Сградно-интегрирани ВЕИ решения

Соларни, термо-соларни и вятърни системи

Интегрирани в сградите, в които живеем и работим, възобновяемите източници могат да ни осигуряват енергия „на място“ – такава, която е произведена на мястото на потребление. Днес това е важно поради стремежа към намаляване на енергийното потребление на сградите. В постройките на новото време можем да вплетем технологии, които да събират и да ни предоставят чиста топлинна и електрическа мощ от слънцeто, вятъра, земята, водата и околния въздух, даже и от компютрите, на които работим. А, да - и от самите нас! 

Текст: списание Строители

снимка: BAPV_solar-facade

Сградно-интегрираните възобновяеми енергийни източници са отличен начин за повишаване на енергийната ефективност на сградите и превръщането им в производители на чиста енергия, включително до степен, при която те стават „нетни производители“, тоест произвеждат повече енергия, отколкото консумират. Сградно-интегрираните възобновяеми източници могат да са слънчеви фотоволтаични панели, слънчеви термални колектори, вятърни турбини, геотермални системи, термопомпи, пиезоелектрични настилки. Нова тенденция в енергийното подсигуряване на сградите е използването на топлината от вездесъщите компютърни системи. 

За да постигнат най-добрата ефективност, технологиите на добиване на чиста енергия следва да бъдат планирани от самото начало, преди строежа, и да са проектирани като неразривна част от „жизнените системи“ на сградата. По този начин те са не само най-ефективни, но и стават интегрална част от нейния дизайн и естетика. Хубавото е, че съвременните им възможности позволяват да бъдат интегрирани на практика навсякъде - във фасадите, покривите, прозорците, стълбите и външните площади. 

Какви ВЕИ могат да се интегрират в сградите? 

Най-често обсъжданите ВЕИ, които могат да се интегрират в сградите, са соларните фотоволтаични модули. При тях до момента е налично най-голямо разнообразие от технологии и разновидности – както от гледна точка на производствени процеси, ефективност и предпочитана външна среда, така и от гледна точка на цветове и дизайнерски решения. Термалните колектори също са относително стандартни и могат да се впишат във фасадите. Има и хибридни слънчеви панели, които произвеждат едновременно електричество и топлоенергия. 

Вятърните турбини са друг често коментиран вид възобновяеми източници, но те не са особено популярни за вграждане в сгради. Вписването им поставя редица предизвикателства и за естетиката, и за сградната конструкция, и за околната среда. Термопомпите са добре познати по света средства за извличане на топлинна енергия от околната среда. За да бъдат считани за възобновяеми източник, нужно е и тяхното електрозахранване също да е с екологичен произход.  Геотермалните системи не са тема на бурни обсъждания в общественото пространство, навярно защото не са толкова лесно видими, колкото соларните панели и вятърните перки. Те обаче са технология с много висока ефективност. Инвестициите в тях са големи, което често е пречка, ала се отплащат щедро. 

Предвид интензивната дигитализация през последните години, особено с налагането на дистанционната работа и бума на криптовалутите, топлината на центровете за данни бе забелязана като отлична възможност за отопление на сгради, оранжерии, басейни. Редки, но вече налични са и опитите да се добива електричество от натиска чрез настилките – интериорни и екстериорни. Тези системи обичайно разчитат на пиезоелектрични механизми. Засега те не се разглеждат като голям ресурс, но имат някои естетически приложения. 

Сградно-интегрирани фотоволтаици 

Соларните фотоелектрични системи са най-често обсъжданата категория сградно-интергирани ВЕИ. Навярно е така поради огромните възможности за боравене с тях като част от външния дизайн на постройката. До неотдавна видът на стандартните силициеви фотоволтаици (PV) се считаше по-скоро за пречка те да бъдат интегрирани в дизайна на сградите. Черни и правоъгълни, считаха се за грозни. Някои от първите успешни опити за вграждането на фотоволтаици във фасадите беше вписването им там, където и без друго се използват правоъгълни плоскости с размер, сходен на този соларните – например за прегради на балкони, навеси над прозорци. Постепенно находчиви архитекти намериха и други варианти да „вмъкнат“ PV във фасадите. Характерният тъмен цвят на силициевите фотоволтаици ги прави подходящи за комбиниране с различни цветови елементи досущ като тъмносин дънков панталон с различни ризи и блузи.

Този подход продължава да е актуален и в момента. Той е предпочитан за жилищни сгради, където правоъгълната форма продължава да е доминираща и има значително количество непрозрачни фасадни площи (плътни стени). Навярно най-голямото предимство на този подход е, че се борави със стандартни модули и, в случай на нужда, лесно може да се направи подмяна. Все пак подходът е приложим и за бизнес-сгради. Възможен е дори при постройки с необичаен дизайн, например на база цилиндрични обеми. Те могат да бъдат „обвити“ във фотоволтаични ивици. И в двата случая фотоволтаичните панели по фасадите са подход, особено ценен в страните, разположени повече на север, където слънчевото греене е доста „ниско“. 

Значителна възможност за вписване на фотоволтаици в сградния дизайн отвори разпространението на соларните панели на база на съединението медно-индиево-галиев селенид/диселенид (CIGS). Те са с характерен плътен, наситено черен цвят. Това дава огромни възможности за различни дизайнерски решения! Блясъкът на този вид панели, монтирани на фасада, не само не изглежда като „допълнение“, а и се вписва добре и придава луксозен изглед на сградата. 

Важно е да се направи и едно разграничение. CIGS соларните панели са много ефективни в улавянето на разсеяната слънчева светлина, докато силициевите панели „предпочитат“ директно падащите слънчеви лъчи. Поради това черни, бляскави CIGS панели могат да се монтират върху фасади, върху които почти не попада директно слънце. Практиката показва, че е възможно да има сграда, обвита отвсякъде с фотоволтаици: покрив със силициеви модули и фасади с черни CIGS панели. Такава има от няколко години и в България.  Фотоволтаичните технологии намират място в дизайна на сградите и под формата на стъклени панели с вградени върху тях соларни клетки. Такива стъклопакети все по-често се използват като решения за прозорци – например за частично засенчване на отворите на южни фасади. Стъкла със слънчеви клетки са приложими и за за други видове остъкления, например за стъклените покриви на зимни градини, атриуми и др. Все по-често фотоволтаични клетки се добавят към покривните и страничните стъкла на оранжерии. Така частичното закриване на слънцето спомага и за регулирането на вътрешния климат, и за по-благоприятното развитие на растенията в парника. 

В последните години бяха разработени и тонирани фотоволтаични панели. Оцветяването им позволява по-голямо разнообразие от гледна точка на дизайна. Една нова технология, която се очаква да се появи скоро на пазара, позволява соларните модули да греят в ярки цветове изцяло чрез оптически ефект, постиган на ниво соларно стъкло (покритието на PV панела) – тоест без никакъв компромис в производителността.  Перспективите за фотоволтаиката като сградно-интегриран компонент обаче са още по-интересни, тъй като през последните години бяха разработени технологии за гъвкави соларни клетки. Те се отпечатват чрез ролкови механизми върху гъвкаво фолио. В резултат, могат да се увиват около различни обекти. Това означава, че дизайнерите вече са освободени от ограничението на плоската и правоъгълна форма на фовотолтаиците. Сега соларни елементи могат да бъдат разполагани върху цилиндрични, овални, сферични елементи от сградите – например колони, извити надвеси и др. 

Обичайно гъвкавите соларни системи са с органичен характер. Тяхната ефективност в повечето случаи е осезаемо по-ниска от тази на твърдите, правоъгълни модули. Въпреки това са в състояние да накарат всяка от повърхностите на съвременните сгради да произвежда ток – повърхности, които така или иначе не извършват никаква полезна дейност.  Противоречиви, макар да са почти сензационни сред някои индивидуални потребители-ентусиасти, соларните керемиди все още не са достигнали етапа на зрялост, който да ги нареди спокойно сред жизнеспособните решения за съвременния сграден дизайн. Производителите работят усърдно за популяризиране на продукта. Архитектите обаче са крайно предпазливи и засега по-скоро скептични. 

За момента, според специалистите, PV керемидите са по-скоро експеримент, отколкото пълнофункционално решение. Все пак тяхното развитие следва да се наблюдава отблизо. Соларните керемиди имат потенциала да се окажат най-адекватното решение за модернизация на исторически сгради – например резиденции, къщи на исторически личности, катедрали и др. – обекти, където поставянето на каквато и да е друга фотоволтаична технология е невъзможно за интегриране в историческия облик. 

снимка: Bahrain world trade center

Сградно-интегрирани термални слънчеви колектори 

Термалните слънчеви колектори се считат за възобновяема технология, която превръща слънчевото греене в използваема енергия по-ефективно от фотоволтаиката. Интегрирането им в цялостния дизайн обаче е предизвикателство. Свикнали сме да ги виждаме – слънчевите колектори на покривите на еднофамилните къщи подгряват вода за бойлера. Но какво би станало, ако колекторите, вместо да стърчат на покрива, са част от лицето на сградата?  Научните изследвания до момента сочат, че когато термалните соларни панели се интегрират във фасадата – например във външния слой на стените (редом с изолацията), те имат значително по-малки топлинни загуби заради защитата на задната стена. Така те произвеждат повече топлинна енергия. 

Предизвикателство за термалните колектори остава разминаването между времето на генерирана на топлинната енергия и времето на нейното потребление. Обичайно най-много топлина се натрупва през дневната част от денонощието в летните месеци, а най-много потребление е налице през зимните дни, особено вечер и нощем. За разлика от фотоволтаиците обаче, чиято продукция може да се съхранява в акумулаторна система или да се продава, топлината от колекторите се съхранява значително по-трудно. 

Вграждането на топлинен буфер по подобие на слънчевите и ледените топлофикации е решение, но изисква значителен обем, който трябва да бъде изначално предвиден. Например, той може да бъде вкопан под повърхността на земята, на нивото на подземния паркинг.  Все пак показателно е, че от 2015г. „зелената столица“ на Европа – немското градче Фрайбург – в новите квартали соларните покриви на новите сгради вече не са фотоволтаични, както досега, а са термални. Те се свързват в обща мрежа, а други източници на топлинна енергия се прилагат само в случай на нужда от доподгряване. 

Фактор, който се очаква да повлияе на развитието на термалните системи, е високата стойност на изграждането на наземни слънчеви полета в периферията на градовете. Високата цена на земята драстично оскъпява и проектите за термална слънчева енергия. Ако обаче соларните колектори се вписват в покривите и фасадите на самите сгради, това до голяма степен решава въпроса с недостига на земя и високата й цена.  Наред с това при сградно-интегрираните термални колектори особено забележим е ефектът на икономия от мащаба. Различни изследвания сочат, че най-голяма ефективност от термалните соларни панели се постига при инсталациите, които обхващат няколко сградни едновременно – например общежития от университетски кампус, група сгради в индустриална зона, еднофамилни сгради в квартално „каре“. 

снимка: HILTON

Сградно-интегрирани вятърни турбини

Вятърните генератори са трудни за интегриране в дизайна на сградите поради значителната, трудно управляема механична сила, която трябва да бъде овладяна и канализирана. В противен случай мощта на вятъра може да има разрушителен ефект. Най-популярните сред широката общественост видове възобновяема енергия са соларните системи и вятърноенергийните генератори. Навярно това обяснява неписаното очакване сградно-интегрираните ВЕИ да включват вятърни „перки“. Това обаче е трудна задача. 

Най-голямото предизвикателство за интеграцията на ветрогенератори в сградите е непостоянният характер на приземния вятър. В близост до земната повърхност въздушните движения са силно турбулентни. Те не са стабилни и постоянни като ветровете по крайбрежията, които въртят големите ветрогенератори. Най-голяма е нестабилността на въздушните маси в града – там, където ветровете срещат „бетонната гора“ на гъстата сградна среда. Именно турбулентността на приземните ветрове прави особено трудно интегрирането на вятърни турбини в сградите.

От друга страна, в крайбрежните и островни райони са налице ветровити условия с относително трайни и постоянни ветрове, на които „може да се разчита“. На подобни места прилагането на ветрогенератори е приложимо и понякога се оказва по-рентабилно в сравнение със сградно-интегрираните соларни системи.  Интегрирането на ветрогенератори е възможно по различни начини. Малките вятърни турбини, които могат да се вписват в сградите, условно се делят на два вида: с хоризонтална ос – подобно на традиционните „перки“, или с вертикална ос – дизайн, разработен главно от естетически съображения. Тези с вертикална ос добиват повече популярност за интегриране в съществуващи сгради. Те са по-приятни за окото и в същото време по-тихи, а цилиндричният им формат ги прави по-лесни за монтиране върху покривите. 

Съвременните разработки в изграждането на интегрирани вятърни турбини акцентират върху подобряването на надеждността, на ефективността при ниски скорости на вятъра и намаляването на капиталовите разходи. Вятърните турбини биват проектирани от все по-леки и даже „ултра-леки“ материали, така че да са чувствителни дори към малките движения на въздуха.  Наред с това, както и при сградно-интегрираните фотоволтаици, сградно-интегрираната вятърна система може да включва и батерия за съхранението на енергията. Това прави концепцията още по-привлекателна. 

Изборът на конкретно решение започва със събирането на данни за ветровете в района на сградата, профил на преобладаващите ветрове. На тази база може да се определи дали е подходящо да се монтират турбини и какъв тип би бил най-подходящ. Важен критерий е да се съобразят условията на околния вятър с работните скорости на вятърната турбина. Тези предварителни проучвания за приложимостта и осъществимостта на идеята трябва да бъдат взети предвид и при финансовата калкулация на дадения проект. 

Друга важна стъпка е малките вятърни турбини трябва да бъдат замислени като част от цялостната конструкция на сградата още от най-ранните етапи на проектирането. Това е определящо както за визуалното вписване на ветрогенераторите в цялостния облик, така и за инженерното планиране на сградата предвид допълнителното натоварване от турбината. От ключово значение при дизайна е да се стабилизира вятърът, който попада в турбината. Това може да означава да намери удачна форма, която канализира, подобно на фуния, вятъра към витлата. Образец за подобен дизайн е формата на Световния търговски център в Бахрейн, първата комерсиална сграда с ветрогенератори от комерсиален клас, чиито два корпуса „насочват“ вятъра към пространството помежду си и го „пращат“ право в перките. 

Специфично предизвикателство за интеграцията на ветрогенератори в дизайна е да се намали и премахне шумът, свързан с въртенето на витлата и шума от скоростната кутия. Впрегнати в изпълнението на тази задача са специфични витлови конструкции с нисък шум, вибрационни изолатори за намаляване на звука и звукопоглъщащи материали около скоростната кутия и генератора. Въпреки това практиката познава случаи на сградно-интегрирани ветрогенератори, довели до появата на такъв шум, че жителите на околните квартали са се видели принудени да подават многобройни жалби и молби за премахване на ветрогенераторите. 

За интегрирането на ветрогенератори в съществуващи сгради, преди инсталирането е важно да се гарантира, че покривната конструкция е достатъчно здрава, за да понесе допълнителното натоварване. Това включва теглото на вятърната турбина и вибрациите от работата на витлата и генератора. И тук е наложително да се прилага технология за абсорбиране на вибрациите, за да се предотвратят увреждания на конструкцията на сградата и да се намали вътрешният шум. 

Тъй като вятърните турбини обикновено се монтират на най-високата точка на сградата, важно е да бъдат въведени мерки за предотвратяване на повреди от мълнии. Трябва да бъде предвидена и достъпността за целите на поддръжката. Като цяло мнението на специалистите е, че във вътрешноградската среда значението на сградно-интегрираните ветрогенератори е най-вече символно. Турбините имат емблематична роля – изпращат послание, което кара умовете на хората да асимилират идеята за интегрирането на възобновяемата енергия. 

Реално приложими са сградно-интергираните ветрогенератори в крайморски и островни райони с постоянни ветрове, както и за отдалечени обекти - махали, високопланински ферми, хижи и др., при които инфраструктурните разходи за осигуряване на мрежова свързаност биха били твърде големи. Европейската асоциация за вятърна енергия предвижда този пазарен сектор да се разширява бързо заради тенденцията към нарастване на цените на енергията и увеличаващото се търсене на методи за генериране на електроенергия на място.