Общие вопросы / бюро ГИПов / Ветроустановки в многоэтажных зданиях. Классификация и мировой опыт.  (Прочитано 2 раз)

С точки зрения автора статьи, в общем смысле ветроздание – это здание, способное полностью или в существенной степени покрывать свои потребности в энергии за счет ветра и солнечной радиации. Зданий с ветроустановками в мире становится все больше. Одной из причин этого является осознание людьми того факта, что всерьез ограничить объемы техногенных выбросов парниковых газов в атмосферу Земли реально, лишь замещая ископаемые источники энергии возобновляемыми. Среди последних и ветер, обладающий гигантским энергетическим потенциалом.

Ветроустановки – упрощенное название ветроэнергетических установок. Хоть они в большинстве своем производят электроэнергию, их редко называют ветроэлектрическими. Ведь их двигатель (необязательно один) напрямую преобразует именно ветровую энергию, причем в механическую. Преобразование в электрическую осуществляют другие элементы ветроэнергетической установки. Значит, корректное название отражает главное, без чего она не будет работать, – энергию ветра.

Ветродвигатели бывают чаще всегов виде ветроколеса или ветроротора. Обычно ветроколесо – это двигатель горизонтальной оси вращения с крыльчатыми лопастями, а ветроротор – двигатель вертикальной оси вращения в виде объемной фигуры. Вертикальная ось в данном случае совпадает с отвесной линией, а горизонтальная перпендикулярна ей. Вообще конструкций ветродвигателей и ветроустановок великое множество, особенно теоретических вариантов. Но среди этого множества можно выделить ветродвигатели и ветроустановки, которые предназначены для таких архитектурно энергетических объектов, как ветроздания.

Ветроэнергетика нынче заметная часть мировой энергетики и развивается неплохими темпами, о чем гласят отчеты таких организаций, как Всемирная ветроэнергетическая ассоциация (WWEA) и компания WindEurope (EWEA, бывшая Европейская ветроэнергетическая ассоциация).

По данным WWEA, все имеющиеся в мире ветроустановки, размещенные в более чем 90 странах, в конце 2016 г. покрывали около 5% потребности человечества в электричестве. Лидируют в этой сфере Китай, США, Германия, Индия, Испания, Великобритания, Франция, Канада, Бразилия. В современной Европе, как сообщает WindEurope, за счет ветровой энергии производится больше электричества, чем за счет сжигания угля, и ветроэнергетика по производству электроэнергии находится на втором месте среди энергетических секторов. В 2016 г. ветроэнергетические мощности обеспечили нужды Евросоюза в электричестве на 10,4% с долей 300 ТВт⋅ч.

В последние годы хорошо развивалась и малая ветроэнергетика. 2 июня 2017 г. WWEA обнародовала Всемирный отчет о малой ветроэнергетике (2017 Small Wind World Report). Согласно ему, по состоянию на конец 2015 г. число установленных по всем миру зарегистрированных малых, т.е. маломощных, ветроустановок составило не менее 990 тыс. единиц. А суммарная номинальная мощность всех имеющихся в мире малых ветроустановок достигла 945 МВт (рост на 14% по сравнению с 2014 г.). Предполагается, что к 2020 г. этот показатель будет доведен до 1,9 ГВт. Среди этой техники и та, которая рассчитана на объединение со зданиями разного размера и назначения, находящимися, помимо прочего, в условиях высокоплотной городской среды.

Существуют разные определения малой ветроустановки. В соответствии со стандартом IEC 61400-2 Международной электротехнической комиссии такое устройство имеет ометаемую ветродвигателем площадь менее 200 м2, приравненную к максимальной мощности примерно 50 кВт, которая генерируется при напряжении переменного тока 1000 В или постоянного – 1500 В. Собственные определения есть в отдельных странах. В Китае и США считают, что номинальная мощность малой ветроустановки составляет до 100 кВт, в Германии – до 75, Канаде – 1–30, Великобритании – 1,5–15 кВт. Для ветрозданий, которых в мире с каждым годом все больше, подходят малые ветроустановки и с вертикальной (используются чаще), и с горизонтальной (используются реже) осью вращения.

Поскольку рассматриваемая сфера строительства пребывает, образно говоря, в трудном подростковом возрасте, ветроздания, как правило, возводятся с теми или иными архитектурными и инженерными ошибками. Не случайно они находятся под огнем критики. Многие специалисты сообщают следующее:
- ожидать от ветроустановок зданий достаточно большой выработки электроэнергии не приходится, т.к. их мощность ограничивается возможностями несущего остова здания;
- шум и вибрация более всего ухудшают состояние объектов со стальным каркасом;
- монтаж ветроустановок в случае зданий не экономичен ввиду необходимости использования нетривиального оборудования и выполнения особых мер по защите здания от специфических монтажных нагрузок;
- по сравнению с обычными страхование зданий с ветроустановками заметно дороже вследствие повышенной опасности последних, что увеличивает стоимость вырабатываемой электроэнергии;
- ветроустановки зданий функционируют в ситуации высокой турбулентности ветрового потока, в результате чего существенно падает их эффективность; некоторые типы ветроустановок неплохо справляются с турбулентностью, однако не столь хорошо, чтобы работать достаточно результативно.

Указанные и другие проблемы не являются непреодолимыми. Их разрешению, помимо прочего, помогают и ведущиеся в мире дискуссии, анализ и работа над ошибками. Специалисты в большинстве своем полагают, что качественные ветроустановки зданий экономичны и эффективны тогда, когда оптимальным образом размещаются достаточно высоко над уровнем земли и действуют в сочетании с другими устройствами, преобразующими возобновляемую энергию.

Сравнительно недавно ветроустановки стали классифицировать в зависимости от того, как они взаимодействуют со зданием. Например, в работе Маттиаса Хаазе (Matthias Haase) и Эрики Лёфстрём (Erica Löfström) под названием «Ветроэнергетические установки с интенсификацией воздушного потока за счет здания – BAWT. Комплексные решения и технологии малых ветроэнергетических установок» («Building augmented wind turbines – BAWT. Integrated solutions and technologies of small wind turbines», SINTEF Academic Press, 2015) ветроустановки условно подразделяются так:
- Монтируемая на здании (building mounted wind turbine – BMWT);
- Интегрированная в здание (building integrated wind turbine – BIWT);
- С интенсификацией воздушного потока за счет здания (building augmented wind turbines – BAWT).

Соответственно и ветроздания можно называть в зависимости от того, как с ними взаимодействуют ветроустановки (кстати, в этой статье уместен используемый далее термин «ветротехника», обозначающий одну или несколько ветроустановок):
- Здание со смонтированной на нем ветротехникой или, короче, здание с BMWT;
- Здание с интегрированной в него ветротехникой (здание с BIWT);
- Здание, интенсифицирующее воздушный поток для ветротехники (здание с BAWT).

Возможны также варианты комбинированные и неопределенные (неопределенные не значит плохие, скорее наоборот). Наиболее интересным представляется третий тип ветрозданий, являющихся целостными архитектурно- энергетическими объектами.

Для ветроустановок BMWT здание служит просто опорным элементом. Чаще всего такую ветротехнику размещают на крыше. Пример объекта с BMWT – многоэтажное здание Медицинского исследовательского фонда Оклахомы (Oklahoma Medical Research Foundation – OMRF, США).





Благодаря архитектурным «излишествам» оно похоже на здание с BIWT. На здании OMRF 18 вертикально- осевых спиральных ветроустановок V2 производства компании Venger Wind. Высота и номинальная мощность каждой из них соответственно 5,6 м и 4,5 кВт. Проектная выработка данного маленького ветропарка – 85,5 тыс. кВт⋅ч электроэнергии в год.

Ветроустановки BIWT интегрируют, т.е. помещают в структуру, или тело, здания. При этом ставят во главу угла одну из трех ипостасей проекта: архитектурную, конструктивную или энергетическую (электротехническую). С одной стороны, первая ипостась самая сложная, имеющая комплексный характер, а с другой – позволяет возводить ветроздания, к которым предъявляется сравнительно мало претензий. Впрочем, не всегда. Пример объекта с BIWT – штаб- квартира Комиссии по коммунальному хозяйству Сан-Франциско, США (San Francisco Public Utilities Commission headquarters).



Этот объект ввели в эксплуатацию в 2012 г., и он сразу получил признание как нечасто встречавшееся в мире на тот момент здание, построенное согласно требованиям добровольной системы сертификации экологически чистых зданий LEED Platinum, а также как одно из самых «зеленых» зданий в Северной Америке. Однако спустя год башня из вертикально-осевых ветроустановок, интегрированная в фасад, вышла из строя, возникли проблемы с системой фотоэлектрических панелей… Что касается ветроустановок, то они, занимая немало места на фасаде, производили слишком мало энергии – и, в частности, потому, что не получали достаточного количества ветровой энергии. Ведь место и высота расположения данной ветротехники в конкретном месте города не способствовали получению ею хорошего ветра. Описанная ситуация если уже не исправлена, то будет исправлена.

А вот ветротехнику BAWT не просто и не лишь бы как интегрируют в здание, а делают все, чтобы оно само играло роль ее важного элемента. И тогда здание интенсифицирует, или усиливает, ветровой поток, который получает, так сказать, в свое распоряжение ветротехника BAWT. Пример BAWT – многоэтажное жилое здание на Рамсгейт-стрит в лондонском районе Далстон, Великобритания.



Этот объект оснащен четырьмя приспособленными к нему малошумными вертикально-осевыми ветроустановками марки Qr5 с тремя геликоидными лопастями из углеродного волокна, каждая производства британской компании Quiet Revolution. Номинальная мощность Qr5 при работе на сеть – 6,5 кВт. Проектировщики из компании Waugh Thistleton Architects с помощью специалистов по ветроэнергетике весьма профессионально задали для данного здания форму, способствующую работе ветротехники с максимально возможной эффективностью. В итоге эти установки могут производить более 15% необходимого зданию электричества – примерно 40,0 тыс. кВт⋅ч в год в зависимости от среднегодовой скорости ветра. Между прочим, указанного количества хватает для покрытия потребности в электричестве офиса на 80 работников или не менее 40 небольших квартир.

В Беларуси теоретические разработки и скромные экспериментальные исследования ветрозданий выполнялись при ведущей роли кандидата технических наук Николая Лаврентьева. К примеру, он с коллегами изобрел многоярусную ветроустановку, которую резонно именовать зданием с BAWT (Ветроэнергетическая установка: пат. BY 9608 / Н.А. Лаврентьев, Д.Д. Жуков, В.Г. Шляхтенко, Ю.Н. Лаврентьева. – Опубл. 30.06.2010). Это ветроздание, показанное на рисунке, работает нижеописанным образом.



Ветровой поток воздействует через пространственные концентраторы (к ним относятся, во-первых, строительные конструкции 12, т.е. шесть секций здания, и их трансформируемые створки в виде щитов 13, а также трансформируемые ветроприемные экраны верхнего ветроротора 11 ), а также шатровый конусный концентратор 1 на желобчатые геликоидные лопасти 10 каскада 6 ветророторов 7. При этом создается крутящий момент на приводных валах. Его величина регулируется подачей ветрового потока к лопастям 10 за счет трансформации створок 13, управляемых приводами 14, и экранов. Второе крайнее положение створок 13 показано штриховой линией.

В рабочем режиме поток воздуха, попадая в лопасти 10, по спирали скользит вверх и уходит с них в форме вихря. Его скорость и плотность на выходе из верхнего ветроротора может достигать состояния смерча, создавая при этом саморегуляцию работы многоярусной ветроустановки в целом. Восходящий поток обеспечивает подсос воздуха по арочным каналам 3 через раструб 2 к вихреобразующему цилиндроиду 5, в пределах которого находятся ветророторы. Этот поток воздействует сначала на крыльчатое ветроколесо 4, а затем последовательно с ускорением за счет вихря – на крыльчатые ветроколеса 9 и 8 ветророторов 7, создавая крутящие моменты на приводных валах. Приращение скорости ветра в цилиндроиде 5 и величины этих моментов для каждого вышерасположенного ветроротора 7 значительно. Поэтому ограничение объемов воздуха, проходящих через ветророторы 7, достигается еще и поэтажным уменьшением диаметра ветроздания.

Предполагается, что суммарный крутящий момент за счет устойчивого поярусного вихреобразования способен обеспечить максимальную эффективность преобразования энергии ветра многоярусной ветроустановкой на уровне 85–95% при скорости ветра 5–7 м/с и выше по сравнению с традиционными решениями на уровне 35–45% при скорости ветра 10–15 м/с. Это подтверждено испытаниями элементов натурных моделей многоярусной установки в Белорусском национальном техническом университете.

Следует отметить желание построить жилой дом в РБ со встроенной ветроустановкой, однако пока это только намерения без каких либо сроков:


Теоретическое и практическое развитие ветроустановок и ветрозданий продолжается, несмотря на всевозможные проблемы. В частности, стремительно совершенствуются вычислительные методы и технология 3D-печати. Ведь людям не обойтись, как это ни трудно, без строительства высокоэнергоэффективных архитектурных, или архитектурно-энергетических, объектов. Например, в странах Евросоюза скоро начнется массовое возведение зданий с близким к нулевому энергобалансом, способных самостоятельно генерировать энергию.

Дмитрий Жуков, Архитектура и строительство № 5 / 2017

От такой "турбины" будет много шума и жильцы с ума сойдуть (((

📱Размещаем вакансии в Телеграм-канале!
Теперь, размещая вакансии на Proekt.by мы дублируем их в нашем Телеграм-канале с ~5000 подписчиками. Преимущество - мгновенный охват огромной аудитории - специалистов стройотрасли.