По причине, обозначенной во вступлении к статье, актуален вопрос сооружения вооружёнными и спасательными силами быстровозводимых автономных полевых лагерей (БАПЛ) для решения любых задач, которые не связаны с нахождением личного состава в пунктах постоянной дислокации. Кроме того, в любое время важны задачи поддержания и проверки боевой готовности войск, что требует перемещения войск из мест постоянной дислокации на место проведения учений или на полигоны [1].

При различных эпидемиологических ситуациях, например, в условиях пандемии, также требуются быстровозводимые и быстросборные (буквально за несколько дней) временные автономные полевые сооружения, оборудованные соответствующими системами жизнеобеспечения. А учитывая, что чрезвычайные ситуации могут случаться в любой период года, критически важно наличие системы жизнеобеспечения, дающей необходимое количество теплоты для отопления жилых и специальных помещений быстровозводимого автономного лагеря.

Необходимость развёртывания полевых лагерей

Автономные полевые лагеря, оборудованные всеми необходимыми системами жизнеобеспечения, актуальны в следующих ситуациях:

  • для организации полевых выходов, во время учений войск, лагерных сборов, в период боевого слаживания и длительных маршей с суточным отдыхом;
  • во время мобилизационного развёртывания вооружённых сил;
  • для обучения военных специалистов, находящихся в запасе, в различных субъектах РФ;
  • для ликвидации последствий природных и техногенных катастроф;
  • во время проведения миротворческих и гуманитарных операций либо участия во временных локальных конфликтах вне зоны соприкосновения с силами реального противника;
  • во время охраны и строительства ответственных объектов (АЭС, аэродромов, портов, гидроузлов и газопроводов);
  • в период карантинов по эпидемиологическим показателям;
  • при решении особых задач в условиях официально введённого чрезвычайного положения либо возникших вооружённых конфликтов.

При этом быстровозводимый автономный полевой лагерь должен представлять собой универсальный комплекс из необходимых модулей и оборудования, которые должны способствовать успешному решению поставленных перед личным составом задач, в том числе и боевых. А возможность проведения этих мероприятий и решения подобных задач должны иметься в любое время года, в том числе и в холодное.

Кроме основных требований, например, условия лёгкой транспортировки всего комплекта полевого лагеря и некоторых других, выдвигаются и требования эффективного и надёжного электрои теплоснабжения данного автономного объекта (БАПЛ), состоящего из палаточных модулей [1].

Виды обогревателей

Различных видов обогревателей промышленного изготовления, используемых в походных условиях, известно большое множество. Различия между этими отопителями состоят главным образом в потребляемом топливе и выходной тепловой мощности [1, 2].

Использование самодельных обогревателей, особенно в палаточных условиях при ограниченном жилом пространстве, является взрывои пожароопасным, поэтому применять их допустимо лишь в особых ситуациях при отсутствии других вариантов. Достоинства таких «керосинок» — компактность, функциональность, эффективность, доступная цена.

Твёрдотопливные устройства [1, 2], как правило, обычно не рассматриваются в качестве основных при решении вопроса обогрева в шатре или палатке, так как ограничения в габаритах отопительных приборов исключают возможность использования дров, а эффективность применения таких видов твёрдого топлива, как, например, сухой спирт, невелика.

Разновидностей газовых обогревателей для палаток производится много, поэтому изложить общее для всех таких агрегатов описание не представляется возможным. Каждая линейка моделей имеет индивидуальные характеристики, и общим для всех походных газовых обогревателей является только вид потребляемого топлива, компактность и эффективность.

Туристический газовый обогреватель чаще всего рассчитан на использование одноразовых баллонов с пропаном, вставляемых в корпус прибора или подключаемых посредством шланга. Но производятся и модели с возможностью установки на стандартный бытовой баллон, пригодные и для приготовления пищи.

Газовый обогреватель от баллона, оснащённый обычной газовой горелкой без инфракрасного излучателя, эффективен при использовании под открытым небом, например, для быстрого приготовления пищи в котле.

Инфракрасные обогреватели для походных условий делятся на три группы:

  • с металлическим излучателем;
  • с керамическим генератором теплового излучения;
  • каталитического действия.

Металлический излучатель туристического газового инфракрасного отопителя представляет собой стальную сетку, нагреваемую горелкой и оборудованную рефлектором-отражателем. В этом случае излучатель не контактирует с горелкой и для безопасности пользования оснащён защитной сеткой.

Керамический генератор инфракрасного излучения в портативных отопителях для палатки выполнен в виде перфорированной пластины, также нагревающейся от пламени горелки, в которую подаётся газовоздушная смесь.

Каталитический газовый обогреватель для использования в шатрах и палатках — наиболее совершенное устройство для походных условий, имеющее в конструкции стекловолоконную панель с платиновым или кобальтохромовым покрытием (катализатор). Преобразование энергии топлива в теплоту в таких приборах происходит без процесса горения — на подогретую панель подаётся также предварительно нагретый газ, который в присутствии катализатора вступает в реакцию с кислородом воздуха (окисляется), в результате чего происходит выделение энергии.


Автономный полевой лагерь российской армии АПЛ-500

Обогреватели на жидком топливе

Широкий перечень обогревателей, используемых для поддержания заданного температурного режима в помещении, включает группу обогревательных устройств на жидком топливе, которые отличаются видом используемого горючего и, соответственно, конструкцией. Названия таких обогревателей происходят от наименования применяемого топлива:

  • дизельный обогреватель;
  • керосиновый обогреватель;
  • мазутный агрегат для обогрева.

Данные устройства (кроме агрегатов на мазуте) в силу своей компактности, доступной стоимости, малого потребления топлива и относительно низкой его цены являются хорошей альтернативой газовому отоплению, требующему газификации строения или помещения, и поэтому популярны. Эти отопительные приборы рассчитаны на обогрев помещений значительной площади, в которых отсутствует газоснабжение, ограничена мощность потребляемой электроэнергии или нецелесообразны значительные расходы на обогрев. Рассмотрим семейство дизельных обогревателей, состоящее из отличающихся конструкцией.

Виды дизельных обогревателей

Обогреватели, работающие на дизельном топливе, по способу теплоотдачи и исполнению делятся на конвективные и инфракрасные. Инфракрасные обогреватели, как и все разогретые выше температуры в 60°C предметы, испускают лучистое тепло, то есть электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 0,5–350 мкм. Передача тепла такими устройствами путём конвекции и контакта с окружающими предметами (например, пол) также присутствует, но его доля в общем теплообмене несоизмеримо мала — до 8%.

Конвективные обогреватели — это воздушные тепловые пушки прямого и непрямого нагрева.

Шкаф-обогреватель снабжён как минимум двумя колёсиками для облегчения перемещения и потому без труда может быть установлен в необходимом месте.

В нижней части шкафа закрытого исполнения расположена горелка, в верхней — слегка сужающаяся кверху труба-змеевик, выполняющая роль теплообменника и дымохода одновременно. Сзади неё установлен зеркальный рефлектор-отражатель. Изогнутая форма трубы обусловлена стремлением увеличить площадь излучающей тепло поверхности, но у дымохода такой формы есть и сопутствующий недостаток — затруднённое прохождение дыма по изгибам канала. Поэтому в обогревателях-шкафах предусмотрен вентилятор для принудительного отвода дыма из змеевика.

Воздушные тепловые пушки

Популярным видом обогревателей на дизельном топливе являются воздушные тепловые пушки — устройства принудительного нагрева и направленного наддува струи воздуха (фото 1), который и является теплоносителем.


Фото 1. Общий вид обогревателя на дизельном топливе

Обогревательные устройства такого исполнения, в зависимости от мощности, предназначены для обогрева просторных (до нескольких сотен квадратных метров) помещений и поддержания в них температуры воздуха в районе +25°C. Отсутствие в таких помещениях теплоизоляции стен не является непреодолимым препятствием — мощность устройств на дизельном топливе достаточна для обеспечения в таких помещениях удовлетворительных условий даже в сильный мороз.

Устройство воздушной тепловой пушки простое и эффективное: на тележке установлен топливный бак с горелкой сверху, которая разогревает смонтированный в «пушке» нагревательный элемент из керамики или металла до определённой температуры. По достижении теплообменником заданной температуры включается электрический вентилятор, прогоняющий через этот нагревательный элемент холодный воздух помещения. Поворотом обогревателя можно направить струю горячего воздуха на конкретный предмет или в отдалённый угол помещения, чтобы снизить сопутствующий эффект подъёма пыли. Такой способ обогрева схож с конвекцией, когда тёплый воздух после контакта с теплообменником поднимается вверх, но в воздушной пушке скорость движения потока от вентилятора в разы выше конвективного, а струе может быть задано абсолютно любое направление.

Воздушные тепловые пушки отличаются надёжностью, быстрым прогревом помещения и экономичностью. Ёмкость топливного бака измеряется десятками литров, вес обогревателей — несколькими десятками килограммов (в зависимости от мощности), производительность горячего воздуха составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч кубометров в час, расход топлива обычно в пределах 0,5–5,0 кг/ч.

Современные модели оборудованы электронной системой стабилизации пламени и защищающим устройство от перегрева термостатом. Тепловая пушка на дизельном топливе способна в считанные минуты прогреть помещение площадью в несколько сот квадратных метров, работая почти бесшумно, после чего выключится до следующего цикла обогрева.

По конструкции воздушные тепловые пушки разделяются на устройства прямого и непрямого нагрева, отличающиеся по комфортности применения и, соответственно, по цене.

Тепловые пушки прямого нагрева

Конструкция таких обогревателей относительно проста, поэтому цена пушек прямого нагрева ниже. Пламя горелки в этих обогревателях не изолировано от нагреваемого воздуха, и продукты сгорания топлива выбрасываются в помещение (фото 2). Современные обогреватели прямого нагрева оборудуются топливными фильтрами и устройствами, повышающими сгорание топлива почти до 100%, и всё же агрегаты данной конструкции уступают в комфортности эксплуатации тепловым пушкам непрямого нагрева.


Фото 2. Принципиальная схема устройства тепловой пушки прямого нагрева

Конструкцией пушек прямого нагрева обусловлено и их применение — в качестве обогревателя в помещениях с временным присутствием человека: гараж, мастерская, склад (непродовольственный) и т. д.

Тепловые пушки непрямого нагрева

В дизельных обогревателях такого типа горелка изолирована — теплообменник нагревается ею изнутри, и продукты сгорания топлива выводятся через систему дымоотвода (дымоход) наружу. А холодный воздух при движении от вентилятора контактирует с горячим корпусом теплообменника снаружи, не смешиваясь с продуктами горения, что исключает их негативное воздействие на состав воздуха в помещении и делает эксплуатацию агрегата комфортной. Именно поэтому тепловые пушки непрямого нагрева можно использовать в жилых строениях и помещениях в качестве основного средства обогрева.

Достоинства и недостатки дизельных обогревателей

У обогревателей на дизельном топливе, независимо от вида, много общих достоинств, которые не нуждаются в подробном описании — достаточно просто их перечислить:

  • прочность, надёжность и простота конструкции;
  • мобильность агрегатов;
  • высокая скорость достижения эффекта;
  • простота эксплуатации и повседневного ухода;
  • широкий модельный ряд с большим диапазоном мощности;
  • высокая автоматизация управления;
  • возможность выбора устройства под конкретные условия эксплуатации;
  • экономичность;
  • высокая степень автономности;
  • возможность производства ремонта многих узлов своими руками.

Недостатков у этих обогревателей значительно меньше, но они всё же есть:

  • поднятие пыли в воздух струёй;
  • необходимость регулярного периодического проветривания помещения (выгорание кислорода при работе горелки);
  • высокая стоимость обогревателей непрямого действия;
  • присутствие в воздухе продуктов сгорания от работы более дешёвых агрегатов — пушек прямого обогрева.
  • необходимость периодического долива топлива индивидуально в каждый такой агрегат.

На основании изложенного выше, в качестве эффективных устройств для отопления жилых и нежилых помещений в виде специализированных палаток-боксов, например, медицинских, оружейных комнат или специнструмента, столовых, штабных и многого другого, можно использовать дизельные обогреватели непрямого действия (фото 3).


Фото 3. Дизельный обогреватель непрямого действия у палатки

К недостаткам данного способа отопления следует отнести необходимость иметь запас жидкого топлива в виде дизельного топлива. Также требуется периодическая дозаправка каждого обогревателя, что создаёт ряд проблем с учётом требований техники безопасности. Для создания запаса топлива необходимо иметь резервуары, что диктует необходимость организации их охраны (как от расхищения, так и от террористических актов) и периодического пополнения в период отопления.

Коэффициент использования тепла топлива равен величине КПД аппарата для отопления и составляет 80–90%.

Объект отопления

Для дальнейшего рассмотрения возможности отопления БАПЛ возьмём в качестве примера относительно небольшой по вместимости полевой лагерь на 96 человек, который может быть использован для обеспечивающих групп (снабжения, ремонта, специализированного обслуживания и т. д.), а также спасательных и других подразделений. Для этого за основу можно взять комплектацию АПЛ-60, а в качестве сооружения для проживания личного состава — палатку М-30 (фото 4).

Каркасная палатка М-30 по желанию заказчика может иметь один или два входа, а также двухскатную крышу. Наружные намёты имеют внутренние и вертикально-наклонные стенки. Окна палатки размещены на боковых и торцевых стенках. Вход в помещение оснащён тамбуром, который закрывается и застёгивается на клеванты. Палатка имеет один или два выхода для дымохода и один для вентиляционного окна [3].

У палатки внешний намёт выполнен из двусторонней ткани с ПВХ-покрытием, имеющей плотность не менее 550 г/м². Такая ткань с ПВХ-покрытием надёжно защищает внутренний объём палатки от атмосферных осадков — швы дают полную гарантию от протекания в течение всего срока эксплуатации палатки. Для проветривания палаток имеются специальные вентиляционные окна, которые оснащены противомоскитными сетками.

Наружный намёт палатки достаточно плотно облегает её каркас. На торцевых и боковых стенках палатки у наружного намёта расположены окна, которые оборудованы оконной плёнкой и откидной светозащитной шторкой.

Габаритные размеры и ещё нескольких параметров палатки представлены в табл. 1 на основании данных [4].

При размещении людей на отдельных кроватях (в один ярус) в палатке разместятся 16 человек, а при размещении на двухъярусных кроватях — 32 человека. Время развёртывания и свёртывания палатки двумя исполнителями составляет летом порядка 20 минут, зимой — порядка 30-ти.

Палатка комплектуется следующим образом: каркас для основания палатки, намёт наружный и внутренний, пол, два спецлиста под дымоход, капроновые шнуры для оттяжки, металлические колья для крепления палатки, металлические приколыши для натяжения стен, одиночный комплект запасных частей, инструментов и принадлежностей.

Система отопления — воздушная, реализуемая генератором горячего воздуха и воздуховодами, протянутыми к каждой палатке (схема представлена на фото 5). При такой схеме отопления нагретая электроэнергией вода, соответственно, нагревает воздух, который в свою очередь подаётся к каждой палатке по воздуховоду [5]. Длина магистральных возвратных воздуховодов составляет 1,5 м. От магистрали в палатку заводится утеплённый воздуховод диаметром 160 мм с обязательным шумоглушением.


Фото 5. Схема централизованной системы воздушного отопления для четырёх палаток

Длина магистральных подающих воздуховодов составляет 3–6 м с постепенно уменьшающимися диаметрами воздуховодов. От магистрали в палатку заводится гибкий утеплённый воздуховод диаметром 200 мм с шумоглушением. По потолку прокладываются жёсткие воздуховоды с уменьшением диаметра (телескопические) 200, 180, 160 и 140 мм длиной по 1 м. Установка подсоединяется к системе магистральных воздуховодов гибкими утеплёнными воздуховодами диаметром 400 и 500 мм с шумоглушением. Воздуховоды утепляются фольгированными самоклеящимися утеплителем типа «Пенофинол» или «Энергофлекс» толщиной от 6 мм.

Предлагаемая система отопления

Актуальным является применение дизель-генератора с системой утилизации теплоты от вторичных энергоресурсов, который будет обеспечивать объект электрической и тепловой энергией. Данные системы описаны в работах [2, 6, 7].

Эти системы обеспечения теплом жилых помещений предполагают электроснабжение, а также подвоз жидкого топлива. Наличие линии электроснабжения не всегда возможно, а жидкое топливо может потребоваться для других, более важных нужд, например, заправки специальной техники и критически необходимого оборудования.

Тогда остаётся подвести возобновляемое топливо (дрова) и использовать для этого соответствующий теплогенератор — твёрдотопливный водогрейный котёл. В котле производится нагрев воды до необходимой температуры и далее осуществляется подача горячей воды к каждой палатке, в которой будет стоять тепловентилятор. Последний (и его резервный или дублирующий второй агрегат) подаёт горячий воздух в помещение палатки, чем и обеспечивает её нагрев. Современные тепловентиляторы имеют систему автоматики поддержания заданной температуры внутри помещения. В качестве второго способа регулирования подачи теплоты можно использовать различную температуру воды для нагрева воздуха в зависимости от конкретной действующей температуры окружающего воздуха.

Параметры теплоносителя для теплообменника: максимальная температура — 130°C, максимальное давление — 1,5 МПа (15 бар). Максимальная рабочая температура окружающей среды для вентилятора — 75°C, электропитание 230 В / 50 Гц. Специальные жалюзи формируют направление струи тёплого воздуха. При данном типе тепловентилятора необходимо предусмотреть его установку в палатке с учётом рекомендаций, описанных в соответствующем руководстве по эксплуатации. То же самое необходимо сделать для электроснабжения устройства.

Расчёт теплоты на отопление

С целью получения величины тепловой мощности, необходимой для отопления здания, сооружения или помещения, необходимо знать величину их тепловых потерь. Если необходимо отапливать несколько сооружений от одного источника тепла, то необходимо знать теплопотери каждого из них. Расчёт теплопотерь сооружений в отопительный период предполагает знание его габаритов, материала, из которого он изготовлен, и район эксплуатации этого сооружения — для определения конкретных климатических параметров для расчёта.

Для комплексного объекта, состоящего из нескольких сооружений, можно записать общее уравнение определения теплопотерь:

где Qi — теплопотери сооружения или помещения, требующего отопления, Вт; Qпот — теплопотери при выработке и транспортировке тепловой энергии до соответствующего потребителя, Вт.

Проведём расчёт тепловых потерь для нашего относительно небольшого автономного полевого лагеря, состоящего из пяти палаток М-30: четырёх для личного состава и одной для помещения столовой (суммарно 96 человек).

Суммарные теплопотери нашего объекта будут равны:

где Qi — теплопотери соответствующего сооружения или помещения (их можно уточнить при помощи коэффициента, учитывающего неравномерность подаваемой в помещение теплоты, что связано с различной дневной и ночной температурами окружающего воздуха), Вт; Кi — коэффициент теплопередачи, который зависит от материала ограждения сооружения и его теплотехнических свойств, примем Кi = 2,2 Вт/( м²·°C) на основании данных о палатках, близких по назначению и климатическим параметрам эксплуатации [5]; Sпом.i — общая площадь ограждения одного (i-го) сооружения, которая определяется суммой площадей его стен, потолка и пола (условия «работы» материала пола отличаются от таковых для материала ограждения, что будет учтено при более детальном расчёте теплопотерь), за основу возьмём габариты палатки в [4] и на рис. 2, то есть Sпом = 137,84 м²; ∆t — разность температур между внутренним и наружным воздухом, которая зависит от климата района эксплуатации и, соответственно, от значения минимальной температуры самой холодной пятидневки, которая принимается по СП 131.13330.2012 «Строительная климатология», а также от значения температуры внутри помещения (зависит от его назначения — жилое, склад, помещение с оборудованием, административное, медицинского назначения и т. д.) и определяется по соответствующим нормативным документам, итого с некоторым усреднением примем ∆t = 22 — (-28) = 50°C (то есть температура внутри помещения минус температура самой холодной пятидневки).

Определив необходимые параметры и значения для расчёта теплопотерь одной палатки, вычислим эту величину по формуле (2):

Qпал = KSпом∆t = 2,2×137,84×50 ≈ 15,2 кВт.

Таким образом, теплопотери одной палатки составляют 15,2 кВт, соответственно, для четырёх палаток — 60,8 кВт. На этом основании вычислим необходимую подводимую к объекту тепловую мощность с учётом транспортных тепловых потерь, принятых равными 10%:

Qпод = 4Qпал1,1 = 4×15,2×1,1 = 66,88 кВт.

Эта величина позволяет определить необходимую тепловую мощность водогрейного котла с учётом его КПД, равного 80% (из среднего значения 75–87% для твёрдотопливных водогрейных котлов):

Qкотла = Qпод/0,8 = 66,88/0,8 = 83,6 кВт.

Для обеспечения теплом принятого БАПЛ необходимо определить количество топлива, то есть в данном случае дров. Необходимые параметры дровяного топлива представлены в работе [8].

Для определения расхода дров на отопление воспользуемся формулой:

V = 24Q/(qη), (3)

причём с учётом мощности котла формула упростится и примет вид:

V = 24Qкотла/q,

здесь V — суточный объём дров, м³; Q — необходимая мощность для отопления, которая была рассчитана ранее и равна Qкотла = 83,6 кВт; q — тепловая отдача определённой породы древесины с конкретной степенью влажности (калорийность), примем берёзу с 20%-й влажностью, тогда q = 2716 кВт/м³; η — коэффициент полезного действия котла, который уже учтён в его мощности Qкотла.

Таким образом, на сутки необходимо 0,74 м³ дров (влажность 20%, берёза). Данный расчёт сделан на самую холодную пятидневку в году, но в реальности бывают зимы теплее. Этот показатель можно уточнить по конкретной местности и, соответственно, по параметрам климатологии. А пока суточный расход дров составляет 0,74 м³, за месяц: 0,74 м³×30 = 22,2 м³, а за весь отопительный период: 22,2 м³×4,5 мес. = 99,9 м³ ≈ 100 м³.

В результате расчёта имеем расход дров за месяц 22,2 м³. Принимаем длину поленьев 0,33 м, тогда коэффициент полнодревесности [9] для перевода складочной меры вплотную составит 0,74. Тогда имеем 22,2 м³ / 0,74 = 30 м³.

Этот параметр служит для определения плотности складирования дров, то есть после складирования они должны иметь замеренный объём 30 м³. А за отопительный период объём дров составит Vдр = 100/0,74 = 135 м³, который и следует планировать для своевременной доставки, хотя дополнительно необходим неснижаемый резерв в топливе, например, 30 м³.

Что касается экономических показателей, то оценивается и экономический эффект за счёт более дешёвого топлива. Тем более что дрова можно заготавливать и на месте расположения БАПЛ, если, конечно, они там имеются.

Выводы

На основании изложенного выше и анализа возможных систем отопления жилых помещений БАПЛ предложена система с использованием возобновляемого топлива (дров) и применением твёрдотопливного водогрейного котла.

Для выработки электрической энергии для того же БАПЛ возможно использовать многофункциональный энерготехнологический комплекс (МФЭТК) на базе паровой поршневой машины, обеспечивающей выработку необходимой электроэнергии. Тем более что МФЭТК также работает на дровах, а точнее на паре, полученном в паровом котле. Более подробная информация о нём дана в работе [10].