Жилым комплексам — систему самоэнергообеспечения
Гармония в градостроительстве достигается тогда, когда продолжительность жизни зданий и средств их коммунального обеспечения совпадают. Отступление от этого принципа приводит к определенным проблемам. Например, во многих зданиях города Омска и области, разменявших всего вторую сотню лет, система отопления подвергалась коренной переделке несколько раз - вначале было печное, потом отопление углем водяных систем, затем централизованное теплоснабжение. Существующие системы отопления подвергались и будут в дальнейшем подвергаться переделке только из-за того, что циклы эксплуатации зданий и технологий отопления различны по времени.
Используемые в настоящее время технологии энергообеспечения основываются на сжигании органического топлива, запасы которого ограничены. Уже сейчас мы, россияне, добываем в три раза больше нефти, чем дает разведка новых ресурсов. Расход газа также превышает прирост разведанных ресурсов (обеспеченность разведанными запасами нефти при современном уровне ее добычи составляет 47 лет, природного газа - 77 лет).
Поскольку продолжительность эксплуатации жилых малоэтажных комплексов рассчитывается на сотни лет, то такими же сроками использования должны обладать и технологии обеспечения этих комплексов водой, теплом, искусственным холодом, электрической энергией. Такой долговечностью обладают лишь технологии, ориентированные на возобновляемые источники энергии и использующие существующий градиент температур.
Исходя из изложенного и, принимая во внимание, что человечество не имеет права и далее отравлять атмосферу Земли, конструкторское бюро альтернативной энергетики "ВоДОмет" предлагает систему самообеспечения искусственным холодом, теплом, водой и электрической энергией.
С учетом особенностей российского климата, в центре комплексного использования возобновляемых источников энергии (вплоть до 60 северной широты) находится здание, обеспечивающее увеличение поступления солнечной энергии в солнечный соляной пруд благодаря отражению энергии от ограждающей конструкции, расположенной с южной стороны здания. Это здание затеняет теплоизолированный котлован со льдом, находящийся с северной стороны. Базовыми модулями системы самоэнергообеспечения, которыми она комплектуется в зависимости от потребности, являются гелиохолодильник, тепловой насос, гелиоводомет и гелиоэлектростанция.
Обеспечение жилых малоэтажных комплексов холодом или теплом осуществляется следующим образом. Система среднетемпературного хладоснабжения (рис. 1), не отличаясь, в принципе, от известной, работает от солнечной энергии 1, запасенной солнечным соляным прудом 2 (L и L - ширина прямого и отраженного солнечного излучения, аккумулированного прудом). Гидродинамический солнечный соляной пруд - это не только аккумулятор, но и мощнейший концентратор солнечной энергии. Плотность потока тепловой энергии в пруду (при известной инерционности и технологии использования теплосодержания) в 100000 раз выше солнечной постоянной (1300 Вт/м2). Теплота из пруда по тепловой трубе 3 подается к хладомету (компрессору) 5, где в термодинамическом цикле преобразуется в энергию потока хладагента. Неиспользованная в цикле теплота по тепловой трубе 6 отводится в котлован 7, заполненный льдом, обеспечивая его таяние. Отражающая поверхность 4 обеспечивает увеличение поступления солнечной энергии в пруд, а теплоизоляционное покрытие 8 исключает таяние льда от теплого воздуха. Хладомет обеспечивает охлаждение замкнутых объемов посредством циркуляции хладагента по рабочему контуру компрессионной холодильной установки: конденсатор 12 - вентиль 11 - испаритель 10. В испарителе за счет теплоты помещений и находящихся там людей происходит парообразование низкокипящего рабочего тела - хладагента. Образующийся пар хладагента сжимается с повышением температуры (зависящей от степени сжатия) и затем поступает в конденсатор, в котором он отдает теплоту в котлован со льдом. Получающийся при этом конденсат поступает в вентиль, в котором происходит понижение его давления, после чего хладагент поступает в испаритель, и цикл повторяется. В процессе работы температура в помещении понижается, теплота выводится наружу.
При аккумулировании солнечной энергии придонным рассолом пруда прогревается и грунт 9. При этом образуется существенный запас теплоты - петрогеотермальный ресурс - гарантия бесперебойного энергообеспечения в пасмурные дни. Если по дну пруда проложить трубопровод 13 с водой, то с апреля по октябрь не будет проблем с отоплением и горячей водой, а если же это будет воздуховод, то потребители будут обеспечены горячим воздухом. Можно через котлован 7 проложить воздуховод 14 и по нему подавать охлажденный воздух в здание - такое решение позволяет снять вопрос кондиционирования помещения в знойный период. В воздуховоде будет конденсироваться вода, что особенно важно для засушливых регионов. Кроме того, котлован с талой водой и пруд можно использовать как противопожарные водоемы.
Теплоснабжение зимой происходит следующим образом (рис. 2). Хладомет 5, обеспечивающий обогрев помещений посредством циркуляции хладагента по рабочему контуру теплового насоса: испаритель 10 - вентиль 11 - конденсатор 12, работает от энергии сгорания органического топлива, обогревающего укороченную тепловую трубу 3 (конструкция топок-форсунок условно не показана), или горячей воды центрального отопления. Неиспользованная в термодинамическом цикле хладомета теплота также идет на обогрев. В испарителе за счет талой воды 7, грунта, находящегося под ней, а также теплоты грунта 9 и рассола пруда 2 происходит парообразование хладагента. Образующийся в испарителе пар сжимается в хладомете с повышением температуры, затем горячий пар поступает в конденсатор, в котором он отдает теплоту фазового перехода на обогрев помещений. Образующийся конденсат направляется в вентиль, в котором происходит понижение его давления, после чего он поступает в испаритель, и цикл повторяется. В процессе работы температура воды в котловане понижается, и она превращается в лед (котлован "готовится" к приему теплоты летом), а также снижается температура грунта и рассола пруда, обеспечивая обогрев помещений аккумулированной солнечной энергией и сбросным теплом гелиохолодильника. Для замедления остывания пруд на зиму изолируется от наружного воздуха покрытием 15. При долгих зимах, а также для жилых комплексов с малыми объемами котлованов пополнение котлована зимой теплотой можно обеспечивать за счет отвода "отработавшего" воздуха из здания по воздуховоду 14. Организация проветривания по такой схеме, при своевременном удалении конденсата воды, значительно уменьшает капитальные затраты на сооружение котлована.
Если по каким-либо причинам потребности в среднетемпературном холоде минимальны, то пруд и котлован летом можно использовать параллельно для водоснабжения и выработки электроэнергии.
Эффективность комплексного использования солнечной энергии в средней полосе России (даже без учета отраженного солнечного излучения) выше, чем у известных гелиотехнологий, за счет того, что летом работа хладомета осуществляется от энергии солнечного соляного пруда при охлаждении его радиатора льдом, обеспечивая наивысшую для данной географической широты разность рабочих температур и увеличение КПД преобразования на 1/3. Одновременно достигается эффективное аккумулирование котлованом солнечной энергии (до 75 процентов от аккумулированной прудом, при КПД хладомета 25 процентов) и сбросного тепла гелиохолодильника на зимний период. Предлагаемая технология позволяет, вырабатывая холод котлована, запасать тепло, вырабатывая запасенное тепло, аккумулировать холод. Таким образом, нет промежуточного оборудования и аккумуляторов, которые бы не работали в течение всего года, вырабатывая все необходимые виды энергии. Работа хладомета теплового насоса в описанной выше схеме обеспечивается за счет сжигания газа или другого топлива. Полный отказ от использования органического топлива возможен при освоении технологии аккумулирования солнечной энергии, пригодной по своим параметрам для привода в работу хладомета или за счет ветроэнергетики.
Периодическая работа котлована летом в качестве источника холода, а зимой - тепла имеет для россиян свои неоспоримые преимущества, которые могут быть оценены только в высоких географических широтах. При замораживании котлована зимой тепловым насосом расширяется зона эффективного использования солнечной энергии как в южном направлении - Кубань, Приморье, где при средней температуре января минус 1-10С невозможно без больших затрат сделать необходимые запасы льда для летней работы, так и в северном - вплоть до 60 северной широты, где при температуре января минус 20-35С энергия замерзающей воды теплоизолированного котлована - это, пожалуй, единственный вид энергии извне, пригодный по своим параметрам (температура, теплота фазового перехода) и объемам для обогрева тепловым насосом. При замерзании вода выделяет в 8 раз больше теплоты, чем при остывании на 10С. К факторам, влияющим на формирование режима теплосбора (теплоотдачи) грунта, находящегося под котлованом, относятся: наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структура и расположение слоев грунта, "тепловой фон" Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровых пространствах. Также значительны запасы теплоты в грунте 9 и пруду 2.
Однако, конечно же, основной "поставщик" энергии для отопления - это замерзающая вода. Так, при разовом промерзании котлована глубиной 2 метра количество выделяемой энергии составляет 668 ТДж/км2. Если эту энергию фазового перехода равномерно использовать в течение 150 суток на отопление, то установленная мощность "водяной топки" будет равна 51,5 МВт/км2. Это сопоставимо с плотностью энергии залежей угля в районах его добычи - 30 МВт/км2. При этом необходимо учитывать, что к конечному потребителю в виде теплоты доходит 1/7-1/10 часть энергии залежей угля, а при использовании энергии воды, возобновляемого источника, по предлагаемой технологии будет доходить 7/10-9/10 теплоты фазового перехода (средняя плотность искусственной энергии, обусловленная хозяйственной деятельностью, равна всего 0,02 МВт/км2, то есть в 10000 раз меньше плотности солнечной энергии - 200 МВт/км2). И только в отдельных местах земного шара этот показатель выше: в Японии - 2 МВт/км2, в Рурском районе ФРГ - 20 МВт/км2.
Преимущество предлагаемой системы высоких географических широт основывается на том, что за счет южной отражающей поверхности здания, направляющей в акваторию солнечного пруда десятки тысяч кВтч солнечной энергии, можно обеспечить эффективное самоэнергообеспечение. Использование солнечных прудов малых площадей с концентрацией энергии от стен здания для российских просторов является оптимальным. В настоящее время пруды промышленной энергетики (площадью от 10000 м2 до 0,75 км2) низких широт имеют КПД примерно 25 процентов, то есть из каждых 100 Дж энергии прямого и рассеянного солнечного излучения, поступающего на единицу площади пруда, 75 Дж рассеивается в окружающую среду (при эффективном коэффициенте поглощения солнечной энергии придонным слоем 0,7 и коэффициенте пропускания солнечной энергии изолирующим слоем воды, находящимся над придонным слоем,. 0,7, рассолом придонного слоя будет аккумулироваться примерно 50 Дж, из которых 25 Дж теряется за счет теплопроводности через изолирующий слой воды и грунта, и только 25 Дж используется для преобразования). Если же за счет прямого, рассеянного и отраженного солнечного излучения в высоких широтах на единицу площади пруда будет поступать уже 200 Дж солнечной энергии (коэффициент концентрации 2,0), из которых в первом приближении 100 Дж не "доходят" до придонного слоя за счет коэффициента поглощения солнечной энергии придонным слоем, равного 0,7, и коэффициента пропускания солнечной энергии изолирующим слоем воды, равного 0,7, и 25 Дж "теряются" за счет теплопотерь через изолирующий слой воды и грунт (при одинаковой температуре в придонном слое грунта, например, 900C), но использоваться для преобразования будут уже 75 Дж, то есть в 3 раза больше, так как КПД пруда в этом случае, в первом приближении, повышается до 37,5 процента, то есть становится в 1,5 раза выше, чем при поступлении только прямого и рассеянного излучения. Это с избытком компенсирует более низкую инсоляцию весной и осенью в средней полосе России.
Следовательно, в высоких широтах только за счет оптимальной формы южной ограждающей конструкции здания можно добиться максимального энергообеспечения как в летний период, так и зимой, при минимальных площадках пруда и котлована. Запас солнечной энергии на переходный период осень-зима будет обеспечен в безоблачные периоды бабьего лета и бархатного сезона.
Указанные особенности позволяют "снимать" с каждого квадратного метра солнечного соляного пруда за летний период 170 кВт/ч среднетемпературного холода или около 500 кВт/ч теплоты в виде горячей воды или воздуха, или 60 кВт/ч электроэнергии. Количество теплоты, выделяющееся при замерзании 1т. воды, эквивалентно количеству теплоты, выделяющемуся при сжигании 18 кг нефтепродуктов.
Изложенное показывает, что в союзе с архитекторами и строителями в сферу ответственности малого и нетрадиционного энергетического строительства России могут быть включены и жилые малоэтажные комплексы.
Г.Б.Осадчий, директор-конструктор КБ АИ "ВоДОмет", г.Омск
Статья предоставлена журналом «Строительные материалы и технологии»
