Энергоснабжение высотного здания с использованием топливных элементов

Ю. А. Табунщиков, доктор техн. наук, профессор, президент НП «АВОК»

М. М. Бродач, канд. техн. наук, доцент МАрхИ

Н. В. Шилкин, инженер

Особенностью здания является его система энергоснабжения с использованием топливных элементов, а также система энергосберегающих мероприятий, обеспечивающих снижение затрат энергии на климатизацию и освещение при одновременном повышении качества микроклимата.

Использование энергосберегающих мероприятий потребовало более высоких инвестиций в строительство, но при этом обеспечило существенное снижение эксплуатационных расходов, уменьшение вредного воздействия на окружающую среду и улучшение качества микроклимата. По первоначальным оценкам, эксплуатационные расходы в этом здании на 15–20 % ниже, чем в подобных зданиях, построенных без использования энергосберегающих мероприятий. Период окупаемости энергосберегающих мероприятий оценивается в 6–10 лет.

Общая стоимость строительства составила около $270 млн (в эту сумму не входит стоимость земельного участка).

Рисунок 1. (подробнее) Схема здания «Conde Nast Building@Four Times Square»

Климатические характеристики района строительства

В табл. 1 приведены климатические характеристики Нью-Йорка, а также, для сравнения, климатические характеристики Москвы и Ростова-на-Дону.

Основные энергоэффективные мероприятия,использованные при строительстве здания

1. Собственная электростанция на топливных элементах для электроснабжения, побочный продукт химической реакции (горячая вода) используется для теплоснабжения и горячего водоснабжения (рис. 1).

2. Использование фотоэлектричества для электроснабжения.

3. Абсорбционные чиллеры/нагреватели с прямым использованием природного газа (direct-fired absorption chiller/heaters).

4. Использование главным образом естественного освещения.

5. Окна с повышенными тепло- и солнцезащитными характеристиками.

6. Ограждающие конструкции с сопротивлением теплопередаче 3,52 м²•°С/Вт.

7. Автоматическое управление освещением с датчиками, регистрирующими наличие людей в подсобных помещениях и на лестничных клетках.

8. Осветительные приборы с малым энергопотреблением и световые указатели на светодиодах.

9. Насосы и вентиляторы с регулируемым электроприводом.

Кроме энергосбережения, большое внимание уделялось повышению качества микроклимата за счет увеличения воздухообмена и применения нетоксичных материалов.

Проектировщики использовали системный подход, рассматривая здание как единую систему (whole-building approach).

Для выбора оптимальных характеристик наружных ограждающих конструкций и параметров системы климатизации использовалось математическое моделирование при помощи программного пакета «DOE-2.1», разработанного Американским министерством энергетики (Departament of Energy, DOE). Программный пакет «DOE-2.1» позволяет моделировать почасовое потребление энергии зданием с учетом условий наружного климата и сравнивать различные способы достижения энергоэффективности.

Первоначальный замысел предусматривал выбор формы здания, позволяющей оптимальным образом использовать теплопоступления с солнечной радиацией, однако в связи с ограниченными размерами участка, отведенного под строительство, от этого замысла пришлось отказаться.

Рисунок 2. Схема топливного элемента

Система энергоснабжения здания

Наиболее интересным элементом здания является его система энергоснабжения.

Здание использует три вида энергии:

- электрическую энергию от городской электросети;

- природный газ для тепло- и холодоснабжения здания, а также для получения электрической энергии, тепла и воды в специальных электрохимических генераторах – топливных элементах;

- солнечную радиацию для получения электрической энергии в фотоэлектрических панелях (солнечных батареях), которыми облицованы верхние этажи здания.

Производство энергии на месте позволяет снизить потери при транспортировке.

Получение электрической энергии,тепла и воды в топливных элементах

Топливный элемент (электрохимический генератор) – устройство, вырабатывающее электроэнергию из водорода и кислорода в результате электрохимической реакции (без процесса горения). В отличие от обычных батарей топливные элементы не аккумулируют электрическую энергию, а преобразуют в электрическую энергию часть энергии топлива, поступающего от внешнего источника (рис. 2). В процессе работы химический состав топливного элемента не изменяется, т. е. топливный элемент не нуждается в перезарядке.

Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода используется обычный воздух.

При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции, помимо электрической энергии, являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например оксиды углерода и азота, однако их количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа. Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство – реформером.

Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12–15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще более увеличивается. Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части) и долговечность.

Рисунок 3. Топливный элемент космического корабля «Спейс Шаттл»

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский ученый Уильям Гроув (William Robert Grove, 1811–1896) обнаружил, что процесс электролиза – разложения воды на водород и кислород посредством электрического тока – обратим, т. е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, Гроув назвал «газовой батареей» («gas battery»), которая представляла собой первый топливный элемент.

Активное развитие технологий использования топливных элементов началось после Второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-х годах специалисты НАСА выбрали топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Аполлон» (пилотируемые полеты к Луне), «Союз-Аполлон» и «Скайлаб». На корабле «Аполлон» были использованы три установки мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки составляла 113 кг. Они работали параллельно, но энергии, вырабатываемой одной установкой, было достаточно для безопасного возвращения. В течение 18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 часов без каких-либо отказов. В настоящее время топливные элементы применяются в космических кораблях многоразового использования – «Спейс Шаттл», где используются три установки мощностью 12 кВт, которые вырабатывают всю электрическую энергию на борту космического корабля (рис. 3). Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования. В нашей стране также велись работы по созданию топливных элементов для использования в космонавтике, в том числе в рамках программы «Буран».

Рисунок 4. Топливный элемент мощностью 5 кВт, установленный в багажнике автомобиля

В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в трех направлениях: создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (рис. 4) (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в том числе и в нашей стране), а также создание источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.).

В любом топливном элементе часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.

Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивает ЭДС около 1 В. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи.

Рисунок 5. Монтаж топливного элемента в здании	Рисунок 6. Абсорбционный чиллер

В некоторых типах топливных элементов химический процесс может быть обращен: при подаче на электроды разности потенциалов воду можно разложить на водород и кислород, которые собираются на пористых электродах. При подключении нагрузки такой регенеративный топливный элемент начнет вырабатывать электрическую энергию.

Для получения электрической энергии в рассматриваемом здании установлены два топливных элемента PC25 (рис. 5). Этот топливный элемент использует в качестве электролита раствор ортофосфорной (фосфорной) кислоты (H₃PO₄). Мощность каждого топливного элемента составляет 200 кВт, в качестве источника водорода используется природный газ. Топливные элементы расположены на четвертом этаже здания. В ночное время они обеспечивают 100 % потребности здания в электрической энергии, а в дневное время – 5 % потребности. Годовая производительность двух этих установок составляет 3 млн кВт•ч. Электричество вырабатывается из природного газа и воздуха без процессов горения, единственные побочные продукты химической реакции – горячая вода и двуокись углерода. Горячая вода с температурой около 60 °С используется для горячего водоснабжения, а также для обогрева здания в зимнее время. Стоимость одного элемента составляет около $200 тыс. (примерно по $1 000 за киловатт производимой энергии). Период окупаемости установки оценивается менее чем 10 лет (зависит от стоимости природного газа).

Установленные в здании топливные элементы PC25 состоят из трех основных частей: реформера, в котором происходит преобразование природного газа в водород, непосредственно самой батареи топливных элементов, преобразующих водород и кислород в горячую воду и вырабатывающих электрическую энергию, и электрического преобразователя напряжения, преобразующего постоянный ток в переменный. Основные технические характеристики топливного элемента PC25 приведены в табл. 2.

Получение электрической энергии в фотоэлектрических панелях

Встроенные в здание фотоэлектрические панели позволяют снизить потребности здания в электроэнергии. Пиковая мощность фотоэлектрических панелей достигает 15 кВт. Фотоэлектрические панели расположены на верхних 19 этажах здания с южной и восточной сторон (рис. 7). Тонкопленочные фотоэлектрические элементы были наклеены на листы закаленного стекла и интегрированы в фасад между рядами окон в виде полос шириной 150 см. Панели, интегрированные в ограждающие конструкции, увеличивают теплозащитные характеристики ограждений.

Система климатизации здания

Механическая система вентиляции обеспечивает помещения наружным воздухом. Воздухозаборные устройства располагаются на высоте 24 и 213 м над уровнем земли. Система вентиляции – с переменным расходом приточного воздуха (VAV). Расход приточного воздуха составляет 3,66 м³/(ч•м²). По требованию арендаторов можно обеспечить дополнительную вентиляцию 0,9 м³/(ч•м²). Воздухообмен в помещениях на 50 % выше, чем требуется по американским нормам.

Газовый состав наружного воздуха, поступающего в здание, контролируется при помощи газоанализаторов, установленных в приточных устройствах. Через заданные промежутки времени в наружном воздухе оценивается концентрация диоксида углерода (CO₂, углекислого газа) и оксида углерода (CO, угарного газа).

Система подачи воздуха в помещения – через воздухораспределители, установленные в полу, и с прокладкой воздуховодов под фальшполом обслуживаемого помещения. Там же, под фальшполом, прокладываются электрические коммуникации.

Помещения со сходными требованиями к параметрам микроклимата и освещенности объединены в группы, что позволяет точнее и эффективнее регулировать эти параметры, а также уменьшить суммарную длину системы воздуховодов. На каждом этаже уровень вентиляции может устанавливаться индивидуально.

Курительные комнаты посредством индивидуальных вентиляционных каналов соединяются с отдельной вытяжной вентиляционной шахтой, расположенной в центральной части здания.

В здании используются нетоксичные материалы, применение которых позволяет улучшить качество внутреннего воздуха. Мебель, ковровые покрытия и оборудование также оказывают влияние на качество воздуха, но они выбирались арендаторами помещений. Было выпущено специальное руководство для арендаторов, определяющее наиболее предпочтительные материалы и оборудование.

Получение холодной и горячей воды для охлаждения и отопления здания обеспечивается абсорбционными чиллерами/нагревателями с прямым использованием природного газа (direct-fired natural-gas absorption chiller/heaters). В отличие от компрессорных установок кондиционирования воздуха, работающих на электрической энергии, в данных установках в качестве источника энергии используется относительно дешевый природный газ. Кроме снижения затрат на тепло- и холодоснабжение, использование природного газа позволяет снизить загрязнение воздушной среды, поскольку в установках этого типа не применяются озоноразрушающие соединения (CFC и HCFC). Проектировщики называют эти установки «экологически эффективными» («environmentally efficient»).

Четыре таких установки располагаются на 48 этаже (рис. 6). Каждая установка состоит из абсорбера, генератора, насоса и рекуперативного теплообменника. Установки имеют разную мощность, что позволяет использовать их в различных комбинациях для наилучшего удовлетворения потребностей здания. Установка оборудования теплоснабжения непосредственно в здании позволила снизить потери, связанные с транспортировкой энергии.

Установка такого оборудования потребовала более высоких капитальных затрат, однако эксплуатационные расходы значительно снизились. Период окупаемости этих установок составляет 3 года.

Для управления всем оборудованием климатизации используется компьютерная система (DDC – Direct Digital Control).

Рисунок 7. Верхние этажи здания с интегрированными фотоэлектрическими панелями (источник www.wirednewyork.com)

Освещение и окна

Для снижения затрат энергии и создания лучшего психологического комфорта в здании широко использовалось естественное освещение рабочих мест. Для этого применялись окна большой площади, высота которых составляет 2,1 м при высоте помещений 2,7 м. Однако при большой площади остекления необходимо было решить проблемы, связанные со значительными теплопоступлениями от солнечной радиации, которые увеличивают нагрузку на систему климатизации здания в летнее время, а также со значительными теплопотерями через остекление в зимнее время. Для решения этих проблем проектировщиками было использовано стекло с повышенными тепло- и солнцезащитными характеристиками, позволяющее снизить теплопотери и теплопоступления от солнечной радиации, но хорошо пропускающее свет видимого диапазона. Сопротивление теплопередаче окон составляет 0,59 м²•°С/Вт при коэффициенте затенения 0,30 и коэффициенте светопропускания 0,40.

Помещения, расположенные вдоль наружного периметра здания, не препятствуют естественной освещенности внутреннего пространства. Всего на каждом этаже естественным образом может быть освещено до 25 % площадей.

Внутренние помещения здания окрашивались преимущественно в светлые цвета, что также позволило улучшить естественную освещенность рабочих мест за счет отражения света.

Для уменьшения расхода энергии осветительными приборами проектировщики использовали ряд решений, повышающих эффективность освещения. Эти решения включали установку высокоэффективных люминесцентных осветительных приборов с малым энергопотреблением и централизованным управлением, применение световых указателей на светодиодах (LED), а также включение освещения в местах временного пребывания людей (например, на лестничных клетках) только при их присутствии. Для определения наличия людей в этих зонах используются датчики движения (motion sensing).

Литература

1. 4 Times Square New York City. Highlighting high performance. US DOE. 2001.

2. Energy efficiency in a Manhattan skyscraper. CADDET. 2000.

3. Environmental Guidelines For Tenant Improvements. Conde Nast Building@Four Times Square.