ЗДАНИЕ
BUILDING

Изобретение относится к строительству жилых зданий в суровых климатических условиях Сибири и Севера, где ведется добыча полезных ископаемых. Согласно прогнозам, на севере страны к концу века появятся крупные города. Так, например, в Якутске и Игарке будет проживать по 5 млн жителей [1]. А для того чтобы сюда поехали люди, здесь должно быть комфортабельное жилье.
Цель изобретения - создание жилища для северян, в котором будут условия проживания не хуже, чем в средней полосе России.
Кроме природно-климатических проблем, здесь имеются и другие. В частности, после того как углеводороды добыты, население вынуждено сниматься с насиженных мест в поисках работы, оставляя свои жилища. При этом остаются здания, инфраструктура и скважины, которые могли бы еще эксплуатироваться десятки лет.
Проблема заключается в том, что городские образования в этом регионе создаются с учетом разведанных запасов ископаемых, но размещение скважин никак не связано с последующей судьбой городов и поселков. Кроме того, в основном строительство здесь ведется на вечномерзлых грунтах, которые занимают около половины территории России [2, стр.43], что требует создания сложных оснований. Прокладка инженерных сетей, имеющих положительную температуру, требует теплоизоляции их от мерзлого грунта, а это также связано с большими проблемами. Устройство фундамента и прокладка инженерных сетей составляет здесь до 30-40% от стоимости строительства [2, стр.169]. Все это требует строительства автономных объектов, а это связано с необходимостью проектирования компактных многоэтажных атриумных зданий, что и предлагается нами.
Реализация этого предложения связана с автономным энергоснабжением, причем предполагается, что энергия эта будет основана на возобновляемых источниках, безопасной в экологическом отношении, взаимодействующей в разные периоды года и в то же время управляемой.
Выработанные скважины предлагается заполнять трубами, заполненными водой, подающейся в здание, где ее можно использовать при создании теплового насоса для отопления и энергоснабжения здания [3].
Предполагается, что питание жителей здесь будет обеспечиваться в основном за счет создания расположенных в здании животноводческих ферм, а свежая витаминная продукция будет доставляться из расположенных в атриуме биоэнергетических устройств [6], обеспечивающих объект также и электроэнергией.
Водоснабжение происходит за счет талой воды, собираемой на крыше. Мусор собирается в селективные мусоросборники, где после сортировки, флотации и производства компоста для животных и питательного раствора для растений биоэнергетического комплекса утилизируется.
Известно здание, в котором в условиях вечномерзлых грунтов основание выполнено в виде ленты реакторов, заполненных водой и электронагревателями [4]. Однако это здание имеет цилиндрическую конфигурацию и является одноэтажным.
Нами же для многоэтажного здания каркасной конструкции, в отличие от этого, предлагается установить систему пилонов, включающих аналогичные реакторы, объединенные для жесткости торами, заполненными маслом и накрытыми сверху колпаком. В реакторах, в которых над водой имеется слой масла, при периодическом размораживании и последующем замораживании возникает избыток масла, которое после выталкивания попадает в масляный тор с высоким постоянным давлением и, попав оттуда на гидромонитор, вырабатывает электроэнергию, которую направляют в общедомовой аккумулятор электроэнергии.
Следующая проблема, с которой сталкиваются строители и эксплуатационники, - это продолжительная снежная зима. Общеизвестно, что уборка снега с крыш в крупных городах является сложной задачей. Вместе с тем известно предложение: вместо борьбы со снегом использовать его в качестве теплозащиты и получения дополнительной энергии [5]. Это предложение мы предлагаем усовершенствовать за счет подключения к автоматизированной системе управления (далее АСУ).
А как решить проблему занятости жителей? Высокие темпы роста населения на планете привели к сокращению численности диких животных [7]. В России, которая является ведущим государством по сбору пушнины, в начале XX века, например, соболь был практически истреблен и лишь в середине века после больших усилий со стороны государства вновь возродился [8]. Поэтому одним из перспективных направлений для обеспечения занятости населения является здесь создание звероводческих ферм, обеспечивавших ранее потребности России в пушнине. Богатейший животный мир тайги, где можно встретить белку, горностая, колонка, красную лисицу, норку и соболя, можно здесь выращивать на современной зоотехнической основе.
Для этого предлагается оборудовать в здании пруд с рыбой, которую можно использовать наряду с ботвой растений из теплиц биоэнерго-комплексов для питания зверей питомника.
Известно, что концентрация животных связана с выделением аммиака, который также можно утилизировать, использовав его в качестве хладагента в тепловом насосе и в топливных элементах для получения энергии в результате химической реакции содержащего водород аммиака с кислородом воздуха [9].
Однако применение чистого аммиака имеет определенные недостатки: при комнатной температуре он находится в газообразном состоянии, и для его сжижения требуется высокое давление; он также в больших количествах вызывает проблемы с дыханием [10, стр.17].
В то же время имеются предложения использовать аммиак во взаимодействии с другими реагентами, в частности с гуанидином, что устраняет проблемы, связанные с хранением больших объемов аммиака в устройстве [10, стр.17].
А чтобы избежать концентрации аммиака в питомнике, предполагается использовать контрольные датчики, связанные с АСУ и обеспечивающие своевременное проветривание помещений [11].
Хотя из-за большого количества пасмурных дней в году использование энергии солнца ограничено, летом здесь довольно продолжительный полярный день, который целесообразно использовать для аккумулирования гелиоэнергии и последующего использования в зимний период. Также было бы недальновидно отказаться от использования роторных ветроэлектродвигателей.
Все перечисленные источники электроэнергии направляют ток на общий электроаккумулятор и потом распределяют с помощью АСУ.
Важно не только накопить энергию, но и рационально ее использовать. Поэтому вместо известных механических насосов предлагается использовать в здании струйные насосы перистальтического типа с участками, покрытыми светочувствительной пленкой, расширяющейся и сокращающейся под пульсирующим лучом лазерной установки [12].
В здании все квартиры ориентированы на южные румбы, в то время как на северной стороне здания расположены гаражи и другие помещения, которые служат барьером, защищающим жилую зону от неблагоприятных северных ветров. При этом атриум освещается благодаря щелевым световодам, пропущенным через пустоты в перекрытиях жилого блока.
Атриумное автономное здание - наиболее приемлемое решение в этом регионе, поскольку здесь удобно организовать первичное обслуживание проживающих. Чтобы купить газету или лекарство, зайти в кафе, им не нужно будет одеваться и идти в 50-градусный мороз из здания. Все это можно организовать в самом доме, где кроме всего возможно создать экологически безопасное производство, животноводческие фермы и другие учреждения.
Для освещения и обогрева помещений используются волоконные световоды, работающие на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР-лазеры) [13].
В здании задействована комбинированная система климатизации, которая включает в себя сочетание и совместную работу систем отопления, охлаждения и вентиляции [9].
На фиг.1 показан разрез здания по A-A на фиг.2;
на фиг.2 - план здания на уровне B-B на фиг.1 (I) и на уровне C-C (II) на фиг.1;
на фиг.3 - разрез фрагмента крыши по A-A на фиг.2;
на фиг.4 - план фрагмента крыши;
на фиг.5 - разрез снегосберегающей канистры;
на фиг.6 - схема теплового насоса (аксонометрия);
на фиг.7 - схема фрагмента струйного насоса;
на фиг.8 - план пилона основания на уровне D-D (I) и по F-F (II) на фиг.9;
на фиг.9 - разрез пилона основания по E-E на фиг.8;
на фиг.10 - разрез реактора пилона по E-E на фиг.8;
на фиг.11 - схема топливного элемента;
на фиг.12 - схема волоконного световода;
на фиг.13 - разрез волоконного световода;
на фиг.14 - схема АСУ.
На фиг.1 и 2 приведены здание, включающее жилой корпус 1, атриум 2, помещения общественных учреждений 3, лестнично-лифтовая шахта 4, биоэнергетические устройства 5, переходы 6, крыша 7, гаражи 8, гидроагрегат 9, животноводческие фермы 10, бассейны 11, при этом жилой корпус 1 расположен с южной стороны здания, смежно с атриумом 2, в который выходят помещения общественных учреждений 3 и биоэнергетические устройства 5, а гараж 8, фермы 10 и бассейны 11 расположены с северной стороны. Конструкции здания каркасные сборные, перекрытия выполнены с пустотами в жилом корпусе, через пустоты пропущены световоды для освещения атриума, крыша 7 здания (фиг.3, 4 и 5) выполнена в виде наклонной плоскости, понижающейся в северном направлении и включающей систему снегосберегающих канистр 12 цилиндрической формы, оборудованных фильтрами 13 и запорными устройствами 14, выполненными с возможностью накапливать атмосферные осадки и после регулируемого подогрева и фильтрации направлять талую воду по наклонным водоводным трубам 15, объединяющим запорные устройства 14 канистр 12 в гидроагрегат 9, где талая вода, вращая гидротурбину, приводит в действие гидроэлектрогенератор, после чего вода стекает в бассейн 11, откуда поступает на бытовые нужды. На фиг.6 и 7 приведен тепловой пункт 16, обеспечивающий процесс работы теплового насоса 17 за счет подключения к трубам, установленным в выработанных скважинах 18, оставленных после добычи углеводородов и заполненных водой, которая закачивается насосом через ввод 19 в тепловом пункте 16 и, попадая в испаритель 20, воздействует на находящийся там хладагент-аммиак, который в виде пара попадает в компрессор 21, откуда переносится в конденсатор 22, где нагревает воду, циркулирующую на внешней поверхности конденсатора, после чего через сбросной вентиль 23 направляется в испаритель 20, а нагретая вода попадает в тепловой аккумулятор 24, откуда расходуется на бытовые нужды. При этом все насосы 25, задействованные в этом процессе, являются струйными перистальтического типа, снабжены участком 26 со светочувствительной пленкой на своей поверхности, позволяющей расширяться под воздействием лазерного луча 27 с лазерной установки 28, размещенной на поворотном столике 29, связанным через трансмиссию 30 с центральным вертикальным валом 31 биоэнергетического устройства 5, а над светочувствительными пленками установлены подвижные заслонки 32 вертикального синхронного хода, обеспечивающие возможность отключения струйных насосов 25. На фиг.8, 9 и 10 приведены пилоны 33 основания, включающие реакторы 34 цилиндрической формы, установленные кольцеобразно, объединенные верхним 35 и нижним 36 масляными и водяными 37 торами. При этом реакторы со стороны отапливаемой части здания покрыты утеплителем 38, а внутри содержат нагреватель 39 и выполнены с возможностью заполнения водой нижней части и маслом в верхней части реактора 34, причем при замерзании воды и создании высокого давления в реакторе масло попадает в верхний масляный тор 35 с низким давлением, откуда его откачивают насосом в нижний масляный тор 36 с постоянным высоким давлением, откуда по трубе масло попадает в гидромонитор 40, где вырабатывается электроэнергия, при этом отработанное масло из верхнего масляного тора 35 при размораживании воды в реакторе откачивают в верхнюю часть реактора для пополнения запасов масла, находящегося над распределительным поддоном 41, перемещение которого фиксируется ограничителями 42. При этом размораживание воды в реакторах осуществляют поочередно по кольцу, в пределах пилона 33, обеспечивая устойчивость пилона, расположенного соосно со стойками 43 каркаса здания, причем над каждым пилоном реакторов установлен жесткий колпак 44, заполненный маслом, на который опираются горизонтальные 45 конструкции каркаса, и стойки 43.
На фиг.11 приведена схема функционирования топливного элемента 46, вырабатывающего электроэнергию в процессе реакции кислорода воздуха с водородом аммиака, образованного при разложении азотосодержащих веществ в животноводческих (в том числе звероводческих) фермах 10 здания, откуда его транспортируют в контейнер 47, содержащий гуанидиновую композицию, а затем в реактор 48, куда подают воду, полученную в результате таяния снега на крыше 7, в результате чего происходит реакция, позволяющая получить аммиак, основанный на гуанидиновой композиции, который направляют вначале в хранилище 49 аммиака, а затем в топливный элемент 46, где вырабатывается электроэнергия, направляемая в общедомовой аккумулятор энергии 50. При этом реактор оборудован сменным картриджем 51 с катализатором реакции и электронагревателем 52 реактора.
На фиг.12, 13 приведены схема и разрез волоконного световода 53, где приведены лазерная установка 28, точки 54 сварки световода, внутренние брегговские решетки 55, а также активный световод 56, пассивные световоды 57, защитная оболочка 58 и общая вторая оболочка 59.
На фиг.14 приведена АСУ 60, включающая вычислительное устройство 61 и терминал 62, связанные через интерфейс 63 с датчиками 64 и приводами 65 блоков управления: биоэнергетическими комплексами 5, включателями 66 нагревателей 39, реакторов 34, запорных устройств 14 снегосберегающих канистр 12 крыши 7, тепловым насосом 17, топливным элементом 46, гелиоколлекторами 67, ветроэнергогенераторами 68, мультипликатором комбинированной климатологии 69 и электроаккумулятором 50.
Использованные источники
1. Время великих переселений // Московская правда. 2000, 11 февр.
2. Алексеева Т.И. Региональные особенности градостроительства в Сибири и на Севере. - Л.: Стройиздат. Ленинградское отделение; 1987-208 с.; ил.
3. Васильев. Г.П. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России. // АВОК. - 2007. - №5. - с.22-27.
4. RU 2312956, С2. 2007.
5. RU 2287649, С1. 2006.
6. RU 2152149, С1. 2000.
7. Гржимек Б. Для диких животных места нет. М.: Мысль. 1977, с.5 - 6.
8. Динец В.Л., Ротшильд Е.В. Звери. Энциклопедия природы России. 2-е издание, дополн. и перераб. - М.: 1998. с.344, с.103, 105, 109.
9. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоснабжение высотного здания с использованием топливных элементов. // АВОК. - 2003, №3. с.44-50.
10. RU 2393116, C2, 2010.
11. US 7, 842, 243. B2, 2010.
12. US 6, 999, 221. Bl, 2006.
13. Дианов Е.М. Волоконные лазеры. // Успехи физических наук, 2004, т.174, вып.10, стр.1139-42.