УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2001 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к области использования солнечного тепла, а именно к устройствам для утилизации солнечной энергии, и может быть применено при строительстве зданий жилого и производственного назначения.

Известно устройство для утилизации солнечной энергии, состоящее из стен с большой массой и теплоемкостью, например стена Тромба [1].

Известно устройство для утилизации солнечной энергии, состоящее из большого количества емкостей с водой, например дом Бауэра [2].

Однако вышеописанные устройства не обеспечивают длительной аккумуляции тепла, что приводит к низкой эффективности использования солнечной энергии. При этом эффективность работы устройства обусловлена, в основном, их теплоизоляционными свойствами [3].

Известно устройство для отопления, содержащее наружную стеновую строительную панель с трубами циркулирующего теплоносителя. Стеновая строительная панель выполнена многослойной. Трубы циркулирующего теплоносителя размещены на расстоянии 0,2 - 0,25 м от внутренней отапливаемой поверхности этой панели внутри последней. Внешняя поверхность стеновой строительной панели теплоизолирована [4].

Однако это устройство не обеспечивает утилизацию солнечной энергии.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство для утилизации солнечной энергии, содержащее плоский солнечный коллектор, изготовленный из одинаковых элементов с однослойным остеклением, размещенных под углом наклона к горизонту 45^o и соединенный трубами циркулирующего теплоносителя с межсезонным аккумулятором тепла. Устройство также содержит вакуумированный солнечный коллектор, установленный под углом наклона к горизонту 75^o, стеновую строительную панель, обращенную в южную сторону, и тепловой насос с холодным и горячим контурами. Тепловой насос предназначен для поддержания постоянной температуры в системе отопления и установлен после межсезонного аккумулятора тепла. Солнечный коллектор, размещенный под углом 45^o к горизонту, предназначен для использования в теплое время года, а солнечный коллектор, размещенный под углом 75^o к горизонту, предназначен для использования в холодное время года [5].

Основными недостатками описанного устройства для утилизации солнечной энергии является невысокая эффективность использования солнечной энергии, во-первых, вследствие повышенной температуры теплоносителя на участке между солнечным коллектором с однослойным остеклением и межсезонным аккумулятором тепла, что снижает коэффициент использования солнечной энергии, во-вторых, вследствие незначительного потока тепла через нагреваемую стеновую панель ввиду ее теплоизолирующих свойств, что снижает эффективность утилизации солнечной энергии в зимний период, отсутствие возможности поддержания комфортной температуры в помещении, так как не предусмотрено кондиционирование, а именно охлаждение помещений в летний период, когда температура наружного воздуха выше благоприятной температуры для самочувствия. Кроме того, использование устройства для утилизации солнечной энергии, выбранного в качестве прототипа, приводит к высоким капитальным и эксплуатационным затратам вследствие применения вышеназванных солнечных коллекторов, особенно при эксплуатации коллектора в зимний период при внешних температурах ниже чем 0^oC, так как при этом солнечный коллектор необходимо заполнять антифризом.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для утилизации солнечной энергии, содержащем солнечный коллектор, соединенный трубами циркулирующего теплоносителя с межсезонным аккумулятором тепла, стеновую строительную панель, обращенную в южную сторону, и тепловой насос с холодным и горячим контурами, солнечный коллектор, являющийся одновременно кондиционером, выполнен в виде стеновой строительной панели, внешняя поверхность которой снабжена прозрачным теплоизолирующим материалом. При этом трубы циркулирующего теплоносителя размещены на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности стеновой строительной панели внутри последней и соединены с межсезонным аккумулятором тепла через емкость и тепловой насос, холодный контур которого связан с этой емкостью, а горячий контур - с межсезонным аккумулятором тепла.

Техническим результатом является повышение эффективности использования солнечной энергии и обеспечение возможности поддержания комфортной температуры в помещении в любое время года.

Повышение эффективности использования солнечной энергии достигается посредством выполнения солнечного коллектора в виде стеновой строительной панели, внешняя сторона которой защищена прозрачным теплоизолирующим материалом с высокими коэффициентом пропускания (прозрачностью) в видимом диапазоне и коэффициентом теплового сопротивления, при соединении труб циркулирующего теплоносителя, размещенных вблизи внешней поверхности этой панели, с межсезонным аккумулятором тепла, через емкость и тепловой насос, холодный контур которого связан с этой емкостью, а горячий контур - с межсезонным аккумулятором тепла. При этом циркулирующий теплоноситель, получающий тепловую энергию солнечного излучения от стеновой панели с прозрачным теплоизолирующим материалом, отдает эту энергию для накопления межсезонному аккумулятору тепла, и для предотвращения перегрева не допускается переток тепла в помещение, так как постоянная температура циркулирующего теплоносителя в пределах 16 - 20^oC поддерживается тепловым насосом, что повышает коэффициент использования солнечной энергии. Размещение труб циркулирующего теплоносителя вблизи внешней поверхности стеновой строительной панели внутри последней также повышает коэффициент использования солнечной энергии.

Поддержание комфортной температуры в помещении в любое время года достигается вследствие того, что солнечный коллектор одновременно выполняет функцию кондиционера, снимая избыточный поток тепла и снижая температуру в помещении в летний период и максимально утилизируя поток солнечного излучения в зимний период, за счет размещения труб циркулирующего теплоносителя на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности стеновой панели. Это расстояние зависит от теплофизических характеристик материала стеновой панели и соотношения межтрубного расстояния и диаметра труб (см. фиг. 3). Увеличение расстояния выше оптимального приводит к увеличению тепловой изоляции труб, снижению теплового потока и уменьшению коэффициента использования солнечной энергии. Уменьшение расстояния ниже оптимального приводит к неравномерному нагреву внешней поверхности стены, перетоку тепла в помещение и нарушению комфортности.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема солнечного коллектора с распределением температур в зимний период, К; на фиг. 2 - общий вид заявляемого устройства для оптимизации солнечной энергии; на фиг. 3 - график съема солнечной энергии солнечным коллектором за сутки (15 декабря) в зависимости от расположения трубы в солнечном коллекторе, фиг. 4 - распределение температуры по толщине солнечной панели в 14.00 часов 15 декабря (кривая 1) и 15 июля (кривая 2). Кроме того, на фиг. 2 стрелками обозначен поток солнечной радиации к солнечному коллектору, а на графиках 3 и 4 x/L - отношение текущего расстояния x к толщине панели L.

Устройство для утилизации солнечной энергии содержит солнечный коллектор, являющийся одновременно кондиционером, выполненный в виде обращенной в южную сторону стеновой панели 1 из строительного материала, например из бетона или кирпича, внешняя поверхность которой снабжена прозрачным теплоизоляционным материалом 2 с высокими коэффициентом пропускания, т.е. прозрачностью, в видимом диапазоне и коэффициентом теплового сопротивления, в частности, TWD [6] . Внутри панели 1 с одинаковым шагом размещены трубы 3 циркулирующего теплоносителя, например воды, на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности панели 1. Трубы 3 циркулирующего теплоносителя соединены через емкость 4 и тепловой насос 5 с межсезонным аккумулятором тепла 6 большой тепловой емкости. Между солнечным коллектором и емкостью 4, между емкостью 4 и тепловым насосом 5, а также между тепловым насосом 5 и межсезонным аккумулятором тепла 6 установлены циркуляционные насосы 7. Холодный контур теплового насоса 5 связан с емкостью 4 и циркуляционным насосом 7 трубами 3 циркулирующего теплоносителя. Горячий контур теплового насоса 5 связан с межсезонным аккумулятором тепла 6 и циркуляционным насосом 7 трубами 3 циркулирующего теплоносителя. Тепловой насос 5 предназначен для поддержания постоянной температуры циркулирующего теплоносителя, а межсезонный аккумулятор тепла 6 - для накопления утилизируемого тепла и использования его в теплодефицитный период года.

Устройство для утилизации солнечной энергии работает следующим образом. Солнечное излучение поступает на внешнюю поверхность обращенной в южную сторону стеновой строительной панели 1, защищенную прозрачным теплоизолирующим материалом 2, и передает тепловую энергию циркулирующему по трубам 3 теплоносителю, массовая скорость которого определяется из условия полного съема поступающей энергии солнечного излучения. В случае применения в качестве теплоносителя воды рекомендуемая скорость 0,2 - 0,4 кг/с в пересчете на 1 м² стеновой строительной панели. При этом не допускается переток тепла в помещение и тем самым предотвращается перегрев.

Теплоноситель по трубам 3 из солнечного коллектора через циркуляционный насос 7 поступает в емкость 4, постоянная температура в которой в пределах 16 - 20^oC поддерживается тепловым насосом 5. Избыточное тепло посредством теплового насоса отводится из емкости 4 и накапливается в межсезонном аккумуляторе тепла 6. В зимний период времени в случае недостатка солнечной энергии постоянная температура в пределах 16 - 20^oC в емкости 4 поддерживается за счет подпитки теплоносителя из межсезонного аккумулятора тепла 6. Тепловой насос 5 при этом отключается.

В летний период достаточно поддерживать температуру теплоносителя на 1 - 2^oC ниже требуемой комфортной температуры в помещении, например 16 - 17^oC при требуемой температуре 18^oC, а в зимний период температура циркулирующего теплоносителя должна быть равна требуемой комфортной температуре, например 18^oC (смотри фиг. 4).

Пример конкретного выполнения устройства.

Стеновая панель 1, обращенная в южную сторону, выполнена из бетона толщиной 0,2 м, а ее внешняя поверхность снабжена слоем TWD толщиной 0,2 м с термическим сопротивлением - 1,79 м² К/Вт [6]. Внутри стеновой панели 1 на расстоянии 0,05 м от ее внешней поверхности были проложены полиэтиленовые трубы 3 циркулирующего теплоносителя, в качестве которого использовалась вода. Внутренний диаметр трубы 3 составляет 0,02 м, а межтрубное расстояние - 0,2 м. Скорость прокачиваемой воды - 0,2 м/с. Температура теплоносителя в зимний период - 18^oC, в летний - 16^oC. Поддержание постоянной температуры теплоносителя осуществляется тепловым насосом типа АТНУ-10 или АТНУ-15. Утилизируемая системой энергия накапливалась в межсезонном аккумуляторе тепла 6 объемом 450 м³ при температуре 50-60^oC. Прокачка воды в устройстве производилась в светлое время суток (фиг. 1, 2).

В декабре при условии 25% времени безоблачного неба от общего светового времени температура внутренней поверхности стеновой панели 1 поддерживалась в пределах 17 - 19^oC, в то же время энергии солнечного излучения достаточно для компенсации тепловых потерь через панель 1, что подтверждено численными расчетами (см. фиг. 3). В этот период, 15 декабря в 14 часов, когда поток солнечной радиации и температура внешней поверхности стеновой панели 1 достигли максимальных значений, распределение температур в предлагаемом устройстве было следующим: наружная температура воздуха (указана слева на фиг. 1) - 250 К, температура внешней поверхности стеновой панели 1 - 313 К, температура в помещении - 291 К (указана справа на фиг. 1). Поскольку при этом баланс поступления энергии нулевой, то температура теплоносителя была постоянной, и тепловой насос 5 был отключен. В весенний и летний периоды с марта по сентябрь температура в помещении поддерживалась на том же уровне, а теплосъем за счет утилизации солнечной энергии доходил до 10 МДж/м² в сутки.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность использования солнечной энергии, обеспечить возможность поддержания комфортной температуры в помещении в любое время года, а также снизить капитальные и эксплуатационные затраты вследствие выполнения солнечного коллектора в виде обращенной в южную сторону стеновой строительной панели, внешняя поверхность которой снабжена прозрачным теплоизолирующим материалом, при размещении труб циркулирующего теплоносителя на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности стеновой панели внутри последней, по сравнению с соответствующими затратами при использовании солнечных коллекторов, содержащихся в устройстве - прототипе.

Источники информации
1. Андерсон Б. Солнечная энергия. (Основы строительного проектирования). - М., 1982, с. 88-90.

2. Андерсон Б. Солнечная энергия. (Основы строительного проектирования). - М., 1982, с. 104-106.

3. Newton M. N., Warren B.F. "Passive solars" house performance: Derivation from simulation results. // Build. Serv. Eng. And Technol., 1995, 16, N 2, pp. 91-96.

4. Сандер А.А., Каня Я.Н., Никифоров В.А. Определение шага трубопроводов в многослойной отопительной панели. // Теплозащита крупнопанельных жилых зданий в Сибири. / Сборник научных трудов N 20, Новосибирск, 1979, с. 64-71.

5. Федянин В.Я., Утемесов М.А., Чертищев В.В. Расчет баланса тепла энергоавтономного дома. Теплоэнергетика, 1999, N 2, с. 16-20). (выявлен прототип).

6. Marko A., Braun P. Thermishe solarenerggienutzung an gebauden. Berlin, 1997, p. 47.

Использование: утилизация солнечной энергии при строительстве зданий жилого и производственного назначения. Солнечный коллектор, одновременно являющийся кондиционером, выполнен в виде обращенной в южную сторону стеновой строительной панели, внешняя поверхность которой снабжена прозрачным теплоизолирующим материалом с высоким коэффициентом пропускания в видимом диапазоне и высоким коэффициентом теплового сопротивления. Солнечный коллектор соединен трубами циркулирующего теплоносителя через емкость и тепловой насос с межсезонным аккумулятором тепла. Холодный контур теплового насоса связан с емкостью, а горячий контур - с межсезонным аккумулятором тепла. Трубы циркулирующего теплоносителя размещены на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности стеновой панели внутри последней. Солнечное излучение поступает на внешнюю поверхность стеновой строительной панели, защищенную прозрачным теплоизолирующим материалом, и передает тепловую энергию циркулирующему по трубам теплоносителю, например воде. Технический результат: повышение эффективности использования солнечной энергии и обеспечение возможности поддержания комфортной температуры в помещении в любое время года. 4 ил.

Устройство для утилизации солнечной энергии, содержащее солнечный коллектор, соединенный трубами циркулирующего теплоносителя с межсезонным аккумулятором тепла, стеновую строительную панель, обращенную в южную сторону, и тепловой насос с холодным и горячим контурами, отличающийся тем, что солнечный коллектор, являющийся одновременно кондиционером, выполнен в виде стеновой строительной панели, внешняя поверхность которой снабжена прозрачным теплоизолирующим материалом, при этом трубы циркулирующего теплоносителя размещены на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности стеновой строительной панели внутри последней и соединены с межсезонным аккумулятором тепла через емкость и тепловой насос, холодный контур которого связан с этой емкостью, а горячий контур - с межсезонным аккумулятором тепла.