Ветрогенератор и дом как единое целое
Электроэнергию можно вырабатывать и с помощью установленных на здания ветроэнергетических установок. Для этой цели лучше всего подходят их модели малой мощности — не более 100 киловатт.
Британские успехи
Европейский лидер в сфере малой ветроэнергетики ( Великобритания. По данным ведущей британской специализированной ассоциации в области возобновляемой энергии RenewableUK (бывшая Британская ассоциация ветроэнергетики — BWEA), в 2010 году предприятия Соединенного Королевства смонтировали 2853 ветроустановки, мощность каждой из которых не превышает 100 киловатт (в докризисном 2009 году смонтировали 3280). А с 2005 по 2010 год британцы ввели в эксплуатацию около 17 тысяч малых ветрогенераторов. При этом более 2,5 тысячи из них оказались над зданиями. В RenewableUK прогнозируют, что к 2020 году общая установленная мощность британских малых ветроустановок, в том числе расположенных над зданиями, может достигнуть 1,3 гигаватт.
Накопилось достаточное количество фактов, свидетельствующих в пользу того, что над зданиями и около них эффективнее горизонтально-осевых работают вертикально-осевые модели ветроустановок. В Великобритании и за ее пределами становится все больше смонтированных над зданиями и на земле ветряков марки qr5 производства британской компании Quiet Revolution. Нынче ветрогенераторы этой марки можно считать лучшими в мире для применения в урбанизированной среде. На рисунке 1 (фото RWE Innogy) — qr5 на крыше здания в германском городе Эссене.
Основные характеристики qr5: вертикально-осевая ветроэнергетическая установка с тремя лопастями геликоидной формы; высота ротора 5,0 метра; диаметр ротора 3,1 метра; рабочая скорость ветра 4,5–19,0 метров в секунду (с регулированием мощности свыше скорости 14,0 метра в секунду); скорость вращения ротора 100–260 оборотов в минуту; пиковая мощность в случае выработки постоянного тока (при скорости ветра 15,5 метра в секунду) 7,1 киловатта; срок службы 25 лет; расчетный объем годовой выработки электроэнергии при поставке в сеть до 7,5 тысячи киловатт-часов.
Белорусские опыты
В Беларуси работы, связанные с городской ветротехникой, ведутся с 1990-х годов. Ведутся благодаря такому самобытному инженеру и ученому, как кандидат технических наук Николай Лаврентьев, который запатентовал более двадцати технических решений в области ветроэнергетики. И, несмотря на то что особых лавров во внедрении инновационной ветротехники этот специалист и его коллеги пока не снискали (причины этого заслуживают отдельного рассказа), в их портфолио содержится много важного и полезного. Это изобретения, результаты экспериментов, архитектурно-дизайнерские концепции и т.д.
Вот некоторые конкретные пункты из упомянутого перечня. В аэродинамической трубе протестированы модели вертикально-осевых ветророторов с геликоидными лопастями. На полигоне в городе Заславле Минской области испытана горизонтально-осевая ветроустановка с геликоидными вихреобразователями номинальной мощностью 16 киловатт.
Выполнена госбюджетная научно-исследовательская работа по комплексным решениям небольших зданий, оснащенных крышной ветротехникой /1/. Издана книга о ветроэнергоресурсах и условиях возведения ветроэнергетических установок в Беларуси, Латвии, Литве, Украине и Эстонии /2/.
Недавно появился и такой пункт. В июле 2011 года на крыше здания ОАО «Техника связи» в городе под названием Барань Витебской области установлен черновой опытный вариант вертикально-осевого ветрогенератора с тремя геликоидными желобчатыми лопастями (рисунок 2 — фото Александра Кучерявого). После серьезной доработки и оснащения пространственным концентратором ветрового потока /3/ этот ветряк может иметь мощность до 2–3 киловатт.
Сравнения и отличия
Сравним рисунки 1 и 3. На последнем — журнальное изображение (автор архитектурного решения Ольга Бизюк) небольшой модели геликоидного ветроротора, выполненного Николаем Лаврентьевым /4/. Данный ротор отвечает техническому решению по патенту на изобретение, заявку на получение которого в Беларуси указанный последним автор и его коллега подали в 1998 году /5/. А дата приоритета запатентованного изобретения по qr5 приходится на 2003 год. Вывод: британская идея родилась позже, но по скорости внедрения белорусская сторона терпит катастрофическое поражение.
То, что над зданиями можно размещать трехлопастные геликоидные ветроустановки вертикально-осевого типа, Николай Лаврентьев и первый из авторов настоящей статьи отмечали не раз: и в упомянутой выше публикации /4/, и до нее. Причем делали это с помощью своих учеников из архитектурно- строительной сферы, которые прорабатывали различные варианты ветрозданий — объектов, которые способны полностью или в значительной мере обеспечивать свои энергетические потребности за счет ветра и солнечного излучения. А что касается недостатков вертикально-осевых геликоидных ветрогенераторов, то они уже сейчас в значительной мере сводятся к минимуму.
Предлагаемые для ветрозданий ветряки с пространственным концентратором могут иметь вид, близкий к тому, который показан на рисунке 4 (автор рисунка Вадим Буто). Такой концентратор — первое главное отличие белорусского геликоидного ветрогенератора, существующего пока лишь в теории и небольших моделях, от реального ветрогенератора qr5. Второе главное отличие — желобчатые лопасти. Желоба увеличивают парусность лопастей, усиливают вертикальный вихревой поток, создаваемый ветроротором, и снижают риск появления опасных вибраций ветряка. Ветрогенератор с пространственным концентратором прочнее обычного и предназначен для скорости ветра от 3,5 до 15 метров в секунду.
Особенности ветрозданий
Мощность ветротехники и других источников энергии, принадлежащих ветрозданию, должна определяться в зависимости от величины его отапливаемого объема. И наоборот. Последний следует вычислять, ориентируясь на санитарно-гигиенический оптимум, а не на демонстративный (престижный) уровень потребления. Следование же принципам композиционного формообразования не позволяет уйти от соразмерности ветроустановки и находящегося под ней корпуса здания.
Квадратные, круглые или близкие к этим формам плана ветроздания не самых больших размеров целесообразно оснащать одиночным однокаскадным или двухкаскадным (ротор над ротором) геликоидным ветряком с пространственным концентратором. Самостоятельные опоры ветрогенератора с амортизаторами в верхней части нужно отделять от несущих конструкций помещений постоянного пребывания людей. Опоры могут располагаться как вне основного объема здания, так и вне и внутри него одновременно.
Логично ставить ветроздания на возвышениях и не окружать высокой растительностью. Кровли этих строений правильно делать скатными, чтобы они играли роль конфузора — дополнительного концентратора ветрового потока. В отношении энергопотребления ветроздание не должно уступать пассивному дому. Потребность такого дома в тепловой энергии не более 15 киловатт-часов на метр квадратный в год, а полная потребность в первичной энергии не более 120 киловатт-часов на метр квадратный в год.
Концептуальные наметки
Проектные эскизы ветрозданий как целостных архитектурно-дизайнерских объектов разрабатывались студентами архитектурного факультета Белорусского национального технического университета и факультета дизайна и декоративно-прикладного искусства Белорусской государственной академии искусств. Среди них курсовой проект энергоэффективного хлебозавода, выполненный в 2005 году в БНТУ (автор Александр Кучерявый, научный консультант Дмитрий Жуков; рисунок 5) и два дипломных проекта, выполненных в 2011 году в БГАИ (руководитель Дмитрий Жуков): предметно-пространственной среды инновационного энергоактивного коттеджа (автор Ольга Николаева; рисунки 6 и 7)
и предметно-пространственной среды инновационного общественного здания средней этажности (автор Юлия Трофименко, рисунки 8 и 9). На рисунках 5–8 показаны фрагменты проектов. Инновационная подоснова всех проектов — источник /3/.
Идея первого дипломного проекта — достижение гармоничной визуальной целостности архитектурно-дизайнерского решения малоэтажного жилого дома бионических форм и расположенного над ним однокаскадного вертикально-осевого геликоидного ветрогенератора с пространственным концентратором. Эта ветроустановка — архитектурно-дизайнерская доминанта коттеджа, имеющего близкий к нулевому энергобаланс. Футуристический фасад обусловливает образ внутренней предметно-пространственной среды дома.
Идея второго дипломного проекта — та же, но относится к зданию проектно-строительной компании и двухкаскадному ветрогенератору. И в этом случае композиционной доминантой имеющего близкий к нулевому энергобаланс здания служит ветроустановка, которая формирует его эстетический образ. Будто растение, тянущееся навстречу живительным лучам, она «ловит», по существу, солнечную энергию. Ибо ветер — творение Солнца. Бионика цветка крокуса обусловливает также стилевой характер интерьеров.
Предполагаемое место строительства хлебозавода — Минск, коттеджа и здания проектно-строительной компании — холмы на северо-западе от Минска. Ориентировочная мощность ветроустановок второго и третьего объектов — соответственно 25 и 50 киловатт. Уместно заметить, что перед авторами приведенных работ не ставилась задача полного игнорирования уровня демонстративного потребления и минимизации величины отапливаемых объемов.
Маяки прогресса
Можно с немалой долей вероятности предположить, что наступит то время, когда на ветроздания возникнет спрос со стороны людей, которым по душе оригинальная, открытая всем ветрам и отвечающая принципам устойчивого развития среда обитания. Таким зданиям суждено стать маяками инновационного развития архитектуры и энергетики. Причем едва ли не в буквальном смысле слова. Ведь для размещения ветрозданий лучше всего подходят холмы и горы.
Литература
1. 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; — Минск, 2005.
2. Ветроэнергоресурсы и условия возведения ветроэнергетических установок на территории Восточной Прибалтийско-Черноморской зоны Европы / Лаврентьев Н.А., Волобуева Г.В., Гноевой А.И., Камлюк Г.Г., Евчук В.И.; под научной редакцией Н.А. Лаврентьева. — Минск: Право и экономика, 2010. — 455 с.
3. Патент на изобретение BY 9608. Ветроэнергетическая установка. Лаврентьев Н.А., Жуков Д.Д., Шляхтенко В.Г., Лаврентьева Ю.Н. Приоритет от 12.24.2003.
4. Жуков Д.Д., Лаврентьев Н.А. Энергию ветра — на ветер?.. // Архитектура и строительство. — 1999. — № 5. — С. 36–38.
5. Патент на изобретение BY 4323. Ветроэнергетическая установка. Лаврентьев Н.А., Хлебцевич В.А. Приоритет от 23.11.1998.
Дмитрий ЖУКОВ, канд. техн. наук, доцент БГАИ
Александр КУЧЕРЯВЫЙ, архитектор
Ольга НИКОЛАЕВА, дизайнер
Юлия ТРОФИМЕНКО, дизайнер
Британские успехи
Европейский лидер в сфере малой ветроэнергетики ( Великобритания. По данным ведущей британской специализированной ассоциации в области возобновляемой энергии RenewableUK (бывшая Британская ассоциация ветроэнергетики — BWEA), в 2010 году предприятия Соединенного Королевства смонтировали 2853 ветроустановки, мощность каждой из которых не превышает 100 киловатт (в докризисном 2009 году смонтировали 3280). А с 2005 по 2010 год британцы ввели в эксплуатацию около 17 тысяч малых ветрогенераторов. При этом более 2,5 тысячи из них оказались над зданиями. В RenewableUK прогнозируют, что к 2020 году общая установленная мощность британских малых ветроустановок, в том числе расположенных над зданиями, может достигнуть 1,3 гигаватт.
Основные характеристики qr5: вертикально-осевая ветроэнергетическая установка с тремя лопастями геликоидной формы; высота ротора 5,0 метра; диаметр ротора 3,1 метра; рабочая скорость ветра 4,5–19,0 метров в секунду (с регулированием мощности свыше скорости 14,0 метра в секунду); скорость вращения ротора 100–260 оборотов в минуту; пиковая мощность в случае выработки постоянного тока (при скорости ветра 15,5 метра в секунду) 7,1 киловатта; срок службы 25 лет; расчетный объем годовой выработки электроэнергии при поставке в сеть до 7,5 тысячи киловатт-часов.
Белорусские опыты
В Беларуси работы, связанные с городской ветротехникой, ведутся с 1990-х годов. Ведутся благодаря такому самобытному инженеру и ученому, как кандидат технических наук Николай Лаврентьев, который запатентовал более двадцати технических решений в области ветроэнергетики. И, несмотря на то что особых лавров во внедрении инновационной ветротехники этот специалист и его коллеги пока не снискали (причины этого заслуживают отдельного рассказа), в их портфолио содержится много важного и полезного. Это изобретения, результаты экспериментов, архитектурно-дизайнерские концепции и т.д.
Вот некоторые конкретные пункты из упомянутого перечня. В аэродинамической трубе протестированы модели вертикально-осевых ветророторов с геликоидными лопастями. На полигоне в городе Заславле Минской области испытана горизонтально-осевая ветроустановка с геликоидными вихреобразователями номинальной мощностью 16 киловатт.
Выполнена госбюджетная научно-исследовательская работа по комплексным решениям небольших зданий, оснащенных крышной ветротехникой /1/. Издана книга о ветроэнергоресурсах и условиях возведения ветроэнергетических установок в Беларуси, Латвии, Литве, Украине и Эстонии /2/.
Сравнения и отличия
То, что над зданиями можно размещать трехлопастные геликоидные ветроустановки вертикально-осевого типа, Николай Лаврентьев и первый из авторов настоящей статьи отмечали не раз: и в упомянутой выше публикации /4/, и до нее. Причем делали это с помощью своих учеников из архитектурно- строительной сферы, которые прорабатывали различные варианты ветрозданий — объектов, которые способны полностью или в значительной мере обеспечивать свои энергетические потребности за счет ветра и солнечного излучения. А что касается недостатков вертикально-осевых геликоидных ветрогенераторов, то они уже сейчас в значительной мере сводятся к минимуму.
Особенности ветрозданий
Мощность ветротехники и других источников энергии, принадлежащих ветрозданию, должна определяться в зависимости от величины его отапливаемого объема. И наоборот. Последний следует вычислять, ориентируясь на санитарно-гигиенический оптимум, а не на демонстративный (престижный) уровень потребления. Следование же принципам композиционного формообразования не позволяет уйти от соразмерности ветроустановки и находящегося под ней корпуса здания.
Квадратные, круглые или близкие к этим формам плана ветроздания не самых больших размеров целесообразно оснащать одиночным однокаскадным или двухкаскадным (ротор над ротором) геликоидным ветряком с пространственным концентратором. Самостоятельные опоры ветрогенератора с амортизаторами в верхней части нужно отделять от несущих конструкций помещений постоянного пребывания людей. Опоры могут располагаться как вне основного объема здания, так и вне и внутри него одновременно.
Логично ставить ветроздания на возвышениях и не окружать высокой растительностью. Кровли этих строений правильно делать скатными, чтобы они играли роль конфузора — дополнительного концентратора ветрового потока. В отношении энергопотребления ветроздание не должно уступать пассивному дому. Потребность такого дома в тепловой энергии не более 15 киловатт-часов на метр квадратный в год, а полная потребность в первичной энергии не более 120 киловатт-часов на метр квадратный в год.
Концептуальные наметки
Идея второго дипломного проекта — та же, но относится к зданию проектно-строительной компании и двухкаскадному ветрогенератору. И в этом случае композиционной доминантой имеющего близкий к нулевому энергобаланс здания служит ветроустановка, которая формирует его эстетический образ. Будто растение, тянущееся навстречу живительным лучам, она «ловит», по существу, солнечную энергию. Ибо ветер — творение Солнца. Бионика цветка крокуса обусловливает также стилевой характер интерьеров.
Предполагаемое место строительства хлебозавода — Минск, коттеджа и здания проектно-строительной компании — холмы на северо-западе от Минска. Ориентировочная мощность ветроустановок второго и третьего объектов — соответственно 25 и 50 киловатт. Уместно заметить, что перед авторами приведенных работ не ставилась задача полного игнорирования уровня демонстративного потребления и минимизации величины отапливаемых объемов.
Маяки прогресса
Можно с немалой долей вероятности предположить, что наступит то время, когда на ветроздания возникнет спрос со стороны людей, которым по душе оригинальная, открытая всем ветрам и отвечающая принципам устойчивого развития среда обитания. Таким зданиям суждено стать маяками инновационного развития архитектуры и энергетики. Причем едва ли не в буквальном смысле слова. Ведь для размещения ветрозданий лучше всего подходят холмы и горы.
Литература
1. 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; — Минск, 2005.
2. Ветроэнергоресурсы и условия возведения ветроэнергетических установок на территории Восточной Прибалтийско-Черноморской зоны Европы / Лаврентьев Н.А., Волобуева Г.В., Гноевой А.И., Камлюк Г.Г., Евчук В.И.; под научной редакцией Н.А. Лаврентьева. — Минск: Право и экономика, 2010. — 455 с.
3. Патент на изобретение BY 9608. Ветроэнергетическая установка. Лаврентьев Н.А., Жуков Д.Д., Шляхтенко В.Г., Лаврентьева Ю.Н. Приоритет от 12.24.2003.
4. Жуков Д.Д., Лаврентьев Н.А. Энергию ветра — на ветер?.. // Архитектура и строительство. — 1999. — № 5. — С. 36–38.
5. Патент на изобретение BY 4323. Ветроэнергетическая установка. Лаврентьев Н.А., Хлебцевич В.А. Приоритет от 23.11.1998.
Дмитрий ЖУКОВ, канд. техн. наук, доцент БГАИ
Александр КУЧЕРЯВЫЙ, архитектор
Ольга НИКОЛАЕВА, дизайнер
Юлия ТРОФИМЕНКО, дизайнер
