CC BY
7У/ /
УДК 551.581.2
Системы поддержания оптимальных климатических параметров ЭкоКосмоДома на планете Земля
ЮНИЦКИЙ А.Э., ГРИГОРЬЕВ В.Г. (г. Минск)
Рассмотрены основные проблемы обеспечения оптимальных климатических параметров внутри ЭкоКосмоДома на планете Земля (ЭКД-Земля). Приведены результаты предварительных расчётов некоторых основных параметров, таких как температура, относительная влажность и давление. Выбрано направление дальнейшего исследования.
Ключевые слова:
ЭкоКосмоДом (ЭКД), замкнутая экосистема,
оптимальные климатические параметры,
системы теплоснабжения, тепловая защита здания, транспирация.
0.
гдной из ключевых проблем создания замкнутой экосистемы, в частности ЭкоКосмоДома на планете Земля (ЭКД-Земля) [1], является поддержание с наименьшими экономическими затратами заданных оптимальных климатических параметров, таких как температура, относительная влажность и давление. На рассмотрении вопросов поддержания каждого изданных параметров остановимся подробнее.
Первой задачей поддержания климатических параметров является обеспечение требуемой температуры воздуха внутри ЭКД-Земля. Для принятой климатической зоны (северные субтропики) диапазон температур воздуха в объёме ЭКД-Земля составляет 15-25 °С, поэтому очевиден следующий факт - даже при условиях идеальной теплоизоляции, например, в Беларуси, необходим внешний подвод тепловой энергии (среднегодовая температура воздуха для Республики Беларусь составляет 6,1 °С).
С точки зрения концепции ЭКД-Земля, наиболее подходящим внешним источником энергии является Солнце в силу своей неисчерпаемости и бесплатности. Однако, к примеру, для Республики Беларусь отношение средней выдаваемой мощности солнечных панелей к установленной составляет примерно 1 :10 [2]. В этой связи Солнце
как источник не может считаться однозначным решением проблемы теплоснабжения, поэтому необходимо рассмотрение других вариантов, наиболее простым из которых представляется котельная на природном газе. Узким местом данного источника оказываются экологические ограничения площадки строительства, а также стоимость отпускаемой тепловой энергии, которая напрямую зависит от тарифов на природный газ. Они для Беларуси постоянно меняются и во многом зависят от порядка определения внутрироссийских цен на газ и от политических отношений Беларуси и России. Таким образом, цена на газ для Беларуси может измениться как в положительную, так и отрицательную сторону [3]. Также следует отметить вариант теплоснабжения с использованием теплонасосных установок, на данный момент требующих значительных капиталовложений, но при этом имеющих очень высокую энергетическую эффективность. Возможен вариант теплоснабжения и с использованием комбинированного (с выработкой электрической энергии и тепловой) источника на базе технологии газификации бурого угля. Однако наиболее выигрышной представляется оптимальная комбинация различных типов источников, позволяющая минимизировать эксплуатационные и оптимизировать капитальные затраты. Соотношение источников напрямую зависит от места размещения ЭКД-Земля. К примеру, при размещении на Аравийском полуострове преобладать будет солнечная энергия, а при размещении вблизи угольных месторождений - технология газификации угля.
Организация внутренней системы отопления также является нетривиальной задачей. Для снижения нагрузки внешнего источника, а следовательно, снижения капитальных и эксплуатационных затрат необходима высокая степень тепловой защиты здания. Один из вариантов -
Котельная Солнечные Тепловые насосы Когенерационный Фотоэлектрические Электрические
коллекторы источник панели сети
4 4
4
Тепловая энергия/холод Электрическая энергия
экокосмодом
наращивание тепловой изоляции здания. Минимально допустимое значение сопротивления теплопередаче выбирается исходя из условия невыпадения конденсата на ограждающих конструкциях, значит, температура внутренней поверхности ЭКД-Земля не должна опускаться ниже температуры точки росы воздуха. Максимальное значение ограничивается экономическими факторами, такими как снижение эксплуатационных затрат на единицу приращиваемой теплоизоляции с учётом капиталовложений в этот дополнительный слой. Принятый теплоизоляционный материал должен отвечать требуемым характеристикам по стоимости, экологичное™, технологичности, горючести и ещё по целому ряду других показателей.
При выборе непосредственно вариантов размещения отопительных приборов следует учитывать особенности прогрева сооружений большого объёма. При прогреве воздуха напрямую конвективный перенос более тёплых потоков в верхние слои внутренней «атмосферы» может привести к тому, что нижние слои будут оставаться непрогретыми, не говоря уже о прогреве самой почвы до требуемой температуры. В этом случае также возникнет эстетическая проблема размещения отопительных приборов в центральных частях ЭКД-Земля с целью организации более равномерного прогрева. В данной связи очевиден факт, что необходим прогрев почвы, от которой посредством теплопередачи будет прогреваться воздух. Подобный механизм теплообмена является природным, так как изначально Солнце прогревает почву, а затем почва уже греет воздух. Однако во избежание перегрева почвы дополнительно потребуется и «классический» способ прогрева воздуха - радиаторами и конвекторами.
На основании вышеизложенного целесообразно отметить, что к вопросу организации системы теплоснабжения
и тепловой защиты здания ЭКД-Земля следует подходить грамотно, исходя из целого комплекса параметров: экономических, технических и экологических.
СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭК0К0СМ0Д0МА НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ
Юницкий А.Э., Григорьев В.Г. (г. Минск)
Для поддержания требуемой относительной влажности в первую очередь стоит понимать механизм её повышения. Принимая во внимание факт, что любая система стремится к состоянию равновесия, то при наличии воды в жидкой фазе (например, при наличии водоёмов) будет происходить постоянное её испарение и, как следствие, повышение относительной влажности. Влажность воздуха также будет повышаться из-за явления транспирации (процесс движения воды через растение и её испарение через наружные органы растения, такие как листья, стебли и цветы) [4]. Значит, для поддержания влажности необходимо конденсировать поступившую в воздух влагу. Физически это реализуется путём охлаждения воздуха, технически - использованием осушителей или вентиляцией. Второй вариант исключается, так как он противоречит концепции замкнутой экосистемы.
Сухой воздух обратно в помещение
( Испаритель )
( Конденсор )
( Компрессор )
Конденсационный осушитель воздуха
При реализации механизмов поддержания влажности неизбежно образование большого количество конденсата. По предварительным оценкам, только с поверхности водоёмов в ЭКД-Земля в сутки выделится порядка 10 т воды.
Оценка количества влаги, которая попадёт в воздух посредством транспирации, а в дальнейшем будет сконденсирована, должна проводиться исходя из состава растений и особенностей их жизнедеятельности. Полученную в осушителях воду при минимальной очистке можно использовать в питьевых целях, а также для полива растений. Данные мероприятия станут частью круговорота воды в замкнутой системе ЭКД-Земля. В соответствии с подобной схемой осуществлялось питьевое водоснабжение в проекте «Биосфера-2» [5].
Не менее важным фактором является давление. Большая часть людей негативно реагирует на скачки атмосферного давления, при котором также изменяется и артериальное давление. Быстрое снижение атмосферного давления приводит к кислородному голоданию тканей (прежде всего головного мозга) [6].
Согласно уравнению Менделеева - Кпайперона давление прямо пропорционально температуре [7], из чего следует, что неустойчивость температуры внутри ЭКД-Зем-ля повлечёт закономерное изменение давления, что будет проявляться при суточных колебаниях температуры (день-ночь). Расчёты показывают, что при суточной температуре в ЭКД-Земля в диапазоне 19-25 °С колебания давления составят 757-773 мм рт. ст. Годовые же колебания окажутся в диапазоне 747-773 мм рт. ст. В случае негативного влияния такого диапазона перепадов на живые организмы возникнет необходимость выравнивания изменения давления посредством компенсирующего объёма. Как вариант, возможно снижение диапазона изменения температур для обеспечения допустимого диапазона изменения атмосферного давления внутри ЭКД, которое должно быть
близким к наружному давлению, так как разница давлений на каждый мм рт. ст. даст дополнительную нагрузку на оболочку ЭКД в размере около 13 кг/м\ Например, разность в 20 мм рт. ст. давлений внутри ЭКД и снаружи нагрузит герметичную оболочку конструкции сильнее, чем снеговая или ветровая нагрузка, - более 260 кг/м\
Очевиден факт, что поддержание оптимальных климатических параметров, как и реализация других систем ЭкоКосмоДома, - чрезвычайно сложные задачи. Это утверждение подкрепляют попытки создания замкнутых экосистем в прошлом. Ярким примером является «Био-сфера-2» - весьма технологичное сооружение для своего времени, но которое не достигло желаемого результата из-за того, что не были приняты во внимание факторы, которые на первый взгляд могут показаться незначительными, но затем способны спровоцировать цепную реакцию разрушения всей экосистемы. Дальнейшие исследования систем поддержания климата должны быть направлены на определение технической реализуемости описанных мероприятий, а также на определение технико-экономических и экологических показателей.
Литература
1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 е.: ил.
2. Photovoltaic geographical information system [Electronic resource], - Mode of access: http://re.jrc.ec.europa.eu/ pvgjools/en/tools.html. - Date of access: 16.04.2019.
3. Рекомендации по организации индивидуального расчёта за потреблённую тепловую и электрическую энергию [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// energoeffekt.gov.by/effbuild/download/285.pdf. - Дата доступа 04.05.2019.
4. Flora Growling [Электронный ресурс] - Режим доступа: https/Zfloragrowing. com/ru/encyclopedia/transpiraciya. -Дата доступа 10.04.2019.
5. Dempster, W.E Biosphere 2 engineering design / W.F. Dempster// Ecological Engineering. - 1999. - No. 15. -P 51-42.
6. Научный словарь-справочник [Электронный ресурс] -Режим доступа: https://spravochnick.ru/geografiya/ atmosfera/atmosfernoe_davlenie/. - Дата доступа 10.04.2019.
1. Кириллин, В А. Техническая термодинамика / В А. Кириллин, В.В. Сычёв, A.E. Шейндлин. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Издат. дом МЭИ, 2008. - 495 с.
© Юницкий А.Э, 2019 © Григорьев В.Г, 2019
СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭКОКОСМОДОМА НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ
Юницкий А.Э., Григорьев В.Г. (г. Минск)
