ПРИМЕНЕНИЕ ВЕТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ ПОДСВЕТКИ ФАСАДА ЗДАНИЯ ПЕРМСКОГО ПЛАНЕТАРИЯ

Наблюдая экологическую ситуацию в мире сегодня, человечество все более приходит к осознанию того факта, что запасы ископаемого топлива ограничены, и его использование ведет к загрязнению окружающей среды. Привлекательным становится использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Особенно актуальным их применение может стать для г. Перми, где вопрос об улучшении экологической ситуации на сегодняшний день стоит остро.

В рамках магистерской диссертации на тему «Реконструкция Пермского планетария» рассматривается вариант модернизации здания планетария посредством повышения его энергоэффективности с помощью обустройства ветрогенерирующей системы. Такая система позволит, например, обеспечить архитектурную подсветку фасада реконструируемого здания.

Энергия ветра известна человечеству не менее 2000 лет, а для производства электроэнергии ее применяют последние 10-15 лет. Мощность ветроустановки зависит от скорости ветра, которая, в свою очередь, зависит от многих факторов: высоты над уровнем земли, географических условий и характера земной поверхности, включая различные природные и искусственные препятствия, такие, как холмы, деревья и здания. По этой причине ВЭУ располагают, по возможности, на возвышенных и удаленных указанных препятствий местах.

Ветер меняется с течением времени. Ветровой потенциал территории характеризуется среднегодовой скоростью ветра. Энергия, заключенная в ветре, находится в кубической зависимости от величины скорости ветра [1, с. 10]:

где:

 – мощность ветрового потока, Вт;

 - плотность воздуха, кг/;

 - поперечная площадь сечения ветрового потока, ;

 - скорость ветра, м/с

 На основе данных многолетних наблюдений скоростей ветра в различных областях России составляются специализированные карты ветров. Как видно из карты, представленной на рис. 1, Пермская область входит в состав регионов России, в которых может быть эффективно использована энергия ветра [2].

К началу 2015 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 369 гигаватт (рис. 2, а). Среднее увеличение суммы мощностей всех ветрогенераторов в мире, начиная с 2009 года, составляет 38-40 гигаватт за год и обусловлено бурным развитием ветроэнергетики в США, Индии, КНР и ФРГ (рис. 2, б). В 2010 году в Европе было сконцентрировано 44 % установленных ветряных электростанций, в Азии — 31 %, в Северной Америке — 22 % [3].

Главное достоинство энергии ветра в том, что это чистая и возобновляемая энергия. Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу [5], и, по оценкам Global Wind Energy Council, к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО₂ на 1,5 миллиарда тонн. Согласно моделированию Стэндфордского университета, большие оффшорные ветроэлектростанции могут даже существенно ослабить ураганы, уменьшая экономический ущерб от их воздействия [6].

Но есть и негативные факторы. Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения и замедлению, что теоретически может оказывать заметное влияние на климатические условия местности. Также такие установки способны производить шум, превышающий 100 дБ. Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень шума от ветряной установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Нормируется и расстояние от установки до жилых домов — минимум 300 м.

Основные положения и этапы разработки проекта строительства ВЭУ были определены EWEA (Европейской Ветроэнергетической Ассоциацией). Последовательность проведения работ при разработке проекта размещения ВЭУ содержит семь основных этапов [1, с. 22]:

1. выбор местоположения ВЭУ;

2. технико-экономическая оценка проекта;

3. определение стоимости проекта;

4. проектирование;

5. строительство;

6. эксплуатация;

7. демонтаж и восстановление ландшафта.

Пермский планетарий расположен в Мотовилихинском районе г. Перми на склоне долины р. Егошихи по адресу Бульвар Гагарина, 27а (Рисунок 3). Для определения возможности применения ВЭУ в проекте реконструкции Пермского планетария была определена среднегодовая скорость ветра, которая составляет 2,4 м/с [8], что достаточно для обеспечения начальной скорости движения лопастей. Также необходимо отметить, что исследуемая территория представляет собой открытую и возвышенную местность. Таким образом применение ВЭУ в данной местности целесообразно.

Для подсчета необходимой мощности ВЭУ определена схема архитектурной подсветки фасада здания Пермского планетария (рис. 4). Необходимо отметить, что в данной статье представлен промежуточный вариант нового архитектурного облика и подсветки фасада здания Пермского планетария. Для схемы подсветки фасада было выбрано заливающее освещение для формирования равномерного освещения фасада по всей площади с некоторым акцентным освещением для выражения купольных покрытий и светопрозрачного фасада.

Представленную схему подсветки обеспечивают прожекторы в полу (4 шт  96 Вт), прожекторы над светопрозрачным фасадом (5 шт  96 Вт), прожекторы на стенах обсерватории (3 шт  48 Вт), прожекторы на кровле (9 шт  48 Вт),  прожекторы на кровле вокруг большого купола (5 шт  72 Вт), светодиодная лента по контуру покрытия (0,2 Вт на п.м 140 м), светодиодная лента по контуру ребер купола (0,2 Вт на п.м  278 м). Мощности выбранных светильников подобраны с учетом высоты их расположения и дальности освещения, которою необходимо обеспечить. Суммарная мощность с учетом потерь (15%) составила 2170 Вт. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Определение суммарной мощности системы подсветки

Таким образом, ежемесячное потребление электроэнергии составит:

* - усредненное значение затрат планетария на электроэнергию в месяц.

Для обеспечения заданной мощности была выбрана ветряная установка компании Energy Wind [9] мощностью 10кВт, с ежемесячной выработкой 1000-2000 кВт при скорости ветра 3-4 м/с (рис. 5). Большой запас связан с неравномерностью скорости ветра. Обеспечивая ежемесячно 780 кВт электроэнергии с помощью энергии ветра, Пермский планетарий за год сэкономит 150 тыс. руб., а за 5 лет – 750 тыс. руб. Таким образом, окупаемость одной ветроустановки наступит через 4,5 года (рис.6).

На рис. 7 представлен вариант расположения рассчитанной ВЭУ и внешний вид фасада здания Планетария в вечерней подсветке, обеспеченной с помощью ветряных установок. Три ветряные установки позволят обеспечить подсветку не только фасада здания, но и территории планетария.

Таким образом, будет обеспечена энергоэффективность обновленного здания Планетария, что является неотъемлемой частью требований, предъявляемых к современному строительству.

Список литературы:

1. Ветроэнегетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. // М.: Интерсоларцентр. – 2001. – 67 с.
2. Атласы ветрового и солнечного климатов России. СПб: Издательство им. А.И.Воейкова, 1997, 173 с.
3. GWEC – Global Wind Energy Council [Электронный ресурс]. – URL: https://gwec.net/?id=30&no_cache=1&tx_ttnews%5Btt_news%5D=177&tx_ttnews%5BbackPid%5D=4&cHash=04fdc8c00a
4. American Wind Energy Association. The Economics of Wind Energy [Электронный ресурс]. – URL: https://web.archive.org/web/20051102052723/http://www.awea.org/pubs/factsheets/EconomicsOfWind-Feb2005.pdf
5. Wind Energy and Wildlife: The Three C’s [Электронный ресурс]. – URL: https://web.archive.org/web/20060131235116/http://www.awea.org/pubs/factsheets/050629-ThreeC'sFactSheet.pdf
6. Stanford University News [Электронный ресурс]. – URL: https://news.stanford.edu/news/2014/february/hurricane-winds-turbine-022614.html
7. Справочник-каталог «Оборудование нетрадиционной и малой энергетики». М: АО «ВИЭН», 2000, 167 с.
8. Energywind [Электронный ресурс]. – URL: http://energywind.ru (дата обращения: 23.11.18).
9. Российская Ассоциация Ветроиндустрии [Электронный ресурс]. – URL: https://rawi.ru/ru/vetroenergetika-v-rossii-i-mire-v-2017-godu/ (дата обращения: 23.11.18).