Энергосбережение

Система теплоснабжения выполнена на базе тепловых насосов «грунт–вода» производства ООО «КОРСА» (Россия). Четыре ТНУ обеспечивают выработку до 220 кВт тепла, из которых 165 используется для системы отопления (3 установки) и 55 кВт для системы ГВС. Источником низкопотенциального тепла является грунтовый теплообменник закрытого типа, представляющий собой скважинное поле с 65 заглубленными

зондами. Глубина заложения составляет в среднем 55 метров. Теплоноситель в грунтовом коллекторе – 20% пропилен-гликоль с технологическими присадками.

Отопление:

На основе лучистой энергии водяных теплых полов с поквартирным расположением распределительных гребенок и приборами индивидуального учета тепла.

Тепловые насосные установки (ТНУ) выдают в систему отопления теплоноситель – воду, по переменному температурному графику Т1=40~45°С, Т2=30~35°С в зависимости от команды модуля погодного регулирования. Теплоноситель с распределительной гребенки подается в систему отопления по 3 веткам самостоятельными группами насосов.

Проект теплового пункта:

Горячее водоснабжение:

Для нужд горячего водоснабжения, в помещении ИТП установлены семь двухконтурных водо-водяных подогревателя ёмкостью по 500 л. Теплоноситель на систему ГВС подается с графиком Т01=55°С, Т02=45°С в первой ступени (от ТНУ) и с графиком Т03=80°С, Т04=60°С во второй ступени (пиковый электрический котел).

В систему ГВС подается теплоноситель с температурой 62°С, буферные накопители сглаживают пиковое потребление. Отбор теплоносителя для поддержания температуры горячего водоснабжения осуществляется автоматически, постоянная циркуляция обеспечивается циркуляционным насосом.

Вентиляция здания выполнена с механическим побуждением на вытяжке и подоконными клапанами для поступления свежего воздуха в помещения. Отбор тепла из вентиляции осуществляется через установленный в чердачном помещении драй-кулер, связанный гликолевым контуром с тепловым насосом ГВС.

Таким образом, в период отопительного сезона, в тепловой насос поступает примерно 9 – 10 кВт*час тепловой энергии, отобранной от выходящего через вентиляцию воздуха. Нагретый теплоноситель смешивается в автоматическом смесительном устройстве с пропилен-гликолем, поступающим из геотермального контура и поступает на вход теплового насоса. Таким образом, часть тепловой энергии от вентиляции сохраняется внутри здания и поступает в ГВС.

Летом драй-кулер, отбирает тепловую энергию окружающего воздуха (+15°С-+25°С), и через геотермальный контур (+5°С-+7°С), передает её тепловому насосу. Автоматический смесительный клапан поддерживает поступление в тепловой насос теплоносителя с постоянным потенциалом +10°С-+13°С, что обеспечивает высокую среднегодовую эффективность работы теплового насоса. При такой температуре источника тепла, мощность ТН «КОРСА 55» возрастает до 75 кВт. Дополнительный эффект от примененной здесь гидравлической схемы заключается в том, что в течение летнего сезона полностью восстанавливается тепловой потенциал грунтового массива (с запасом).

В результате применения такого комплекса энергосберегающих мероприятий, - ограждающие конструкции, вентиляция, годовые затраты на отопление уменьшились на 80%, по сравнению с местными тарифами, что подтверждено анализом квитанций, оплаченных потребителями за год эксплуатации. Годовые затраты на горячее водоснабжение сократились в 1,5 раза.

Система работает в автоматическом режиме по заданным параметрам необходимой температуры, оснащена погодозависимым модулем регулировки режимов. Система диспетчеризации, подключенная к Интернету, позволяет не только дистанционно контролировать и диагностировать оборудование, но и производить регулировку важнейших его параметров.

Через два года эксплуатации дома, на основании официальных платежных документов, полученных у «Клинских теплосетей», годовые проектные показатели снижения затрат на отопление подтвердились. Они уменьшились, по сравнению с соседними домами, получающими тепло от городской котельной, на 80%. Окупаемость установленного оборудовании я стоимостью около 13,3 млн.рублей (в ценах 2015 г.) составляет ~ 7,5 лет

Да потерта, да резинка с колёсиках слетела. Это все её минусы.

К плюсам:

- 3 кнопки для управления. Очень удобно если вы работаете в 3D графическом редакторе (во всяком случае для меня)

- размер: с одной стороны компактная, а с другой самое то. Радиомодуль (при переезде) можно вставить в мышку. Тогда мышка автоматически отключится.

- колёсико. Для меня это шедевр дизайнерской мысли. Колесо сделано из металла, тяжёлое, инертное. Имеет 2 режима прокрутки: без трещалки и с трещалкой. Режимы переключаются по нажатию на колесо. Режим без трещалки для меня очень удобен. Если работаешь ночью, то не мешаешь другим щелчками колеса. Так же можно крутнуть колесо и остановить тогда, когда нужно. Это избавляет от использования ползунка в окнах.

Так же колесо имеет прокрутки и по горизонтали! Для этого можно смещать колесо влево и вправо.

Казалрсь бы какой навороченный и сложный механизм, должен сломаться в первую очередь. Но вот уже 12 лет служит верой и правдой.

- у мышки есть спец. крепление для ноутов, но я им не пользовался, так что ничего не скажу.

- энергопотребление. Всё пункты, что привёл выше, могут устраивать меня, но не других пользователей. Наверняка кому-то не понравится дизайн, количество кнопок, колёсико. Но есть ещё и пункт "энергопотребление". 2-е ААА-батарейки позволяют мышке работать чуть более 6-и месяцев! ПОЛ ГОДА!

У меня были случаи, что некоторые проводные мышки просто ломались за пару месяцев.

Даже забываешь что мышь-то работает на батарейках :)

- надёжность. Думаю здесь нечего сказать, 12 лет непрерывной эксплуатации все сказали за себя.

- цена. Стоила она около 2400руб.

За все время мне не попадалось мышки, которая живёт так долго на 2-х батарейках. Были у меня всякие мыши, в том числе и экзотические, например, такая:

Это Apple-мышь. Наворочена... Но мне не понравилось, не смог привыкнуть к сенсорной мыши (к тому что она управляется жестами). А ещё она живёт на 2-х батарейках примерно 2 месяца, стоит вроде около 5к руб, если не больше.

Данную мышь уже не производят, снята с производства. А так жаль, я купил бы с десяток. Я бы даже рекламировал её всем, настолько сильно она меня впечатлила качеством и удобством.

Боюсь, что моя супер-мышь когда-то да и выйдет из строя, а найти что-то хорошее я так и не смог (даже в том же лоджитеке) . Может кто-то из читателей имеет опыт работы с хорошей мышью и может ее посоветовать, буду благодарен :)

Теперь это позволяет за счет геотермального тепла Земли, поддерживать под домом положительную температуру на протяжении большего времени зимы и, соответственно, пол 1-го этажа достаточно теплым (без применения подогрева). И еще такое решение полезно для фундамента, т.к. он меньше промерзает, что нивелирует эффект пучинистости грунта (хоть он у нас и не проявляет пучинистые свойства).

На все утепление было потрачено не более 10.000 рублей. Считаю это намного выгоднее, чем устраивать теплый пол.

7 Входная дверь должна быть как можно толще.

У нас дверь "3К Тепло" 960х2050мм толщиной 100мм имеет терморазрыв и 3 контура уплотнения. Так же не должно быть глазка, в частном доме он не нужен, только лишний мостик холода.

Такая дверь нам обошлась в 20.000 рублей. Считаю что не слишком дорого.

Это все что касаемо теплопотерь. Добавлю еще пару слов про дополнительные теплопоступления.

1 Ориентация окон по сторонам света

Рациональная ориентация окон по сторонам света может увеличить количество поступающего тепла в здание от солнечной радиации.

Северная часть дома характеризуется редким попаданием прямых солнечных лучей. Недостаточное воздействие прямых солнечных лучей не позволяет помещениям, расположенным на севере, пассивно аккумулировать тепло. Восточная часть дома хорошо освещается в утренние часы. Благодаря длительному воздействию прямых солнечных лучей комнаты хорошо прогреваются. Для южной стороны дома высокое полуденное солнце летом обеспечивает глубокое проникновение прямых лучей в комнату. Западная сторона дома характеризуется тем, что получает прямые солнечные лучи во второй половине дня.

Согласно СП 133.13330.2018, п.9.1:

Таким образом, для увеличения энергоэффективности площадь остекления южного фасада должна быть максимальной, а северного – минимальной. Исходя из этого, на стадии проекта мы на северном фасаде разместили нежилые помещения – прихожая, санузел, котельная, кладовая, лестница и совсем небольшую часть детской.

На стоимость этот принцип не влияет, т.к. мы продумываем функциональное назначение помещений внутри здания на стадии проекта.

2 Дымоход на 1-ом этаже

Чтобы еще немного повысить КПД котла. Мы разместили дымоход внутри дома и более того, на первом этаже в котельной оставили его без изоляции. Все это дает нам дополнительный теплосъем. Это не опасно, т.к. котел с пеллетной горелкой в принципе достаточно эффективный и когда он работает в режиме поддержания к дымоходу можно вполне дотрагиваться рукой!

Спасибо что дочитали эту статью до конца. Надеюсь, эта информация была для вас полезна. Если понравилось - поставьте, пожалуйста, плюс.. хотелось бы попасть в горячее :)

Наши соцсети:

YouTube - https://www.youtube.com/c/Хорошийдом

Instagram - https://www.instagram.com/good_h0me/

Всем удачи и пока!

Но люди не понимают, что мало того что они неэффективно используют энергию на отопление (по факту они отапливают улицу), так в добавок при сжигании такого огромного количества угля сколько в атмосферу выбрасывается вредных веществ.

В нашем городе Красноярске очень сложная экологическая ситуация. В феврале этого года он возглавил рейтинг, самых грязных городов в мире.

Потому что город уникальный. Это единственный (наверно в мире.. в России точно) город-миллионник с таким суровым климатом. При этом тут же добывается дешевый низкокачественный уголь и им топится абсолютно все. Ладно это тема другого разговора. Давайте поговорим про то, на что мы можем оказывать непосредственное влияние.

С брусовыми и каркасными домами это один из примеров. Часто на ютубе можно встретить «энергоэффективные теплые» дома фахверки со стеклом во всю стену.

Или когда дом изнутри закупоривают пароизоляцией вкруг и ставят мощную механическую вентиляцию без рекуперации тепла. Можно приводить множество примеров.

Давайте попытаемся разобраться во всем многообразии технологий и технических решений. На стадии проекта иногда (по желанию) делается энергетический паспорт дома, изучив который можно понять насколько дом энергоэффективный и теплый. Конечно, любой дом может быть теплым. Даже сруб из оцилиндрованного бревна.

Вопрос в том сколько нужно потратить энергии, чтобы постоянно поддерживать необходимую температуру. Тут-то энергетический паспорт и ответит на все вопросы.

В нем очень много показателей.. сегодня остановимся только на основных. Полный алгоритм расчета и составления энергетического паспорта приведен в СП50.13330.2012.

Самое простое и понятное – класс энергосбережения дома. Это шкала от Е – самый плохой (это как раз все эти брусовые и бревенчатые дома без утеплителя, если их строить в Сибири), до A++ - самый лучший (точнее есть еще лучше – это пассивный дом, которому отопление вообще не требуется, но в Сибири это практически невозможно).

Как определяется класс энергосбережения дома?

Есть такое понятие - удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания (далее просто удельная характеристика). Простыми словами, это сколько тепла требуется для вашего дома в 1 час на 1 куб вашего объема воздуха при перепаде температуры внутри и снаружи дома в 1 градус. Т.е. это главная характеристика вашего дома (с точки зрения энергоэффективности).. в нее уже заложено: какие у вас стены, окна, двери, вентиляция и т.д. Чем она меньше, тем лучше. Если она равна 0, то это как раз получается пассивный дом.

Далее. Есть нормируемая и есть расчетная удельная характеристика.

Нормируемая, это которая регламентируется нормативными документами, в зависимости от площади и этажности вашего дома. Это требование и мы должны проектировать и строить новые дома не ниже нормируемой.

А расчетная, это как раз фактическая, которая считается для конкретно вашего дома. Она высчитывается по сложному алгоритму (можете найти его в сп50). По сути, весь паспорт и сводится к расчету этой величины. Как я уже говорил, сюда включаются: какой у вас утеплитель, какой толщины, где и как расположен, окна, двери, вентиляция и т.д.

Насколько величина расчетного значения удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания отклонится от нормируемого, в % соотношении, такой и класс энергосбережения дома.

Опять же, это все на бумаге, в проекте, когда дом еще не построен. Когда же дом построится, вы в него въедете, проживете 1-2 зимы, посчитаете, сколько вы в среднем тратите топлива на отопление за 1 отопительный период, и тогда уже для себя можно будет посчитать реальную расчетную удельную характеристику. Она, безусловно, будет отличаться от энергетического паспорта, так как зависит от множества факторов – качество строительных работ, отклонения от проекта, изменение климата и т.д.

Допустим, у вас уже есть дом и вам интересно, к какому классу энергосбережения он относится.

Я покажу на примере нашего дома, для лучшего восприятия.

1 Найдем расчетную удельную характеристику.

Для этого, в паспорте есть такая величина как - Расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания за отопительный период. В этой формуле, q - как раз искомая расчетная удельная характеристика, которую мы выведем:

1.1 Расход тепловой энергии Q.

Чтобы его найти - берем количество топлива, которое вы сожгли за весь отопительный период в кг, умножаем на теплотворность вашего вида топлива и на КПД вашего котла.

У нас установлен автоматический пеллетный котел. За сезон мы сжигаем чуть более 2 тонн. теплотворность древесных пеллет примем 4,7 кВт/кг и КПД пеллетной горелки примем 85%. Получаем 8689,1 кВтч в год.

В реальности, я думаю, количество тепла необходимое для нашего дома была еще меньше, т.к. фактическая теплотворность и КПД горелки будут ниже, заявленных производителями пеллет и котла.

1.2 Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП).

Это произведение разницы температур снаружи и внутри дома и количества дней отопительного периода. Для понимания, чем выше ГСОП, тем более суровый климат. Эта величина рассчитывается на основании СП131 климатологии, но если вы не хотите сильно заморачиваться, можно для вашего города найти в интернете примерные готовые значения.

ГСОП для Красноярска при температуре внутреннего воздуха 24 градуса равняется – 7167,5.

Обратите внимание, что температура у нас выше нормируемой, так как у нас маленький грудной ребенок и соответственно температуру внутри дома поддерживали чуть выше. Тут смотрите, кто-то любит теплее, кто-то холоднее - внутренняя температура будет у каждого своя.

1.3 Отапливаемый объем дома V.

Измеряется он по внутренним поверхностям наружных ограждающих конструкций (с учетом перегородок). Я делал следующим образом: измеряю площадь разреза со сложной формой и затем умножаю на ширину дома. У нас получился объем 225,53 м3.

Теперь остается только подставить все найденные значения, и получаем 0,2239 Вт/(м3·°С).

2 Найдем нормируемую удельную характеристику.

Для этого воспользуемся табл. 13 из СП50. У нас двухэтажный дом 94м2. Воспользовавшись интерполяцией находим – 0,5654.

3 Находим класс энергосбережения.

Соответственно, наш дом имеет класс энергосбережения А++.

Как мы этого добились, об этом мы поговорим уже в следующий раз. Не ради рекламы, а чтобы вы могли, применив те или иные технические решения, сделать ваш дом (существующий или будущий) хоть немного, но эффективнее.

Спасибо что дочитали эту статью до конца. Надеюсь, эта информация была для вас полезна. Если понравилось - ставьте плюс.. хотелось бы попасть в горячее :)

Заходите на YouTube канал (там больше информации)

->  https://www.youtube.com/c/Хорошийдом <-

Всем удачи и пока!

Так, например, я общался с одним председателем ТСЖ, который установил погодозависимую автоматику, как на картинке выше, у себя в 40-квартирном доме. Экономия за сезон, по их оценкам, составила полмиллиона рублей. При затратах меньше чем 200 тысяч. То есть вложения окупились в первый год. Задумайтесь об этом. В последующих статьях мы рассмотрим данные устройства более подробно.

2, Балансируем систему отопления дома – равномерно прогреваем дом

Наши дома прогреты крайне неравномерно. В квартирах, близко расположенных к тепловому узлу, люди сходят с ума от жары, а в дальних угловых – замерзают. Это не очевидно, но подобная ситуация тоже увеличивает вашу плату за отопление. Достаточно взглянуть на график ниже, который я сделал по своему дому:

Я просто замерил температуры стояков на «подаче» и «обратке» в подвале. Из графика видно, что линия «подачи» (оранжевая) практически ровная, тогда как «обратка» (синяя) — пляшет. Все это говорит о том, что в тех квартирах, где «обратка» самая холодная, люди замерзают, а, стало быть, на обогрев их жилья мы тратим очень много тепловой энергии, которая уже давно имеет рублевый эквивалент. Для исправления ситуации нужно сделать так, чтобы тепло от «перегретых» квартир ушло на «недогретые» квартиры.

Это сложная задача, требующая привлечения высококлассных специалистов. Но выполнить ее необходимо. Для этого на стояки ввариваются балансировочные клапаны, при помощи которых «поджимают» перегретые квартиры. Таким образом, тепло начинает более равномерно распределяться по дому. Да, жильцы «перегретых» квартир будут недовольны тем, что в морозы у них уже не антисанитарные +30, а всего лишь нормативные +23, но зато остальные увидят облегченную квитанцию за коммунальные услуги, а замерзшие жители крайних угловых квартир, наконец-то, будут платить за ту услугу, которую они потребляют, а не за возможность других жить всю зиму с открытыми форточками.

Также может потребоваться установка насосов на системе отопления. Кстати, при установке погодозависимой автоматики, речь о которой шла выше, насосы уже включены в комплект.

3. Утепляем дом – перестаем нагревать атмосферу за свой счет

Мы видим множественные утечки не только через панельные швы, но и через пустоты внутри панелей. Поэтому крайне важно заниматься утеплением дома. И в первую очередь нужно утеплять торцы здания. Обычно жильцы неугловых квартир выступают против подобных мероприятий, так как считают, что они за свой счет утепляют чужое жилье. Однако, если посмотреть чуть-чуть глубже, то сразу станет очевидно, что подобные вложения положительно сказываются на всем доме. Дом начинает меньше терять тепла, а, стало быть, все жильцы начинают меньше платить. И в долгосрочной, а иногда и в ближайшей перспективе все вложения окупаются.

Также рекомендуется менять окна на пластиковые в подъезде, устанавливать по две хорошие теплые двери на входе в подъезд (желательно прозрачные). Кроме того, так как по законам физики все тепло поднимается вверх, крайне важно утеплять и крышу.

Все эти мероприятия требуют дружного инициативного коллектива дома, в котором зона комфорта жильцов выходит за границы дверей собственной квартиры. Пожалуй, на сегодня это основная трудность. Но все крупные дела всегда начинаются с малого, поэтому еще есть шанс, что наше ЖКХ, застрявшее в прошлом столетии, догонит столетие настоящее. А, в конечном счете, и ваш кошелек скажет вам за это спасибо.

Больше полезной информации в моем Телеграм-канале.

Spacecraft Power Systems, David W. Miller, John Keesee

Первый спутник отправился в полет с заряженными серебряно-цинковыми аккумуляторами, которые обеспечивали “бип-бип” передатчика 21 день. Решение было логичным — экспериментальные солнечные панели ждали своей очереди на объекте “Д”, который стал “Спутником-3” (запущен 15 мая 1958). Серебряно-цинковые батареи, благодаря высокой плотности энергии и большим токам разряда, нашли широкое применение в космонавтике, а их недостаток — небольшое количество циклов перезарядки неважен в случае, когда батарея используется один раз. Любопытная метаморфоза произошла с кораблем “Союз” — первые корабли летали с солнечными панелями, на модификации 7К-Т (“Союз-10” — “Союз-40”, кроме -13, -16, -19, -22) их убрали, оставив только аккумуляторы с запасом электроэнергии на двое суток, а со следующей модификации “-ТМ” солнечные панели снова вернули и уже насовсем. До сих пор аккумуляторы остаются рациональным решением для аппаратов, которые будут работать не дольше нескольких суток и не требуют больших объемов электричества. Иногда на аппараты ставят даже неперезаряжаемые элементы, например, прыгающий зонд MASCOT, сброшенный с межпланетной станции Hayabusa-2 на астероид Рюгу, использовал литий-тионилхлоридные элементы, которых хватило на 16 часов. Но перезаряжаемые элементы встречаются чаще, с ними удобнее работать, потому что, при необходимости, их можно подзарядить перед запуском без разборки аппарата. Литий-ионные элементы, благодаря своим высоким характеристикам, сейчас получают очень широкое распространение не только в бытовых приборах, но и на космических аппаратах.

Зонд MASCOT станции Hayabusa-2

Если энергии требуется очень много, но на короткое время, имеет смысл применять химические источники. Например, на спейс шаттлах были так называемые APU. Несмотря на полностью совпадающее название с вспомогательной силовой установкой на самолетах, это были специфические устройства. В камере сгорания сжигалось химическое топливо (несимметричный диметилгидразин и азотный тетраоксид), горячий газ подавался на турбину, а ее вращение создавало давление в гидросистеме шаттла без промежуточного превращения энергии в электричество. Гидравлика поворачивала управляющие поверхности орбитера на этапах выведения на орбиту и посадки. Любопытно, что сейчас плотность энергии литий-ионных батарей достигла таких значений, что появилась ракета-носитель Electron, в которой выполняющий похожую функцию турбонасосный агрегат (устройство для подачи топлива в двигатель) заменили на электрический насос с блоком аккумуляторов. Потери на большей массе батарей компенсировались простотой разработки.

Топливные элементы

Топливный элемент спейс шаттла

Если длительность космического полета не превышает две-три недели, то, в особенности для пилотируемых кораблей, очень привлекательными становятся так называемые топливные элементы. Как известно, водород горит в кислороде с выделением огромного количества тепла, и ракетные двигатели, использующие это, являются одними из наиболее эффективных. А возможность напрямую получать электричество из соединения водорода с кислородом породила источники электроэнергии, применяющиеся, кстати, не только в космонавтике.

Топливный элемент работает следующим образом: водород попадает на анод, становится положительно заряженным ионом и отдает электрон. На катоде ионы водорода получают электроны, соединяются с молекулами кислорода и образуют воду.

Соединив несколько ячеек и подавая больше компонентов, можно легко получить топливный элемент большой мощности. А выделяющуюся в результате работы воду можно использовать для нужд экипажа. Сочетание свойств обусловило выбор топливных элементов для кораблей “Аполлон” (и, кстати, для лунных версий “Союзов“ первоначально выбрали тоже их), шаттлов и “Бурана”.

Стоит отметить, что топливные элементы теоретически могут быть обратимыми, диссоциируя воду на водород и кислород, запасая электроэнергию и работая, фактически, как аккумулятор, но на практике такие решения в космонавтике пока не востребованы.

По имени Солнце

Жизнь на Земле невозможна без солнечной энергии — на свету растут растения, и энергия уходит дальше по пищевой цепочке. И для космонавтики Солнце сразу же стало рассматриваться как доступный и бесплатный источник. Первые спутники с солнечными панелями, Vanguard-1 (США) и “Спутник-3” (СССР), отправились в полет уже в 1958 году.

Прелесть солнечных панелей заключается в непосредственном превращении света в электричество — фотоны, падая на полупроводники, напрямую вызывают движение электронов. Соединяя ячейки последовательно и параллельно, можно получить требуемые значения напряжения и тока.

В космических условиях очень важным является компактность солнечных панелей, например, огромные “крылья” МКС сделаны из очень тонких панелей, которые в транспортировочном положении были сложены гармошкой.

Видео раскрытия панелей МКС

До сих пор солнечные панели остаются наилучшим вариантом, если необходимо снабжать космический аппарат энергией годами. Но, конечно, они, как и любое другое решение, имеют и свои недостатки.

Прежде всего, на низкой околоземной орбите спутник постоянно будет уходить в тень Земли, и необходимо дополнить панели аккумуляторами, чтобы электропитание было непрерывным. Аккумуляторы и дополнительная площадь солнечных панелей для их зарядки на солнечной стороне орбиты заметно увеличивают массу электросистемы спутника.

Далее, мощность солнечного излучения подчиняется закону обратных квадратов: Юпитер в 5 раз дальше Земли, но на его орбите космический аппарат с такими же солнечными панелями будет получать в 25 раз меньше электроэнергии.

Солнечные панели постепенно деградируют в условиях космического излучения, так что на длительные миссии их площадь необходимо рассчитывать с запасом.

Линейное увеличение массы солнечных панелей с ростом требуемой мощности в какой-то момент делает их слишком тяжелыми по сравнению с другими системами.

Альтернатива аккумуляторам

Если вы читали замечательную книгу Нурбея Гулиа “В поисках энергетической капсулы”, то можете помнить, что после долгих поисков идеального аккумулятора он остановился на модифицированных для безопасного разрушения маховиках. Сейчас с успехами литий-ионных батарей эта тема менее интересна, но эксперименты по хранению энергии в раскрученном маховике проводились и в космонавтике. В начале 21 века компания Honeywell проводила эксперименты с маховиками-аккумуляторами. Теоретически это направление может быть интересно еще и тем, что маховики используются в системе ориентации спутника, и можно совместить режимы поддержания требуемого положения в пространстве и хранения энергии.

Сконцентрируй это

Еще на стадии проработки концепта было очевидно, что станция Freedom (после многочисленных изменений реализованная как МКС) будет нуждаться в большом количестве электроэнергии. И расчеты 1989 года показали, что солнечный коллектор сможет сэкономить от 3 до 4 миллиардов долларов (6-8 миллиардов в сегодняшних ценах) по сравнению с электропитанием только от солнечных панелей. Что это за конструкции?

Один из ранних проектов Freedom

Конструкции из шестиугольников по краям — солнечные концентраторы. Зеркала образуют параболоид, собирающий солнечный свет на приемник, расположенный в фокусе. В нем теплоноситель закипает, газ крутит турбину, которая вырабатывает электричество. Панель рядом — радиатор тепла, в котором теплоноситель конденсируется обратно в жидкость.

К сожалению, конструкция, как и многие идеи для станции Freedom, пала жертвой урезания бюджета, и МКС использует только солнечные панели, так что мы не можем на практике узнать, оправдались бы ожидания экономии средств. Стоит отметить, что солнечные коллекторы используются и на Земле, но распространены они в наиболее простой форме без концентрирующих зеркал — их приводы сильно повышают стоимость.

Тепло и электричество

Когда над головой ярко светит Солнце, в космический холод не верится. Действительно, на освещенной стороне Луны температура поднимается выше 100°C. Но вот лунной ночью поверхность охлаждается ниже -100°C. На Марсе средняя температура в районе -60°C. А на орбите Юпитера, как мы уже говорили, Солнце дает только 1/25 того, что достается Земле. И, к счастью для планетоходов и межпланетных станций, есть вариант, при котором удобно обеспечиваются и подогрев и энергообеспечение космического аппарата.

Как известно, у одного и того же вещества может быть много изотопов — атомов, отличающихся только количеством нейтронов в ядре. И есть как стабильные, так и распадающиеся с разной скоростью изотопы. Подобрав элемент с удобным периодом полураспада можно использовать его в качестве источника энергии.

Одним из наиболее популярных изотопов является 238Pu (плутоний-238). Один грамм чистого плутония-238 генерирует примерно 0,5 Ватта тепла, а период полураспада в 87,7 лет означает, что энергии хватит надолго.

То, что ядерный распад выделяет тепло, означает, что его надо каким-то образом превратить в электричество. Для этого чаще всего используют термопару — сплавленные вместе два различных металла генерируют электричество при неравномерном нагреве. Сочетание источника энергии в виде распадающихся радиоактивных изотопов и термоэлектрических преобразователей дало название “радиоизотопный термоэлектрический генератор” или РИТЭГ.

Схема РИТЭГа

РИТЭГи достаточно широко используются в космонавтике: они вырабатывали электричество для модулей научного оборудования, оставленных на Луне астронавтами “Аполлонов”, распадом изотопов обогревались советские “Луноходы”, на электричестве от РИТЭГа работали марсианские станции “Викинг” и ездит по Марсу “Кьюриосити”. РИТЭГи являются штатным источником электричества для аппаратов, отправляющихся во внешнюю солнечную систему — “Пионеров”, “Вояджеров”, “Новых горизонтов” и других.

РИТЭГи очень удобны тем, что не требуют никакого управления, не имеют движущихся частей и способны работать десятилетиями — “Вояджеры” остаются работоспособными уже более сорока лет, несмотря на необходимость отключения части оборудования из-за снижения выработки электричества. К сожалению, у них есть и недостаток — низкая плотность энергии (мощный РИТЭГ будет слишком много весить) и высокая цена топлива. Остановка производства плутония-238 в США и рост цен повлияли на то, что межпланетная станция “Юнона” отправилась к Юпитеру с огромными солнечными панелями.

Ядерные технологии обязательно поднимают вопросы безопасности, и у РИТЭГов уже давно есть сформировавшиеся технологии ее обеспечения. После 1964 года, когда авария американской ракеты-носителя со спутником, питавшимся от РИТЭГа, привела к заметному повышению радиационного фона по всей планете, РИТЭГи стали упаковывать в капсулы, выдерживающие падение в атмосфере, и последующие аварии заметных следов не оставили.

Сложности превращений

Термоэлектрический генератор является не единственным вариантом преобразования тепла в электричество. В термоэмиссионных преобразователях нагревается катод вакуумной лампы. Электроны “допрыгивают” до анода, создавая электрический ток. Термофотоэлектрические преобразователи превращают тепло в свет инфракрасного диапазона, который затем преобразуется в электричество аналогично солнечной панели. Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах использует электролит из солей натрия и серы. Двигатель Стирлинга преобразует разницу температур в движение, которое уже затем превращается в электричество генератором.

Реакторы над головой

Из всех известных человечеству управляемых источников энергии, ядерное топливо обладает наибольшей плотностью — один грамм урана способен дать столько же энергии, что 2 тонны нефти или три тонны угля. Поэтому нет ничего удивительного в том, что атомные реакторы выступают многообещающим вариантом, когда необходимо длительно снабжать космический аппарат большим количеством энергии.

Слева американский SNAP, справа советский «Бук»

Работы над космическими реакторами начали еще в 1960-х. Первым отправился в космос американский SNAP-10A, проработал на орбите 43 дня и был отключен из-за аварии не относящейся к реактору системы. После этого эстафету принял СССР. Созданные для отслеживания перемещения американских авианосных ударных группировок спутники УС-А системы целеуказания “Легенда” несли на борту ядерный реактор “Бук” для обеспечения энергией активной радиолокационной системы, и их было запущено больше трех десятков. В конце 80-х два раза слетал в космос реактор “Топаз”, использующий меньшее количество ядерного топлива и имеющий большую эффективность — 150 КВт тепловой мощности “Топаза” производили 6 КВт электрической против 100 и 3 у “Бука”. Достигалось это в том числе и использованием другого преобразователя энергии — термоэмиссионного вместо термоэлектрического. Но после 1988 года спутники с атомными реакторами на борту больше не летали.

Возрождение интереса к ядерным реакторам произошло в 21 веке. На Западе это вызвано уменьшением запасов и ростом цены плутония-238 для РИТЭГов. В США разрабатывается реактор Kilopower, задачей которого будет стать аналогом РИТЭГа. Интересной особенностью является то, что реактор спроектирован самоуправляемым и после активации, как и РИТЭГ, не требует присмотра. В России разрабатывается проект ядерной установки мегаваттного класса. В сочетании с электрореактивными двигателями должна получиться конструкция с принципиально новыми возможностями, очень эффективный орбитальный буксир.

Безопасность реакторов построена на других принципах, нежели у РИТЭГов. До запуска реактор чист (уран ядовит, но его можно безопасно брать руками в перчатках), поэтому на случай аварии, наоборот, ставят газогенераторы, надежно разрушающие его в плотных слоях атмосферы. А вот после включения в реакторе начинают накапливаться опасные изотопы, и советские спутники УС-А в случае аварии уводили реактор на высокую орбиту захоронения. Заглушенные реакторы до сих пор летают над нашими головами, но, учитывая срок существования орбит, скорее до них доберутся космические мусорщики будущего и разберут на полезные ресурсы, нежели они сгорят в атмосфере.

Генератор из троса

Как известно, у Земли есть магнитное поле. Оно уже сейчас используется в системах ориентации космических аппаратов, но есть и другой вариант. Если размотать длинный трос, то можно либо получать электричество за счет торможения аппарата, либо разгоняться, пропуская ток через трос.

Силы, действующие на спутник, выпустивший проводящий трос

Пока что наибольшее развитие получила идея торможения аппаратов тросами для уменьшения количества космического мусора, но технически можно и обеспечить таким образом электропитание спутника, пусть и не очень длительное время.

Заключение

Сейчас отрасль систем электропитания космических аппаратов активно развивается. Солнечные панели и аккумуляторы становятся все более эффективными, а возобновление работ над космическими ядерными реакторами дает надежду на появление новых мощных источников электричества. ссылка

Как говорит Арсен Томский, основатель и директор компании "Индрайвер" и основатель группы компаний "Синет", идею купола как одного из возможных способов снижения негативного влияния экстремально холодного климата он стал обдумывать в 2015 году.

Сам Томский называет дом "первым тестом" и "импульсом для всех других задуматься, что через новые технологии можно реально улучшать жизнь на Севере".

Пост в соцсетях о намерении построить купол Арсен написал 25 марта 2019 года, а в октябре все было завершено.

"Первый купол 2019 года был профинансирован компанией "Индрайвер". В этом году я хочу поставить рядом с Якутском намного больший, 60-тонный купол за счет своих личных средств", — говорит Томский.

В случае если технология покажет свою эффективность, Томский не исключает ее развития в двух направлениях: небольшие купола над отдельными домами и большие геокупола над целыми микрорайонами. "Может, даже с перемещающимся искусственным солнцем на небосводе. Почему бы и нет?" — допускает разработчик.

Дом мечты

Виталий узнал об эксперименте летом прошлого года из статьи в местной газете. Тогда был объявлен отбор добровольцев на участие в проекте. Соискателей набралось свыше 60 человек. Молодой человек родом из Алтая, и ему всегда нравились природа и красивые виды. Но чтобы до всего этого добраться, приходилось тратить много времени. Перспектива жить уединенно в местности с видом на горы сразу пришлась Виталию по душе.

"Я сразу загорелся, отправил резюме. Среди плюсов — возможность жить размеренной жизнью, заниматься спортом на природе. Раньше для пробежек на свежем воздухе мне приходилось выезжать из города, а потом возвращаться обратно", — рассказывает мужчина.

Среди основных условий для участника проекта — необходимость следить за оборудованием дома под куполом: метеостанцией, приборами для измерения температуры мерзлоты.

"Основная идея дома под куполом — это энергосбережение. И действительно, даже в пятидесятиградусные морозы под куполом теплее градусов на 20", — объясняет участник эксперимента.

Виталий, который работает в компании по установке натяжных потолков, прекрасно справляется с обслуживанием дома. "Надежда только на себя, ведь рядом нет соседей. Были поломки, исправлял", — говорит он. В его обязанности входит также растопка угольной печи.

Купол не только дает тепло, но и подавляет шум, а также является механической преградой для ветра.

"Недалеко от дома находится взлетная площадка, однако под куполом — полная тишина. Выглядит все примерно как в мультике "Спанч Боб", как дом под стеклянным куполом у белки Сэнди", — смеется Виталий.

Форма купола была выбрана прежде всего из-за конструктивных особенностей. "Во-первых, это устойчивая конструкция. Во-вторых, за счет того, что купол круглый, снег скатывается сам, не нужно никаких дополнительных усилий применять", — пояснила координатор проекта от компании "Синет" Екатерина Павлова.

Уединение, как говорит сам Виталий, пошло ему на пользу. Это время он потратил на духовные поиски:

"Много времени есть подумать о своих поступках, правильных и неправильных. Много переосмысливаешь, когда нет шума машин и суеты. Хорошо думается. Особенно когда наденешь наушники и побежишь в сторону горы. Располагающая обстановка. В городе этого сложно добиться, а здесь ты сам себе хозяин. Перед каждым человеком стоит выбор всегда один и тот же: либо делать или нет, либо жить в квартире или в своем доме, дышать свежим воздухом. Большинство выбирает легкие пути".

Научный эксперимент

В остальном жизнь в необычном доме ничем не отличается от жизни в привычных местах. Одноэтажный брусовый дом на 128 кв. м благоустроен. Имеется гараж, при необходимости можно быстро доехать до города, уточняет собеседник.

Ученые круглосуточно фиксируют энергопараметры, учитывая расход топливных ресурсов. При этом важнейшим направлением эксперимента являются мониторинг и прогноз состояния вечной мерзлоты.

Система отопления дома мало чем отличается от стандартных. "Установлена электрическая станция — генератор, работающий на бензине. Подает электричество на весь дом. Внутри дома стоит угольный котел длительного горения. Топится раз в сутки", — говорит Виталий Литвинов.

Как рассказали в СВФУ, никто ранее не испытывал купольные технологии в условиях вечной мерзлоты и экстремально низких температур. Ученые пробурили семь скважин, в том числе три — внутри дома. Все они оборудованы термометрическими трубками для последующих замеров температур грунтов. Скважины глубиной 10 м. В августе 2019 года провели комплексные изыскательские работы. Это было перед строительством здания и установки купола.

Команда исследователей также проводит стационарные метеорологические наблюдения. Для этого оборудованы две автоматические метеостанции: на опытной площадке внутри купола, в пространстве между куполом и домом, и снаружи, в естественных условиях.

"Мы исследуем влияние купола на температурный режим в сравнении с температурой наружного воздуха на испытательном полигоне СВФУ в ТОР "Кангалассы". Метеостанции установлены в середине января, сейчас мы собираем данные", — рассказала старший преподаватель эколого-географического отделения Института естественных наук СВФУ Александра Петрова. Она добавила, что в наблюдениях участвуют студенты университета.

Специально для эксперимента была заказана профессиональная метеостанция с датчиками температуры и влажности воздуха, атмосферного давления, температуры подстилающей поверхности и солнечной радиации. Для измерения тепла и изучения энергоэффективности установлены приборы учета, используются и стандартные тепловизоры.

Егор Слободчиков, старший преподаватель кафедры теплогазоснабжения и вентиляции Инженерно-технического института СВФУ, сообщил, что под контролем ученых находится микроклимат жилого дома, его тепловая защита.

"Мы хотим выявить отличие дома под куполом от существующих жилых домов из деревянного бруса, узнать отличительные черты, особенности. В целом мы хотим выявить особенности теплозащиты, воздухопроницаемости, экономичности зданий под куполом. Сейчас нами производится отбор проб дымовых газов твердотопливного котла при различных температурных режимах, имеются тепловизионные снимки купола и здания со всех сторон. Есть результаты воздухопроницаемости жилой части дома, их мы будем сравнивать с другими аналогичными жилыми домами без купола", — рассказал Слободчиков.

Также за участником эксперимента следят психологи и медики. Психологи встречаются с Виталием раз в месяц, изучают динамику его психоэмоционального состояния в течение проекта.

Масштабирование проекта

"Надо сказать, что в доме жить достаточно комфортно. Я бы заменил автономное электричество на постоянное, чтобы не возникало проблем, в остальном в доме комфортно. Мне кажется, это интересный и полезный проект. Люди, которые осуждают строительство домов под куполом, просто не жили под ним. А ведь под куполом даже в зимнее время можно высаживать огурцы, помидоры", — рассказывает о впечатлениях Виталий.

Эксперимент завершится 31 мая. Мужчина уверен, что в будущем за стенами дома следует разбить сад и огород. В условиях короткого северного лета здесь будут успевать созревать теплолюбивые овощи и фрукты. Виталий считает, что под куполом сельскохозяйственный сезон будет длиться на несколько месяцев дольше, чем снаружи.

Якутские ученые не собираются останавливаться на достигнутом. Технологии будут совершенствоваться, есть даже планы создать небольшое поселение под куполом, площадь которого будет превышать теперешнюю в 10 раз. А в будущем эта технология вполне может стать повсеместной и применяться на всей территории Якутии. Все зависит от параметров, которые будут подсчитаны по окончании эксперимента.

Источник ТАСС