СИСТЕМА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОНОМНОГО ЗДАНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F24D15/02 

Предложенное техническое решение относится к системам энергообеспечения зданий по типу периферийно замкнутого строения с внутренним двором, перекрытым куполом.

Известно техническое решение энергосистемы зданий, где теплоснабжение осуществляется посредством теплоты конденсации паросиловой установки, накапливаемой в низкотемпературном теплоаккумуляторе, а электроснабжение здания осуществляется электрогенератором, приводимым паросиловой установкой, где парогенерирование выполняется за счет подвода тепла от высокотемпературного теплоаккумулятора, зарядка теплом которого идет посредством теновых электронагревателей от альтернативных источников, например ветроустановок и солнечных фотоэлементов, а также за счет сжигания в парогенераторе традиционного топлива, используемого преимущественно как резервный источник энергии.

Поскольку наименьший теплообмен между окружающей средой и зданием при одновременном обеспечении благоприятной среды обитания достигается при выполнении здания в виде периферийно замкнутого сооружения с преимущественно с прозрачным куполом, перекрывающим внутренний двор, то внутренние источники тепловой энергии, имеющиеся в здании (например, биологический реактор переработки сточных вод, блок переработки бытовых отходов, работающее оборудование, системы вентиляции и кондиционирования, бытовые кухни, системы освещения, проживающие люди и животные и пр.), могут наиболее полно использоваться вторично за счет технологий реэнергетики, и в этой связи разработка оптимизированной энергоэффективной и экологически чистой энергосистемы такого дома, минимизирующего потребление энергии из внешних, например, тепловых и электрических систем является актуальной задачей.

Пример возможного энергоэффективного решения здания рассматриваемого типа совместно с системой его энергообеспечения, выполненной по патентам РФ №2215244, 2233387, описан в [1] - прототип.

Цель данного предложения - дополнительное повышение эффективности системы энергообеспечения преимущественно малоэтажных замкнутых зданий с перекрытым куполом внутренним двором при одновременном получении возможности относительного увеличения поступающей внутрь дома световой (солнечной) энергии через купол и ее преобразования в электроэнергию, экологичности энергосистемы и внутренней среды обитания самого здания при минимизации затрат на его инженерное обеспечение и энергоснабжение в широком диапазоне изменения температурных и других параметров окружающей внешней среды. Другой целью является получение возможности компоновки энергосистемы в виде компактного многофункционального блока, расширяющего возможности использования как альтернативных внешних источников энергии, так и внутренних источников энергии при высокой эффективности системы преобразования различных видов энергии в необходимую для системы жизнеобеспечения здания данного типа.

Поставленная задача в известной системе энергообеспечения автономного здания с внутренним перекрытым куполом двором, снабженной высоко- и низкотемпературным теплоаккумуляторами, энергетически сообщенными с располагаемыми как вне, так и внутри здания источниками альтернативной энергии, а также с потребителями как тепловой, так и электрической энергии, вырабатываемой электрогенератором, приводимым регулируемой паросиловой установкой с парогенератором, по теплу сообщенным по меньшей мере с высокотемпературным теплоаккумулятором, паровой машиной и конденсатором, решается тем, что:

- по центру двора здания установлена кинематически связанная с куполом (2) и выходящая наружу купола многоканальная трубная опора (13) с каналами 14 выхода воздуха из подкупольного пространства и каналами забора (15) воздуха из атмосферы, сообщенными по теплу теплообменными устройствами (16, 17) (например, теплообменниками, тепловыми трубами, тепловыми насосами) между собой и низкотемпературным теплоаккумулятором (5), снабженным дополнительной секцией пониженной температуры (5*), причем конденсатор (12) паросиловой установки по теплу сообщен, например, в ней расположен, с этой дополнительной секцией 5*, например, имеющей отрицательную по Цельсию температуру, которая по теплу основным тепловым насосом (18), приводимым преимущественно посредством паросиловой установки 11, сообщена с первичной секцией (5) низкотемпературного теплоаккумулятора;

- секции 5, 5* низкотемпературного теплоаккумулятора по теплу сообщены между собой посредством дополнительной паросиловой установки (19) с низкокипящим рабочим телом, выполненной с возможностью автономной работы или/и кинематически связанной с основной паросиловой установкой 11;

- подкупольное пространство здания 1 и обтекающая купол 2 воздушная среда, преимущественно в зоне выхода трубной опоры наружу, по каналам (14*, 20) трубной опоры 13 по теплу сообщены с дополнительной секцией низкотемпературного теплоаккумулятора 5*, посредством тепловых труб (летом) или тепловых насосов (зимой);

- верхняя часть трубной опоры (13), выходящая наружу купола, снабжена осесимметричной трубе жесткой площадкой (21) с расположенной на ней электрогенераторной ветроустановкой (6), выходной воздушный канал (22) которой, взаимодействующий с приводящим электрогенератор (23) рабочим органом (24) ветроустановки, выполнен с возможностью закрутки проходящего через него потока воздуха и сообщен с выходными вентиляционными каналами трубной опоры, каналами отвода отработанных горячих газов (25) и пара паросиловой установки (11), каналом (26) отвода тепла от теплоаккумуляторов, причем по меньшей мере часть указанных каналов выполнена с возможностью регулирования их проходных сечений для управления тепловыми потоками в энергосистеме, например, посредством дроссельных задвижек. При этом проточная часть ветроустановки содержит теплообменники (27, 28) подвода теплоты протекающего через них воздуха к низкотемпературному теплоаккумулятору (5,5*) посредством теплового насоса (29) или/и тепловой трубы (30);

- по меньшей мере один подводящий и один отводящий вертикальные каналы-воздуховоды сообщены по теплу посредством регенерационного теплообменника 16;

- низкотемпературный аккумулятор (5, 5*), паросиловая установка (11) и вентиляционные каналы трубной опоры (13) по теплу, получаемому углеводородному топливу и газовой среде подключены к по меньшей мере одному снабженному аккумулятором углеводородного топлива (31) пиролизному реактору (32) переработки сточных вод и бытовых отходов, генерируемых в процессе жизнедеятельности внутри здания, причем аккумулятор подключен к горелкам (33) разогрева как самого реактора (32), так и парогенератора паросиловой установки (11);

- альтернативные источники энергии, внутренний двор, помещения здания, паросиловые установки, электрогенераторы, а также первичная и вторичная секции низкотемпературного теплоаккумулятора по теплу, воздуху и электроэнергии объединены в единую систему энергообеспечения и поддержания микроклимата автономного здания через посредство центрально расположенной во дворе здания трубной опоры (13) с выполненными внутри нее воздушными и теплообменными каналами;

- трубная опора выполнена с возможностью доступа во внутреннее ее пространство на уровни расположения оборудования и каналов передачи энергии и в своей нижней части снабжена каналами связи с системой тепловых аккумуляторов.

На чертеже показан пример технической реализации, принципиально раскрывающей основную сущность данного предложения.

Система энергообеспечения автономного здания 1 с внутренним перекрытым куполом 2 двором 3 снабжена высоко- и низкотемпературным теплоаккумуляторами 4, 5 соответственно, энергетически сообщенными с располагаемыми как вне, так и внутри здания источниками альтернативной энергии (например, ВУ 6, солнечными располагаемыми на поверхности стены здания 1 и/или на куполе 2 фотоэлементами 7, солнечными коллекторами, изотопными теплоисточниками, низкотемпературными источниками (воздух, земля, вода и т.п.), а также с потребителями как тепловой, так и электрической энергии автономного здания, вырабатываемой электрогенератором 8, приводимым регулируемой паросиловой установкой 9 с парогенератором 10, по теплу сообщенным по меньшей мере с высокотемпературным 4 теплоаккумулятором, паровой машиной 11 и конденсатором 12.

По центру двора 3 здания 2 установлена многоканальная трубная опора 13, кинематически жестко или посредством шарнирных или упругих связей связанная с куполом 2. Трубная опора 13 своей верхней частью выходит наружу купола и снабжена каналами 14 выхода воздуха из подкупольного пространства и каналами забора 15 воздуха из атмосферы, сообщенными по теплу теплообменными устройствами 16,17 (например, теплообменниками, тепловыми трубами, тепловыми насосами) между собой и низкотемпературным теплоаккумулятором 5, снабженным дополнительной секцией пониженной температуры 5*. Конденсатор 12 паросиловой установки 9 по теплу сообщен (например, в ней расположен) с этой дополнительной секцией 5*. Секция 5* имеет существенно пониженную относительно первичной секции 5 температуру, например, отрицательную по Цельсию, и по теплу основным тепловым насосом 18, приводимым преимущественно посредством паросиловой установки 11, сообщена с первичной секцией 5 низкотемпературного теплоаккумулятора (5, 5*). Тепловой насос 18 с небольшими затратами механической энергии передает из секции 5* тепло, нагревая секцию 5 и захолаживая секцию 5*, что позволяет легко, практически без затрат дополнительной механической энергии (например, посредством тепловых труб и/или малозатратных по энергии вентиляторов 30) осуществлять поступление в секцию 5* тепловой энергии как из внешней среды, так и подкупольного пространства здания, куда выходят вентиляционные каналы помещений здания 1. Таким образом, подкупольное пространство здания 1 и обтекающая купол 2 воздушная среда, преимущественно в зоне выхода трубной опоры наружу, по каналам 14*, 20 трубной опоры 13 по теплу сообщены с дополнительной секцией низкотемпературного теплоаккумулятора 5*, например, посредством тепловых труб летом или/и тепловых насосов зимой 30.

Секции 5, 5* низкотемпературного теплоаккумулятора по теплу также могут быть сообщены между собой и посредством дополнительной паросиловой установки 19 с низкокипящим рабочим телом, выполненной с возможностью автономной работы или/и кинематически связанной с основной паросиловой установкой 11, что позволяет осуществить вырабатывание дополнительной механической и электрической энергии, необходимой для системы жизнеобеспечения здания.

Верхняя часть трубной опоры 13, выходящая наружу купола 2, снабжена осесимметричной трубе жесткой площадкой 21 с расположенной на ней электрогенераторной ветроустановкой 6, выходной воздушный канал 22 которой, взаимодействующий с приводящим электрогенератор 23 рабочим турбинного типа органом 24 ветроустановки, выполнен с возможностью гарантированной закрутки проходящего через него потока воздуха, например, посредством направляющих лопаточных рабочих органов 24*. Канал 22 через посредство рабочего органа 24 сообщен со всеми выходными каналами трубной опоры: вентиляционными 13, каналами отвода отработанных горячих газов 25 и пара паросиловой установки 11, каналом 26 отвода тепла от теплоаккумуляторов, причем по меньшей мере часть указанных каналов выполнена с возможностью регулирования их проходных сечений для управления тепловыми потоками в энергосистеме, например, посредством дроссельных задвижек. Проточная часть ветроустановки 6 также содержит теплообменники 27, 28 посредством которых и выполняется подвод теплоты, протекающего через них воздуха, к низкотемпературному теплоаккумулятору 5, 5* посредством тепловых насосов или/и тепловых труб или вентиляторов 29, 30 (в зависимости от температурных перепадов между 5,5* и окружающей средой).

По меньшей мере один подводящий и один отводящий вертикальные каналы-воздуховоды сообщены по теплу посредством регенерационного теплообменника 16.

Низкотемпературный аккумулятор 5, 5*, паросиловая установка 11 и вентиляционные каналы трубной опоры 13 по теплу, углеводородному топливу и газовой среде подключены к по меньшей мере одному снабженному аккумулятором углеводородного топлива 31 пиролизному реактору 32 переработки сточных вод (СТВ) и бытовых отходов (ТБО), генерируемых в процессе жизнедеятельности внутри здания, причем аккумулятор подключен к горелкам 33 разогрева как самого реактора 32, так и парогенератора паросиловой установки 11;

Альтернативные источники энергии 6, 7, внутренний двор 3, помещения здания 1, паросиловые установки 11, 19, электрогенераторы 8, а также первичная 5 и вторичная 5* секции низкотемпературного теплоаккумулятора по теплу, воздуху и электроэнергии объединены в единую систему энергообеспечения и поддержания микроклимата автономного здания через посредством центрально расположенной во дворе здания трубной опоры 13 с выполненными внутри нее воздушными и теплообменными каналами 14 14*, 26 и каналами связи с тепловыми аккумуляторами 4; 5, 5*, оборудованием 11, 18,19, 30, 31, 32, 33 и энергоканалами входа/выхода связи со зданием и пространством двора 3, что позволяет, не загромождая пространство двора, эффективно с минимальными затратами трубную опору с ее наземной и подземной частью выполнять как единый инженерный комплекс системы жизнеобеспечения, обеспечивающий: поступление свежего воздуха из внешнего пространства, его очистку, необходимую активацию/дезактивацию, подогрев/охлаждение; очистку, опреснение и регенерацию воды, например, поступающей из расположенной во дворе скважины, эффективное выведение отработанных газов и воздуха в пространство через отсасывающий выходной канал ветроустановки 22, поступление в тепловые аккумуляторы энергии внешней среды и ее дальнейшее эффективное преобразование для нужд населения здания.

Важно, что при выполнении ветроустановки по вихревому или другому типу, но выполненной с каналом отсоса воздуха и газов обеспечивается экологическая чистота в пространстве здания и повышается энергоэффективность ветроустановки за счет генерирования вихревого потока, обтекающего купол 2, площадку 21 (площадка здесь выполняет функцию опоры генерируемого вихря) и далее поступающего в закручивающие воздушный поток аппараты 27, 28, дополнительно выполняющие функции теплообменников отбора тепловой энергии от протекающего через них воздуха. Подача в поток сбрасываемого вентиляцией воздуха и отработанных газов и пара пиролизного реактора 32 и паросиловой установки (при ее работе на резервном топливе) существенно активизирует генерирование и мощность вихревого потока, генерируемого ветроустановкой 6, и соответственно мощность, вырабатываемую электрогенератором 23 ветроустановки 6.

Трубная опора 13 выполнена с возможностью доступа во внутреннее ее пространство на уровни расположения оборудования и каналов передачи энергии и в своей нижней части снабжена каналами связи с системой тепловых аккумуляторов, что обеспечивает техническое обслуживание и ремонт инженерного оборудования. Между трубной опорой 13 и зданием выполняются радиальные каналы и коллекторы передачи тепла/холода, бытовых отходов, воды (питьевой, технической, горячей) с приводом вентиляторов и насосов от паросиловой установки непосредственно или посредством электродвигателей.

Работа установки ясна из предыдущего описания и чертежа. Запуск энергосистемы может осуществляться от альтернативных источников с инверторами небольшой мощности для электропривода вспомогательного оборудования или посредством паросиловой установки, запускаемой на углеводородном резервном топливе.

В целом, предложенная система энергообеспечения автономного купольного здания представляет собой единое техническое решение, обеспечивающее как минимизацию тепловых потерь и затрат энергии на функционирование энергосистемы и системы жизнеобеспечения здания, так и наиболее эффективное использование альтернативных видов энергии ветра, солнца, атмосферного тепла (естественно, что допустимо и использование тепла земли и грунтовых вод, где это возможно, в чем, однако, данная система практически не нуждается из-за высокой эффективности предложенного комплексного технического решения), СТВ, ТБО и др. источников, например, изотопных источников тепловой энергии. Предложенное выполнение энергосистемы совместно с трубной опорой описанного типа, купола, замкнутого по периферии здания, вихревой ветроустановки с опорой вихря на жесткую площадку трубной опоры в совокупности с использованной системой энергогенерирования и энергопреобразования оптимальным образом решает задачу экологически чистого автономного энергоснабжения, минимизируя производственные затраты на строительство и инженерное обеспечение.

Данное техническое решение автономного здания может эффективно выполнять функции электро- и теплозаправочной станции, а при избытке электроэнергии накапливать ее в виде водорода в соответствующих энергоаккумулирующих устройствах.

Источники информации

1. Насосы&оборудование. Научно практический журнал, №2 (43), 2007, стр.26-28.

Изобретение относится к системам энергообеспечения зданий по типу периферийно замкнутого строения с внутренним двором, перекрытым куполом. Технический результат: повышение эффективности системы энергообеспечения малоэтажных замкнутых зданий, увеличение поступающей внутрь дома световой энергии и ее преобразование в электроэнергию, повышение экологичности энергосистемы и внутренней среды обитания самого здания. Система энергообеспечения автономного здания с внутренним перекрытым куполом двором, снабжена высоко- и низкотемпературным теплоаккумуляторами, энергетически сообщенными с располагаемыми как вне, так и внутри здания источниками альтернативной энергии (например ветроустановкой, солнечными фотоэлементами, солнечными коллекторами, изотопными теплоисточниками, низкотемпературными источниками - воздух, земля, вода и т.п.), а также с потребителями как тепловой, так и электрической энергии автономного здания, вырабатываемой электрогенератором, приводимым регулируемой паросиловой установкой с парогенератором, по теплу сообщенным по меньшей мере с высокотемпературным теплоаккумулятором, паровой машиной и конденсатором. По центру двора здания установлена кинематически связанная с куполом и выходящая наружу купола многоканальная трубная опора с каналами выхода воздуха из подкупольного пространства и каналами забора воздуха из атмосферы, сообщенными по теплу с теплообменными устройствами, например теплообменниками, тепловыми трубами, тепловыми насосами, между собой и низкотемпературным теплоаккумулятором, снабженным дополнительной секцией пониженной температуры, причем конденсатор паросиловой установки по теплу сообщен, например, в ней расположен, с этой дополнительной секцией, например, имеющей отрицательную по Цельсию температуру, которая по теплу основным тепловым насосом, приводимым преимущественно посредством паросиловой установки, сообщена с первичной секцией низкотемпературного теплоаккумулятора. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система энергообеспечения автономного здания с внутренним перекрытым куполом, двором, снабженная высоко- и низкотемпературным теплоаккумуляторами, энергетически сообщенными с располагаемыми как вне, так и внутри здания источниками альтернативной энергии, например ветроустановкой, солнечными фотоэлементами, солнечными коллекторами, изотопными теплоисточниками, низкотемпературными источниками - воздух, земля, вода и т.п., а также с потребителями как тепловой, так и электрической энергии автономного здания, вырабатываемой электрогенератором, приводимым регулируемой паросиловой установкой с парогенератором, по теплу сообщенным по меньшей мере с высокотемпературным теплоаккумулятором, паровой машиной и конденсатором, отличающаяся тем, что по центру двора здания установлена кинематически связанная с куполом и выходящая наружу купола многоканальная трубная опора с каналами выхода воздуха из подкупольного пространства и каналами забора воздуха из атмосферы, сообщенными по теплу с теплообменными устройствами, например теплообменниками, тепловыми трубами, тепловыми насосами, между собой и низкотемпературным теплоаккумулятором, снабженным дополнительной секцией пониженной температуры, причем конденсатор паросиловой установки по теплу сообщен, например, в ней расположен, с этой дополнительной секцией, например, имеющей отрицательную по Цельсию температуру, которая по теплу основным тепловым насосом, приводимым преимущественно посредством паросиловой установки, сообщена с первичной секцией низкотемпературного теплоаккумулятора.

2. Система энергообеспечения автономного здания по п.1, отличающаяся тем, что секции низкотемпературного теплоаккумулятора по теплу сообщены между собой посредством дополнительной паросиловой установки с низкокипящим рабочим телом, выполненной с возможностью автономной работы или/и кинематически связанной с основной паросиловой установкой.

3. Система энергообеспечения автономного здания по п.1, отличающаяся тем, что подкупольное простанство здания и обтекающая купол воздушная среда, преимущественно в зоне выхода трубной опоры наружу, по каналам трубной опоры по теплу сообщены с дополнительной секцией низкотемпературного теплоаккумулятора посредством тепловых труб (летом) или тепловых насосов (зимой).

4. Система энергообеспечения автономного здания по п.1, отличающаяся тем, что верхняя часть трубной опоры, выходящая наружу купола, снабжена осесимметричной трубе жесткой площадкой с расположенной на ней электрогенераторной ветроустановкой, выходной воздушный канал которой, взаимодействующий с приводящим электрогенератор рабочим органом ветроустановки, выполнен с возможностью закрутки проходящего через него потока воздуха и сообщен с выходными вентиляционными каналами трубной опоры, каналом отвода отработанных горячих газов и пара паросиловой установки, каналом отвода тепла от теплоаккумуляторов, причем по меньшей мере часть указанных каналов выполнена с возможностью регулирования их проходных сечений для управления тепловыми потоками в энергосистеме, например, посредством дроссельных задвижек, причем проточная часть ветроустановки содержит теплообменники подвода теплоты протекающего через них воздуха к низкотемпературному теплоаккумулятору посредством теплового насоса или/и тепловой трубы.

5. Система энергообеспечения автономного здания по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один подводящий и один отводящий вертикальные каналы-воздуховоды сообщены по теплу посредством регенерационного теплообменника.

6. Система энергообеспечения автономного здания по п.1, отличающаяся тем, что низкотемпературный аккумулятор, паросиловая установка и вентиляционные каналы трубной опоры по теплу, получаемому углеводородному топливу и газовой среде подключены к по меньшей мере одному снабженному аккумулятором углеводородного топлива пиролизному реактору переработки сточных вод и бытовых отходов, генерируемых в процессе жизнедеятельности внутри здания, причем аккумулятор подключен к горелкам разогрева как самого реактора, так и парогенератора паросиловой установки.

7. Система энергообеспечения автономного здания по п.1, отличающаяся тем, что альтернативные источники энергии, внутренний двор, помещения здания, паросиловые установки, электрогенераторы, а также первичная и вторичная секции низкотемпературного теплоаккумулятора по теплу, воздуху и электроэнергии объединены в единую систему энергообеспечения и поддержания микроклимата автономного здания через посредство центрально расположенной во дворе здания трубной опоры с выполненными внутри нее воздушными и теплообменными каналами.

8. Система энергообеспечения автономного здания по п.1, отличающаяся тем, что трубная опора выполнена с возможностью доступа во внутреннее ее пространство на уровни расположения оборудования и каналов передачи энергии и в своей нижней части снабжена каналами связи с системой тепловых аккумуляторов.