IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Архитектура каждого православного храма уникальна, поскольку при проектировании, строительстве и реконструкции этих сооружений, архитекторы опираются на опыт более чем тысячелетней истории русского православного зодчества. В свою очередь инженеры, оперируя самыми последними технологическими достижениями науки, пытаются использовать в храмах наиболее эффективные и экономичные инженерные коммуникации. Действительно, православные храмы были и остаются передовыми сооружениями с технологической и инженерной точки зрения. Первые крыши в форме купола, отработанная акустика, эффективная естественная вентиляция, организованная за счет правильной конвекции воздуха. С давних пор в храмах использовалось воздушное отопление с помощью печей и горячего воздуха, который перемещался по вентиляционным каналам.

В последнее время, отмечается тенденция роста объемов реконструкции и нового строительства храмов. Современные храмы должны соответствовать новым запросам по качеству климата для комфортного пребывания людей и сохранения ценностей – икон, деревянных позолоченных элементов, фресок. Как любые уникальные здания, церкви в последнее время стараются оборудовать современными инженерными системами. Однако не стоит забывать, о стратегической задаче, поставленной Президентом и Правительством России, заключающейся в рациональном использовании топливно-энергетических ресурсов нашей страны [1]. Одним из самых перспективных путей решения данной, достаточно непростой, задачи является применение новых энергосберегающих технологий и оборудования, использующих нетрадиционные источники энергии.

Анализируя существующие системы по использованию возобновляемых источников энергии можно рассмотреть для православного храма в целях получения электроэнергии солнечные панели и ветрогенераторы, а для тепловой энергии - тепловые насосы и солнечные коллекторы.

Ветрогенераторы. В данном исследовании приоритетом должно оставаться не только создание энергоэффективного сооружения, но сохранения исторического облика храма – его архитектуры, внутреннего убранства и церковной утвари. С этой позиции достаточно сложным представляется возможность применения ветрогенератора в непосредственной близости храма. Рациональным выходом из данной ситуации является использование ветрогенераторов на некотором отдалении от храма, объединенных в ветроэлектростанцию, которая может снабжать электрической энергией не только непосредственно храм, но и тот населенный пункт, в котором этот храм располагается.

Солнечные панели. Таким же образом можно поступить и с солнечными панелями, объединяя их в солнечную электростанцию и снабжая электричеством и храм, и населенный пункт, располагаясь от них на некотором отдалении. Однако у солнечных панелей в эстетическом плане есть ряд преимуществ над ветрогенераторами, поэтому, при соответствующей работе архитектора солнечные панели могут быть вписаны в общую архитектурную композицию храма.

Использование солнечных панелей также связано с вопросом способа их креплений. В то время как в случае стационарного крепления солнечных панелей теряется до 40% солнечной энергии, и выход на запланированную мощность ведёт к увеличению площади поглощающей поверхности, установка трекинговой системы позволяет минимизировать потери на ориентирование и качественно повысить КПД всей установки без увеличения числа панелей.

Однако, необходимо учитывать особенности трекинговых систем и их влияние на фотовольтаическую установку в процессе её эксплуатации.

Максимальная мощность для актуаторов (устройства для ориентирования по осям и блоков управления автоматикой) и блока управления в 18/27 и 96/144 Ватт соответственно. Действительное, найденное эмпирически, энергопотребление будет находится в пределах 0,1 и 10 Ватт-час для актуатора и контроллера соответственно. Таким образом, собственное энергопотребление автоматики составит не более 5-7% от суммарных энергопоступлений 38-Ваттной установки при работе в ясный день. Однако, в условиях облачности, собственное энергопотребление увеличивается до 11% от суммарного и при пасмурной погоде до 50%.[2] При проектировании систем большей мощности доля энергопотребления трекинговой системы в общем балансе становится незначительной.

С точки зрения экономики, системы с солнечными трекерами приносят больший доход с течением времени по сравнению со стационарными системами схожей мощности за счёт лучшей оптимизации в работе, однако, они требуют больших начальных инвестиций. Стоимость укомплектованной трекинговой системы сопоставима со стоимостью всего проекта. В текущих рыночных ценах средние издержки на установку стационарной системы производительностью 4,6 кВатт-час составят около 244 тыс. рублей. Для системы с похожей производительностью и солнечным трекером издержки составят порядка 366 тыс. рублей. В обоих случаях ежегодный доход будет находится в пределах 7 тыс. рублей. В долгосрочной перспективе с учетом инфляции и возрастания цен на энергию дисконтированный срок окупаемости для стационарной системы и системы с трекером солнца составит 26,3 и 35,3 лет соответственно.

Наши исследования показали, что фотовольтаичные системы с солнечным трекером невыгодны на практике с точки зрения окупаемости и нерентабельны. В текущих рыночных условиях экономически более целесообразным является повышение выходной мощности системы солнечного энергоснабжения за счёт увеличения поглощающей поверхности путем установки дополнительных солнечных панелей. Установка трекинг систем может быть оправдана лишь при необходимости повышения выходной мощности в условиях ограниченности площади под установку солнечных панелей.

Солнечные коллекторы. В качестве источника теплоты для систем отопления нами был рассмотрен самый технологичный на данный момент солнечный коллектор - вакуумный коллектор с термотрубками, который может эффективно работать при температуре до -50°С. К недостаткам данного типа приборов можно отнести относительно большую цену.

Для оценки эффективности использования солнечных коллекторов нами был разработан проект отопления двухэтажного коттеджа с отапливаемым подвалом в г. Нижний Новгород, где в наряду с традиционным отопительным котлом (Buderus Logamax U072-24K) в качестве источника тепловой энергии рассматривался вакуумный коллектор с термотрубками RUCELF GARANTERM GAL 350M (размеры трубки: диаметр 58, длина 1800 мм).

Была рассмотрена отдельно общая тепловая нагрузка на систему отопления, а также отдельно нагрузка на второй этаж, первый этаж, подвал и лестничные клетки. Дополнительно был рассмотрен вариант использования солнечного коллектора для горячего водоснабжения коттеджа. Результаты данного исследования были оформлены в виде графических зависимостей, представленных на рисунке 1.

Рис 1. График потребности в трубках солнечного коллектора в зависимости от месяца: с апреля по октябрь. Условные обозначения, по тепловым нагрузкам начиная с верхней линии: 1) тепловая нагрузка на отопление всего коттеджа; 2) то же только для второго этажа; 3) то же только для третьего этажа; 4) тепловая нагрузка на горячее водоснабжение; 5) тепловая нагрузка на отопление подвала; 6) тепловая нагрузка на лестничные клетки.

Таким образом, наиболее неблагоприятным месяцем для использования солнечной энергии для нашего города является декабрь, где проявляется наибольшая потребность в трубках – 3452! Это объясняется не только зависимостью от интенсивности солнечного излучения, но и необходимостью для отопительных систем с радиаторами производить нагрев теплоносителя до высоких температур (80-95ºС в подающей линии) или существенно увеличивать количество секций отопительных приборов.

Достаточно большим в этом месяце количеством трубок необходимо оснастить коллектор для использования его для нужд горячего водоснабжения - 598.

Однако сам производитель коллекторов рекомендует использовать их преимущественно для нужд горячего водоснабжения в летний период года и, как правило, с обязательным использованием в связке с отопительным котлом, который в случае отсутствии подвода природного газа может работать на дровах или сжиженном газе.

Несмотря на то, что в данной работе не рассматривался летний период, можно спрогнозировать потребность в трубках в летний период, т.к. на графике в апреле месяце отмечается существенное снижение в потребности в трубках коллектора для горячего водоснабжения до 63 шт. по сравнению с другими месяцами. Таким образом, блок из 2-3 коллекторов (по 20 трубок в каждом) может успешно справляться с задачей горячего водоснабжения в летний период года.

Таким образом, солнечный коллектор, в том числе и для православного храма может быть использован как источник горячего водоснабжения в летний период, но никак не для системы отопления (исключения составляют регионы с благоприятным климатом, где могут применяться более дешевые варианты коллекторов).

Тепловые насосы. Для получения тепловой энергии в эстетическом плане явными преимуществами обладают тепловые насосы, которые визуально никак не нарушают архитектуру сооружения. В тоже время в зависимости от климатических условий и геологических особенностей, можно рассматривать применение тепловых насосов различных типов (например, «вода-грунт» с горизонтальным или вертикальным замкнутым контуром, или «вода-вода» если рядом располагается водоем).

Наиболее актуальным является применение теплонаносных установок в храмах, удаленных от места прокладки инженерных сетей, так как затраты на подведение таковых, является чрезвычайно затратным. «Уральским заводом тепловых насосов» [3] был произведен сравнительный анализ стоимости инвестиционных и эксплуатационных затрат для разных источников энергии планируемых разместить в православных храмах (табл.1).

Таблица 1: Сравнительный анализ стоимости инвестиционных и эксплуатационных затрат для различных источников энергии.

Система отопления и вентиляции от электричества.
Всего инвестиционных затрат:	11 916 005 руб.
Эксплуатационные затраты:	433 510 руб./год
Система отопления и вентиляции от природного газа.
Всего инвестиционных затрат:	13 437 649 руб.
Эксплуатационные затраты:	159 182 руб./год
Система отопления и вентиляции от тепловых насосов.
Всего инвестиционных затрат:	13 623 000 руб.
Эксплуатационные затраты:	149 742 руб./год

Из таблицы видно, что самым экономичным источником тепловой энергии является тепловой насос. Тепловой насос – машина, переносящая теплоту с более низкого на более высокий температурный уровень, затрачивающая при этом меньшее количество энергии, чем переносимая тепловая энергия.

Эффективность применения тепловых насосов, в первую очередь зависит от того, откуда есть возможность черпать низкопотенциальную теплоту. Для нашего региона наиболее предпочтительными являются теплота грунта, грунтовых и подземных вод, а также теплота водоемов и природных водных потоков.

Тепловой насос работает тем эффективнее, чем меньше разница между температурой источника низкопотенциальной тепловой энергией и температурой потребителя. Средняя температура поверхности пола в храме (согласно СП 31-103-99 «Здания, сооружения и комплексы православных храмов») не должна превышать 23°C. Таким образом, наиболее эффективно теплонасосные установки для отопления в храмах, могут применяться в системах теплого пола.

Стоит отметить, что грамотный расчет теплого пола является очень важной инженерной задачей, т.к. при отоплении придется рассчитывать только на его мощность, поскольку температура теплоносителя после теплового насоса недостаточна для эффективного использования в традиционных радиаторных системах отопления.

На основании проведенного анализа по применению тепловых насосов можно сделать следующие выводы, что:

- применение теплонасосных установок, наиболее перспективно в храмах удаленных от места прокладки инженерных коммуникаций;

- в качестве источника низкопотенциального тепла могут быть использованы: вода, земля, воздух. Данный факт позволяет применять данную технологию на большей части территории Российской Федерации;

- стоимость выработанного тепловым насосом теплоты, будет от 1,6 до 3,7 раза ниже стоимости теплоснабжения от котельной;

- использование теплонасосных установок позволяет существенно снизить вред, наносимый окружающей среде традиционными источниками энергии.

Системы вентиляции, не потребляющие электрической энергии. С позиции создания и поддержания требуемых параметров микроклимата, наиболее сложной областью является молельный зал. Различные теоретические и экспериментальные исследования, в том числе и рекомендации в нормативных документах [4] обращают внимание инженеров на возможное использование в молельном зале аэрации. Это системы естественной вентиляции, представляющие собой увязанные по площадям приточные и вытяжные фрамуги [5,6].

Рис.2. Пример работы системы аэрации и циркуляции воздушных потоков в молельном зале православного храма

В отличие от механических систем вентиляции они не потребляют электрической энергии; обладают свойством саморегуляции, что позволяет снизить исходную мощность систем отопления; не нарушают эстетику внутреннего убранства храма и не создают шумового загрязнения. Однако, если рассматривать случаи, когда притвор и молельный зал не разделены перегородкой, в притворе также может осуществляется естественная вентиляция. В тоже время, для вентиляции алтаря может быть установлен небольшой канальный вентилятор или, в зависимости от конструкции храма, приточные фрамуги, а в перегородках между молельным залом и алтарем (при необходимости) переточные решетки, чтобы воздух из алтаря удалялся через молельный зал (через вытяжные фрамуги в барабанах молельного зала).

При реализации такой системы уже отмечается значительная экономия электроэнергии, однако такой храм, особенно это актуально для не газифицированных областей нашей страны, можно попытаться сделать максимально энергоэффективным.

Общие выводы по исследованиям.

Проведенные исследования позволяют предположить возможность создания автономного храма - это храм, полностью независимый от систем топливоснабжения, теплоснабжения и электроснабжения.

Где в храме:

• вентиляция осуществляется естественным образом (системы аэрации);

• электричество вырабатывается за счет солнечных панелей, расположенных на кровле;

• системы отопления работают при помощи теплового насоса.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• выбрать такой существующий храм, в котором достаточно использование систем естественной вентиляции – аэрации (не только в молельном зале, но и во всем храме в целом).

• в качестве систем отопления использовать систему теплый пол – тепловой насос.

• в качестве системы электроснабжения использовать солнечные панели.

Идеальным вариантом будет нахождение таких параметров, при которых системы по использованию солнечной энергии и энергии земли не придется дублировать классическими топливоиспользующими установками (например, дизель-генераторами).

При успешном выполнении данного направления можно определить оптимальные геометрические параметры храма для применения в нем установок по использованию возобновляемых источников энергии с целью сохранения традиций православного зодчества, архитектурного и конструктивного многообразия.

Особенно важно сохранить тот религиозный символизм, который существует в России уже более тысячи лет.

Библиографический список

1. Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009 N 261-ФЗ [Электронный ресурс] : [Официальный сайт компании «КонсультантПлюс»]. – Режим доступа : http://www.consultant.ru/

2. Procedia Environmental Sciences [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.sciencedirect.com/science/journal/18780296/17 (Volume 17, Pages 494 - 502 (2013))

3. Уральский завод тепловых насосов [Электронный ресурс] : [Тепловые насосы для коттеджа, промышленности, с/х]. – Режим доступа : http://uztn.ru/

4. АВОК Стандарт–2–2004. Храмы православные. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. – Введ. 2004-06-09. – М. : АВОК, 2004. – 14 с. : ил.

5. Кочев, А. Г. Микроклимат православных храмов : монография / А. Г. Кочев ; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород : ННГАСУ, 2004. – 449 с. : ил.

6. Соколов, М. М. Влияние внешней аэродинамики на микроклимат православных храмов : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.03 / М. М. Соколов. – Н. Новгород, 2013. - 266 с. : ил.

7. Соколов, М. М. Возобновляемые источники энергии [Электронный ресурс]: учебн. пособие / М. М. Соколов ; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 99 с.

8. Альтернативная энергетика [Электронный ресурс] : [сайт]. – Режим доступа : http://www.vikertherm.ru/.

Код для цитирования: Скопировать