CC BY
29
К НА С
Сергей Александрович Гулый,
кандидат технических наук, начальник Северо-Восточной научно-исследовательской мерзлотной станции Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН
Оптимальная температура воздуха, пригодная для жизни человека, имеет достаточно узкие границы. Принято считать, что она находится в интервале между +22 и +26° С. В подобных температурных условиях окружающей среды человек может жить без дополнительных затрат энергии на отопление или охлаждение жилья. Если такая температура сохраняется круглый год и к тому же круглосуточно, то такое место для проживания человека можно считать комфортным. Однако если проанализировать климатологическую карту Земли, то окажется, что таких мест на нашей планете не так уж и много. Расположены они в пределах достаточно узкой полосы шириной не более 2000 км относительно экватора в Южной Америке, экваториальной Африке, южной оконечности Северной Америки и Азии, островов между Индийским и Тихим океанами (рис. 1). Площадь этой оптимально
Р
ПШ?
С. А. Гулый
комфортной температурной зоны составляет лишь 6% всей поверхности суши (если учитывать и Антарктиду). На остальных территориях перепад между средней зимней и средней летней температурами приземного воздуха превышает 10° С, и для того, чтобы жить комфортно в подобных температурных условиях, необходимо затрачивать дополнительное количество энергии на отопление или охлаждение. Если разместить все население земного шара, которое к концу XXI в. по некоторым прогнозам достигнет 9 млрд человек, только на территории с оптимально комфортным проживанием, то плотность его составит 1000 человек на 1 квадратный километр. Это близко к плотности населения в таком мегаполисе, как г. Пекин.
Получается, что на «благодатной земле» поселить всех людей просто невозможно. Вот и расселились люди по планете, обжив те участки
Шкала температур
10
- территория, где средняя температура воздуха летом и зимои находятся в пределах 22-26 °С
Рис. 1. Распределение средней годовой температуры приземного воздуха на нашей планете
суши, где человек как вид вроде бы и жить не должен. Конечно, несколько теплых летних месяцев в году он проживет, но затем должен либо мигрировать, как птицы, в теплые края, либо приспосабливаться к суровому климату. Оседлый образ жизни заставил человека пойти по второму пути: надеть теплую одежду, строить и обогревать жилище, т.е. создавать комфортные для себя условия жизни на Севере.
Человек является единственным биологическим видом из животного мира, который, заселив планету, непременно хочет везде жить в комфортных условиях, не приспосабливаясь к природе, а подстраивая ее под себя. Сегодня нефть, уголь, ядерное топливо являются основными источниками энергии для человека, которые отнюдь не безобидные. Беда от них не только в загрязнении планеты и в отработанных газах, создающих парниковый эффект. Добывая нефть, уголь и газ такими темпами, как сейчас, люди не дают времени Земле залечивать раны. Пустота, которая создается в результате их извлечения, как правило, ничем не заполняется и не компенсируется. Тем самым человек начинает влиять на гравитационные напряжения в земной коре, что, в свою очередь, может вызвать изменение момента инерции и даже оси вращения Земли. По мнению некоторых исследователей, именно это является основной причиной резкого изменения климата, а также крупных землетрясений и цунами на Земле за последние 20 лет. Россию от этих катаклизмов пока спасает, видимо, то, что на 65% ее территории распространена вечная мерзлота. Тем не менее инициировать и провоцировать природные катастрофы мы, добывая в Сибири в огромных количествах нефть и газ, можем вполне.
Полного истощения используемых сегодня человеком источников энергии осталось ждать недолго. По оценкам различных экспертов, при нынешних темпах потребления разведанных запасов, угля на Земле осталось всего на 350 -600 лет, нефти - на 50 - 80 лет, газа - на 70 - 100 лет, ядерной энергии - на 500 -1000 лет. По самым скромным подсчетам через 300 лет население Земли составит 13 - 18 млрд, поэтому чтобы выжить, придется осваивать как северный, так и южный полюса, т.е. те территории, которые в настоящее время совершенно не пригодны для жизни человека.
Безопасными и практически неисчерпаемыми являются источники энергии, получаемые от воды, ветра и Солнца. Это альтернативные возобновляемые источники энергии, широко использовать которые пока очень сложно и затратно для районов Арктики и Крайнего Севера, где проще получать тепло, просто сжигая уголь, газ и нефть. Однако учитывая
ограниченность этих энергетических ресурсов, человеку на Севере следует экономно их расходовать.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что человечество идет по тупиковому пути развития: перенаселение Земли и истощение традиционных источников энергии неизбежно приведут его к гибели.
Жилища на севере и на юге - разные по сути
Прежде чем приступить к рассмотрению вопроса, как сохранить и экономно расходовать тепло на Севере, следует оценить жилище, которое использует человек для жизни и работы на этой территории с точки зрения теплофизики. Следует сразу признать, что форма жилища, которая в настоящее время применяется в северных районах, является нерациональной. Типовые проекты жилых и общественных зданий в период начала освоения северных территорий были чисто механически перенесены на север из средней и южной климатических зон. Хотя они конструктивно перерабатывались и привязывались к местным условиям, но их архитектурно-планировочные решения оставались такими же, какие были приняты для южных районов. Идеи архитекторов в 1960 - 1970 гг. придать конструкциям зданий на севере форму пирамиды, палатки, шара, купола так и остались не реализованными (рис. 2).
л^ттг^
Рис. 2. Примеры архитектурных приемов, улучшающих условия обитания человека на Крайнем Севере [1]:
1 - пирамидальное и шарообразное решение жилой группы;
2 - жилой и промышленный комплексы накрыты куполами;
3 - складской комплекс под снегом и льдом
А ведь если внимательно посмотреть на форму жилища коренных жителей Севера, то их юрты, иглу, яранги, вигвамы по форме существенно отличаются от срубов, хат и мазанок, характерных для южных районов. Элементарные расчеты показывают, что одинаковое по площади и объему здание куполообразной формы имеет в 1,25 раз меньше поверхность охлаждения и теплоотдачи, чем классическое здание прямоугольной формы. Следовательно, только за счет формы надземной конструкции традиционные для Севера сооружения экономят тепло. Кроме того, с точки зрения сокращения теплопотерь, наиболее экономичнее на Севере будет выглядеть здание, заглубленное в грунт (рис. 3). Землянка в теплотехническом отношении предпочтительнее, чем современное здание, возведенное на поверхности. Поэтому выдвигаемые сейчас проекты использования карьеров, оставшихся после отработки рудных тел, под строительство жилых, промышленных и развлекательных комплексов в ближайшем будущем, видимо, будут иметь большие перспективы. Так, при использовании для этих целей карьера в
Рис. 4. Проект архитектурного бюро «Эллис» (г. Москва) подземного города в алмазном карьере около г. Мирного (Западная Якутия)
Рис. 3. Швейцарский подземный дом (проект компании SeArch и Christian Müller Architects)
г. Мирном авторами проекта [2] предлагается перекрыть его светопрозрачным куполом, на котором будут установлены солнечные батареи. Они смогут вырабатывать около 200 МВт, т.е. полностью обеспечат будущий город электроэнергией. Пространство подземного города предлагается разделить на три яруса: нижний - для выращивания сельскохозяйственной продукции (так называемая вертикальная ферма), средний - лесопарковая зона, очищающая воздух, и верхний - для постоянного проживания людей. Предполагается, что общая площадь города может составлять 3 млн м2. Здесь смогут жить и работать до 10 000 человек (рис. 4).
Действительно, если полностью заглубить обычное здание в грунт на глубину всего 15 м (например, в г. Якутске), то перепад между внешней и внутренней температурами в зимнее время сократится с 70 до 25° С. В этом случае, естественно, значительно уменьшатся и затраты на обогрев помещений. Если же мощность отопительной системы оставить на прежнем уровне, то тогда можно сэкономить на толщине стен здания. Что касается обеспечения его устойчивости, то при строительстве на вечномерзлых грунтах такое
-50...+40
здание более рационально было бы не опирать на грунт своей нижней частью, а повесить на опорах, подобно носилкам (рис. 5). Такое здание практически не будет подвержено разрушению при сейсмических воздействиях, что немаловажно.
Логично задуматься и об экономии тепла в зданиях новой конструкции. Если внимательно присмотреться, как природа регулирует теплообмен в сооружениях, возводимых человеком из льда или снега, то этот опыт, после соответствующей доработки, вполне может быть использован и в зданиях классической конструкции. Теплоизоляционные свойства снега, например, достаточны, чтобы внутри снежного дома поддерживалась хоть и близкая к 0° С, но все же положительная температура, даже когда внешняя отрицательная. Если соотношение между внешней и внутренней температурами меняется, природа сама начинает регулировать толщину стены в снежной хижине (иглу). Чтобы таяния стены не происходило, на ее внутренней поверхности должна оставаться пусть минимальная, но отрицательная температура. Однако если внешняя температура начнет повышаться, а внутренняя не изменится, то точка фазовых переходов (таяния) может переместиться на внутреннюю поверхность стены. В этом случае снег внутри снежного дома начнет таять. Чтобы прекратить этот процесс, необхо-
Относительное снижение интенсивности отопления (в процентах от нормативного) при использовании дополнительной теплоизоляции из снега различной плотности для г. Магадана и г. Якутска
Рис. 5. Проект подземного дома в условиях распространения многолетнемерзлых пород. Здание подвешено на ферме, опирающейся на фундамент, заглубленный в мерзлое основание
0,5 1 1,5 2 2,5 Толщина покрытия из снега, м
Рис. 6. График, иллюстрирующий эффективность теплоизоляции из снега (г - плотность снега)
димо искусственно уменьшить толщину снежной стены с внешней или внутренней стороны. При резком похолодании, наоборот, на внутренней стене образуется иней, который способствует увеличению толщины изоляции (появление инея и льда на окнах при сильных морозах имеет ту же природу).
Какие выводы можно сделать из этого. Затраты энергии на обогрев (охлаждение) помещения должны круглый год оставаться одинаковыми, а теплоизоляционное покрытие - увеличивать свои теплопроводные свойства (например, за счет толщины) при отдалении температуры внешней среды от комфортной температуры или, наоборот, уменьшать их, когда она вновь приближается к принятой норме.
Для примера возьмем такой легкодоступный материал, как снег. Подсчитано, что если использовать его в качестве дополнительного теплоизолятора на ограждающих конструкциях в зимнее время, то, например, в г. Якутске покрытие из снега плотностью 410 кг/м3 толщиной 1 м позволит снизить существующую интенсивность отопления внутри здания на 15%, а при плотности 240 кг/м3 - на 23% (рис. 6).
Якутск г = 410 кг/мЗ Якутск г = 240 кг/мЗ Магадан г = 410 кг/мЗ Магадан г = 240 кг/мЗ
Снег имеет разный коэффициент теплопроводности в зависимости от его плотности. В этом не только его недостаток как теплоизолятора, но и преимущество, так как интенсивность отопления в здании можно регулировать путем изменения не только толщины снежного покрова, но и его плотности. Конечно, сейчас для существующих прямоугольных многоэтажных зданий сделать покрытие стен из снега весьма сложно. Но если в будущем архитектура перейдет на концепцию куполообразного или подземного строительства на Севере, то создать дополнительную теплоизоляцию здания из снега будет вполне возможно. То, что этот способ весьма эффективен, могут подтвердить охотники, путешественники, строители, изыскатели, которые в период сильных
Рис. 7. Французский архитектор Жак Ружери придумал 58-метровый небоскреб-лодку SeaOrbiter для изучения
океана. Для передвижения подводный дом будет использовать океанические течения, а также энергию Солнца, ветра и волн. Концепция проекта была представлена на Всемирной выставке ЭКСПО-2012 в Южной Корее
морозов утепляют свои балки, палатки, землянки, засыпая их снегом. При отсутствии снега зимой утепление можно делать с помощью снежных пушек. Таким образом, мы фактически получаем тепло из холода (снега).
Теоретически и вода могла бы служить тепло-изолятором, но ее неспособность иметь собственную форму создает большие технические проблемы. Куда более эффективно использовать воду не в качестве теплоизолятора, а применить ее способность «поглощать холод» при замерзании в момент фазовых превращений. Известно, что для охлаждения (или нагрева) 1 л воды на 1° С требуется затратить 4,2 кДж, а вот для того чтобы заморозить (растопить) 1 кг льда, требуется уже почти 360 кДж. Расчеты показывают, что если стена будет состоять из воды, то для того, чтобы она полностью превратилась в лед за 9 зимних месяцев при средней температуре воздуха -10° С, ее толщина должна составлять 1,7 - 2,0 м. При этом, до тех пор пока вода не превратится в лед, ее температура не может опустится ниже 0° С. Но сделать такую стену намного сложнее, чем, например, сразу возвести дом в водоеме, не промерзающем в зимний период. Если здание будет расположено на дне, где температура воды обладает наибольшей плотностью при температуре +4° С, то перепад между внутренней и внешней температурами будет постоянно равен 16° С. Расходы на отопление в таком здании будут существенно меньше, чем у расположенного на поверхности (рис. 7).
Тепловые насосы - источники получения тепла из холода
Что же делать в условиях, когда обойтись без электрических обогревателей невозможно даже летом? Использовать электричество для отопления помещений весьма не экономично. Вот для таких случаев очень подойдут устройства, экономичность которых в 3 - 8 раз выше, чем прямое электроотопление. Называются они тепловыми насосами. Можно сказать, что они позволяют «получать тепло из холода». Конечно, для работы тепловых насосов необходима затрата внешней энергии (например, механической, электрической, химической), но большую часть тепла они извлекают из низкопотенциального источника.
Сейчас известно около 20 различных типов тепловых насосов, отличающихся между собой по конструкции, использованию рабочего тела, циклам и т.д. Они изобретены давно и теоретически обоснованы классическими законами физики. Непрекращающийся рост тарифов на теплоэнер-гию в конце концов заставит людей обратить на них более пристальное внимание.
Наибольшие перспективы имеют компрессионные и термоэлектрические тепловые насосы. Первые «вырабатывают тепло» за счет превращения в пар лег-кокипящих жидкостей, таких как аммиак или фреон, при температурах ниже окружающей среды. Поэтому их низкопотенциальным источником может быть морская, речная и подземная вода, сточные воды, грунт и даже воздух. В том числе и на Севере [3]. Уже почти 100 лет тепловые насосы используются человеком для отопления и горячего водоснабжения. Например, в Швеции построена теплонасосная станция мощностью 275 Гкал/ч для теплоснабжения г Стокгольма, в которой источником низкопотенциального тепла служит морская вода, охлаждаемая до 2° С [4, 5]. По количеству вырабатываемого тепла эта станция близка по мощности к Магаданской ТЭЦ (295 Гкал/ч) и почти в два раза превышает мощность Аркагалинской ГРЭС (150 Гкал/ч). После мирового энергетического кризиса 1973 - 1974 гг., когда государства -члены ОПЕК снизили объемы добычи нефти, некоторые страны пошли по пути отказа от стратегического импорта жидкого и газового топлива. В Швеции, например, с 1983 по 1986 гг было построено 16 теплонасосных станций общей мощностью 537 Гкал/ч. К сожалению, в СССР как и сегодня в России, теплоэнергию, в основном, получают за счет сжигания углеводородов...
Что касается термоэлектрических тепловых насосов, то при их использовании, в отличие от компрессионных, не требуется ни сложного механического оборудования, ни специальных аппаратов, ни легкокипящих рабочих жидкостей. Это большой плюс. Однако эффективная термоэлектродвижущая сила различных сплавов металлов и полупроводников, существующих на Земле, пока не достаточна, чтобы конкурировать с другими типами тепловых насосов. Возможно, что сплавы из металлов с других планет будут иметь более высокое КПД. Пока же термоэлектрический эффект активно используется в компьютерах для охлаждения микросхем.
Аккумуляция тепла
На Севере важно не только получить тепло, но и сохранить его на длительное время. Одной хорошей теплоизоляцией здесь не обойтись. Следовательно, необходимы не только поиск альтернативных источников энергии, так и разработка методов сохранения тепла, получаемого, например, от Солнца летом, которое потом можно расходовать в холодные зимние месяцы. Самыми простыми и наиболее распространенными для накопления энергии являются резервуары с водой. Один кубический метр чистой воды (1 тонна) сохраняет 4190 кДж/° С. Диапазон температуры, до которой можно нагреть воду за счет лучистой солнечной энергии и в дальнейшем использовать для отопления и горячего водоснабжения, находится в пределах от 70 - 80 до 4° С в
зависимости от угла наклона солнца к горизонту. Как же сохранить это тепло на длительное время? Идеально, чтобы тепло, вообще, не уходило в окружающую среду, а полностью использовалось для обогрева дома в каждом цикле использования воды, начиная от прямого отопления до применения ее в тепловых насосах при температуре, близкой к 0° С.
Каменные аккумуляторы тепла объемом 1 м3 могут сохранить лишь около 1600 кДж/° С. Недостатками их, по сравнению с водяными, является то, что, во-первых, они требуют в четыре раза большего объема, чем водяные резервуары той же мощности, во-вторых, загрузка и разгрузка каменных аккумуляторов с постоянно изменяющейся температурой требуют устройства автоматического контроля, который мог бы быстро реагировать и регулировать приход и расход тепла.
Химические аккумуляторы (например, из глауберовой соли) могут накопить тепла в пять раз больше, чем резервуар с водой того же объема, и в девять раз больше по сравнению с каменными аккумуляторами. В качестве аккумуляторов, которые используют скрытое тепло, можно эффективно применять гидрированные соли или органические соединения, такие как парафин [6].
Общий вывод из изложенного выше сводится к тому, что при освоении северных регионов научно-техническая мысль должна быть направлена как на поиск альтернативных источников энергии и эффективных методов аккумуляции и сохранения тепла, так и на разработку способов экономичного расходования традиционных углеводородных энергетических ресурсов для предотвращения их преждевременного истощения.
Список литературы
1. Карташова, К. К. Обслуживание населения жилых комплексов Крайнего Севера / К. К. Карташова. -М. : Стройиздат, 1972. - 136 с.
2. http://www.popmech.ru/article/6960-almaznaya-utopiya
3. Гулый, С. А. Ресурсы низкопотенциальной энергии для тепловых насосов на территории Магаданской области / С. А. Гулый // Колыма. - 1999. - № 3. -С. 55-59.
4. Янтовский, Е. И. Промышленные тепловые насосы /Е. И. Янтовский, Л. А. Левин. - М.: Энергоатом-издат, 1989. - 128 с.
5. Гулый, С. А. Будущее - за тепловыми насосами / С. А. Гулый // Наука и техника в Якутии. - 2008. -№ 1 (14). - С. 20-24.
6. Девис, А. Альтернативные природные источники энергии в строительном проектировании / А. Де-вис, Р. Шуберт ; пер. с англ. А. С. Гусева ; под ред. Э. В. Сарнацкого. - М. : Стройиздат, 1983. - 190 с.
ЯФхт ш<шь1хт1сл(Ей
Нет мысли, которую нельзя было бы высказать просто и ясно.
Герцен
