Воздушный колодец или воздушный колодец — это конструкция или устройство , которое собирает воду, способствуя конденсации влаги из воздуха. [1] Конструкции воздушных колодцев многочисленны и разнообразны, но самые простые конструкции полностью пассивны, не требуют внешнего источника энергии и имеют мало, если вообще имеют, движущихся частей.
Для воздушных скважин используются три основные конструкции, которые обозначаются как массивные, радиационные и активные:
Все конструкции воздушных скважин включают субстрат с температурой, достаточно низкой для образования росы . Роса — это форма осадков , которая возникает естественным образом, когда атмосферный водяной пар конденсируется на субстрате. Она отличается от тумана тем, что туман состоит из капель воды, которые конденсируются вокруг частиц в воздухе. [4] Конденсация высвобождает скрытое тепло , которое должно рассеиваться для продолжения сбора воды. [5]
Воздушный колодец требует влаги из воздуха. Везде на Земле, даже в пустынях, окружающая атмосфера содержит по крайней мере немного воды. По словам Бейсенса и Милимука: «Атмосфера содержит 12 900 кубических километров (3 100 кубических миль) пресной воды, состоящей из 98 процентов водяного пара и 2 процентов конденсированной воды ( облака ): цифра, сопоставимая с возобновляемыми жидкими водными ресурсами обитаемых земель (12 500 км 3 ) ». [4] Количество водяного пара, содержащегося в воздухе, обычно сообщается как относительная влажность , она зависит от температуры, более теплый воздух содержит больше водяного пара, чем более холодный. Когда воздух охлаждается до точки росы , он становится насыщенным, и влага будет конденсироваться на подходящей поверхности. [6] Например, температура точки росы воздуха при 20 °C (68 °F) и 80 процентах относительной влажности составляет 16 °C (61 °F). Температура точки росы падает до 9 °C (48 °F), если относительная влажность составляет 50 процентов. [4]
Схожий, но совершенно другой метод получения атмосферной влаги — это туманный забор .
Воздушный колодец не следует путать с росным прудом . Росный пруд — это искусственный пруд , предназначенный для поения скота. Название росный пруд (иногда облачный пруд или туманный пруд ) происходит от широко распространенного убеждения, что пруд был заполнен влагой из воздуха. [7] На самом деле росные пруды в основном заполняются дождевой водой. [8]
Каменная мульча может значительно повысить урожайность в засушливых районах. Это особенно заметно на Канарских островах : на острове Лансароте выпадает около 140 миллиметров (5,5 дюймов) осадков в год и нет постоянных рек. Несмотря на это, можно выращивать значительные урожаи, используя мульчу из вулканических камней, трюк, открытый после извержений вулкана в 1730 году. Некоторые приписывают каменной мульче стимулирование росы; хотя эта идея вдохновила некоторых мыслителей, кажется маловероятным, что эффект будет значительным. Скорее, растения способны поглощать росу непосредственно из своих листьев, и главное преимущество каменной мульчи заключается в снижении потери воды из почвы и устранении конкуренции со стороны сорняков. [9]
Начиная с начала 20-го века, ряд изобретателей экспериментировали с коллекторами большой массы. Известными исследователями были русский инженер Фридрих Зибольд (иногда упоминаемый как Фридрих Зибольд [10] ), французский биоклиматолог Леон Шапталь, немецко-австралийский исследователь Вольф Клафаке и бельгийский изобретатель Ахилл Кнапен .
.jpg/1280px-Zibold_condenser_(section).jpg)
В 1900 году недалеко от места древнего византийского города Феодосия Зибольд, который был лесником и инженером, отвечавшим за этот район, обнаружил тринадцать больших груд камней . [12] Каждая каменная груда занимала площадь чуть более 900 квадратных метров (9700 квадратных футов) и была около 10 метров (33 фута) в высоту. Находки были связаны с остатками терракотовых труб диаметром 75 миллиметров (3,0 дюйма), которые, по-видимому, вели к колодцам и фонтанам в городе. Зибольд пришел к выводу, что груды камней были конденсаторами, которые снабжали Феодосию водой [13] , и он подсчитал, что каждая воздушная скважина производила более 55 400 литров (12 200 имп галлонов; 14 600 галлонов США) каждый день. [14]
Для проверки своей гипотезы Зибольд построил конденсатор из каменной кучи на высоте 288 метров (945 футов) на горе Тепе-Оба недалеко от древнего города Феодосия. Конденсатор Зибольда был окружен стеной высотой 1 метр (3 фута 3 дюйма), шириной 20 метров (66 футов), вокруг чашеобразной зоны сбора с дренажем. Он использовал морские камни диаметром 10–40 сантиметров (3,9–15,7 дюйма), сложенные на высоте 6 метров (20 футов) в усеченном конусе диаметром 8 метров (26 футов) по всей вершине. Форма каменной кучи обеспечивала хороший поток воздуха с минимальным тепловым контактом между камнями. [3]
Конденсатор Зибольда начал работать в 1912 году с максимальной суточной производительностью, которая, как позже было оценено, составляла 360 литров (79 имп галлонов; 95 галлонов США) – в то время Зибольд не сделал публичных записей о своих результатах. [10] На базе появились утечки, из-за которых эксперимент был прекращен в 1915 году, а место было частично разобрано, прежде чем его забросили. (Место было вновь обнаружено в 1993 году и очищено.) [3] Конденсатор Зибольда был примерно того же размера, что и древние каменные груды, которые были найдены, [3] и хотя выход был намного меньше, чем выход, который Зибольд рассчитал для первоначальных конструкций, эксперимент послужил источником вдохновения для последующих разработчиков.
Вдохновленный работой Зибольда, Шапталь построил небольшой воздушный колодец недалеко от Монпелье в 1929 году. Конденсатор Шапталя представлял собой пирамидальную бетонную конструкцию площадью 3 квадратных метра (9,8 футов) и высотой 2,5 метра (8 футов 2 дюйма), она была заполнена 8 кубическими метрами (280 кубических футов) кусков известняка диаметром около 7,5 сантиметров (3,0 дюйма). Небольшие вентиляционные отверстия окружали верхнюю и нижнюю часть пирамиды. Эти отверстия можно было закрывать или открывать по мере необходимости, чтобы контролировать поток воздуха. Сооружение оставляли остывать в течение ночи, а затем в течение дня впускали теплый влажный воздух. На кусках известняка образовывалась роса, которая собиралась в резервуаре под уровнем земли. Количество полученной воды варьировалось от 1 литра (0,22 имп галлона; 0,26 галлона США) до 2,5 литров (0,55 имп галлона; 0,66 галлона США) в день в зависимости от атмосферных условий. [15]
Шапталь не считал свой эксперимент успешным. Когда он вышел на пенсию в 1946 году, он вывел конденсатор из строя, возможно, потому, что не хотел оставлять неправильную установку, которая могла бы ввести в заблуждение тех, кто позже мог бы продолжить исследования воздушных скважин. [2]
Вольф Клапхаке был успешным химиком, работавшим в Берлине в 1920-х и 1930-х годах. В то время он испытал несколько форм воздушных скважин в Югославии и на острове Вис в Адриатическом море . Работа Клапхаке была вдохновлена Зибольдом [16] и работами Маймонида , известного еврейского ученого, писавшего на арабском языке около 1000 лет назад и упоминавшего об использовании водяных конденсаторов в Палестине. [3]
Клапхак экспериментировал с очень простой конструкцией: участок горного склона был очищен и выровнен водонепроницаемой поверхностью. Он был затенен простым навесом, поддерживаемым столбами или хребтами. Боковые стороны конструкции были закрыты, но верхние и нижние края оставались открытыми. Ночью горный склон охлаждался, а днем влага собиралась и стекала по выровненной поверхности. Хотя система, по-видимому, работала, она была дорогой, и Клапхак в конце концов принял более компактную конструкцию, основанную на каменной конструкции. Эта конструкция представляла собой здание в форме сахарной головы , высотой около 15 метров (49 футов), со стенами толщиной не менее 2 метров (6 футов 7 дюймов), с отверстиями сверху и снизу. Внешняя стена была сделана из бетона, чтобы обеспечить высокую теплоемкость, а внутренняя поверхность была сделана из пористого материала, такого как песчаник. [17] По словам Клапхак:
Здание производит воду в течение дня и охлаждается ночью; когда солнце встает, теплый воздух втягивается через верхние отверстия в здание выходящим более холодным воздухом, охлаждается на холодной поверхности, откладывает свою воду, которая затем просачивается вниз и собирается где-то внизу. Неправильно думать, что этот процесс работает только в дни с росой, так как внутренняя поверхность становится намного холоднее, чем можно было бы ожидать. В Далмации этот день был редким исключением, когда вода не производилась. [16]
Следы конденсаторов Клапхаке были предварительно идентифицированы. [18]
В 1935 году Вольф Клапхак и его жена Мария эмигрировали в Австралию. Решение Клапхак эмигрировать, вероятно, было в первую очередь результатом встреч Марии с нацистскими властями; [19] [20] их решение поселиться в Австралии (а не, скажем, в Великобритании) было обусловлено желанием Вольфа разработать конденсатор росы. [20] Будучи засушливым континентом, Австралия, вероятно, нуждалась в альтернативных источниках пресной воды, и премьер Южной Австралии , с которым он встречался в Лондоне, выразил заинтересованность. Клапхак сделал конкретное предложение о конденсаторе в небольшом городе Кук , где не было поставок питьевой воды. В Куке железнодорожная компания ранее установила большой активный конденсатор, работающий на угле, [21] но он был непомерно дорогим в эксплуатации, и было дешевле просто транспортировать воду. Однако австралийское правительство отклонило предложение Клапхак, и он потерял интерес к проекту. [22] [16]
Кнапен, который ранее работал над системами удаления влаги из зданий, [23] [24] [25] в свою очередь был вдохновлен работой Шапталя и приступил к строительству амбициозно большого puits aerien (воздушного колодца) на холме высотой 180 метров (590 футов) в Транс-ан-Провансе во Франции. [1] [26] Начиная с 1930 года, строительство башни росы Кнапена заняло 18 месяцев; она стоит и по сей день, хотя и в полуразрушенном состоянии. Во время своего строительства конденсатор вызвал некоторый общественный интерес. [27]
Башня имеет высоту 14 метров (46 футов) и массивные каменные стены толщиной около 3 метров (9,8 футов) с несколькими отверстиями для впуска воздуха. Внутри находится массивная колонна из бетона. Ночью вся конструкция охлаждается, а днем теплый влажный воздух поступает в конструкцию через высокие отверстия, охлаждается, опускается и покидает здание через нижние отверстия. [28] Намерение Кнапена состояло в том, чтобы вода конденсировалась на холодной внутренней колонне. В соответствии с выводом Шапталя о том, что конденсирующая поверхность должна быть шероховатой, а поверхностное натяжение должно быть достаточно низким, чтобы конденсированная вода могла капать, внешняя поверхность центральной колонны была усеяна выступающими пластинами сланца . Сланцы были размещены почти вертикально, чтобы способствовать стеканию капель в сборный бассейн в нижней части конструкции. [3] К сожалению, воздушный колодец так и не достиг желаемых результатов и производил не более нескольких литров воды в день. [29]
К концу двадцатого века механика конденсации росы была гораздо лучше понята. Ключевым открытием было то, что коллекторы с малой массой, которые быстро теряют тепло за счет излучения, работают лучше всего. Ряд исследователей работали над этим методом. [30] В начале 1960-х годов в Израиле для орошения растений использовались конденсаторы росы, изготовленные из листов полиэтилена, поддерживаемых на простой раме, напоминающей коньковый тент. Саженцы, снабжаемые росой и очень небольшим количеством осадков из этих коллекторов, выживали гораздо лучше, чем контрольная группа, посаженная без таких приспособлений — все они высохли за лето. [31] В 1986 году в Нью-Мексико конденсаторы, изготовленные из специальной фольги, производили достаточно воды для снабжения молодых саженцев. [4]
В 1992 году группа французских ученых посетила конференцию по конденсированным веществам в Украине , где физик Даниэль Бейсенс познакомил их с историей о том, как древняя Феодосия снабжалась водой из конденсаторов росы. Они были достаточно заинтригованы, что в 1993 году отправились посмотреть сами. Они пришли к выводу, что курганы, которые Зибольд идентифицировал как конденсаторы росы, на самом деле были древними курганами (частью некрополя древней Феодосии), и что трубы были средневекового происхождения и не были связаны со строительством курганов. Они нашли остатки конденсатора Зибольда, которые они привели в порядок и тщательно изучили. Конденсатор Зибольда, по-видимому, работал достаточно хорошо, но на самом деле его точные результаты совсем не ясны, и возможно, что коллектор задерживал туман, что значительно увеличивало выход. [10] Если конденсатор Зибольда вообще работал, то это, вероятно, было связано с тем, что несколько камней вблизи поверхности кургана могли терять тепло ночью, будучи термически изолированными от земли; однако он никогда не мог бы дать тот выход, который предполагал Зибольд. [2] [32]
Воодушевленная энтузиазмом, партия вернулась во Францию и создала Международную организацию по использованию росы (OPUR) с конкретной целью сделать росу доступной в качестве альтернативного источника воды. [33]
OPUR начал изучать конденсацию росы в лабораторных условиях; они разработали специальную гидрофобную пленку и экспериментировали с пробными установками, включая коллектор площадью 30 квадратных метров (320 квадратных футов) на Корсике . [34] Важнейшие идеи включали идею о том, что масса конденсирующей поверхности должна быть как можно меньше, чтобы она не могла легко удерживать тепло, что она должна быть защищена от нежелательного теплового излучения слоем изоляции , и что она должна быть гидрофобной, чтобы легко сбрасывать конденсированную влагу. [35]
К тому времени, как они были готовы к своей первой практической установке, они услышали, что один из их членов, Гирджа Шаран, получил грант на строительство конденсатора росы в Котхаре, Индия. В апреле 2001 года Шаран случайно заметил значительную конденсацию на крыше коттеджа в Toran Beach Resort в засушливом прибрежном регионе Кутч , где он недолгое время останавливался. В следующем году он более подробно изучил это явление и опросил местных жителей. Финансируемые Агентством по развитию энергетики Гуджарата и Всемирным банком , Шаран и его команда продолжили разработку пассивных, излучающих конденсаторов для использования в засушливом прибрежном регионе Кутч. [36] Активная коммерциализация началась в 2006 году. [37]
Шаран протестировал широкий спектр материалов и получил хорошие результаты от оцинкованного железа и алюминиевых листов, но обнаружил, что листы специального пластика, разработанного OPUR, толщиной всего 400 микрометров (0,016 дюйма), в целом работали даже лучше, чем металлические листы, и были менее дорогими. [38] Пластиковая пленка, известная как фольга OPUR, является гидрофильной и изготавливается из полиэтилена, смешанного с диоксидом титана и сульфатом бария .
Существует три основных подхода к проектированию теплоотводов, которые собирают влагу в воздушных скважинах: массивный, радиационный и активный. В начале двадцатого века интерес к массивным воздушным скважинам был, но, несмотря на многочисленные эксперименты, включая строительство массивных конструкций, этот подход оказался неудачным. [39]
Начиная с конца двадцатого века, проводилось много исследований маломассивных радиационных коллекторов; они оказались гораздо более успешными. [40]
Конструкция воздухоотвода большой массы пытается охладить большую массу каменной кладки прохладным ночным воздухом, поступающим в конструкцию из-за бризов или естественной конвекции. Днем тепло солнца приводит к повышению влажности воздуха. Когда влажный дневной воздух поступает в воздухоотвод, он конденсируется на предположительно холодной каменной кладке. Ни один из коллекторов большой массы не показал хороших результатов, воздушный колодец Кнапена является особенно ярким примером.
Проблема с коллекторами большой массы заключалась в том, что они не могли избавиться от достаточного количества тепла в течение ночи, несмотря на конструктивные особенности, призванные гарантировать, что это произойдет. [3] Хотя некоторые мыслители полагали, что Зибольд, возможно, был прав, [41] [42] в статье в Journal of Arid Environments обсуждается, почему конструкции конденсаторов большой массы такого типа не могут производить полезные количества воды:
Мы хотели бы подчеркнуть следующий момент. Для получения конденсации температура конденсации камней должна быть ниже температуры точки росы. Когда нет тумана, температура точки росы всегда ниже температуры воздуха. Метеорологические данные показывают, что температура точки росы (индикатор содержания воды в воздухе) не меняется существенно, когда погода стабильна. Таким образом, ветер, который в конечном итоге навязывает конденсатору температуру воздуха, не может охлаждать конденсатор, чтобы обеспечить его работу. Должно работать другое явление охлаждения — радиационное охлаждение. Поэтому именно ночью, когда конденсатор охлаждается излучением, жидкая вода может быть извлечена из воздуха. Очень редко температура точки росы может значительно повыситься настолько, чтобы превысить температуру камня внутри каменной кучи. Иногда, когда это происходит, роса может быть обильной в течение короткого периода времени. Вот почему последующие попытки Л. Шапталя и А. Кнапена построить массивные конденсаторы росы лишь изредка приводили к значительным урожаям. [Выделение как в оригинале] [2]
Хотя древние воздушные колодцы упоминаются в некоторых источниках, свидетельств о них мало, а стойкая вера в их существование носит характер современного мифа . [2]
.jpg/1280px-Radiative_condenser_(section).jpg)
Радиационный воздушный колодец предназначен для охлаждения субстрата путем излучения тепла в ночное небо. Субстрат имеет небольшую массу, поэтому он не может удерживать тепло, и он термически изолирован от любой массы, включая землю. [43] Типичный радиационный коллектор представляет собой конденсирующую поверхность под углом 30° к горизонтали. Конденсирующая поверхность поддерживается толстым слоем изоляционного материала, такого как полистирольная пена , и поддерживается на высоте 2–3 метра (7–10 футов) над уровнем земли. Такие конденсаторы можно удобно устанавливать на коньковых крышах низких зданий или поддерживать простой рамой. [44] Хотя другие высоты обычно не работают так хорошо, может быть менее затратно или более удобно монтировать коллектор вблизи уровня земли или на двухэтажном здании. [45]
Радиационный конденсатор площадью 550 квадратных метров (5900 квадратных футов), показанный слева, построен у земли. В районе северо-западной Индии, где он установлен, роса выпадает в течение 8 месяцев в году, и установка собирает около 15 миллиметров (0,59 дюйма) росистой воды за сезон с почти 100 росными ночами. За год он обеспечивает в общей сложности около 9000 литров (2000 имп галлонов; 2400 галлонов США) питьевой воды для школы, которая владеет и управляет этим объектом. [46]
Хотя плоские конструкции имеют преимущество простоты, другие конструкции, такие как перевернутые пирамиды и конусы, могут быть значительно более эффективными. Вероятно, это связано с тем, что конструкции защищают конденсирующие поверхности от нежелательного тепла, излучаемого нижней атмосферой, и, будучи симметричными, они нечувствительны к направлению ветра. [47]
Новые материалы могут стать еще лучшими коллекторами. [48] Один из таких материалов вдохновлен жуком из пустыни Намиб , который выживает только за счет влаги, которую он извлекает из атмосферы. Было обнаружено, что его спина покрыта микроскопическими выступами: пики гидрофильны, а впадины гидрофобны. [49] [50] [51] Исследователи из Массачусетского технологического института сымитировали эту способность, создав текстурированную поверхность, которая сочетает в себе чередующиеся гидрофобные и гидрофильные материалы. [52]
Активные атмосферные водосборники используются с момента коммерциализации механического охлаждения . По сути, все, что требуется, это охладить теплообменник ниже точки росы, и вода будет произведена. Такое производство воды может иметь место как побочный продукт , возможно нежелательный, осушения . [3] Например, система кондиционирования воздуха Бурдж-Халифа в Дубае производит приблизительно 15 миллионов галлонов США (57 000 м 3 ) воды каждый год, которая используется для орошения ландшафтных насаждений башни. [54]
Поскольку механическое охлаждение является энергоемким, активные коллекторы обычно ограничиваются местами, где нет запаса воды, которую можно опреснить или очистить по более низкой цене, и которые достаточно удалены от запаса пресной воды, чтобы сделать транспортировку неэкономичной. Такие обстоятельства редки, и даже тогда крупные установки, такие как те, что были опробованы в 1930-х годах в Куке, Южная Австралия, потерпели неудачу из-за стоимости эксплуатации установки — было дешевле транспортировать воду на большие расстояния. [22]
В случае небольших установок удобство может перевешивать стоимость. Существует широкий спектр небольших машин, предназначенных для использования в офисах, которые производят несколько литров питьевой воды из атмосферы. Однако существуют обстоятельства, когда на самом деле нет другого источника воды, кроме атмосферы. Например, в 1930-х годах американские конструкторы добавили конденсаторные системы к дирижаблям — в этом случае воздух был тем, что выбрасывался выхлопными газами двигателей, и поэтому он содержал дополнительную воду как продукт сгорания. Влага собиралась и использовалась в качестве дополнительного балласта для компенсации потери веса по мере потребления топлива. Собирая балласт таким образом, плавучесть дирижабля могла поддерживаться относительно постоянной без необходимости выпускать гелий, который был и дорогим, и ограниченным. [55]
Совсем недавно на Международной космической станции модуль «Звезда» включал систему контроля влажности. Вода, которую он собирает, обычно используется для питания системы «Электрон» , которая электролизует воду в водород и кислород , но ее можно использовать для питья в экстренных случаях. [56]
Существует ряд конструкций, которые минимизируют энергопотребление активных конденсаторов:
статья широко воспроизводилась, включая выдержки из Sharan, 2006.
