2 мая 2003
Два года назад я самостоятельно начал реализовывать идею создания условий, позволяющих «оторваться» от зависимости в энергетическом плане от централизованных источников энергоснабжения на даче в пригороде.
Сразу признаюсь, что моя слабость мышления (как Анастасия говорит, низкая скорость мысли) не смогла учесть всех сторон обеспечения поставленной цели. По сути, я потерпел поражение, пришлось съехать с ограбленного жилища, поскольку продолжать реализацию идей в отсутствии инструментов, материалов и других, необходимых для жизни и деятельности, условий, дальше не представлялось возможным.
Однако, результат все-таки есть, остался опыт не до конца проверенный жизнью, но все же, по-моему, заслуживающий внимания и право на продолжение и реализацию.
Итак, предлагаю вашему вниманию, небольшую часть своих выводов для присоединения и объединения мысленных усилий.
Использование тепла Земли для обеспечения комфортного состояния атмосферы жилища.
Исходные позиции:
1.Электропотребление должно быть гармоничным. Это означает, в общем, соблюдение принципов взаимодостаточности и безвредности во взаимоотношениях человека и среды его обитания (имеется в виду дом и прилегающий к нему земельный участок, его биосфера, атмосфера).
2.Энергообмен между Природой и человеком (семьей) должен происходить в локальном пространстве, включающем среду обитания без использования (или в очень ограниченном использовании) энергии, добытой за пределами жилища (т.е. без использования или с очень ограниченным использованием электричества из централизованных электросетей, централизованных тепловых, газовых, водяных и др. магистралей).
3.Постановка цели должна быть существенной, а не завуалированной уводящими от истины терминами и определениями. Имеется в виду то, что если мы хотим обогреться зимой или охладиться в жаркий период времени, то это означает, что мы должны нагреть или остудить воздух, окружающий тело или находящийся в жилище, как конечный результат, а не нагреть батарею отопления или воду, подаваемую к теплообменнику (цель промежуточная). Существенность цели означает, что в расчет должны включаться все составляющие в их фактическом состоянии: здание и его теплоемкость, теплопроводность стен, количество и качество воздуха, кратность воздухообмена и т.п..
4.Учитывать качество используемой для нагрева и охлаждения среды, обращая внимание на энергоносители, их движение и трансформацию в процессе энергообмена
5.Обращать внимание на излишества при энергообмене. Например, зачем греть дом или комнату до комфортной для человека температуры в 20° -23°С, если людей там нет? Мы же выключаем электроосвещение днем или при отсутствии людей в жилище?. Нельзя ли поступать подобным образом и с теплом?
Итак, в процессе добычи воды, т.е. при организации локального водоснабжения на приусадебном участке, я обнаружил, что вода в скважине-колодце не превышала 13°С даже в самую жаркую пору лета. Объем воды, находящийся в колодце, соответствует 200 л (0,2 м3).
Просчитал, сколько тепла можно «добыть», если охладить эту воду на 5°С.
Простой расчет показал, что количество тепла в этом варианте соответствует 4,2 МДж (1,2 кВт·ч).
С другой стороны, заинтересовало, сколько тепла нужно, чтобы получить комфортное состояние, например, в комнате (20°С). Для удобства расчета и сравнения условно принял, что одному человеку достаточно 6 м3 площади, что при стандартной высоте помещения в 2,3 м соответствует объему около 14 м3 Принял также, что за час необходимо трижды поменять объем воздуха в помещении и довести его до комфортного состояния (практически, 42м3 воздуха).При теплоемкости воздуха 0,72 кДж/м3·град, изменение температуры такого количества воздуха на 1°С требует привнесения 30, 25 кДж энергии (0,0084 кВт·ч).
Представим, что температура воды в колодце зимой и летом имеет одну и ту же величину (13°С). (На самом деле в течение года температура менялась в пределах 12-15°С).
Если принять такую схему использования тепла земли, когда вода из колодца (при остывании на 5°С) доводит температуру в комнате до 8°С, а с 8°С до20°С нагрев осуществляется другими способами, тогда получим, что в 20-градусный мороз (-20°С) нам 42м3 воздуха нужно нагреть на 28°С, т.е. добавить ему 30,25·28 = 847 кДж/час (0,235 кВт·ч/час).
Если представить, что теплообмен между воздухом и водой происходит с кпд 50%, получим, что в час нам необходимо прокачать со скважины (теплоемкость воды 4,2 кДж/ кг·град) 847/4,2·0,5=403л/час, т.е.6,7 л/мин (112мл/с)
С 8°С до 20°С (на 12°С) воздух в комнате можно нагреть другим способом (об этом дальше), для чего в него необходимо внести 30,25·12=363 кДж тепла (0,101 кВт·ч).
Представим, что нагрев воздуха (независимо от способа) происходит с кпд 50%, тогда этот способ нагрева (дополнительный) должен обеспечить поступление 726 кДж тепла в час (или 0,202 кВт·ч/час; 4.85 кВт·ч/сутки).
В летний период при 30-градусной жаре можно охладиться за счет воды колодца, например, до 23°С, т.е. на 7°С. Для этого воду из колодца можно прокачать через теплообменник (с кпд50%), нагревая ее на 5°С. Поскольку нам надо отобрать у воздуха 30,25·7 =212кДж/час (0,06 кВт·ч/час), то через теплообменник необходимо прокачать: 212/4,2·0,5 = 96 л/час (1,6л/мин; 27мл/с).
На основе вышеизложенного попробуем обосновать отличный от использующихся принцип построения отопительной системы и сравнить ее эффективность, например, с отопительной системой, построенной на основе тепловых насосов фирмы «Нотека-С» и с системой, построенной на чистом электрообогреве.
Прежде, чем это сделать, обращаю внимание на то, что в изложенном материале теплоемкость предметов в комнате и теплоемкость самой комнаты (здания) не учитывалась сознательно. Дело в том, что выбранная мною схема построения жилища предполагает каркасный вариант здания с теплоизоляцией в виде пено- или волокнистых материалов. Особенностью этих материалов является низкая теплопроводность и небольшая теплоемкость, причем теплоемкость значительно более низкая, чем у общепринятых кирпичных или железобетонных строений. В результате низкая тепловая инерционность здания, по-моему, может позволить использовать мобильные схемы обогрева по аналогии, например с освещением, когда нужен свет – включил, а нет – выключил. В жилищах с большой тепловой инерционностью (кирпичных, бетонных) этого добиться невозможно, поскольку приходится греть стены «на всю катушку». И - греют. С одной стороны – удобно при нашей лени и недальновидности, а с другой – львиная доля энергии уходит на поддержание комфортной температуры воздуха в зданиях за счет накопления тепла самими зданиями, имеющими громадные массы и, соответственно, теплоемкость (теплопоглощение).
Что касается теплоемкости содержимого жилища, то в сравниваемых вариантах, предполагаем, она одинакова, Это позволяет при сравнении способов обогрева опустить ее значимость.
Итак, схема предполагаемого обогрева такова:
До 8°С обогрев осуществляется напрямую теплом земли или грунтовой воды (назовем его естественным), а до 20°С воздух в комнате греется другими способом (добавочным или искусственным), например, дровами или нефтяным топливом (керосин, бензин, солярка и т.д.). А лучше, если этот дополнительный обогрев будет происходить за счет использования энергии биомассы приусадебного участка и отходов жизнедеятельности человека и животных, например, биогазом или спиртами, полученными из биомассы путем микробиологического сбраживания.
Примечание: Я четко представляю «конструктив» вариантов добавочного отопления, не хватает только оформления этих решений в рабочие проекты (не успел еще сделать). В связи с тем, что мне не удалось пока на опыте оценить преимущества или недостатки того или иного варианта добавочного отопления, подробный анализ их будет преждевременным. А целью дополнительного обогрева является отказ от централизованных вариантов энергообеспечения, что отвечает позиции тех, кто желает организовать гармоничные взаимоотношения человека и Природы.
Естественному обогреву предполагается подвергнуть помещения как постоянно, так и частично используемые в холодный период времени, а дополнительному нагреву предполагается подвергать помещения во время их использования
В качестве дополнительного обогрева предполагалось сначала использовать печку на дровах, затем каталитическую печку (окисление углеводородного топлива без пламени), биогаз, солнечную энергию, энергию ветра.
Тепло из земли можно получить путем перекачки воды из скважины через теплообменник, можно использовать тепло из зарытых на глубину порядка 80см труб (место прокладки этих труб – траншея поля фильтрации канализационных стоков), причем это позволит дополнительно использовать (частично вернуть) тепло сточной воды в систему отопления.
В качестве системы перекачки воды можно использовать электронасос или насос с приводом от ветра. Есть еще ряд предполагаемых вариантов, менее разработанных, чем описываемые. Самым эффективным из них может оказаться перенос подземного тепла с помощью тепловых труб, у которых коэффициент теплопроводности может быть в сотни и тысячи раз выше коэффициента теплопроводности меди, причем без каких-либо приводов и дополнительных устройств переноса теплоносителя.
Итак, попробуем сравнить:
Исходные данные:
Диапазон нагрева, °С от -20°С до +20°С, всего 40°С
Объем нагреваемого воздуха в час, м3 42
Потребное количество тепла, необходимое
для нагрева указанного количества воздуха
в час на 1°С, кДж (кВт·ч) 30,25 (0,0084)
Коэффициент преобразования теплового
насоса фирмы «Нотека-С» 4
Диапазон дополнительного нагрева в
предлагаемом варианте (с8°С до20°С) 12°С
Способ дополнительного нагрева в
предлагаемом варианте (кпд=100%) электрокалорифер
Затрачиваемая энергия, кВт·ч по вариантам:
«Нотека-С» в час - 0,084; в сутки - 2,016
Предлагаемый в час - 0,101; в сутки - 2,424
Электрообогрев в час - 0,336; в сутки - 8,064
Сравнительная оценка затрат энергии по вариантам, %:
«Нотека-С» 100
Предлагаемый 121
Электрообогрев 403
Как видно из сравниваемого, наиболее эффективен тепловой насос фирмы «Нотека-С».
Предлагаемый вариант по энергозатратам уступает тепловому насосу на 21%.
Электрообогрев в 4 раза хуже, чем тепловой насос по затратам.
Теперь попробуем разобраться подробнее:
Тепловой насос – агрегат, повторяющий холодильник («наоборот»), поэтому, во-первых, его цена составляет десятки тысяч рублей (в зависимости от мощности), во-вторых, для использования тепла земли, тепловым насосом, необходимо специально устанавливать теплообменник на глубине, а ни теплообменник, ни скважина, ни конструкция скважины в цену теплонасоса не входит. Это требует дополнительных затрат, причем с привязкой к конкретным условиям. В-третьих, работа теплонасоса требует наличия электричества в любом диапазоне нагрева (питание насоса, компрессора), в то время, как предлагаемый вариант при обогреве до 8°С может полностью обойтись без использования электричества или другого централизованного источника энергоснабжения, если будет использовать тепловые трубы, энергию ветра, самоциркуляцию теплоносителя.
Таким образом, если учитывать «необнародованные» затраты, то тепловой насос оказывается менее выгодным, менее гармоничным агрегатом, чем предлагаемый вариант.
Кроме того, у предложенного варианта имеется 2 диапазона нагрева: естественный и дополнительный, который сознательно при сравнении принят одним из самых неэффективных с затратной точки зрения, т.е. электрический. Ранее говорилось, что дополнительный нагрев предполагается осуществить другими способами, гармоничными и без использования централизованных источников энергии. Более того, если рассматривать только первый, естественный диапазон нагрева, то предлагаемый вариант вообще обходится без энергетических затрат, а, следовательно, в этом диапазоне эффект его использования несравненно выше, чем у других, обычно используемых вариантов. Другими словами, чем диапазон дополнительного нагрева меньше, тем эффективнее предлагаемый вариант.
И еще:
Предлагаемый вариант позволяет независимо от температуры окружающего воздуха «держать» помещения пребывания человека в некотором «дежурном» температурном диапазоне, приближенном по своему значению к комфортной температуре среды обитания человека, а, следовательно, позволяет «экономить» энергию, тем более, если обогреваемая среда позволяет динамично изменять температуру (обладает низкой теплоемкостью). Это позволяет дополнительный обогрев «включать» там, где находится человек (как свет), а неиспользуемые помещения оставлять под естественным обогревом, не производя затраты из источников централизованного энергоснабжения. Независимость человека от условий общества (не всегда здоровых) в этом случае возрастает, по крайней мере, в отношении теплоснабжения.
Выводы:
1.Изложенный материал позволяет сделать предложения по организации независимого от централизованных источников энергии теплоснабжения жилых помещений.
2.Материал дает почву для анализа условий построения жилья, приспособленного для независимого теплоснабжения.
3.Вариант двухстадийной схемы обогрева, где первая стадия - естественный обогрев до уровня температуры предповерхностного слоя земли (грунтовой воды), а вторая - дополнительный нагрев до комфортной для жилища температуры, позволяет найти подходы к экономичному, гармоничному решению задачи.
4.Предложенный материал позволяет оценить возможность динамической схемы обогрева, как для электричества: нужно – «включил», не нужно – беззатратный «дежурный режим».
5.Для массового использования предложенного способа независимого теплоснабжения необходимо приложить усилия для описания и конструктивного оформления вариантов тепловых геомодулей (ТГМ) (название авторское), включающих устройства отбора тепла земли (грунтовых вод), проводники этого тепла (тепловые трубы или заборные теплообменники со средствами перемещения теплоносителя), отдающие теплообменники (собственно, батареи естественного отопления, имеющие возможность переключения на дополнительный нагрев), а также системы дополнительного нагрева с выключателями (по аналогии с электровыключателями).
6. Целесообразно установки типа ТГМ совместить с организацией локального водоснабжения и локальной канализации, что позволит организовать комплексный подход и обеспечит еще более независимое от общества существование человека, т.к. обеспечит водой, теплом и средствами вывода и рассредоточения бытовых сточных вод.
7..Целесообразно также устройства типа ТГМ совместить с аналогичными устройствами, охлаждающими среду обитания (жилище) человека в жаркое время года, т.е. дополнительно решать задачу кондиционирования, сохранения продуктов питания (холодильные шкафы типа погреба) и т.п.
Простите за «непомерный» для вашей темы объем сообщения, но я не нашел другого способа доказательно провести изложение без приведения результатов «проверяемых» расчетов.
Хотелось бы продолжить работу в этом направлении, как для своего рода, так и для будущих соседей в поселке Родовых поместий.