Останнім часом багато уваги зверталось на використання поверхні пласких дахів, що дуже характерні для міської забудови. Це піднімало різноманітні питання від генерації теплової чи електричної енергії, до вирощування декоративних рослин чи навіть про отримання врожаю продуктів. Але що ж врешті-решт ефективніше?
«Зелені» дахи вже доволі давно використовуються для пасивного кондиціонування будівель, особливо для охолодження (див. статтю «Охлаждение с помощью солнечных панелей»).
За результатами аналізу дослідників з групи «Reports and Data», прогнозується, що світовий ринок «зелених» дахів у середньостроковій перспективі зросте щонайменше на 15% із $1,3 млрд. в 2020 році до $3,79 млрд. в 2027 році. У Європі використання «зелених» дахів виросте за цей період на 17,6%. Зростання ринку стимулюється підвищенням обізнаності міських мешканців про енергозберігаючі особливості цих систем та вдалими прикладами їх застосування.
Окрім безпосереднього економічного ефекту, розвиток технологій «зелених» дахів дає можливість соціального зростання міських спільнот, включно зі створенням нових робочих місць. До того ж така технологія сприяє економії та розумному збереженню навколишнього середовища у порівнянні з традиційною засипкою поверхні дахів гравієм чи бітумною заливкою покрівлі, що призводить до перегрівання влітку та недостатньої теплоізоляції будинків взимку. Системи озеленення дахів, спираючись на природні методи, допомагають в управлінні зливовим водовідведенням та зменшують надходження надлишкового тепла від сонячного випромінювання до будівель, міського середовища і позитивно впливають на міський мікроклімат.
Проте паралельно розповсюджується й інший підхід, коли поверхня дахів використовується суто для генерації сонячної чи теплової енергії, або для установки дахових котелень, для ІТП з тепловими насосами тощо. Додаткова енергогенерація дозволяє використовувати цей альтернативний ресурс з метою охолодження чи опалення будівель. Для того, щоб дещо відсторонитися від емоційних оцінок того, яке рішення буде найоптимальнішим для міського середовища, це питання потребує проведення коректних досліджень.
Агро- чи електро-?
Вчені з Імперського коледжу Лондона і Абердинського університету Шотландії розробили новий спосіб пошуку оптимального використання дахів міських будинків та провели на даний момент найбільш коректне дослідження щодо ефективності установки на даху сонячних PV-панелей у порівнянні з вирощуванням на ньому культурних рослин. Звіт про виконану роботу вчені опублікували у виданні «iScience» наприкінці 2020 р. в статті «Sustainable Design of Urban Rooftop Food-Energy-Land Nexus».
Запропонований дослідниками метод оцінювання різних варіантів використання даху будівлі об'єднує біогеохімічне моделювання і багатофакторну оптимізацію енергетичної системи. «Модель оптимізації проекту враховує тип даху, особливості електромережі, конфігурацію енергосистеми і обрану стратегію експлуатації», – пояснили вчені. Вони провели польові випробування моделі із 30 великих комерційних будівель в міському районі м. Шанхай, та підтвердили дієвість їхньої методики.
Дослідники розглянули чотири варіанти використання поверхні пласких дахів: встановлення PV-панелей та три варіанти розміщення с/г насаджень – із застосуванням насаджень у відкритий ґрунт на даху, в теплиці без кондиціонування і в теплиці з кліматичною установкою. В якості вирощуваної на даху с/г культури було обрано томати.
Для моделювання економічного результату було розглянуто 4 варіанти (див. рис. 1):
- Варіант 1 – установка дахових фотоелектричних панелей, що забезпечує стабільний дохід від додаткового електропостачання в загальну мережу.
- Варіант 2 – основна конфігурація с/г системи вирощування томатів без теплиці або оптимального контролю температури, освітлення та вологості.
- Варіант 3 – теплиця без кондиціонування (неопалюваний парник) зі сталевими тепличними конструкціями з покриттям пластиковою плівкою, але без регулювання температури, освітлення та вологості.
- Варіант 4 – розвинута кондиціонована теплична система вирощування томатів з добре налаштованим контролем температури, освітлення та вологості.
«Для всіх трьох варіантів сільськогосподарського використання даху ми враховуємо витрати за весь життєвий цикл, що охоплює установку всього необхідного обладнання, різні процеси, пов’язані з вирощуванням, а також дохід від продажу врожаю томатів», – заявили вчені. При цьому враховувався і соціогуманітарний ефект для місцевої спільноти від створюваних нових робочих місць для обробки агрокультури. Крім того, для оцінки результатів вирощування томатів за кожним з трьох варіантів, дослідники також моделювали процеси азотного циклу в ґрунті й вплив від розкладання органічних залишків рослин з відповідними викидами в атмосферу.
Рис. 1. Варіанти для порівняння ефективності використання вільної площі пласких дахів
«Для фотоелектричної системи ми також враховуємо витрати за весь життєвий цикл, а прибуток від неї визначається, виходячи з різниці у кількості виробленої на даху та придбаної з мережі електроенергії за звичайними місцевими тарифами без субсидіювання», – додають вчені.
Комплексна оптимізація
На рис. 2 показано, що саме аналізували дослідники інтегрованої системи моделювання та схема енергетичного концентратора з чотирма доступними варіантами на даху.
Рис. 2. Інженерні складові енергетичної моделі для різних варіантів використання пласких дахів
Запропонована модель складається з двох модулів, тобто біогеохімічного модуля та модуля енергетичної системи. Біогеохімічний модуль моделював врожайність, всі супутні витрати та викиди від трьох варіантів сільськогосподарського виробництва на даху. Ця інформація порівнюється з даними модуля енергетичної системи, завдяки чому можна вибрати найкращий варіант дахової системи, структуру енергетичної мережі, конфігурацію енергетичної складової та саму стратегію роботи системи. Потреби в електроенергії, охолодженні та опаленні будівель в одній зоні забезпечуються енергетичним центром.
Модель енергетичного концентратора є узагальненою, включаючи шість загальновживаних технологій будинкового енергопостачання, включаючи когенерацію та застосування теплових насосів, дві технології накопичення енергії, доступ та взаємодію з централізованою мережею постачання теплової та / або електричної енергії. Масштабність (займана площа) та потужність установок на даху кожної будівлі аналізувалися для чотирьох наведених варіантів з урахуванням несучої здатності конкретного даху. За результатами оптимізації обирався найкращий варіант даху, а також оптимальна конфігурація енергетичної системи та погодинна експлуатація в рамках обраної стратегії.
Отримані результати привели до висновку, що для більшості кліматичних зон, де можливе продуктивне вирощування рослин, найкращим рішенням з економічної точки зору є установка сонячних батарей. «Основні причини полягають в тому, що фотоелектричні панелі мають тенденцію давати більше економічної вигоди для всієї системи, ніж окремо взяті сільськогосподарські насадження на даху», – підсумували дослідники.
Однак вони відзначили, що розміщення на покрівлі теплиць для культурних рослин, в яких контролюється тепловитрати, концентрація вуглекислого газу, освітлення і вологість – це з економічної точки зору доволі екологічний і конкурентоспроможний варіант порівняно із PV-панелями. «Ми виявили, що використання сільськогосподарських систем на даху забезпечує велику гнучкість при проектуванні енергетичних систем, коли разом враховуються економічні показники й рівень викидів парникових газів», – пояснили вчені.
Об’єднані рішення
Дослідники також доповіли, що спільне розміщення на покрівлі об'єктів сільського господарства і сонячних електростанцій (т. з. агрівольтаїка) може додати чимало переваг у порівнянні з окремим застосуванням енергетичного чи аграрного способу використання дахової площі. При цьому наголошується на необхідності застосування «цілісного системного підходу» до проектування простору даху і потребу в подальшому всебічному вивченні цієї сфери.
Приклад такого спільного рішення, де застосовуються і сонячні панелі, і «зелений» дах (хоча і декоративний, без насаджень с/г призначення), втілено в проєкті будинку під м Краків, виконаним польською компанією Superhelix Pracownia Projektowa (див. рис. 3).
Рис. 3. Проєкт House Behind the Roof – «будинок за дахом»
Північний скат даху, засаджений сукулентами, було перетворено в величезну озеленену площину на всю висоту будівлі, через що проєкт отримав назву House Behind the Roof – «будинок за дахом».
На першому поверсі двоповерхового прямокутного будинку без мансарди загальною площею 180 м2 в стилі «barn-house», що нагадує традиційну комору, розташовані кухня і вітальня, а також санвузол і господарчий блок. На другому поверсі знаходиться спальня, три кімнати – дві для гостей і одна дитяча, а також велика ванна кімната.
З південного боку на даху розміщені не тільки ряди сонячних панелей, але й світлові ліхтарі, які пропускають розсіяне сонячне світло всередину будинку. «Зелений» дах вимагає мінімального догляду – рослини-сукуленти практично не потребують поливу. Його розміщення саме з північного боку – нетрадиційне для озеленення, але продумане рішення, що враховує особливості вегетації сукулентів, які не люблять потрапляння прямого сонячного світла. «Зелений» дах добре захищає від перегріву будинку влітку та виконує функції посиленої теплоізоляції взимку. Сонячні панелі розташовані з півдня під оптимальним нахилом для найкращої їх інсоляції в даній місцевості. Рішення враховує також особливості геометрії будинку для природної вентиляції та денного освітлення інтер’єру.
Таким чином, за результатами останніх досліджень, найбільш оптимальним та перспективним є поєднання «зелених» дахів (декоративних чи продуктивних) та фотоелектричних сонячних елементів. Такий варіант «урбаністичної агрівольтаїки» допомагає мінімізувати локальні викиди парникових газів і зосередитись на створенні екологічного середовища та умов для сталого розвитку в районах міської та приміської забудови.
Разом із поліпшенням мікроклімату у самих будівлях та в навколишніхмікрорайонах також доволі відчутним є економічний ефект від використання місцевими мешканцями альтернативних джерел отримання тепла та електрики для інженерних систем та комунальної інфраструктури.
Інтеграція «зелених» дахових рішень із сонячними фотоелектричними системами також покращує кліматичні функції зовнішніх оболонок та підвищує загальну енергоефективність будівель завдяки ефектам охолодження, затінення та регулюванню вологості повітря, позитивно впливає в цілому на локальний клімат міських мікрорайонів із щільною забудовою, що призводить до зростання варіантів застосовності та подальшому розповсюдженню таких рішень.
За матеріалами публікацій видань sciencedirect.com, archdaily.com та reportsanddata.com
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 3 108
