Ветроздание со стенами из соломенных блоков

Еще несколько лет назад предложения устанавливать ветроэнергетические установки над крышами домов воспринимались как утопия. Тем более такие установки, которые способны полностью обеспечивать здания хотя бы электричеством для освещения, не говоря уже об их полном энергоснабжении за счет силы ветра. Однако сегодня так называемая крышная ветроэнергетика в ряде стран мира обретает зримые черты. И этот процесс — не блажь одержимых технической экзотикой не в меру оригинальных изобретателей. Он объективно обусловлен вызывающим серьезные опасения ухудшением климата и ростом цен на невозобновляемую энергию.

Европейским лидером в освоении урбоветроустановок (городские) стала в начале нынешнего века Голландия. Появляются коммерческие ветряки на крышах британских зданий. И в других западноевропейских странах к технике такого рода проявляется достаточно серьезный интерес. Одной из первых солидная крышная ветроустановка утвердилась на здании Технической школы (школа ROVC) в голландском городе Эде. Данная горизонтально-осевая установка с ротором из нержавеющей стали имеет производительность примерно 5000 кВтч электроэнергии в год. В принципе подобная эффективная ветротехника способна вырабатывать до 8000 кВтч электроэнергии в год. Такого количества достаточно для электроснабжения среднестатистического голландского жилища, ежегодно потребляющего порядка 3500 кВтч электроэнергии.

Но, как свидетельствует уже и практика, эффективнее горизонтальноосевых урбоветроустановок их «родственницы» с вертикальной осью вращения и геликоидными лопастями. Например, в Англии на дома или у домов ставятся вертикальноосевые трехлопастные геликоидные ветряки типа quietrevolution qr5, который разработан британской компанией XCO2 в 2005 г. Вот некоторые характеристики этой ветроустановки: номинальная мощность — 6,0 кВт; высота ветроротора — 5,0 м; диаметр ветроротора — 3,1 м; вес — 450 кг; рабочая скорость ветра — 4,5-16,0 м/с; минимальная высота размещения ветроротора над зданием — 3,0 м; гарантия — 2 года на компоненты; полная стоимость (с монтажом) — более 30 тыс. фунтов стерлингов; срок службы — 25 лет; расчетный объем выработки электроэнергии при той же среднегодовой скорости ветра — примерно 10 тыс. кВтч. На рис. 1 — фотография общего вида ветряка qr5 и ветряка qr5 на крыше паба (слева вверху; это первый коммерческий вариант, сентябрь 2007 г.).

Что касается одного из самых авторитетных белорусских специалистов в области ветроэнергетики кандидата технических наук Николая Лаврентьева, а также автора настоящей статьи, то они обосновали принципиальную возможность размещения над зданиями трехлопастной геликоидной ветроустановки вертикальноосевого типа, техническое решение которой было защищено российским патентом, еще в 1999 году (Жуков Д., Лаврентьев Н. Энергию ветра — на ветер?.. // Архитектура и строительство. — 1999. — № 5. — С. 36-38.). И теперь вместе со своими коллегами предлагают архитектурно-технические решения такого типа здания, которое может полностью или даже с избытком обеспечить себя энергией за счет ветра и солнца. Этот тип получил название «ветроактивное здание», или сокращенно «ветроздание». Среди отличительных черт подобных объектов — их относительно небольшая полезная площадь. Конечно, более-менее заметный спрос на такие строения может появиться, когда не добиваться максимально возможной энергоэффективности и экологической чистоты зданий будет категорически нельзя. А, судя по всему, такие времена не за горами.

Что касается пугающих многих людей недостатков урбоветроустановок, то, во-первых, их мощность сравнительно мала (мощность генератора не более 30-50 кВт), а во-вторых, эти недостатки (динамические нагрузки, вибрация, шум, электромагнитные поля) уже сейчас удается в значительной степени минимизировать. Думается, в недалеком будущем в результате неизбежного технологического развития крышные ветряки станут не страшнее современных домашних холодильников. Предложения по ветрозданиям зиждятся не на пустом месте. В частности, сделано следующее. Проведены испытания моделей вертикальноосевых геликоидных ветророторов в аэродинамической трубе кафедры ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» БНТУ. На полигоне в Заславле проверена работа ветроустановки с геликоидными вихреобразователями мощностью 16 кВт. Эти исследования подтвердили то, что геликоидные ветряки самые эффективные. Выполнена соответствующая научно-исследовательская работа (Разработка принципиальных вариантов рационального сочетания базовых архитектурных, строительных и инженерных решений небольших энергоактивных зданий, оснащенных гелио- и ветротехникой, для климатических условий Беларуси: Отчет о НИР/БНТУ; Руководитель Д.Д. Жуков; № ГР 20041893; — Мн., 2005).

Выбор типа и мощности крышного ветряка, а также определение расстояния от уровня земли до его низа осуществляется на основании расчетов по данным картографических и натурных обследований места строительства ветроздания. Его отапливаемый объем обусловливается мощностью и размерами ветроустановки. Но в любом случае габаритные размеры ветряка в плане не должны заметно превышать соответствующие размеры указанного пространства. При этом, стремясь к увеличению размеров ветроустановки (для увеличения ее мощности) и уменьшению размеров здания (для уменьшения расхода в нем энергии), следует находить оптимальный вариант. Для небольших жилых и подобных им общественных зданий рекомендуются однокаскадные (одноярусные) вертикальноосевые геликоидные ветроустановки с пространственным концентратором ветрового потока, а в производственных — однокаскадные или двухкаскадные (двухъярусные) (Патент на изобретение BY 9608. Ветроэнергетическая установка. Лаврентьев Н.А., Жуков Д.Д., Шляхтенко В.Г., Лаврентьева Ю.Н. 2003 от 2007.05.05). Принципиальное решение однокаскадного ветряка ветроздания — на рис. 2.

Его позиции: 1 — ветроротор, 2 — карниз, 3 — кровля-конфузор, 4 — вентиляционные каналы и иные элементы инженерного оснащения здания, 5 — горизонтальные и вертикальные связи экранов концентратора, 6 — вал ветроротора, 7 — верхние внутренние связи экранов концентратора, 8 — наружная стена, 9 — геликоиды, 10 — экран пространственного концентратора, 11 — крепление ветроротора к экранам концентратора, 12 — чердачное перекрытие, 13 — помещение для оборудования ветряка, 14 — холодный чердак. Двухкаскадная ветроустановка производственного ветроздания (архитектор Вадим Буто, инженеры Д. Жуков и Н. Лаврентьев) показана на рис. 3.

Ветроустановка с пространственным концентратором обладает повышенной прочностью и работоспособна в диапазоне рабочих скоростей ветра от 3,5 до 15,0 м/с. Накопление выработанной ею электроэнергии осуществляется в конденсатном аккумуляторе, куда она поступает через выпрямитель. После выхода напряжения на уровень в 380 В электроэнергия подается на потребление. Потери энергии в результате хранения ее в конденсатном аккумуляторе составляют примерно 10%. Избыточная электроэнергия хранится в долговременном аккумуляторе. В этом случае ее потери могут составлять примерно 20%.

Ветроздания желательно размещать на возвышениях и не закрывать высокой растительностью. Количество этажей в них — 2 или 3. Минимально допустимое с энергетической точки зрения расстояние от уровня земли до низа ветроротора — 12 м. Целесообразно предусматривать остекленные неотапливаемые или частично отапливаемые для поддержания роста растений наружные галереи, служащие тепловыми буферными зонами. Кровли должны быть преимущественно скатными, так как они являются элементами концентраторов ветрового потока — конфузорами. Конструктивные системы ветрозданий — каркасные и каркасно-стеновые (с наружными несущими стенами).

Рациональны монолитные и сборно-монолитные железобетонные каркасы с плоскими дисками перекрытий. Самостоятельные опоры ветряка, снабженные амортизаторами в верхней части, отделяются от несущих конструкций помещений постоянного пребывания людей. Указанные конструктивные моменты отражены на рис. 4, на котором представлены и два варианта наружных стен. Здесь: 1 — крайняя колонна, 2 — средняя колонна Г-образного сечения, 3 — средняя опорная колонна ветроустановки, 4 — сплошная плита перекрытия, 5 — лестничный марш, 6 — обрамляющее лестницу перекрытие, 7 — отверстие в сплошной плите перекрытия, 8 — консольно закрепленная к двум колоннам плита лестничной площадки, 9 — наружные самонесущие стены, 10 — толстослойная штукатурка на металлической сетке, 11 — соломенные блоки, 12 — гипсокартонные или гипсоволокнистые листы, 13 — каменная стена с легкой штукатурной системой утепления. Опоры ветряка могут располагаться или вне основного объема здания, или вне и внутри его одновременно.

Одна из схем ветроздания показана на рис. 5. В этом случае названные опоры располагаются как вне основного объема здания, так и внутри его. На этом рисунке: 1 — наружная стена, 2 — солнечный коллектор, 3 — внутреннее полезное отапливаемое пространство, 4 — опорный каркас ветроустановки (его наружная часть — стальная), 5 — холодный чердак, 6 — техническое помещение, 7 — скатная кровля, 8 — геликоидный ветроротор, 9 — экран пространственного концентратора.

Наружные ограждающие конструкции ветрозданий следует проектировать исходя из заданного удельного расхода энергии на отопление, горячее водоснабжение, электроснабжение, вентиляцию, кондиционирование воздуха и иные цели. Надо стремиться к тому, чтобы максимальная величина суммарного расхода невозобновляемой энергии составляла для здания жилищно-гражданского назначения 30 кВтч/м2 в год и здания производственного назначения 60-90 кВтч/м2 в год. Оптимальный вариант — следование концепции пассивного дома. В этом случае полное годовое потребление энергии ветрозданием первого вида не будет превышать 100 кВтч/м2. Для обеспечения таких показателей сопротивление теплопередаче наружных ограждений ветрозданий должно быть не менее: 10 м2С/Вт — для наружных стен, крыши или чердачного перекрытия, 1,2 м2С/Вт — для окон и дверей. В списке позиций под рис. 4 указаны соломенные блоки. Это не случайно. Дело в том, что строительную часть дома, насыщенного современным технологическим оборудованием, нелогично выполнять, используя полимерные материалы. Об этом свидетельствует и опыт эксплуатации тех пассивных домов, для теплоизоляции которых однажды воспользовались пенополиуретаном или пенополистиролом.

С тем, чтобы повысить экологический уровень ветроздания, наружные стены в нем разумно делать биопозитивными, то есть оказывающими благотворное влияние на физическое и психическое состояние человека. И для этой цели превосходно подходят соломенные блоки. В Беларуси во многом благодаря кандидату технических наук Евгению Широкову накоплен неплохой опыт соломенного строительства. Им, конечно, не следует пренебрегать и при возможном строительстве ветрозданий. Один из вариантов конструкции самонесущей стены с деревянным каркасом, заполненным прессованными соломенными блоками, показан на рис. 6 и 7. На первом из них (это вертикальный разрез): 1 — внутренняя отделка, 2 — элементы деревянного каркаса, 3 — соломенный блок, 4 — наружная штукатурка, 5 — железобетонный диск перекрытия, 6 — пол, 7 — железобетонная колонна, 8 — оконный проем (его заполнение условно не показано), 9 — короб для роллет, 10 — роллеты, 11 — подоконный слив. На втором (это горизонтальный разрез): 4 — стойка каркаса стены, 5 — колонна. А чердачное перекрытие при этом может иметь теплоизоляцию из каменной ваты (рис. 8). То же касается и нижнего перекрытия с фундаментом.

В ветрозданиях, как и в любом пассивном доме, нужна приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла. Для отопления хороша электрическая кабельная система «теплый пол». Ветро- и гелиотехнику в случае производственных ветрозданий можно дополнить другими источниками энергии, в том числе работающими на природном газе и древесных гранулах (конденсационные котлы и др.), а также тепловыми насосами. Для обеспечения оптимального функционирования всего комплекса инженерного оборудования ветрозданий его следует автоматизировать. О выработке и потреблении энергии жилым ветрозданием можно судить на примере расчетов, относящихся к проектному предложению подобного объекта с однокаскадным ветряком и тепловой гелиосистемой (место строительства — один из холмов Минска, номинальная мощность ветроустановки — 16,58 кВт, площадь отапливаемых помещений двух этажей и мансарды — 206,67 м2, отапливаемый объем — 654,46 м3). Среднегодовая выработка электроэнергии ветряком — 43.572 кВтч, среднегодовая выработка энергии гелиосистемой — 4500 кВтч, суммарная выработка энергии — 48.072 кВтч. Общий среднегодовой расход энергии зданием — 33.481 кВтч (при полном удельном расходе 162 кВтч/м2 в год). Превышение выработки над расходом — 14.591 кВтч.

В заключение стоит лишний раз отметить, что предлагаемые архитектурно-технические решения ветрозданий имеют не только некоторую теоретическую ценность. В них есть и конкретный экономический смысл. Так, расположение ветряка над зданием — это экономия дорогой земли. А передача в централизованные электросети излишков выработанного ветроустановкой электричества (в случае подключения ветроздания к таким сетям) — неплохой способ зарабатывать деньги. И это еще не все.

Дмитрий ЖУКОВ, канд. техн. наук