Екобудинок

Реферат: Екобудинок містить корпус, замкнуту циркуляційну систему охолодження, акумулятор тепла, з’єднаний трубопроводом з системою опалення і з сонячним колектором, розташованим на даху корпусу екобудинку, сантехнічний вузол, біореактор. Додатково розміщені ґрунтові акумулятори просторообмеженого об’єму з непроточним водоносним шаром, теплоізоляційний шар стін, утеплення верхньої стелі, вікон, зовнішніх дверей корпусу, систему сонячних батарей, комплекс акумуляторів електричного струму, перетворювачі електричного струму, систему розділення стічних вод, систему подачі згущених стічних вод, систему подачі зріджених стічних вод, системи очищення стічних вод, систему каналізації та очищення стічних вод від пральних машин, щонайменше один додатковий біореактор, систему очищення і доочищення біогазу, систему зрідження доочищеного біогазу, систему акумуляції зрідженого біогазу, когенератори, систему вивантаження відпрацьованої біомаси, систему гранулювання, систему пакування біодобрив, систему сміттєводів, системи контролю, сортування, дроблення та пакування сміття, систему котлів підігріву води на три види енергоносіїв, систему збору та використання дощової води, систему підйому та використання ґрунтових вод, систему підйому та використання артезіанської води (при її наявності), систему газового або електричного нагріву плит для приготування їжі, систему блокування та подавлення неприємних запахів та систему автоматизованого керування екобудинком. UA 97429 U (12) UA 97429 U UA 97429 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до будівництва, а саме до будівництва з високими екологічними вимогами, енергозбереженням та повною переробкою стічних вод та сміття і використанням енергії на базі цієї переробки, не виходячи за межі згаданого екобудинку. Проблема полягає в тому, що відходи життєдіяльності людей забруднюють та отруюють зовнішнє середовище, призводять до смерті мільйонів людей. Жахливе пророкування вченого Нільса Бора "людство не загине в атомному кошмарі, а задихнеться у власних відходах" починає здійснюватись. По даним ООН щорічно від забруднення повітря та води, в тому числі відходами, в Китаї вмирає 500 тис. чоловік, в Індії - 700 тис. чоловік, а в Європі - 200 тис. чоловік, в цілому на нашій планеті гине близько 2,5 мільйонів чоловік. Безжалісно руйнуючи природу, людина руйнує себе і своїх близьких. На планеті Земля за останні 50 років смертельних хвороб стало в 4 рази більше [1]. Причиною таких жахливих наслідків є те, що існуюча недосконала технологія переробки стічних вод та сміття, особливо в містах, де зосереджена велика кількість людей, веде до отруєння повітря атмосфери, ґрунту та води. Стічні води по каналізаційним трубам зливають у відстійники, в яких розтинаються нечистоти, отруюючи повітря, ґрунт, а з ним - підземні ґрунтові води. Ще більш жахливі речі відбуваються на звалищах сміття твердих побутових відходів, які, в порівнянні зі шкодою від стічних вод, мають додаткове отруєння від отруйних пластмас, а поліетилен, розтинаючись у ґрунті, призводить до захворювання людей на рак. Відомий екобудинок, вибраний як прототип, що містить корпус з системою опалення та з системою водопостачання; система опалення зв'язана з акумулятором тепла, виконаним у вигляді теплоізоляційної ємності під корпусом екобудинку з накопичувачем, який має високу теплоємкість, і з сонячним колектором, розташованим на даху корпусу; система водопостачання має зв'язок з установкою виробництва води; льодовик через повітровід зв'язаний з системою кондиціювання корпусу екобудинку, а вітрогенератор має електричний зв'язок з акумулятором електроенергії і споживачами електроенергії корпусу екобудинку. Сантехнічний вузол трубопроводом зв'язаний з біореактором у вигляді ємності, що має вихід і фільтр для біогазу [3]. Недоліком зазначеного екобудинку, по-перше, є те, що поруч з екобудинком розташований вітрогенератор, який крім корисної дії - одержання електроенергії, має небезпечну дію на зовнішнє середовище та на людину, і по нормам США вітрогенератор повинен розміщуватись на відстані до житлового будинку не менше 300 м [2], що витримати для населеного міста і навіть для селища практично неможливо. По-друге, в зазначеному екобудинку зовсім не вирішена проблема переробки та використання сміття, а також не вирішена проблема розділення по густоті стічних вод та їх повної переробки. Крім цього водопостачання в прототипі передбачене тільки методом одержання води з повітря атмосфери, що не може задовольнити потреби споживачів екобудинку. В основу корисної моделі поставлена задача повного комплексу переробки всіх видів відходів життєдіяльності людей - сміття та стічних вод та отримання від цих відходів максимально можливої електро- і теплової енергії та утилізація відходів. Крім цього в поставлену задачу входить перетворення сонячної енергії в електро- і теплову енергію та її акумуляція, вирішення проблем енергозбереження та повного водопостачання екобудинку. Поставлена задача вирішується тим, що в відомому екобудинку, що містить корпус, замкнуту циркуляційну систему охолодження, акумулятор тепла, з'єднаний трубопроводом з системою опалення і з сонячним колектором, розташований на даху корпусу екобудинку, сантехнічний вузол, біореактор, згідно з корисною моделлю, додатково містить ґрунтові акумулятори просторообмеженого об'єму з непроточним водоносним шаром, теплоізоляційний шар стін, наприклад зовнішній, утеплення верхньої стелі, утеплення вікон, утеплення зовнішніх дверей корпусу, систему сонячних батарей, комплекс акумуляторів електричного струму та перетворювачів електричного струму, систему розділення стічних вод, систему подачі згущених стічних вод, систему подачі зріджених стічних вод, систему очищення стічних вод першого рівня - технічна вода, систему очищення стічних вод другого рівня - вода для миття та купання, систему очищення стічних вод третього рівня - питна вода, систему каналізації та очищення стічних вод від пральних машин, щонайменше один додатковий біореактор, систему очищення і доочищення біогазу, систему зрідження доочищеного біогазу, систему акумуляції зрідженого біогазу, когенератори, систему вивантаження відпрацьованої біомаси, систему гранулювання, систему пакування біодобрив, систему сміттєводів щонайменше з 5 гілками розподілу: відходи продуктів, скло, поліетиленові вироби, папір, метал та інше сміття, систему контролю та сортування сміття, систему дроблення сміття, систему пакування сміття, систему котлів підігріву води на три види енергоносіїв, систему збору та використання дощової води, систему підйому та використання ґрунтових вод, систему підйому та використання артезіанської води (при її 1 UA 97429 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 наявності), систему газового або електричного нагріву плит для приготування їжі, систему блокування та подавлення неприємних запахів та систему автоматизованого керування екобудинком. Запропонована конструкція забезпечує повну переробку відходів життєдіяльності людей стічних вод та сміття, забезпечує повне водопостачання, забезпечує повне енергопостачання за рахунок переробки стічних вод, сміття та енергопоглинання і акумулювання сонячної енергії, забезпечує вивіз замість сміття вторинної сировини та біодобрив з фекалій в гранульованому та запакованому вигляді або часткове спалювання біодобрив для нагріву екобудинку. Вторинну сировину з сміття, крім скляних пляшок, в подробленому та запакованому вигляді вивозять на пункти приймання вторинної сировини або на підприємства вторсировини. Не дроблять, а тільки пакують відпрацьовані батарейки постійного електроструму та скляні пляшки в спеціальну тару. Запропонований екобудинок забезпечує зберігання зовнішнього середовища від отруєння та забруднення. При цьому значні витрати на будівництво екобудинку та на його оснащення виправдовуються тільки через 10-15 років, але збереження екології та збереження життя людей виправдовує будь-які витрати, бо життя людей та їх здоров'я безцінне, тобто не має матеріальної ціни. Суть запропонованої конструкції екобудинку пояснюється кресленнями, на яких зображені: на фіг. 1 - заявлений екобудинок, поздовжній вигляд; на фіг. 2 - розріз А-А на фіг. 1; на фіг. 3 - розріз Б-Б на фіг. 1. Екобудинок містить корпус 1, замкнуту циркуляційну систему охолодження 2 (показана умовно), акумулятори тепла 3, сонячний колектор 4, дах корпусу екобудинку 5, сантехнічний вузол 6, біореактор 7, ґрунтові акумулятори просторообмеженого об'єму з непроточним водоносним шаром 8, теплоізоляційний шар стін 9, утеплення верхньої стелі 10, утеплення вікон 11, утеплення зовнішніх дверей корпусу 12, систему сонячних батарей 13, комплекс акумуляторів електричного струму 14, перетворювачі електричного струму 15, систему розділення стічних вод 16, систему подачі згущених стічних вод 17, систему подачі зріджених стічних вод 18, систему очищення стічних вод першого рівня - технічна вода 19, систему очищення стічних вод другого рівня - вода для миття та купання 20, систему очищення стічних вод третього рівня - питна вода 21, систему каналізації та очищення стічних вод від пральних машин 22, щонайменше один додатковий біореактор 23, систему очищення біогазу 24, систему доочищення біогазу 25, систему зрідження доочищеного біогазу 26, систему акумуляції зрідженого біогазу 27, когенератори 28, систему вивантаження відпрацьованої біомаси 29, систему гранулювання 30, систему пакування біодобрив 31, систему сміттєводів з 5 гілками розподілу: відходи продуктів 32, скло 33, поліетиленові вироби 34, папір 35, метал та інше сміття 36, систему контролю сортування сміття 37, систему дроблення сміття 38, систему котлів підігріву води на три види енергоносіїв: електричного 39, біогазового (газового) 40, твердопаливного 41, систему збору та використанню дощової води 42, систему підйому та використанню ґрунтових вод 43, систему підйому та використанню артезіанської води 44 (при її наявності), насоси подачі вод 45, 46, 47, 48, трубопровід подачі технічної води 49, бачки зливні 50, унітази 51, трубопровід подачі води для миття та купання 52, ванни 53, душові пристрої 54, трубопровід подачі питної води 55, вентилі-змішувачі 56, кухні 57, газові або електричні плити для приготування їжі 58, систему блокування та подавления неприємних запахів 59, систему автоматизованого керування екобудинком 60. Зовні екобудинку розташовані бачки для крупногабаритного сміття, що не розміщується в сміттєводах всередині екобудинку, а саме: бачок для скла 61, бачок для поліетиленових виробів 62, бачок для пластмас 63, бачок для відпрацьованих шин 64, бачок для металевих та інших виробів 65. Крім цього всередині екобудинку передбачені додаткові системи утилізації сміття, а саме: система роботоконтролю сміття 66, системи гілок утилізації 67, 68, 69, 70 та системи утилізації та пакування сміття по видам 71. Принцип дії екобудинку наступний. В екобудинку електроенергію виробляють система сонячних батарей 13, закріплених на всій зовнішній площині даху і вертикальних стін, крім вікон, зовнішніх дверей корпусу, балконів або лоджій (останні двоє умовно не показані) та когенератори 28, що частково спалюють очищений біогаз. В обох випадках електроенергію перетворюють в постійний струм за допомогою перетворювачів електричного струму 15 та накопичують в комплексі акумуляторів електричного струму 14, наприклад напругою 12 В. Використовують електричну енергію в зворотному порядку, тобто постійний струм комплексу акумуляторів електричного струму 14 перетворюють за допомогою перетворювачів електричного струму 15 в змінний струм, наприклад напругою в 220 В, і використовують для освітлення приміщень та для роботи побутової техніки: телевізорів, 2 UA 97429 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пральних машин, холодильників, кондиціонерів, комп'ютерів і т.д. Теплову енергію одержують як сонячну за допомогою сонячних колекторів 4 і накопичують на тривалий час за допомогою ґрунтових акумуляторів просторо обмеженого об'єму з непроточним водоносним шаром 8, так і двох інших джерел енергії - біогазу та електроенергії. Якщо в екобудинку використана система водяного нагріву, то в цьому випадку очищена вода циркулює по замкнутому колу (система водяного нагріву умовно не показана), при цьому попередній нагрів здійснюють, як зазначалось раніше, за допомогою ґрунтових акумуляторів просторообмеженого об'єму з непроточним водоносним шаром 8 (через теплообмінники), а догрівання води до температури щонайменше 90 С здійснюють за допомого котлів 39, 40 або 41 (через теплообмінники), що використовують різні енергоносії, а саме: доочищений біогаз, електроенергію та тверде паливо. При цьому котли електричні і газові можуть бути використані як єдиний агрегат, тоді котли 39, 40 суміщуюють і їх кількість зменшують в 2 рази. Крім цього нагріту воду резервують на короткий термін - 2….3 доби в акумуляторах тепла 3, що мають додаткову термоізоляцію. Для забезпечення нагріву котлів доочищеним біогазом використовують біореактор 7 та додатковий біореактор 23. Для завантаження біореактора використовують відходи життєдіяльності людей стічні води та відходи продуктів. Стічні води по каналізаційним трубам, які умовно не показані, подають в систему розділення стічних вод 16, а далі - в систему згущення стічних вод 17, тобто фекалії людей в роздробленому вигляді. Відходи продуктів (їжі та інших органічних складових) проходять по сміттєводу 32 та після виходу на горизонтальний транспортер очищають упаковки, дроблять і подають в біореактор 7, в якому підтримують постійну температуру +34 С або +54 С (найбільш сприятливу для анаеробного процесу, що здійснюють всередині біореактора). Одержаний біогаз в системі очищення біогазу 24 фільтрують від піни, очищають від сірководню (H2S), залишаючи в складі біогазу 40…50 вуглекислого газу (СО2). Такий, частково очищений біогаз, частково спалюють в когенераторі 28, виробляючи електричний струм, як зазначалось вище. Для газових водонагрівальних котлів використовують доочищений біогаз за допомогою системи доочищення біогазу 25. При цьому біогаз доочищують від вуглекислого газу таким чином, що концентрація метану в ньому становить щонайменше 90 %. Доочищений біогаз направляють в систему зрідження доочищеного біогазу 26, а потім в систему акумуляції зрідженого біогазу 27. З системи акумуляції зрідженого біогазу 27 біогаз по мірі необхідності направляють на спалення і нагрів котлів 40 з водою. Відпрацьовану біомасу з біореактора 7 за допомогою системи вивантаження відпрацьованої біомаси 29 направляють в систему гранулювання 30 та в систему пакування біодобрив 31. Для цього біореактор 7 тимчасово зупиняють, а в цей час запускають додатковий біореактор 23. В залежності від економічної необхідності гранульована біомаса після системи гранулювання 30 може бути направлена не в систему пакування біодобрив 31, а навпаки в котел твердопаливний 41 для нагріву води. Частину підігрітої води в котлах 39, 40, 41 використовують в побутових цілях для купання та миття, змішуючи її з холодною водою; при цьому ступінь очищення як гарячої, так і холодної води повинен бути не нижче другого (система очищення стічних вод другого рівня - вода для миття та купання 20). Збір, переробка та утилізація сміття, крім скла, проходить стадії контролю та відокремлення по видах, дроблення, пакування в тару для перевезення в пункти прийому вторинної сировини або на підприємства, що її переробляють. Скло в сміттєводі 33 пересувають в транспортері повільного спуску (щоб не розбити пляшки зі скла), а потім розподіляють таким чином: скляні пляшки сортують та пакують в спеціальну тару за допомогою робототехніки для подальшого вивезення в пункти приймання пляшок, а інше скло дроблять та пакують в герметичну тару для перевезення на підприємства, що переробляють скло. Сміття великих розмірів, яке перевищує розміри сміттєводів 33, 34, 35, 36, виносять мешканці за межі свого екобудинку та складають в закриті бачки 61, 62, 63, 64 та 65, під якими розміщують систему утилізації та підготовки для вивезення вторинної сировини (яка умовно не показана). В вище приведеному описі показана мінімальна кількість систем та пристроїв, що підтримують функціонування екобудинку. В реальному екобудинку зазначена кількість може бути значно більшою. Так, наприклад, кількість біореакторів в екобудинку на 600 чоловік може досягати 7 шт. і т.д. Всі процеси одержання енергії та її розподілу, утилізації та вивезення сміття, очищення та регенерації стічних вод, збору та використанню зовнішніх водних джерел здійснюють за допомогою системи автоматизованого керування екобудинком 60 під контролем людини (оператора). Таким чином після виведення екобудинку на робочий режим, зовнішнє постачання енергетичних джерел - електроенергії, газу, води припиняється і використовуються енергія і вода тільки з джерел переробки відходів життєдіяльності людей, що мешкають в цьому екобудинку, і зовнішніх водних джерел - дощової води, ґрунтових вод, а також артезіанської 3 UA 97429 U 5 10 15 20 води (при її наявності). Відходи сміття використовують частково для енергетичного забезпечення, а решта - для вторинної сировини. Приклад. Розрахунок виконаний з метою довести, що екобудинок може дійсно функціонувати на відходах життєдіяльності мешканців цього екобудинку. 1. Розрахунок виконаний на базі стандартного 9-ти поверхового будинку на чотири під'їзди типу літ. А9, що був побудований в 1973 р. і має бути перебудований в екобудинок. 2. Кількість людей, що мешкають в вище згаданому будинку: n=360 чоловік. 3. Кількість фекалій, що виводяться за одну добу одною людиною: Gоф=190…200 г/доба, в середньому Gоф=195 г/доба=0,195 кг/доба [Кал (фекалії) http://www.gastroscgh.ru/handblook 27/15666]. 3.1. Тобто кількість фекалій, що виводяться всіма людьми екобудинку за 1 добу: Gф=Gоф×n=0,195 кг/доба×360 чол.=70,2 кг/доба. 4. Кількість сечі, що виводиться за одну добу одною людиною: Gо сеч=1,5 л/доба1,5 кг/доба [Шадилов Евгений "Чистка почек в домашних условиях" http://universalinternet library.ru/book/shadilov 3/6. shtml]. 4.1. Тобто кількість сечі, що виводяться за одну добу з усіх людей згаданого екобудинку, становить: Gсеч=Gо сеч×n=1,5 кг/доба×360 чол.=540 кг/доба. 5. Кількість твердих побутових відходів (ТБО), що приходяться на душу населення: США 665 кг/рік Росія 195 кг/рік 25 30 35 40 45 50 55 [Твердые бытовые отходы Неопасные твердые отходы http://www.waste.ru/modules/section/item.php?itemid-78, с. 2]. Приймаємо QТБО=200 кг/рік, тобто кількість ТБО всіх людей екобудинку за одну добу складає: QТБО Ч=(200 кг/рік×360 чол.):365 діб=197,2 кг/доба. 5.1. Відходи продуктів складають 20…38 % або в середньому 29 %, тобто: QТБО ПР=QТБО Ч×(29 %:100 %)=197,2 кг/доба×0,29=57,2 кг/доба. 6. Кількість біомаси для біореакторів, що збирається за одну добу по екобудинку, становить: Мбіом=Gф+Gсеч+QТБО ПР=70,2 кг/доба + 540 кг/доба + 57,2 кг/доба = 667,4 кг/доба. 7. Обчислюємо кількість метану з біогазу, що можна одержати, переробивши Mбіом=667,4 кг/доба. З 1 кг органічної речовини одержують біологічно розщепленого на 70 % - 0,18 кг метану, 0,32 кг вуглекислого газу, 0,2 кг води і 0,3 кг нерозщепленого залишку [Мухин В.М. и др. Получение биогаза по безотходной, экологически чистой технологии http://www.rusnauka.eom/15…DNI 2008/Agricole/33146.doc.htm]. Gмет=(70 %:100 %)×Mбіом×0,18 кг=0,7×667,4×0,18=84,1 кг/доба. Густина газової фази метану при 20 °C і 101,3 кПа - 0,668 кг/ м [Объем, масса, плотность, объем http://fas.su/page-459]. Кількість метану, що виробляється біореакторами екобудинку за одну добу: 3 3 Qмет=84,1 кг/доба:0,667 кг/м =125,8 м /доба. 8. Використання метану (доочищеного біогазу) в плитах для приготування їжі на одну рідню 3 з 4-х чоловік складає 1 м за добу. Оскільки в кожній із квартир екобудинку проживає різна кількість людей, то умовна кількість родин може бути обчислена таким чином: Nрод=360 чол.:4=90 родин. Кількість метану, що витрачається на приготування їжі всіма мешканцями екобудинку за одну добу: 3 3 Qрод/доба=90 родин×1 м /доба=90 м /доба. 9. Таким чином на нагрів екобудинку залишається метану на одну добу: 3 3 3 Qмет н=Qмет-Q род/доба=125,8 м /доба-90 м /доба=35,8 м /доба. Цього не достатньо для опалення екобудинку, якщо цей екобудинок тільки запущений в дію. Але якщо екобудинок експлуатується після накопичення доочищеного біогазу в період припинення паливного сезону з 15-го квітня по 15-те жовтня, тобто 6-ти місяців, або 183 доби, то кількість накопиченого в акумуляторах доочищеного біогазу складає: 4 UA 97429 U 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3 Qрезерв=35,8 м /доба×183 доби=6551,4 м , що є значним резервом в енергоносіях системи опалення екобудинку. 10. Енерговитрати електроенергії мешканцями екобудинку на побутові цілі. 10.1. Приймаємо середньорічну витрату електроенергії на одного мешканця екобудинку: Wo=100 кВтгод./місяць. 10.2. Витрати електроенергії на побутові цілі всіх мешканців екобудинку за один рік: Wc=n×Wo×12 місяців=360 чол. ×100 кВтгод./місяць×12 місяць=432000 кВтгод. 11. Накопичення електричної енергії здійснюється найбільше від сонячних батарей, перетворювача електроенергії та акумуляторів. Період найбільшого накопичення електроенергії відбувається з квітня по вересень - 6 місяців - 183 доби (для кліматичної зони України). Потужність сонячних батарей на одиницю площі може бути, в залежності від типу цих сонячних батарей, рівною: 2 2 Wоб=200 Вт/м =0,2 кВт/м . Площа сонячних батарей, встановлених на даху і стінах екобудинку, приблизно становить: 2 Fст=3000 м . 11.1. Загальне енергонакопичення в акумуляторах сонячних батарей за рік становить (183 доби+25 % - залишкової пори року при слабкій сонячній радіації): Wсон=1,25×Wоб×Fст×183 доби×10 годин×0,33=1,25×0,2×3000×183×10×0,33=452925 кВтгод., де 10 годин - середньорічна тривалість дня з найбільшою сонячною радіацією; 0,33 - ККД сонячних батарей. [Солнечные батареи российских производителей http:building-(orum.ru/energosberezhenie/solnechnye-batarei-R.Г.php.]. 12. При цьому різниця між загальною накопиченою за рік енергією та енергією на побутові цілі складає: Wсон.т=452925 кВтгод.-432000 кВтгод.=20925 кВтгод., та може бути використано на нагрів екобудинку в холодну пору року і навпаки - на вентиляцію та кондиціювання в теплу та спекотну пору року. 13. Теплова енергія від сонячних колекторів, встановлених на даху екобудинку, дає можливість нагрівати воду в спекотну пору року і забезпечити зберігання тепла в ґрунтових акумуляторах та використовувати це в холодну пору року для попереднього нагріву води в побутових цілях. При цьому слід визначити, що енергії від сонячних колекторів та сонячних батарей, навіть без конкретних підрахунків, достатньо на круглорічну експлуатацію екобудинку. Це було неодноразово доведено при створенні та експлуатації сонячних будинків (див. сонячний будинок фірми "Філіпс" книга Д. Мак-Вейг Применение солнечной энергии. Под ред. д. т. н. Б.В. Тарнижевского. - М.: Энергоиздат, 1981. - С. 99-101). Таким чином, попередні розрахунки безперечно доводять, що внутрішніх джерел енергетики екобудинку достатньо, щоб не використовувати зовнішніх енергоносіїв - електроенергії, природного газу, гарячої води котелень і т.д. Джерела інформації: 1. Международная конференция "Рециклинг отходов" 24.08.2009. www.new: garbge.com./?id =128828