Жизнеобеспечение с использованием энергии природных потенциалов

Е.М. Пузырев, М.Е. Пузырев  

Предложено использовать энергию фазовых переходов воды в качестве источника тепла и холода для отоплении, вентиляции и кондиционирования зданий с целью экономии энергоресурсов и уменьшения СО2 – эмиссии. Технологии позволяют существенно сократить экологическое воздействие и затраты энергии на отопление и вентиляцию зданий, обеспечить применение тепловых насосов и кондиционеров в регионах с резко континентальным и арктическим климатом. Описаны схемы и принципы работы, включая новое климатическое оборудование, в том числе нового типа вентилируемых фасадов для зданий. Предложены идеи для жилых комплексов с круглогодичным использованием энергосберегающих технологий, оборотной воды и льда и снега.

 

Общие положения

Россия является самой холодной страной в мире. Среднегодовая температура на её огромной территории минус 5,5°С, отрицательная. Климат резко континентальный и характеризуется длительными периодами низких температур, рисунок 1 [1]. Задача сохранения функциональности населённых пунктов, особенно при чрезвычайных ситуациях и в длительные зимние периоды, является условием сохранения экономического и человеческого потенциалов страны.

Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года [2] и государственная программа "Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года" [3] обозначили стратегические интересы России в Арктике и предусматривают развитие опорных зон с внедрением энергосберегающих материалов и технологий.

Наличие крупных производственных и ресурсных баз, низкая плотность населения и протяжённая инфраструктура требуют особых подходов для обеспечения проживания населения и конкурентоспособности хозяйственной деятельности также и на территории Сибири и Дальнего Востока.

Необходимо переходить на освоение и использование новых технических решений, которые позволят снизить повышенные затраты энергии на отопление, вентиляцию и кондиционирование в жаркий летний период. Минимизация энергопотребления и энергетическая независимость, прежде всего, важны при освоении новых и удаленных районов, не имеющих мощных источников энергии.

 

Рис. 1– Изолинии по числу дней с температурой ниже -30 °С [1].

 

"Речь должна идти о внедрении принципиально новых природоподобных технологий, которые не наносят урон окружающему миру, а существуют с ним в гармонии и позволяют восстановить нарушенный человеком баланс между биосферой и техносферой. Это действительно вызов планетарного масштаба. Убежден, чтобы ответить на него, у человечества есть интеллектуальный потенциал", - сказал президент РФ Владимир Путин в ходе 70-й сессии Генеральной Ассамблеи ООН [4].

В настоящей работе предлагаются новые, природоподобные, экологически эффективные, СО2 нейтральные, бестопливные технологии для создания систем жизнеобеспечения, вентиляции, теплоснабжения и кондиционирования, которые по оценкам потребляют от 20-40% в городах и до 80-95% в сельских и отдаленных поселениях вырабатываемой энергии.

Их применение необходимо для обеспечения конкурентоспособности и природосбережения, причем не только в легко ранимой Арктической зоне, но также в развиваемых туристических зонах, например, Алтая, Байкала и по мере развития повсеместно.

БЕСТОПЛИВНЫЕ СИСТЕМЫ

В качестве востребованных природоподобных технологий нами предлагаются бестопливные системы вентиляции, теплоснабжения и кондиционирования. Эти системы имеют несколько направлений развития и выполняются в соответствии с заявками на патенты РФ №№ 2015142648, 2016100458 и другими. Они предназначены для экологически эффективного, экономичного, автономного и, возможно, энергонезависимого жизнеобеспечения: отопления, вентиляции и кондиционирования зданий и сооружений при минимизации экологического воздействия на окружающую среду. Их использование позволит в регионах резко континентального и холодного климата при малых затратах энергии создавать комфортные условия, соответствующие условиям теплого и умеренного климата, и в том числе с возможностью применения тепловых насосов и солнечной энергии, причем столь же эффективно, как и в более теплых странах.

Экологическая и экономическая эффективность этих бестопливных систем основана на использовании условно бесплатных природных потенциалов. Она заключается, например, в использовании для зимнего обогрева значительной доли, 40-70%, теплоты фазового перехода, выделяющейся при замерзании воды и тепла охлаждения образующегося снега, рисунок 2. Кондиционирование и охлаждение в жаркие летние периоды, также необходимое практически на всей заселенной территории в России и даже в Якутии, осуществляется этой же системой зимнего обогрева с охлаждением воздуха и фэнкойлов за счет испарения воды.

1.Система экономична, так как капитальные затраты и текущие расходы не снизятся и будут соответствовать применению маломощных отопительных приборов и котлов, которые используются для теплоснабжения в условиях теплого и умеренного климата с температурой до -15°С.

2.Система экологически эффективна, так как значительная или даже большая часть энергии выделяется за счет использования условно бесплатных природных потенциалов, причем безвредно для окружающей среды, а не за счет сжигания топлива или потребления электроэнергии.

Пример. система вентиляции и отопления

Системы вентиляции и обогрева помещений для животных, гаражей, ангаров, хранилищ и др. Эти сооружения защищают от размораживания, зачастую они имеют внутреннее тепловыделение, например, коровники, горячие цеха, могут функционировать при температурах незначительно превышающих 0°С, но требующих больших расходов воздуха для вентиляции.

 

Рис. 2 - Тепловой эффект от замерзания 1 кг воды и охлаждения льда.

 

В предлагаемом варианте воздухонагревательная установка, рисунок 3, включает вентилятор 1, подключенный воздуховодом 2 к потребителю 3 вентиляционного воздуха, подогреватель 4 воздуха с источником энергии 5, например, с котлом, осадительную камеру 6 с устройством 7 ввода воздуха, разбрызгивателями 8 воды и устройством 9 удаления льда и снега. Потребителем 3 вентиляционного воздуха может быть шахта, помещение, вентиляционная система и другие, включая уже указанные выше. Подогревателем 4 воздуха может быть калорифер, подключенный к источнику энергии 5, например, к котлу, электрокалорифер и другие отопительные устройства.

 

 

 

Рис. 3 – Система вентиляции и обогрева.

 

Здесь подогрев воздуха большей частью производится за счет тепла, выделяющегося от замерзания воды – природного потенциала, причем без затрат энергии, до температуры близкой к 0°С. Далее, при необходимости, воздух нагревается до температуры подогревателем 4 энергией, поступающей от источника 5. Образованные при замерзании воды лед и снег выпадают из потока воздуха и удаляются из установки устройством 9 удаления льда и снега. Тепло, отдаваемое от замерзшей воды, например, дешевой технической воды, здесь мы условно считаем бесплатным, так как на подогрев воздуха ни топлива, ни электроэнергии не тратится.

Расчетные оценки. Для вентиляции хранилища/птицефермы необходимо подавать 1м3/с=1,3кг/с наружного воздуха. Примем, что температура вентиляционного воздуха должна быть не менее +2°С. Расчетный расход тепла для подогрева воздуха на 42°С, от минус 40°С до +2°С составляет 54,3 кВт. При этом доля тепла, вводимого для собственно подогрева воздуха от 0 до +2°С, составит 4,76%, (2,6кВт). Основную часть тепла, 51,7 кВт, отдаёт замерзающая вода. При охлаждении воды, её замерзании и охлаждении снега и льда в процессе снижения температуры от +10°С до -30°С тепловыделение составит 437кДж/кг. В соответствии с балансом тепла требуемый расход воды составляет 0,118кг/с=426кг/час.

Выводы.

1.Расход топлива и мощность обогревателя могут быть снижены до 20 раз.

2.Стоимость доставки, монтажа системы обогрева и затрат на помещение для её размещения также многократно снижаются.

3.Потоки воздуха с температурой Тв»0°С могут быть получены при любой отрицательной температуре без ограничений.

Следует отметить, что сейчас затраты на подогрев вентиляционного воздуха становятся наиболее важными из-за применения новых строительных материалов и архитектурно-строительных решений, в частности за счет совмещения систем вентиляции и отопления, минимизации неконтролируемых потерь и притоков воздуха и других. Например, это здания торговых, торгово-развлека-тельных и выставочных центров с их огромными объёмами и посещаемостью. В системе, рисунок 3, есть и другие не указанные положительные свойства в зависимости от вариантов технического исполнения этих систем. Естественно, при необходимости более высокого подогрева воздуха эффективность снижается.

Следует отметить, что теплота замерзания воды уже используется для подогрева вентиляционного воздуха в шахтах [5-7]. При этом в Канаде [6] применяется намораживание больших масс льда в подземных камерах с их оттаиванием летом, что сложно и не перспективно для поселений. В патенте [7] предложено использовать шахтную воду частично для выделения теплоты замерзания, а оставшегося потока для смывания образующегося льда. Эта схема также мало перспективна из-за больших затрат воды. Наиболее интересным является вариант применения гидрокалориферной установки для шахты №11 Джебарики-Хая в Якутии, рис. 54 [5]. В установке осуществляется подогрев воздуха за счет скрытой теплоты замерзания воды, разбрызгиваемой в восходящий поток воздуха. Вода подается из реки, а образующийся лед и снег ссыпаются с берега обратно на лёд в реку. Отмечено, что подогрев воздуха достаточно надежен. Капитальные затраты и стоимость эксплуатации гидрокалориферной установки в два раза ниже, чем для варианта системы с паровыми калориферами.

Пример. система отопления с тепловым насосом

В качестве второго примера рассмотрим вариант организации отопления зданий с использованием тепловых насосов (ТН). ТН работают по обратному циклу с отбором тепла из бросовых источников тепла или из окружающей среды и позволяют [8] в 2-4 раза снизить потребление электроэнергии для отопления зданий. Они широко применяются в экономически развитых странах умеренного климата, Германии и других. Типично используется тепло из повсеместно доступных источников воздуха или грунта. Согласно [8] ТН эффективны и могут применяться при температурах не ниже минус 10-15°С, так как теплонасосный коэффициент и эффективность ТН цикла резко падают с понижением температуры источника тепла, и, например, ТН в принципе не применимы в зонах вечной мерзлоты или с длительной зимой.

В предлагаемой схеме, рис. 4, ТН 1 с испарителем 2, вентилятором 3, компрессором 4, расширителем 5, конденсатором 6 и трубопроводами 7 использует для отопления здания 8 теплоту замерзании воды, отбираемую из воздуха, нагретого до Тв»0°С. Обогрев обеспечивается описанным способом в установке нагрева воздуха 9 с элементами 10-16.

Предлагаемая схема обеспечивает повсеместно доступный источник тепла для ТН. Таким образом, и в наших суровых зимних условиях, при наружных температурах Тн=(‑20 … ‑40)°С, возможно использование ТН для экономичного обогрева. Схема экологически высокоэффективна, не требует загрязняющих территорию систем местного сжигания и обращения с топливом (склад топлива, топливоподготовка и др).

 

Рис. 4 – Система отопления с ТН.

Для большинства стран характерно наибольшее потребление энергии на охлаждение и кондиционирование помещений, и оно разрешается применением кондиционеров, использующих теплонасосные циклы.

Климат России характеризуется не только низкими температурами, но является резко континентальным, поэтому воздушные системы отопления с теплонасосным циклом хорошо известны и в России. Это кондиционеры реверсивного типа, которые могут применяться как для охлаждения, так и для обогрева при температуре на улице до минус 15°С и ниже. ТН также может подключаться к системам горячего водоснабжения, водяного отопления или к теплому полу – это наиболее эффективная схема. Коэффициент трансформации электроэнергии привода ТН в тепло на отопление составит оценочно от 200 до 400%. При этом от замерзающей воды через воздух подводится около 1/2 - 3/4 тепла. Затраты электроэнергии на привод ТН составят всего 50-25% по сравнению с прямым обогревом от электрического котла.

ТН, как и любые электрические приборы, легко автоматизируются. Благодаря значительной тепловой инерции ограждающих конструкций зданий электрическое отопление от ТН может быть настроено на максимальное потребление электроэнергии в часы провала нагрузки с минимальной ставкой оплаты, что позволит дополнительно сгладить график нагрузки энергосистемы и сетей. Равномерная, стабильная нагрузка энергосистемы и сетей очень важна для надежной и экономичной работы электростанций.

В итоге схема с ТН, рисунок 4, и двух- четырехкратным снижением потребления электроэнергии для отопления имеет экономическую привлекательность и возможность повсеместного использования ТН и кондиционеров, более эффективно и дёшево, чем при простом копировании зарубежного опыта.

Пример. комплексная система

В летний период почти повсеместно на территории России наблюдаются периоды изнуряющей жары, и требуется кондиционирование, рисунок 5. Для жизнеобеспечения необходимо как отопление зимой, так и кондиционирование помещений летом.

 

Рис. 5 – Распределение осредненных дневных температур и влажности.

 

Например, июльские максимумы температур в Якутске (+38°С), Новосибирске (+38°С), Красноярске (+41°С) и в других сибирских городах несколько выше наблюдаемых в Москве (+37°С), причем с большим числом солнечных дней. Кроме того, периодически возникают чрезвычайные ситуации, например, задымления от пожаров, горения лесов и торфяников или воздушных выбросов.

В развитие рассмотренных систем нами предлагается также комплексное решение и построение круглогодично работающих систем вентиляции, отопления и кондиционирования по схеме с вентилируемым фасадом «Климат», 10-13, приведенной на рисунке 6.

В схеме могут быть применены тепловые насосы в составе 17-20, и будет использоваться не только теплота замерзания воды, выделяющаяся в установке 1-3, но и теплота испарения воды для охлаждения, солнечная энергия и другие природные потенциалы. Это обеспечивает высокие экономичность и экологические показатели при круглогодичном функционировании оборудования: вентиляция плюс отопление зимой и вентиляция плюс охлаждение летом.

Хотя данная система более затратная по капиталовложениям, её применение позволит экономить до 60-85% эксплуатационных и до 40-70% капитальных затрат на изготовление системы в сравнении с применяемыми на сегодня типовыми вариантами. При этом дополнительно решаются и другие проблемы жизнеобеспечения, например, в помещение поступает увлажненный воздух, что благоприятно зимой, для комфортных условий не потребуются увлажнения, причем в помещение поступает свежий воздух, а не его рециркуляция через фэнкойлы, как при типовом кондиционировании [9]. Кроме того, система защитит от периодически возникающих чрезвычайных ситуаций, например, задымления от пожаров, горения лесов и торфяников или удушающих воздушных выбросов и смога.

 

Рис. 6 – Комплексная система вентиляции, отопления и кондиционирования здания.

Комплексный подход с установкой действительно вентилируемых фасадов «Климат», 10-13, со вспомогательными элементами, 4-9 иллюстрируется рисунком 6. Система может использоваться при новом строительстве и при реконструкции зданий. Работа вентилируемых фасадов «Климат» основана на новых принципах. Зона промерзания вытесняется из массива ограждающих стен здания. Материал стен работает без внешнего промерзания, более надежно и долговечно, толщина стен может быть уменьшена до необходимой только по условию обеспечения прочности конструкции здания. Соответственно появляется возможность уменьшить вес здания и фундамента, что существенно удешевит и облегчит ведение строительства, особенно в зоне мерзлоты. Оценочно затраты на строительство собственно зданий могут быть снижены на 15-40%.

 

 

Рис. 7 – Опытный образец блока для системы охлаждения воздуха и воды.

Блоки кондиционирования с косвенно-испарительным [10] охлаждением по проведенным испытаниям, рисунок 7, обеспечивают понижение температуры воздуха и воды, поступающей в фенкойлы до уровня ниже температуры мокрого термометра, работают бесшумно, при минимальном потреблении электроэнергии, на привод насоса и вентиляторов. Например, для условий Якутска при относительной влажности j1=50% и средней дневной температуре t1=26°С согласно I-d диаграмме [9] влагосодержание составит d1=10,5гр/кг. Днем воздух прогревается до t2=+38°С, j2=25%, температура мокрого термометра tм=+22,2°С высока и не может обеспечить испарительного охлаждения помещения. При этом система, рисунок 7, обеспечивает охлаждение воды (на фенкойлы) и воздуха до достаточно низкого уровня 17-15°С.

Снижение потребления электроэнергии в комплексной системе становится еще более существенным, чем при применении только ТН для отопления, причем действующее круглогодично как для зимнего отопления, так и для летнего охлаждения помещений. Многократное снижение потребления электроэнергии, до 40-10% обеспечивает не только его экономическую привлекательность, но и энергонезависимость.

Благодаря экономии энергии возможно увеличить городскую застройку без дорогостоящего строительства новых источников энергии и увеличения пропускной способности городских теплотрасс и электрических сетей. Применение комплексного подхода при освоении новых территорий как северных, так и южных позволит вести более эффективное строительство новых, в том числе комфортабельных временных поселений и др., так как это не потребует мощного энергообеспечения, которое необходимо сейчас при типовых технических решениях.

Естественно данные системы имеют недостатки. Замена 1т сжигаемого угля компенсируется выделением значительной массы, примерно 10т снега. Достаточно сложными и требующими оптимизации являются осадительные камеры, блоки кондиционеров, рисунок 7, а также конструкции вентилируемых фасадов «Климат», система автоматизации, включающая зависимое от прогноза погоды, пофасадное управление и другие элементы.

Но все эти проблемы разрешимы и не умаляют появляющихся достоинств. Применение предлагаемых технических решений с пониженным потреблением энергии по нашим оценкам позволит на большинстве территорий России вести строительство энергонезависимых зданий с установкой солнечных панелей и использованием солнечной энергии для полного энергоснабжения их систем жизнеобеспечения. Это особенно важно в связи с потенциальной уязвимостью территории России [1] как зимнему блэкауту, так и имеющим место частым случаям ЧС зимой из-за размораживания систем отопления.

ВЫВОДЫ

Для создания систем жизнеобеспечения предложено использовать энергию природных потенциалов, теплоту замерзания воды и других, экономично и экологически чисто. Согласно оценкам это позволяет, например, снизить затраты тепла на вентиляцию помещений до 20 раз и использовать для отопления тепловые насосы, повсеместно при низких температурах и в зоне вечной мерзлоты.

Многократное снижение потребления энергии, причем даже в зоне вечной мерзлоты, делает экономически привлекательным использование электроэнергии для жизнеобеспечения поселений и объектов, экологически чисто, с высоким уровнем управления и контроля, что улучшает функционирование также и собственно энергосистем.

Наиболее эффективно применение комплексного подхода, который на 15-40% снижает затраты по строительной части и обеспечивает строительство энергонезависимых зданий с пониженным до 15-25% потреблением энергии на жизнеобеспечение с кондиционированием и защитой от ЧС.

список ЛИТЕРАТУРы

1.Велицко В.В. Сохранение систем теплоснабжения в случае зимнего блэкаута, на примере г. Москвы // Современная техника и технологии. 2015. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/12/8276 (дата обращения: 22.11.2016).

2.Постановление правительства РФ от 21 апреля 2014 г. № 366 Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года"

3.Стратегия развития арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года. // сайт Правительства России, URL: http://government.ru/info/18360/, дата обращения 3 апреля 2017 года

4.70-я сессия Генеральной Ассамблеи ООН 28 сентября 2015 года Нью-Йорк // Официальные сетевые ресурсы Президента России, URL: http://www.kremlin.ru/events/president/news/50385, дата обращения 3 апреля 2017 года

5.Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. М: Недра, 1968 – 285с.

6.Penner E. The mechanism of frost heaving in soils. Highwal Research Board Bull., 1959, N 225.

7.Шувалов Ю.В.; Гендлер С.Г. и др. Устройство для подогрева воздуха в шахтах Патент РФ, №2029873, опубл. 27.02. 1995.

8.Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. – М: Энергоатомиздат, 1982 – 224с.

9.Белова Е.М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях. – М: Евроклимат, 2006 – 640с.

10. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. – М: Машиностроение, 1978 – 278с.

 

Пузырев Евгений Михайлович, д.т.н., профессор каф. КиРС, зам. директора по научной работе ООО «ПроЭнергоМаш-Проект», 656905 г. Барнаул, Проезд Южный, 17а. e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Пузырев Михаил Евгеньевич, ст. инженер, ООО «ПроЭнергоМаш-Проект», 656905 г. Барнаул, Проезд Южный, 17а. e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 


Warning: filesize(): stat failed for images/stories/files/.pdf in /home/users/p/pemenergo/domains/pem-energo.ru/modules/mod_nauch_down/mod_nauch_down.php on line 19

Warning: filesize(): stat failed for images/stories/files/.doc in /home/users/p/pemenergo/domains/pem-energo.ru/modules/mod_nauch_down/mod_nauch_down.php on line 20


Ссылки для скачивания