УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1999 года по МПК F24J2/34 E04F13/18 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к устройствам для утилизации солнечного тепла, попадающего в здание в любое время года.

Известно устройство для отбора и утилизации тепла из солнечного потока, содержащее здание с крышей, в которой встроен тепловой коллектор. Коллектор связан с теплообменником аккумулятора тепла, установленного в подвальном помещении здания. Энергоноситель коллектора - это жидкость, преимущественно вода, которая циркулирует внутри замкнутых труб, например, принудительно с помощью насоса. Тепло, полученное от солнечного потока, нагревает энергоноситель в теплообменнике, который отдает его в аккумуляторе. Охладившись, энергоноситель снова попадает в коллектор для нагрева. Теплоизоляция произведена по периметру крыши, а потолочное перекрытие здания выполнено без теплоизоляции. При этом внутренняя часть коллектора и потолочное перекрытие расположены под теплоизоляцией [1].

Также известно здание с утилизацией солнечной энергии, включающее два блока с плоской крышей, соединенных с жилой комнатой со стеклянной крышей, при этом стены, пол и потолочное перекрытие здания имеют тепловую изоляцию в виде слоя минеральной ваты, а бак-аккумулятор расположен в подземном помещении. Коллектор расположен под стеклянной крышей и связан с баком-аккумулятором [2].

Недостатком этих устройств является сложность конструкции и неэффективная работа из-за большой потери (41%) тепла из аккумулятора, т.к. он расположен внизу здания или же в подвальном помещении, т.е. в зоне холодного воздушного пространства в здании. Кроме того требуются большой длины инженерные системы для соединения бака-аккумулятора с коллектором, которые также увеличивают потери тепла, а подача воды из бака-аккумулятора потребителям возможна только с помощью дополнительных устройств, при этом затрачивается дополнительная энергия (электрическая, пневматическая и т.д.), что усложняет конструкцию. Еще одним недостатком этих устройств является то, что необходимо дополнительно строить светопрозрачную крышу с коллектором или выносить ее за пределы имеющейся кровли здания, что также усложняет конструкцию зданий и увеличивает их стоимость при строительстве. Поэтому такая конструкция для утилизации солнечного тепла и не нашла широкого практического применения в народном хозяйстве.

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции зданий и сооружений с солнечными коллекторами, снижение их стоимости при изготовлении, повышение КПД солнечного коллектора и снижение эксплуатационных затрат при утилизации, хранении и использовании тепловой энергии.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве для утилизации солнечной энергии в зданиях и сооружениях, включающем наружную кровлю, под которой расположены коллектор, теплоизоляция, потолочное перекрытие, стены и аккумулятор тепла внутри здания, при этом потолочное перекрытие снабжено ванной под жидкий теплоноситель, соединенной с коллектором и внутренней полостью здания, а сам коллектор и потолочное перекрытие разделены между собой слоем теплоизоляции, сама ванна является баком-аккумулятором тепла, а ее дно снабжено теплопроводным участком.

Еще одним отличием является то, что ванна по площади потолочного перекрытия выполнена из нескольких частей или нескольких отдельных ванн с общим или раздельным дном.

При этом сама ванна может быть выполнена из жесткого или гибкого материала, а ее дно (или вся ванна) расположено внутри помещения, в верхней его части. Кроме того, между дном ванны и внутренней полостью здания может быть установлен экран с зазором, которым может выступать подвесной декоративный потолок, а в нем выполнено не менее двух сквозных отверстий.

На фиг. 1 изображен вид здания (сбоку), выполненный в соответствии с изобретением; на фиг. 2 - сечение по А-А фиг.1, в случае, когда ванна потолочного перекрытия опирается на стены или балки перекрытия; на фиг. 3 - сечение по А-А фиг.1 в случае, когда ванна подвешена и закрыта экраном.

Как показано на чертежах, здание с предлагаемой системой утилизации солнечной энергии содержит светопрозрачную кровлю 1 (может быть выполнена прозрачной по всей площади, а может иметь только светопрозрачные участки), боковые стены 2 с дверным 3 и оконными проемами 4. Под крышей 1 установлен тепловой коллектор 5, под ним размещена теплоизоляция 6 на опорных элементах или несущем каркасе 7 (например, в виде плиты, балок, сетки, арматуры и т.д. с водонепроницаемым экраном или без него). Под теплоизоляцией 6 установлено потолочное перекрытие, выполненное в виде емкости (ванны 8, открытая или закрытая со стороны теплоизоляции, в которой размещен жидкий теплоноситель 9 для коллектора 5, соединенного с ванной 8 каналами 10 и 11, а циркуляция жидкости 9 в коллектор 5 и обратно в емкость 8 осуществляется как самотеком (за счет перепада высот или конвекции), так и принудительно за счет насоса. Оконные проемы 4 снабжены стеклами 12. Нижний торец 13 дна ванны 8 расположен со стороны внутренней полости 14 здания, выполнен теплопроводным и может быть закрыт экраном 15, например, подвесным потолком с зазором между ними. Ванна 8 может быть выполнена из нескольких отдельных емкостей или разделена на части, в каждой из которых имеется жидкость и которые могут, в зависимости от условий, соединяться с коллектором 5 все одновременно или раздельно. Кровля 1 закрыта от окружающей среды сплошными опорами 16, таким образом, чтобы между коллектором 5 и внутренней поверхностью остекления был зазор 17. Между экраном 15 и дном 13 ванны 8 имеется полость 18, которая соединяется с внутренней полостью 14 здания, например, сквозными отверстиями 19.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Солнечные лучи, проходя через светопрозрачные участки кровли 1, попадают в полость под ней и под действием своей тепловой энергии нагревают стенки коллектора 5. Жидкость, находящаяся в коллекторе 5, нагреваясь в нем, попадает внутрь емкости ванны 8 по каналу 11, а одновременно с этим из ванны 8 по каналу 10 в коллектор 5 подается холодная жидкость на нагрев. При этом осуществляется постоянная циркуляция жидкости 9 между ванной 8 и коллектором 5. Сама ванна 8 расположена в верхней части внутренней полости здания 14 и изолирована от окружающей среды теплоизоляцией 6. Нижний торец 13 ванны 8 выполнен теплопроводным и осуществляет передачу тепла от дна ванны 8 внутрь полости 14 здания и наоборот, в зависимости от условий поддержания необходимой температуры внутри помещения независимо от температуры вне здания. Для улучшения регулирования температуры за счет циркуляции воздуха внутри помещения, устанавливается защитный экран 15 с зазором 18 через отверстия 19. Воздух из полости 14 проходит через отверстие 19, попадает в зазор 18 и, перемещаясь вдоль поверхности дна 13 ванны 8, нагревается или охлаждается в зависимости от температуры жидкости в ванне 8. Нагретый или охлажденный воздух через другие отверстия 19 экрана 15 возвращается обратно в полость 14 здания. При этом циркуляция воздуха может быть естественной или принудительной. Жидкость 9 в ванне 8 является аккумулятором теплоты, которая поступает от коллектора 5, а сама ванна 8 является емкостью для сохранения тепловой энергии и расположена в самом теплом месте здания. При этом ванна 8 может быть выполнена несущей и опираться на стены и балки здания или подвесной. В последнем случае ванна может быть выполнена как из жестких материалов (например из металла), так и из гибких материалов (например, полимерных, резиновых пленок и тому подобных влагонепроницаемых материалов).

Использование изобретения позволит упростить конструкцию потолочного перекрытия здания и снизить себестоимость изготовления зданий с солнечными коллекторами. Кроме того, расположение аккумулятора теплоты в верхней части внутренней полости здания улучшает условия теплопередачи за счет увеличения площади контакта воздуха с нагретым элементом, увеличивает КПД теплообменника за счет уменьшения длины соединительных каналов теплообменника с аккумулятором, снижает охлаждение ванны при хранении тепла за счет ее расположения в области с более высокой температурой окружающей ее среды в самом здании. Расположение аккумулятора под коллектором не требует дополнительного места под него, появляется возможность одной и той же изоляцией утеплить внутреннюю полость здания и коллектор, что снижает расход утеплителя. Выполнение ванны из нескольких раздельных емкостей позволяет одновременно аккумулировать тепло от коллектора в дневное время, снижать потери при хранении тепла и накапливать холод в ночное время (например, в летний период).

Основными преимуществами заявленного объекта являются:
- теплопроводная ванна или ее дно позволяет получить теплообменник с большой площадью передачи энергии, уменьшить или отказаться совсем от традиционных систем отопления зданий, а изменяя условия циркуляции воздуха в области ванны, регулировать необходимую температуру внутри здания; раздельные ванны позволяют одновременно накапливать в них тепло для отопления помещения, подогревать воду для водоснабжения, накапливать холод для вентиляции помещения и осуществлять сбор дождевой воды; использовать как средство пожаротушения внутри здания; наличие мягкой гибкой ванны у потолочного перекрытия позволяет получить менее травмоопасное потолочное перекрытие зданий, что особенно важно в зоне с повышенной сейсмической активностью; снизить материалоемкость потолочного перекрытия, его вес и стоимость; изготавливать перекрытие в заводских условиях, может поставляться и монтироваться без дополнительных отделочных работ (например, в виде рулонного материала).

Выполнение в потолочном перекрытии здания аккумулятора теплоты позволит снизить теплопотери, увеличить КПД теплообменника и упростить конструкцию зданий и сооружений с использованием солнечной энергии.

Источники информации
1. Н. В. Харченко. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1991 г., стр. 80, рис 37.

2. Там же, стр. 82-84.

Изобретение относится к области гелиотехники и может быть использовано при утилизации солнечного тепла в жилых зданиях в любое время года. Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и повышение КПД солнечных коллекторов при утилизации, хранении и использовании солнечной энергии. Система утилизации солнечной энергии содержит светопрозрачную кровлю 1 (может быть выполнена прозрачной по всей площади, а может иметь только светопрозрачные участки), боковые стены 2 с дверным и оконными проемами 4. Под крышей 1 установлен тепловой коллектор 5, под ним размещена теплоизоляция 6 на опорных элементах или несущем каркасе 7 (например, в виде плиты, балок, сетки, арматуры и т.д. с водонепроницаемым экраном или без него). Под теплоизоляцией 6 установлено потолочное перекрытие, выполненное в виде емкости (ванны) 8, открытой или закрытой со стороны теплоизоляции, в которой размещен жидкий теплоноситель 9 для коллектора 5, соединенного с ванной 8 каналами 10 и 11, а циркуляция жидкости 9 в коллектор 5 и обратно в емкость 8 осуществляется как самотеком (за счет перепада высот или конвекции), так и принудительно за счет насоса. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для утилизации солнечной энергии, включающее наружную кровлю, под которой расположены тепловой коллектор, теплоизоляция, потолочное перекрытие и аккумулятор тепла внутри здания, отличающееся тем, что потолочное перекрытие снабжено емкостью, заполненной жидкостью, соединенной с коллектором и внутренней полостью здания, а коллектор и потолочное перекрытие разделены между собой теплоизоляцией. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость потолочного перекрытия совмещена с аккумулятором теплоты, а ее дно или вся емкость расположена внутри помещения. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость потолочного перекрытия выполнена из нескольких частей. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость выполнена нежесткой. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между емкостью и внутренней полостью здания установлен экран со сквозными отверстиями.