АККУМУЛИРУЮЩИЙ ТЕПЛО ИЛИ ХОЛОД СТРОИТЕЛЬНЫЙ БЛОК И СТЕНА ИЗ ЭТИХ БЛОКОВ Российский патент 2007 года по МПК E04C1/40 

Изобретение относится к строительству, в частности к многослойным строительным блокам и строительным наборным камням, используемым при возведении стен зданий и сооружений с возможностью стабилизации температуры внутри помещения.

Известна (аналог) конструкция стены и блока, аккумулирующие тепло. В аккумулирующем тепло блоке корпус снабжен выполненным заодно приемным отверстием, которое может свободно выпускать контактную жидкость во внутреннюю полость сосуда блока. Через выпускное отверстие жидкость может свободно вытекать из полости наружу в сосуд. В последнем установлен аккумулирующий тепло элемент для накопления тепла и излучения его путем теплообмена с жидкостью (патент JR 3174501 В2, 09268665А). Недостатком этого аналога является необходимость использования контактной жидкости, циркулирующей в конструкции стены и блока.

Известна (аналог) вакуумная панель, предназначенная для тепловой изоляции тела, имеющего неплоские поверхности, по патенту RU 2003102636, F16L 59/06 от 2004.10.20. Известная вакуумная панель выполнена с двумя основными поверхностями и содержит гибкую оболочку, изготовленную из одного или более барьерных листов, и наполнитель, образованный, по меньшей мере, из двух плит из открытопористого вспененного полимера, уложенных одна на другую, при этом каждая плита имеет толщину, составляющую от приблизительно 2 до 8 мм. Известная вакуумная панель по патенту RU 2003102636 содержит газопоглотитель или устройство для поглощения газа, а также содержит, по меньшей мере, одно вещество, химически сорбирующее влагу. Недостатком указанного аналога по патенту RU 2003102636 является то, что перечисленные поглотители газа и конструктивные особенности вакуумной панели не обеспечивают возможность динамического регулирования теплозащитных свойств панели.

Известно техническое решение, см. патент №2208102 "Бетонный строительный блок", кл. E04C 1/40, от 2001.12.17 (ближайший аналог-прототип устройства блока), в котором описан бетонный строительный блок, включающий лицевой слой, бетонные строительные слои и расположенный между ними теплоизоляционный слой, при этом лицевой слой выполнен из смеси цемента, керамзита, песка и воды.

Недостатком прототипа-устройства блока по патенту RU №2208102 является то, что лицевой слой, имеющий способность аккумулировать тепло или холод, в зависимости от температуры окружающего воздуха, не может сепаратно излучать или поглощать тепловую энергию внутрь помещения.

Задачей настоящего изобретения является создание аккумулирующего тепло или холод строительного блока, используемого в ограждающих конструкциях стен зданий, имеющего возможность накопления тепла или холода из окружающего воздуха, а также имеющего возможность излучения тепла или холода как наружу, так и внутрь помещения.

Технический эффект в предложенном изобретении достигается за счет того, что в строительном блоке, имеющем возможность аккумулирования тепла или холода, выполненном многослойным на основе преимущественно жестких цементных растворов, содержащем, по меньшей мере, два наружных и один срединный слой и один лицевой слой, блок снабжен вторым лицевым слоем, а два наружных слоя выполнены из пористого бетона как теплоизоляционные и между ними, по меньшей мере, один внутренний слой из мелкозернистого бетона с высокой теплоемкостью и теплопроводностью, а лицевые слои располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения наружных и срединного слоев с противоположных торцов блока, лицевые слои выполнены полыми в виде герметизированной панели, например, из двухслойного акрилового листа, каждая полость герметизированной панели дополнительно защищена слоем мелкозернистого бетона в межслойном пространстве акрилового листа по периметру лицевой панели, пропитанного герметизирующей пропиткой, например силором, каждая из герметизированных панелей имеет по два штуцера с вентилями, имеющими возможность подключения к трубопроводам. Строительный блок на наружной поверхности лицевых слоев имеет датчики температуры, связанные с вентилями, которые управляются датчиками температуры, имеющими возможность регулировки на запирание и\или открытие при заданной температуре.

Герметизированные панели могут быть изготовлены из технического органического стекла ГОСТ 17622-72 (акриловое, "сотовое", экструзионное, литьевое оргстекло), модифицированные листы на основе ПММА (полиметилметакрилат), с повышенной ударной прочностью (до 100 кДж/кв.м). Прозрачный "антивандальный" материал, стойкий к огню (В1 по DIN 4102). Используется для архитектурного остекления при повышенных требованиях пожарной безопасности. Марка акриловых материалов - Akrylon (Акрилон) производится на Поважских химических заводах (Словакия). Его стоимость в России ниже, чем у остальных импортных аналогов. Существенным преимуществом Акрилона является его высокая стойкость ко внешним атмосферным воздействиям: низкое водопоглощение, морозоустойчивость до минус 40-45°С, стойкость к ультрафиолетовому излучению. Фирма-изготовитель гарантирует 10-летний срок использования листов Акрилон без изменения их оптических, физико-механических и эксплуатационных характеристик.

В качестве герметика может быть использована пропитка для бетона "СИЛОР", которая разработана под руководством профессора Р.А. Веселовского. Покрытие представляет собой однокомпонентную жидкость, по вязкости и внешнему виду напоминающую керосин. При нанесении на поверхность бетона пропитка проникает в его поры и химически взаимодействует с материалами, находящимися на поверхности пор. Такое взаимодействие приводит к образованию нового композитного материала, прочного, герметичного, химически стойкого. Время отверждения пропитки в порах бетона составляет 6-10 часов. Для защиты бетона от биологической коррозии ей приданы бактерицидные и фунгицидные свойства. Отвержденная пропитка для бетона не горит и не токсична.

Управление вентилями может осуществляться при помощи известной системы энергосберегающего управления тепловым режимом помещений, которая осуществляет замер температуры воздуха в помещении, сравнивает ее с установочной температурой для данного помещения и по наличию разницы между температурами воздуха в помещении и установочной температурой осуществляют изменение параметров работы расположенных в помещении агрегатов формирования микроклимата до исключения разницы между установочной температурой и температурой воздуха в помещении, а при отсутствии разницы между установочной температурой и температурой воздуха в помещении осуществляют отключение агрегатов формирования микроклимата с последующим их включением при появлении указанной разницы (US, пат. №4700887, F24F 7/00, опубл. 20.10.1987). Управление вентилями может осуществляться при помощи также известной энергосберегающей системы терморегулирования, содержащей в качестве одной из составных частей блок синтеза оптимального управления (RU, патент №2128357, G05В 13/00, опубл. 27.03.1999).

Недостатком указанных систем является то, что они не учитывают возможность использования аккумулированной тепловой энергии в форме тепла (или холода), накапливаемой из окружающей среды в материале ограждающей помещение стены, а также различие в стоимости энергии для различных исполнительных систем поддержания температуры.

Эксплуатация современных зданий и сооружений характеризуется одновременным использованием широкого спектра различных автономных систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Как правило, каждая из установленных систем имеет свою систему управления. Например, в помещении установлены радиаторы водяного отопления, приточно-вытяжная вентиляция и сплит-система кондиционирования. Радиаторы управляются механическим терморегулятором, имеющим свою заданную температуру и гистерезис. Система вентиляции имеет постоянную производительность и может быть либо включена, либо выключена. Сплит-система кондиционирования имеет свой терморегулятор со своей заданной температурой и гистерезисом. Механический терморегулятор, терморегулятор кондиционера и устройство управления вентиляцией не имеют связи, и управление этими системами осуществляется независимо друг от друга. Так как заданная температура механического терморегулятора и заданная температура терморегулятора кондиционера независимы, то в случае превышения заданной температуры механического терморегулятора над заданной температурой терморегулятора кондиционера отопление и кондиционирование будут работать друг против друга. При этом менее мощное устройство будет работать постоянно, а более мощное либо постоянно, либо прерывисто. Подобное терморегулирование крайне неэффективно, так как необходимые затраты энергии складываются из энергии, необходимой для обогрева или охлаждения помещения, и энергии, необходимой для противодействия систем отопления и кондиционирования.

Описанная выше ситуация характерна также для многих других сочетаний систем отопления, вентиляции и кондиционирования, таких как теплые полы, воздушное отопление, прямое электрическое отопление, фэнкойлы, кондиционеры с тепловыми насосами и т.д. Причина - неэффективное управление при совместной работе этих систем.

Кроме того, различные системы, отапливающие или охлаждающие помещение, имеют различную производительность и удельную стоимость тепловой энергии, зависящие от внешних факторов. Так, например, при определенных соотношениях между температурой в помещении и температурой наружного воздуха вентиляция оказывается энергетически более выгодной, чем кондиционирование.

Таким образом, с целью экономии затрат на энергопотребление в рамках концепции интеллектуального здания возникает необходимость интегрированного подхода к обеспечению температурного режима в помещении.

Изобретение стены из аккумулирующих тепло и/или холод блоков направлено на решение технической задачи по обеспечению заданной температуры воздуха в помещении при минимальных затратах на потребляемую энергию.

Достигаемый при этом технический результат заключается в экономии общего энергопотребления и, как следствие, снижении нагрузки на окружающую среду; экономии совокупных затрат на отопление, вентиляцию и кондиционирование помещений за счет снижения энергопотребления путем аккумулирования тепла и холода из окружающей среды.

Указанный технический результат достигается тем, что стена из строительных блоков, содержащая строительные блоки и трубопроводы для возможности подключения к магистралям подачи и/или отведения воздуха и/или жидкого теплоносителя, для периодического заполнения и освобождения герметичных полостей лицевых слоев стены жидкостью или воздухом и создания вакуума для ступенчатого изменения сопротивления теплопередаче, - конструкция стены снабжена дополнительной системой трубопроводов из двух разветвленных магистралей - напорной и сливной, имеющих возможность подключения к емкости с теплопроводной незамерзающей жидкостью, причем каждая из двух разветвленных магистралей снабжена запорными вентилями, датчиками температуры, регулярно расположенными с обеих сторон стены, вакуумным насосом, имеющим возможность работы в режиме компрессора, а также снабжена системой управления вентилями магистралей и вакуумным насос/компрессором.

На фиг.1 изображен строительный блок, аккумулирующий тепло или холод, с основными конструктивными элементами, на фиг.2 - сечение блока в продольной плоскости, из которого видна схема соединения взаимодействующих частей строительного блока.

Панель строительного блока 1 на своей поверхности, выходящей внутрь помещения, имеет четыре штуцера 2, 4, 3 и 5 с вентилями, из которых два штуцера с вентилями 2 и 3 предназначены для управления теплопроводностью герметизированной оболочки 9, расположенной на торце слоя 6 мелкозернистого бетона с наружной стороны блока (т.е. со стороны улицы), а другие два штуцера с вентилями 4 и 5 предназначены для управления теплопроводностью герметизированной оболочки 8, расположенных на торце слоя 6 мелкозернистого бетона с внутренней стороны блока (т.е. со стороны помещения). На наружной и внутренней поверхности блока могут располагаться датчики температуры 10 для возможности автоматического управления вентилями.

На фиг.3 изображен сдвоенный строительный блок, который может аккумулировать и тепло и холод, с основными конструктивными элементами, на фиг.4 - сечение сдвоенного блока в продольной плоскости, из которого видна схема соединения взаимодействующих частей блока. Обозначения те же, что и на фиг.1 и 2, а именно:

1 - поверхность строительного блока;

2, 3 - штуцер с вентилем и трубкой к полости 9 внутри внешнего лицевого слоя 11;

4, 5 - штуцер с вентилем к полости 8 внутри внутреннего лицевого слоя 11;

6 - внутренний слой из мелкозернистого бетона с высокой теплоемкостью и теплопроводностью;

7 - два наружных слоя выполнены из пористого бетона как теплоизоляционные;

8, 9 - лицевые слои, выполненные полыми в виде герметизированной панели из двухслойного акрилового листа;

10 - датчики температуры, связанные с вентилями 2, 3, 4, 5;

11 - лицевые слои располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения наружных и срединного слоев с противоположных торцов блока, имеют кромки, выступающие над поверхностью строительного блока 1;

12, 13 - лицевые слои, выполненные полыми в виде герметизированной панели, например, из двухслойного листа, например из полиакрилата, с внутренними ребрами жесткости, каждая полость герметизированной панели образована слоем бетона в межслойном пространстве полистирольного листа по периметру лицевой панели;

14 - магистраль отведения теплоносителя в специальную емкость (на схемах емкость не показана);

15 - магистраль подведения сжатого воздуха от компрессора (компрессор\вакуумный насос на схемах не показан);

16 - магистраль откачивания вакуума от вакуумного насоса (вакуумный насос\компрессор на схемах не показан);

17 - магистраль подведения теплоносителя из специальной емкости (на схемах емкость не показана);

18, 19, 20, 21 - вентили управления магистральными трубопроводами для подсоединения блоков к системе подведения и отведения теплоносителя (14) и (17), к системе откачивания вакуума от вакуумного насоса (15) и накачивания сжатого воздуха от компрессора (16).

На фиг.5 представлен пример реализации стены помещения, изготовленной из строительных блоков, аккумулирующий тепло или холод, которая состоит из следующих частей:

С - стена, сложенная из блоков, аккумулирующих тепло или холод; А - строительные блоки, аккумулировавшие холод, Б - строительные блоки, аккумулировавшие тепло, строительные блоки А и Б уложены в стену на растворе (раствор условно не показан); В - магистральные трубопроводы для подсоединения блоков к системе подведения и отведения теплоносителя (14) и (17), к системе откачивания вакуума от вакуумного насоса (15) и накачивания сжатого воздуха от компрессора (16).

Работает строительный блок следующим образом.

Режим накопления тепла и передачи его в помещение. При наружной температуре, превышающей установленную температуру на внутренней стороне блока, вентиль 3 открывается, незамерзающая жидкость поступает (всасывается) по трубке 3 под действием созданного вакуума в полость 9 и орошает пористую сердцевину внутренней полости наружного лицевого слоя. Теплопроводность лицевого слоя повышается из-за заполнения пористой сердцевины 9 влагой, и внутренний теплоемкий слой 6 нагревается и накапливает тепло. При наружной температуре, ниже температуры слоя 6, штуцеры 2 и 3 переключаются на прокачку полости 9 воздухом компрессора, затем штуцер 2 закрывается и вакуумный насос откачивает воздух из полости 9, при этом сопротивление теплопередаче у лицевого слоя возрастает. При внутренней температуре в помещении, ниже установленной, вентиль 5 открывается и жидкость поступает (всасывается) по штуцеру 5 под действием созданного вакуума в полость 8 и орошает пористую сердцевину полости внутреннего лицевого слоя. Теплопроводность лицевого слоя повышается из-за заполнения пористой сердцевины 8 влагой, при этом внутренний теплоемкий слой 6 отдает накопленное тепло в помещение.

Режим сбережения тепла внутренним теплоемким слоем 6. В случае, когда температура на наружной стороне блока не превышает установленную температуру на внутренней стороне блока, например из-за отсутствия солнечной погоды, а внутренняя температура в помещении не опустилась ниже установленной, то в этом случае обе полости 8 и 9 внутреннего и наружного лицевых слоев находятся под вакуумом, создаваемым вакуумным насосом. При этом сопротивление теплопередаче у обоих лицевых слоев возрастает и накопленное тепло во внутреннем теплоемком слое 6 сохраняется.

Режим накопления холода и передачи его в помещение. При наружной температуре, ниже установленной температуры на внутренней стороне блока, вентиль 3 открывается, незамерзающая жидкость поступает (всасывается) по трубке 3 под действием созданного вакуума в полость 9 и орошает пористую сердцевину внутренней полости наружного лицевого слоя. Теплопроводность лицевого слоя повышается из-за заполнения пористой сердцевины 9 влагой, и внутренний теплоемкий слой 6 остывает и накапливает холод. При наружной температуре, выше температуры слоя 6, штуцеры 2 и 3 переключаются на прокачку полости 9 воздухом компрессора, затем штуцер 2 закрывается и вакуумный насос откачивает воздух из полости 9, при этом сопротивление теплопередаче у лицевого слоя возрастает. При внутренней температуре в помещении, выше установленной, вентиль 5 открывается и жидкость поступает (всасывается) по штуцеру 5 под действием созданного вакуума в полость 8 и орошает пористую сердцевину полости внутреннего лицевого слоя. Теплопроводность лицевого слоя повышается из-за заполнения пористой сердцевины 8 влагой, при этом внутренний теплоемкий слой 6 отдает накопленный холод в помещение, то есть нагревается из-за того, что температура в помещении выше, чем температура внутреннего теплоемкого слоя 6.

Режим сбережения холода внутренним теплоемким слоем 6. В случае, когда температура на наружной стороне блока не ниже установленной температуры на внутренней стороне блока, например, из-за отсутствия ночных и утренних заморозков, а внутренняя температура в помещении не поднялась выше установленной, то в этом случае обе полости 8 и 9 внутреннего и наружного лицевых слоев находятся под вакуумом, созданным вакуумным насосом. При этом сопротивление теплопередаче у обоих лицевых слоев возрастает, и накопленный холод во внутреннем теплоемком слое 6 сохраняется.

В рамках настоящего изобретения рассматривается конструкция наружной стены для управления тепловым режимом объекта, представляющего собой помещение. Стена может содержать блоки аккумулирования тепла и/или холода, поэтому оснащена блоками терморегулирования - блоками аккумулирования тепла и блоками аккумулирования холода в количествах, динамически изменяемых в зависимости от динамики температурных режимов как на внешней, так и на внутренней поверхностях лицевых слоев.

Реализация предлагаемой конструкции блока и стены из таких блоков осуществляется с использованием как минимум одного строительного блока предлагаемой конструкции, одного логического программируемого контроллера с устройством ввода информации о регулируемом объекте, исполнительных системах и величине установочной температуры и, как минимум, одного датчика температуры. При этом возможно дистанционное автоматическое управление, а также мониторинг оборудования и состояния систем.

Эффективность предлагаемой стены для терморегулирования была подтверждена экспериментально на модели. Работа стены из аккумулирующих тепло и/или холод блоков сравнивалась с обычной стеной в помещении, оборудованном комплексом индивидуальных систем отопления, вентиляции и кондиционирования при различных климатических условиях в летний, переходный и отопительный периоды. Эффективность предлагаемой аккумулирующей тепло и/или холод стены в зависимости от сезона составляла от 4 до 60% по сравнению с комплексом систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Среднегодовая эффективность энергосбережения предлагаемой термоаккумулирующей стены составила 15-25%.

Изобретение относится к строительству, в частности к многослойным строительным блокам и строительным наборным камням, используемым при возведении стен зданий и сооружений с возможностью стабилизации температуры внутри помещения. Строительный блок, имеющий возможность аккумулирования тепла или холода, выполнен многослойным на основе преимущественно жестких цементных растворов и содержит два наружных и один срединный слой и один лицевой слой. Блок снабжен вторым лицевым слоем. Два наружных слоя выполнены из пористого бетона как теплоизоляционные и между ними один внутренний слой из мелкозернистого бетона с высокой теплоемкостью и теплопроводностью. Лицевые слои располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения наружных и срединного слоев с противоположных торцов блока. Лицевые слои выполнены полыми в виде герметизированной панели из двухслойного листа с внутренними ребрами жесткости. Каждая полость герметизированной панели ограничена слоем бетона в межслойном пространстве двухслойного листа по периметру лицевой панели, каждая из герметизированных панелей имеет по два штуцера с вентилями, имеющими возможность подключения к трубопроводам. Охарактеризовано устройство для осуществления подачи жидкости. Технический результат: создание строительного блока, аккумулирующего тепло или холод, используемого в ограждающих конструкциях стен зданий, имеющего возможность накопления тепла или холода из окружающего воздуха, а также имеющего возможность излучения тепла или холода как наружу, так и внутрь помещения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Строительный блок, имеющий возможность аккумулирования тепла или холода, выполненный многослойным на основе преимущественно жестких цементных растворов, содержащий, по меньшей мере, два наружных и один срединный слой и один лицевой слой, отличающийся тем, что блок снабжен вторым лицевым слоем, два наружных слоя выполнены из пористого бетона как теплоизоляционные, а между ними, по меньшей мере, один внутренний слой из мелкозернистого бетона с высокой теплоемкостью и теплопроводностью, а лицевые слои располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости расположения наружных и срединного слоев с противоположных торцов блока, лицевые слои выполнены полыми в виде герметизированной панели, например, из двухслойного листа с внутренними ребрами жесткости, каждая полость герметизированной панели ограничена слоем бетона в межслойном пространстве двухслойного листа по периметру лицевой панели, каждая из герметизированных панелей имеет по два штуцера с вентилями, имеющими возможность подключения к трубопроводам.2. Строительный блок по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности лицевых слоев блока установлены датчики температуры, которые связаны с вентилями для возможности управления датчиками температуры, имеющими возможность регулировки на запирание и/или открытие при заданной температуре.3. Стена из блоков, имеющих возможность аккумулирования тепла или холода по п.1, содержащая трубопроводы для возможности подключения к магистралям жидкого теплоносителя, отличающаяся тем, что конструкция стены снабжена дополнительной системой трубопроводов из двух разветвленных магистралей - напорной и сливной, имеющих возможность подключения к емкости с теплопроводной незамерзающей жидкостью, причем каждая из двух разветвленных магистралей снабжена запорными вентилями, вакуумным насосом, имеющим возможность работы в режиме компрессора, а также системой управления вентилями блоков и магистралей и вакуумным насосом/компрессором.4. Стена из блоков по п.1, отличающаяся тем, что снабжена со стороны расположения трубопроводов вентилируемым фасадом в виде декоративных панелей, закрепленных на расстоянии от стены, соответствующем толщине магистралей теплоносителя с учетом размещения вентилей.