Анотація до роботи:

Пуховий І.І. Тепло- та холодопостачання будівель з використанням енергії Сонця і довкілля (в комплексі з традиційними джерелами енергії та без них). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – „Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика”. – Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2009.

Розроблена та теоретично і експериментально досліджена система опалення на основі використання традиційних і відновлюваних джерел енергії з різними температурними рівнями. Останні використовуються безпосередньо для підігрівання повітря в просторі буферної зони, що утворюється між стіною житловлї зони ї прозорою огорожею пасивної системи сонячного опалення (ПС) або іншими конструкціями. Знайдені математичні залежності для визначення температур та ефективності запропонованої системи, що запатентована і носить назву „система ПХВ”. Досліджені теоретично спільна робота системи ПХВ з тепловим насосом і виконано порівняння цих систем. Розглянуто використання води з температурою 0-30 ⁰С природного і техногенного походження, теплоти кристалізації води та теплоти грунту для систем опалення, вентиляції, підігрівання повітря перед тепловим насосом і охолодження повітря для кондиціювання. Досліджені контактні теплообмінники, що нагрівають повітря водою і теплотою її кристалізації. Теоретично і експериментально досліджені пасивні системи опалення та плоский сонячний колектор для генерації пари, що використовується в технологічних процесах життєдіяльності. Для різних зон України визначені числові характеристики сонячного випромінювання з врахуванням хмарності та орієнтації колекторів.

Вирішена проблема комбінованого з традиційними джерелами використання низькопотенційної енергії довкілля та сонячної енергії для тепло- та холодопостачання, виконані поставлені задачі дослідження та отримані наступні основні результати.

1. Розроблена і запатентована система опалення будинку з буферними зонами, що утворені огорожами пасивних систем сонячного опалення або іншими архітектурними елементами, яка використовує два температурні рівні теплоносіїв. В буферній зоні теплоносій повинен мати температуру від нуля до 30 ⁰С (в залежності від того, чи це є природна або техногенна теплота довкілля). Знайдені температурні характеристики буферної зони, для чого отримано аналітичне рівняння і для його підтвердження проведені експериментальні дослідження. Аналіз температур у БЗ показує, що для її опалення в умовах України з метою суттєвої економії традиційної енергії слід переважно використовувати теплоносії з температурою 10-30 ⁰С. При використанні води можна встановлювати як контактні теплообмінники типу вода – повітря, так і поверхневі типу фан-койлів (теплообмінник з вентилятором).

1.1. Доведено, що теплоту кристалізації води можна використовувати для опалення буферної зони при температурах атмосферного повітря переважно нижчих мінус 7...10 ⁰С. В Україні можливе комбінування кристалізації води з пасивною системою переважно для зменшення установленої потужності традиційних джерел опалення, а найбільш ефективно - в країнах з суворим кліматом.

1.2. Опалення буферної зони, утвореної пасивною системою, в умовах України зменшує установлену в житловій зоні потужність традиційних джерел і теплових насосів в 1,5...2,5 рази, причому вклад системи з безпосереднім використанням природної чи техногенної теплоти довкілля більший, ніж у пасивної системи через довгу ніч та січневий холод. Пасивна система зменшує встановлену потужність в січні не менше ніж в 1,15 – 1,2 рази.

1.3. Зменшення встановленої потужності є особливо вигідним при теплопостачанні житлової зони тепловими насосами, які досить дорогі (500-1000 USD за 1 кіловат теплоти). Існують проблеми по допустимій потужності існуючої електромережі при підключенні ТН, які вирішуються при зменшенні установленої потужності.

1.4. При опаленні буферних зон техногенними теплими водами можна зменшити витрату енергії в житловій зоні в 1,5-2 рази в умовах України протягом трьох зимових місяців.

1.5 Система ПХВ добре комбінуєтся з тепловим насосом, який попередньо охолоджує воду, що направляється потім для кристалізації в БЗ при наявних там негативних температурах.

2. Розглянуто використання теплоти кристалізації води для підігрівання повітря в різних системах теплопостачання, в тому числі для підігрівання повітря, що надходить у випарник теплового насосу в морозні дні, коли ефективність ТН типу “повітря – вода” або “повітря – повітря” зменшується. Для функціонування кристалізатора – льодоградирні для підігрівання повітря в ТН достатньо води з умовно чистих скидів багатоповерхових будинків.

2.1 Використання нічного тарифу на електроенергію в теплових насосах, що застосовують теплоту кристалізації стічних вод, вимагає підвищення потужності теплових насосів в 3 – 3,3 рази в порівнянні з потрібною на опалення будівлі вночі. Вироблений лід може бути джерелом холоду влітку.

3. Використання природної енергії грунту є найбільш вигідним в Україні для літнього кондиціювання повітря та при акумулюванні теплової енергії в грунті. Теплообмін в грунтових теплообмінниках при годинному і добовому циклі експлуатації (робота вдень і зупинка на ніч, або навпаки) є більш інтенсивним, ніж в річному циклі (зима, літо).

Розроблені схеми комбінованого використання теплоти і холоду грунту та інших відновлювальних джерел енергії в системах опалення, вентиляції і кондиціювання повітря. Знайдені коефіцієнти заміщення традиційних джерел енергією грунту і теплотою кристалізації води (їх значення: 0,6-1).

4. Досліджені гідродинамічні і теплові процеси диспергації, плівкового руху та охолодження води в контакті з повітрям для використання в системі з низькопотенційною теплотою: високо – і низьконапірні форсунки, конуси та диски, що обертаються. Для дисків вивчений вплив нерівномірності зрошення на характеристики потоку. Вивчена гідродинаміка руху плівки рідини з відриванням крапель з її поверхні на зовнішній поверхні конуса. Визначені границі безвідривної течії, а на основі цих досліджень розроблені теплообмінні апарати, на які отримано патенти СРСР, Швеції та Франції. Одержано експериментальні дані для розрахунку температур в теплообмінних апаратах типу вода-повітря при невеликих температурах води.

5. Проаналізовані і досліджені різні способи і пристрої для кристалізації води (у відкритих і закритих ємностях, у льодяних ємностях; в бурульках, що формувались з плівки води та в бурульках, які зростали на горизонтальних дротяних насадках, що зрошувалися за допомогою форсунки). Знайдена інтенсивність теплообміну та теплова потужність, що виділяється при кристалізації. Вивчені фізичні явища. Виробництво льоду в бурульках на горизонтальних дротяних насадках є інтенсивним і спрощує проблему періодичного видалення бурульок шляхом пропускання електричного струму через дріт.

6. Розроблено та досліджено парогенеруючий високотемпературний плоский колектор з 2 та 3 вітражами, що може бути використаний для приготування їжі та стерилізації продуктів. Він дозволяє отримувати пару з ККД близько 0,4.

7. Досліжені теоретично і експериментально пасивні системи сонячного опалення. Отримані залежності для їх розрахунку. В багатоповерхових будівлях пасивні системи типу “засклена лоджія”, що встановлені на одному з фасадів квартири, можуть економити в 1,25 - 1,4 рази традиційну енергію на опалення квартири (до 30%).

8. На основі статистичних матеріалів по сонячній радіації в різних кліматично-географічних зонах України знайдені коефіцієнти орієнтації по відношенню до південного напрямку і енергетичні коефіцієнти, які враховують хмарність. Влітку на вертикальну поверхню західного чи східного фасадів поступає на 30-40% більше енергії, ніж на південну. На основі знайдених величин можна розраховувати пасивні системи і рідинні сонячні колектори.

9. Економічні розрахунки показують, що використання сонячної енергії і природної теплоти з довкілля та техногенних скидів при подорожчанні палива в 2008-2009 роках стало конкурентоздатним. Строк окупності пасивних систем сонячного опалення, що замінюють імпортний природний газ, є біля 5-7 років, а для тих, що використовують у житловій зоні електроенергію - біля 3 – 4 років.

10. Оформлений, і розглядається в Кабінеті Міністрів України, інвестиційний проект по використанню техногенних скидів Запорізької АЕС в ТН для теплопостачання м. Нікополь, Запоріжжя і сусідніх міст.

11. Використання природного льоду зменшує енергетичні затрати в 16 – 51 раз в порівнянні з роботою машинного льодогенератора; заготівля льоду зменшує викиди СО₂, а платежі по протоколу Кіото компенсують енергетичні затрати на виробництво і зберігання льоду. Використання заготовленого взимку льоду в домашніх холодильниках може зменшити витрату електроенергії в 2 – 6 раз і дозволяє в автономних умовах отримати велику економію капіталовкладень в фотоелектричні перетворювачі сонячної енергії, що коштують до 10 дол. США за Вт.

12.Започатковано новий напрямок досліджень по використанню теплоти кристалізації води для теплопостачання взимку.

Використання сонячної та низькопотенційної енергії довкілля дозволяє за опалювальний сезон зменшити витрату традиційної енергії на 40 – 80% і зменшити встановлену потужність традиційних джерел в 1,5 - 2,5 рази.

Публікації автора:

Публікації в фахових виданнях (журналах і монографіях):

1. Пуховой И.И. Система отопления зданий без теплового насоса с использованием природной холодной воды // Промышленная теплотехника.- 1992.- Том 14, № 1- 3.- с.57 – 61.

2. Пуховий І.І., Живиця В.В. Розробка та гідродинамічні дослідження бурулькового льодогенератора, що використовує природний холод // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - Серія теплоенергетики. – 1997. - № 1 – с. 26 – 28.

3. Пуховий І.І. Дослідження та інженерні розрахунки комбінованої пасивної системи сонячного опалення з використанням теплоти кристалізації води для підігріву повітря в буферній зоні // Наукові вісті НТУУ КПІ. - Серія теплоенергетики.- 1997. - № 1 – с.51 - 54.

4. Пуховой И.И. Пассивные солнечные системы отопления, использующие теплоту кристаллизации воды // Пром. теплотехника. -1998. - № 5.- с. 47 -51.

5. Пуховий І.І., Шевельов В.В. Використання сонячної енергії для опалення та гарячого водопостачання міських багатоповерхових будівель//Энергетика и электрофикация.- 2000. - №12. - c. 44-45.

6. Пуховой И.И. Энергетические исследования охладителей– кристаллизаторов для систем отопления с использованием теплоты кристаллизации воды // Пром. теплотехника. – 2002. – т.24, № 1. – с. 45 – 48.

7. Пуховий І.І. Економія палива в комбінованих системах опалення на основі традиційних і низькотемпературних джерел з різними температурними рівнями//Енергетика: економіка, технологія, екологія. - 2003.- № 1.- с. 71-77.

8. Пуховий І.І., Ляхович Л.М. Нестійкість Тейлора при формуванні крапель і бурульок з плівки води на краю вертикальної труби та нахиленої пластини // Наукові вісті НТУУ КПІ.- 2003.- с.48-51.

9. Пуховий І.І. Безпосереднє використання теплоти довкілля в системах тепло- і холодопостачання // Техн. електродинаміка.- 2003.- Тем. вип. - с.31-33.

10. Пуховий І.І. Спільна робота систем опалення з безпосереднім та теплонасосним використанням природних та техногенних скидних вод // Техн. електродинаміка.- 2004. - № 3.- с. 94 - 96.

11. Пуховой И.И. Использование солнечной энергии и энергии окружающей среды в контексте энергетической стратегии Украины до 2030 г.// В кн. Инновационное развитие топливно – энергетического комплекса. Проблемы и возможности. Под ред. Вороновского Г.К. и Недина И.В. Киев: Знания Украины.- 2004.-с.132-134.

12. Пуховой И.И., Ляхович Л.Н. Энергетические и экологические показатели производства и аккумулирования льда, заготовленого зимой в Украине // Пром. теплотехника.- 2004. – Т. 26, №5.- с. 67-71.

13. Пуховой И.И. Температурные режимы и экономия энергии в пассивних системах солнечного отопления типа застекленная лоджия многоэтажных зданий // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2004. - № 2. - с. 14 - 18.

14. Пуховий І.І., Ляхович Л.М. Експериментальні дослідження процесів формування водного льоду в штучних бурульках // Енергетика: Економіка, технології, екологія. - 2004. - № 1. - с. 41 – 44.

15. Конеченков А.Є., Пуховий І.І. Вплив законодавчих та фінансових стимулів на розвиток сонячної енергетики // Відновлювана енергетика. - 2005.- № 1.-с.116-120.

16. Пуховий І.І. Експериментальні дослідження парогенеруючого плоского сонячного колектора з подвійним і потрійним вітражем // Відновлювана енергетика. -2005. -№2. - с.16-20.

17. Пуховий І.І., Ляхович Л.М., Тимошицький О.В. Про механізм утворення та формування штучних льодяних бурульок в системах виробництва льоду за рахунок природного холоду // Відновлювана енергетика.– 2005.- № 3-4, с. 20-24.

18. Пуховий І.І. Теплонасосне та безпосереднє використання теплової енергії довкілля і її потенціал в Україні // Енергетика: економіка, технології, екологія. – 2005. №1.- с. 92-97.

19. Пуховой И.И. Сравнение систем отопления с непосредственным и теплонасосным использованием воды с потенциалом до 30 ⁰С // Проблемы машиностроения. – 2005. - №2. – с. 23-27.

20. Пуховий І.І., Безродний М.К., Мхітарян Н.М., Кудря С.О. Економія природного газу при заміні котлів тепловими насосами та використання теплоти кристалізації води, як альтернативи теплоті грунту // Відновлювана енергетика.-2006.-№1.-с.15-19.

21. Пуховий І.І., Новаківський Є.В. Енергія, отримана від сонячного випромінювання в різних кліматично-географічних зонах України з урахуванням хмарності та її залежність від орієнтації сонячних колекторів // Відновлювальна енергетика. – 2006. - №4. – с. 28 – 36.

22. Пуховой И.И. Тепловые насосы, потребляющие электроэнергию по цене ночного тарифа и использующие теплоту сточных вод и кристаллизации воды.

В кн. Малая энергетика в системе обеспечения эконом. безопасности государства. Под ред. Вороновского Г.К., Недина И.В. Киев: Знания Украины. - 2006. - с.152-156.

23.Пуховий І.І. Аналіз теплообміну в процесі зростання льодяних бурульок, що використовуються для акумулювання природного холоду та підігріву повітря в системах теплопостачання // Відновлювана енергетика. - 2007.- №1.- с.16-19.

24. Пуховой И.И., Безродный М.К., Фединчик Н.А. Использование грунта в качестве источника тепловой энергии и холода в системах вентиляции, подачи воздуха на горение и кондиционирование. В кн. Экономическая безопасность государства и интеграционные формы ее обеспечения. Под ред. Вороновского Г.К. и Недина И.В.. Киев: Знания Украины. - 2007.- с.271-274.

25. Пуховий І.І. Замерзання води в циліндричних пластикових ємностях і теплові потоки, що отримуються для нагрівання повітря теплотою кристалізації. // Відновлювана енергетика.-2007. - № 4.- с.43-46.

Авторські свідоцтва і патенти

1. Пуховой И.И. Система отопления здания И.И. Пухового. Пат CCCP

№ 1388665 А1, кл. МКИ F 24Д 15/00. – Опубл.15.04.1988.- Бюл. 34.

2.Пуховой И.И Охладитель - кристаллизатор для системы отопления

И.И. Пухового. Авторское свид. СССР № 1656298 А1,кл. F25B 19/00.- Опубл. 15.06.91.- Бюл. 22.

3. Пуховой И.И. Охладитель – кристаллизатор И.И. Пухового. Пат. СССР

№ 1663349 А, кл F 25 С 1/00, F 24 D15/00. - Опубл. 15.07.1991.- Бюл. 26.

4. Пуховой И.И. Система отопления зданий Пухового. Пат. СССР 1780577А3, кл. F24D 15.00.- Опубл. 7.12.92 г. - Бюл. 45.

5. Пуховий І.І. Живиця В.В. Охолоджувач – кристалізатор. Пат. України

№ 28443 А, Кл. МКІ F 24 D 15/00.- опубл 16.10.2000. Бюл. 5-11.

6. Пуховий І.І. Ляхович Л.М. Охолоджувач – кристалізатор. Пат. України

№ 55006 А, кл. 7 F 25с 1/00, F 24 D 15/00. - опубл. 17.03.2003.-Бюл.3.

7. Пуховой И.И. Алабовский А.Н., Янчук Б.М. Выпарной апарат.

А/С № 954095.кл.B 01D 1/22? F28 D 11/00.- опубл. 30,08,1982.- бюл. № 32.

8. Пуховий І.І., Алабовський О.М., Янчук Б.М. Appareil d’echange thermique a film liquide. Патент Франції № 8110231, Bul. № 16, 22. 04.01.1983.

9. Пуховий І.І., Алабовський О.М., Янчук Б.М. . Centrifuqalfilm varmeaxlar Патент Швеції № 445950.- 1986.- Bul. 66.

Доповіді і тези доповідей

Враховуючи значний перелік конференцій, що наведений на початку автореферату, у переважній більшості яких публікувались матеріали однієї або декількох доповідей, тут наведені лише основні та ті, за матеріалами яких немає наступних розширених публікацій в журналах.

1. Пуховий І.І. Система опалення будівель з використанням природної холодної води // Каталог експонентів та їх продукції на Українському стенді інноваційного форуму (Лейпцігський ярмарок, Leipzig-95).- Київ: ДКНТ „САТ- Текна А/T”. – 1995.- с. 36.

2. Пуховий І.І.Живиця В.В. Підігрів повітря, що йде на горіння палива взимку за рахунок теплоти кристалізації води з одночасним акумулюванням льоду для холодостачання // V наук.-практ. конференція з питань розвитку й впровадження техніки і технологій використання нетрадиційних і відновлювальних джерел енергії. Крим, Миколаївка, 2-9 вересня 1996 р. - Київ: ДНДІ НЕЕ. - 2006. - с.64.

3. Пуховой И.И. Уменьшение установленной мощности дублирующих традиционных источников при использовании энергии Солнца и теплоты кристаллизации воды в комплексных пассивных системах // „Нові технології та інвестиції США в енерг. України”: ІІІ щорічна конф. „ЕНЕРКОН – 97, Міненерго України, Київ, 23-25 квітня 1997р. - Київ: ДНДІ НЕЕ, „Эхо – восток”, - 1997. - с.55.

4. Пуховий І.І.Використання природного холоду для зниження температури конденсації в конденсаторах паротурбінних установок (з акумулюванням льоду)//”Розвиток і впровадження техніки і технологій використання нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії”.- VI н. пр. конф.Крим, Миколаївка, 1-6 вересня 1997 р. - Київ: ДНДІ НЕЕ, Слов’янське братство. - 1997- c.64.

5. Пуховий І.І., Живиця В.В.. Дослідження нерівномірності зрошення внутрішньої вертикальної циліндричної поверхні відцентровими дисками // Вісник будинку економічних та науково-техн. знань. - Київ: „Знання України” . - 1998. - с.27-28.

6. Пуховий І.І. Використання високотемпературних сонячних колекторів для приготування їжі та пастеризації продуктів // Нетрадиційні та поновлювані джерела енергії, VII наук. практ. конф. Міненерго України, Крим, Миколаївка, 31серпня -3 вересня 1998 р. - Київ: ДНДІ НЕЕ. - 1998.- с.86-88.

7. Пуховий І.І. Використання теплоти кристалізації води для тепло- та холодопостачання об’єктів з внутрішніми температурами біля 5-10 ⁰С та житлових будівель при негативних температурах довкілля // ”Нетрадиционная энергетика в ХХІ веке”, ІІІ Международная конф. Ялта, 19-22 сентября 2000 р. - Симферополь: „Ассоциация геологов Симферополя» . - 2000.- с. 70-72.

8. Пуховий І.І. Підвищення обсягів виробництва електроенергії та тепла на Запоріжській АЕС за рахунок зменшення теплових скидів конденсаторів у довкілля і використання теплових насосів // Винах. і раціоналізатор.-2001.-№ 1.-с. 30 – 31.

9. Пуховий І.І. Виробництво та акумулювання льоду для холодопостачання фермерських господарств //„Нетрадиционная энергетика в ХХІ веке” , ІV Межд.. конф., Крим, Гурзуф, 29.09 – 3.10. 2003 г . - Киев: МНТЦ ВЭ НАНУ. - 2003 - с.221.

10. Пуховий І.І., Ляхович Л.М. Зменшення споживання електроенергії та викидів вуглекислого газу при акумулюванні льоду, одержаного природним шляхом//”Нетрадиционная энергетика в ХХІ веке”, ІІІ Междунар.конф., Крым, Судак, 9-15.09. 2002 г.- Киев: ИТТФ НАН Украины.- 2002. - с. 208.

11. Пуховий І.І., Резцов В.Ф., Кудря Т.С. Вертикальне розміщення сонячних колекторів для гарячого водопостачання і опалення // Нетрадиционная энергетика в ХХІ веке, Материалы V Междунар. конф., Крым, Николаевка, 23-27 сент. 2004 г. - Київ: ТОВ „Інфодрук” - 2004.- с.60- 62.

12. Пуховий І.І., Безродний М.К.Використання теплоти грунту для кондиціювання повітря // “Відновлювальна енергетика в ХХІ сторіччі ” , Матеріали VІ міжнар. наук. конференції, Крим, Миколаївка, 19-23 вересня 2005 р. - Київ: ТОВ „Інфодрук”– 2005 – с. 24-26.

13. Пуховий І.І., Кудря Т.С. Використання температури рівноваги сонячних колекторів // “Відновлювальна енергетика в ХХІ сторіччі”. Матеріали VI міжнар. наук. конференції, Крим, Миколаївка , 19 - 23 вересня 2005 р. - Київ: ТОВ „Інфодрук”. - 2005.– с. 24-26.

14. Пуховий І.І., Безродний М.К., Постоленко А.М. Процес виробництва льоду по бурульковій технології в льодогенераторах з горизонтальними насадками // „Відновлювана енергетика ХХІ століття”. Матеріали VII міжнар. наук. конференції - Крим, Миколаївка, 11-15 вересня 2006 р. - Київ: ТОВ „Інфодрук”. - 2006. – с.66-68.

15. Пуховий І.І., Безродний М.К., Кудря Т.С. Дослідження пасивної системи сонячного опалення типу „засклена лоджія” при відсутності традиційного опалення // „Відновлювана енергетика ХХІ століття”. Матеріали VІІІ міжнар. наук. конф., Крим, Миколаївка, 17 – 21.09. 2007 р. - Київ: ПП „Viva–принт”. -2007. - с.105.

16. Пуховий І.І., Кауфман Л.Ю. Теплопостачання без тепломереж на базі когенераційної установки та теплових насосів // „Відновлювана енергетика ХХІ століття”. Матеріали VІІІ міжнар. наук. конференції, Крим, Миколаївка, 17 – 21 вересня 2007 р. - Київ: ПП „Viva–принт”. -2007. - с.77.

17. Пуховой И.И., Янчук Б.М., Закревская Л.Ф. Исследование смачивания поверхностей вращающихся конусов изотермической пленкой жидкости // Реферативная информация о научно – исследовательских работах в вузах Украинской ССР. Энергетика. – 1978. – вып. 12. – с. 28 – 29.

18. Недин И.В., Сидоров И.В.,Мусиенко Т.В., Пуховой И.И., Ругаль Р.С. О влиянии ресурсосберегающих решений на уровень энергетической и экологической безопасности территориального образования // Труды международного семинара „Методические и практические проблемы надежности либерализованных систем энергетики”, 6-11 июля 2008 г. – Иркутск : ИСЭМ СО РАН .- 2008 - с.47-52.

19. Никифорович Є.Я., Пуховий І.І., Безродний М.К., Письменний Є.М., Кідрук М.І. Підвищення ефективності використання грунтових теплообмінників при роботі теплових насосів за нічним тарифом на електроенергію// „Відновлювана енергетика ХХІ століття”. Матеріали ІХ міжн. наук. конференції, Крим, Миколаївка, 15 – 18 вересня 2008 р. - Київ: ПП „Viva–принт”. - 2008. - с.33.