600 кВт холода, потребляла всего 30 кВт. Благодаря таким показателям дата-центр SDN стал победителем премии Russian Data Center Awards в номинации «Лучшее решение в области охлаждения – 2015».

Остается добавить, что для данного центра показатель PUE (соотношение потребляемой мощности к полезной) равен 1,25, что соответствует лучшим результатам в отрасли.

Тепло земли

Геотермальный тепловой насос – это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, поскольку использовать этот экономичный способ обогрева и кондиционирования здания можно практически повсеместно.

Помимо низкопотенциальной энергии земли, тепловые насосы могут использовать тепло рек и озер, отработанных шахтных и канализационных стоков. Шахтные воды имеют огромный потенциал тепла: по оценкам специалистов, предприятия угольной отрасли ежегодно сбрасывают в открытые водоемы около 2 млрд кубометров шахтных вод, несущих более 50 млн ГДж низкопотенциальной теплоты.

Первый проект по ее утилизации был реализован еще в 1988 году на шахте «Ключевская» в Пермской области, где теплота оборотной воды компрессоров с помощью тепловых насосов использовалась для улучшения охлаждения процессов сжатия воздуха и отопления промплощадки шахты. При затратах 1 кВт/ч электроэнергии было получено 3,5 кВт/ч эквивалентной тепловой энергии.

Снизить затраты на теплоснабжение позволяет также использование теплоты сточных вод для отопления и горячего водоснабжения. Например, на РНС «Пермводоканала» тепловые насосы полностью обеспечивают потребности насосной станции в тепле и ГВС. По сравнению с применяемым ранее электроотоплением себестоимость 1 Гкал тепловой энергии снизилась в 4,6 раза, а срок окупаемости проекта составил один год.

Принцип экономии традиционных энергоресурсов становится обязательным условием при строительстве высотных зданий во всем мире

В «Мосводоканале» тепловой насос на канализационных стоках был применен для отопления шестиэтажного промышленного здания в Северном Бутово, что позволило вчетверо снизить эксплуатационные расходы и полностью отказаться от услуг теплоснабжающей организации. Оборудование преобразует тепловую энергию отработанных вод с температурой не ниже 16 °С, поступающих из московского микрорайона в насосную канализационную станцию. При этом для нужд насоса достаточно 1 кВт электрической энергии, чтобы получить для обогрева здания в пять раз больше тепловой энергии.

По данным петербургской компании АЭРОПРОФ, в Республике Беларусь была принята государственная программа поддержки таких проектов, и это подразделение компании осуществило поставки и монтаж тепловых насосов на нескольких водоочистных станциях. Кроме того, один из проектов с тепловыми насосами выполнен для спортивного комплекса в Красноярске. Тепловые насосы на «серой воде» планировалось использовать для нужд аквапарка как один из вариантов подогрева воды в сочетании с солнечными вакуумными коллекторами. Определенные решения в этой технологии позволяют при солнечной погоде даже при отрицательной температуре наружного воздуха получать горячую воду.

VIESSMANN выпускает тепловые насосы, теплообменники, скрубберы и вентиляторы, которые могут работать с агрессивными и взрывоопасными жидкостями и газами на промышленных предприятиях, где одновременно используется и нагрев, и охлаждение. В этих случаях тепло, возникающее при охлаждении, может вовлекаться в технологический процесс с максимальной экономией энергии. Такие процессы происходят на химическом, целлюлозно-бумажном, пищевом производстве, в металло- и деревообработке, производстве стройматериалов и в других отраслях.

Например, при производстве пластмасс сырье последовательно проходит процессы просушки (60 °С), плавления и пластификации (около 225 °С), прессование, охлаждение (до 6 °С). С помощью теплового насоса можно охлаждать сформованную деталь, а образующееся при этом тепло направлять на сушку сырьевых гранул. Тепло, произведенное тепловым насосом, может быть также увеличено до более высокой температуры за счет тепла от пластификатора и поступать, например, на хозяйственные нужды предприятия.

Форточки для высоток

Инженерные сооружения
Потребность высотных зданий в магистральной воде сокращают при помощи систем очистки и рециркуляции технической воды, сбора дождевой воды и очистки сточных вод
(Чтобы увеличить, кликните на фото)

Если здание франкфуртской штаб-квартиры Commerzbank в 1997 году признано первым в мире экологическим небоскребом с естественными вентиляцией и освещением благодаря замыслу архитектора Нормана Фостера, то спустя два десятилетия принцип экономии традиционных энергоресурсов становится обязательным условием при строительстве высотных зданий во всем мире.

В качестве наиболее распространенных решений применяют утилизацию солнечной энергии, низкопотенциального тепла грунта и водопроводных стоков. Большое внимание уделяется естественному освещению, рекуперации воздуха и даже использованию ветровой энергии.

Например, для 69-этажного здания Pearl River Tower в Гуаньджоу спроектированы ветровые турбины на технических этажах, а для высотного здания Turning Torso – отдельно стоящая ветровая электростанция. Потребность высотных зданий в магистральной воде сокращают при помощи систем очистки и рециркуляции технической воды, сбора дождевой воды и очистки сточных вод.

Несмотря на ограничения из-за экстремальных значений наружных температур и ветровой нагрузки для высотных зданий, разработаны различные инженерные решения естественного проветривания, снижающие нагрузку на системы вентиляции и кондиционирования, на которые приходится до 60% энергозатрат. Конструктивно они выполняются в виде безопасных окон специальной конструкции или двухслойного вентилируемого фасада, в зависимости от аэродинамических характеристик формы здания, направления и скорости преобладающих воздушных потоков.

В первом случае заполнением светопроема служит либо двойное остекление с наклонной фрамугой в верхней зоне окна, либо стеклопакет с выдвижными оконными створками. Во втором случае (получившем широкое распространение) применяется двухслойный фасад с вертикальной вентиляционной шахтой по всей высоте здания или разделенной на несколько отдельных секций. Фасад может быть выполнен с щелевыми отверстиями в верхней или нижней части наружного слоя. В обоих вариантах внешний слой из стекла со специальными покрытиями несет ветро-, термо- и солнцезащитные функции. Воздушный зазор может быть разных размеров – от узкой вентиляционной щели до промежутка размером с помещением под зимний сад.

Ветроустановки с вертикальной осью не уступают по надежности и долговечности изотопным батареям

Конструкция каждого фасада с естественным воздушным потоком – это всегда результат тщательной проработки всего проекта высотного здания с использованием методов компьютерного моделирования и аэродинамических исследований. Как правило, в зданиях со стеклянными двойными фасадами предусматривается как система механической, так и естественной вентиляции: их сочетание позволяет добиться наиболее высокого уровня энергоэффективности и микроклиматических параметров.

Максимальная частота использования естественной вентиляции как раз достигнута в здании Commerzbank: в дневное время она составляет 70% времени года, в 9% времени применяется воздушное кондиционирование, в 21% – дополнительно используется механическая вентиляция с рекуперацией тепла удаляемого воздуха, что обеспечивает значительное (до 30%) сокращение электроэнергии в системе кондиционирования воздуха.

Туда, где гуляет ветер

Казалось бы, что может быть общего у арктических станций, магистральных газопроводов, проложенных по нехоженой тайге, и маяков на побережье Северного Ледовитого океана, кроме того, что они расположены в удаленных, безлюдных и неэлектрофицированных местах?

Эти объекты нуждаются в постоянных и высоконадежных автономных источниках электроэнергии, которым может стать ветрогенератор. Но не простой, а умеющий приходить в движение в таких условиях, при которых обычный ветряк оставался бы неподвижным, работать в 50-градусные морозы при штормовом и изменчивом ветровом потоке, без постоянного обслуживания и ремонта.

Промышленный образец такой ветроустановки с вертикальной осью вращения создали в Санкт-Петербурге на основе результатов исследований Воронежского государственного технического университета и лаборатории технологий энергетики возобновляемых источников Международного института компьютерных технологий. Особенностями ветрогенератора является пятилопастное колесо с шестиметровыми лопастями особой формы из композитного материала и ротор на пассивном магнитном подвесе.

Охлаждение и бросовое тепло
(Чтобы увеличить, кликните на изображение)

Самозапуск ветрогенератора происходит при скоростях ветра от 1,5 м/с, после чего начинается саморазгон до постоянной скорости вращения с эффективной выработкой электроэнергии. При установленной мощности 10кВт она может составить 50 000 кВт/ч в год. Не удивительно, что заинтересованность в ветростанциях с такими характеристиками проявляют представители Минсвязи, Минобороны, добывающие компании и владельцы трубопроводной инфраструктуры.

Ветропарка из подобных генераторов достаточно для обеспечения надежной работы распределенных объектов связи, навигации, телеметрии и других систем технологического оборудования в постоянном режиме. Учитывая, что традиционно для энерго­снабжения этих объектов применялись радиоактивные источники питания, то можно говорить о переходе на самую что ни на есть «зеленую» энергетику, не уступающую по надежности и долговечности изотопным батареям.

Татьяна Рейтер

Исследование микрорайона

Новости партнеров

Загрузка...

Смотрите также

X