МАЛОЭТАЖНОЕ ЭНЕРГООБРАЗУЮЩЕЕ ЗДАНИЕ Российский патент 2014 года по МПК E04H1/00 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации малоэтажных энергосберегающих зданий, имеет отношение к нетрадиционной энергетике с использованием природных источников энергии, ветра, солнца, тепловой энергии грунта и может быть использовано в любых климатических условиях.

Известно малоэтажное энергосберегающее здание, включающее стены из деревянных элементов, бревен или бруса, крышу с навесами, скатную кровлю и солнечный водонагреватель (R4 940 10773 А1 от 20.08.1996 г.).

Недостатками здания являются невозможность использования несущих конструкций здания, стен, крыши, в качестве источников электрической энергии, сложность быстрого удаления снега с кровли здания, большие потери тепла через деревянные стены и большие затраты электрической и тепловой энергии.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому решению является малоэтажное энергообразующее здание (МЭЗ) с теплыми деревянными стенами, выполняющие роль мини-электростанции мощностью до 10 кВт (патент R4 2421583 с 1 от 20.06.2011 г.).

Недостатками МЭЗ являются недостаточная энергетическая мощность во время действия потоков воздуха (ветра) в направлении диагонали здания, малоэффективное использование солнечной энергии и атмосферного водоснабжения, низкая несущная способность деревянных балок, невозможность использования в стенах бревен небольшого диаметра и удаления льда из водосточных труб, подверженность здания деформациям при возникновении сил морозного пучения и большие затраты электроэнергии при охлаждении помещений здания.

Проведенный поиск в патентной и технической литературе не выявил аналогов, близких к заявляемому изобретению.

Цель изобретения состоит в повышении энергоэффективности, улучшении технических характеристик и экономических показателей МЭЗ.

Поставленная цель достигается тем, что здание снабжено компенсатором сил морозного пучения, размещенным в грунте по периметру здания, вертикальными перегородками, расположенными перпендикулярно на внешней поверхности стен, и деревянными балками повышенной несущей способности (ПНС). При этом компенсатор выполнен в виде незамерзающего слоя глинистого раствора и размещен в контакте с боковой поверхностью здания, солнечные панели размещены на всей поверхности крыши здания, каждый деревянный элемент стены выполнен в виде скрепленных между собой регулирующими винтами полубревен, обращенными выпуклыми поверхностями друг к другу, а теплоизоляционной вспученный материал размещен между полубревнами на всю высоту стен, балка ПНС выполнена не менее чем из двух состыкованных плоских вертикальных деревянных элементов прямоугольной формы и снабжена размещенной между элементами вертикальной пластиной с обратимой деформацией и высокими механическими характеристиками, установка для удаления снега выполнена в виде одной центральной трубы, имеющей два ряда боковых отверстий, направленных в противоположные стороны, и труб, смежных с одним рядом отверстий, обращенных к стенам здания, воздухоохлаждающее устройство выполнено в виде подземного коллектора, размещенного в оболочке из глинистого максимально увлажненного грунта и соединенного одним концом с воздухозаборником, другим - с зоной пониженного давления воздуха в крыше здания, устройство атмосферного водоснабжения выполнено в виде сообщающихся теплоизолированных полузаглубленных в грунт емкостей, которые размещены под водосточными трубами, снабжено погружным насосом и водонагревательным элементом, причем каждая водосточная труба снабжена перфорированным контейнером, заполненным гранулами карбида кальция и технической солью и имеющим возможность свободного перемещения по трубе, и тем, что при возведении и эксплуатации здания в условиях вечномерзлых грунтов в подполье здания создают периодически газовый экран с низкой отрицательной температурой, а при погружении трубчатых свай используют лидерную скважину диаметром на два сантиметра меньше диаметра сваи.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1,2 в плане и разрезе, на фиг.3, 4 в плане показано МЭЗ, на фиг.5 в разрезе показан фрагмент стены из деревянных элементов, на фиг.6, 7 в плане и разрезе показана балка ПНС, на фиг.8 представлена схема развертки установки атмосферного водоснабжения, на фиг.9 в разрезе изображен подземный коллектор, на фиг.10 в разрезе показан фрагмент водосточной трубы и на фиг.11 в разрезе показан свайный фундамент здания, возводимого на вечномерзлых грунтах.

Здание включает ленточный фундамент 1, стены 2 из деревянных элементов, балки ПНС 3, плоскую крышу 4, навесы 5, вертикальные внешние перегородки 6, ветрогенератор 7, солнечные панели 8, перфорированные трубы 9, 10, подземный коллектор 11, водосборные емкости 12 и водосточные трубы 13.

Под здание возводят ленточный фундамент 1. В климатической зоне, где существует промерзание грунтов, сложенных глинами, суглинками и супесями, по периметру фундамента разрабатывают траншею шириной 20-25 см. Траншею заполняют глинистым раствором 14, приготовленным на основе дизельного топлива. Глубину траншеи определяют по формуле

H=Q/П x t,

где Q - вес здания, тн;

П - периметр здания, м;

t - сила морозного пучения, тн/м².

В процессе промерзания пучинистых грунтов грунтовый раствор, находящийся в контакте с боковой поверхностью фундамента, остается в пластичном состоянии на весь период эксплуатации здания и выполняет роль смазочного материала, компенсирующего силы морозного пучения. Использование грунтового компенсатора исключает появление осадок фундамента и деформации здания.

Стены 2 возводят из деревянных бревенчатых элементов 15 (полубревен), технология изготовления которых состоит в следующем. Диаметр бревен для изготовления стен принимают не менее 15 см, требования СНИП - 22 см. С обеих сторон освобожденного от коры бревна изготавливают два канта 16 (срез) и придают бревну по всей длине одинаковый размер в продольном сечении. Затем бревно разрезают по диаметральной плоскости, проходящей через канты на две половины. Оба элемента стыкуют между собой по длине таким образом, чтобы диаметральные плоскости были обращены в противоположные стороны, а вершина одного полубревна была расположена с более толстой частью (комлем) полубревна другого. Невыполение этого условия приведет к появлению между элементами 15 по всей длине неодинаковой опорной площади кантов 16 и, следовательно, снижению прочностных характеристик и качества стен 2.

Элементы, изготовленные из одного бревна, соединяют между собой по всей длине винтами 17, имеющими возможность регулировать размер стены в поперечном сечении. По мере возведения стены из деревянных элементов пространство между ними заполняют экологически чистым теплоизоляционным материалом 18, например монтажной пеной. Благодаря высокой адгезии (прилипаемости) связующего материала 18 с деревом стена 2 приобретает высокие прочностные характеристики. Использование бревен меньшего размера и изготовление стен подобной конструкции позволяет при увеличении трудоемкости на 15% в сравнении с аналогом (прототипом) снизить потери тепла более чем в три раза и стоимость стен на 30-40%.

В качестве балок перекрытий используют деревянные балки повышенной несущей способности (ПНС): Балка ПНС 3 состоит не менее чем из двух деревянных элементов 19 (брус) и размещенной между элементами пластиной 20, имеющей высокую деформативную способность с повышенными механическими характеристиками. Пластины изготавливают из высокоуглеродистой стали или из углестеклопластика. Элементы 19 соединяют с пластиной с помощью клея, винтов или заклепок. Балку в сборе устанавливают в строгом соответствии с продольной ее осью.

Использование пластин с обратимой информацией исключает отклонение балки от продольной оси и позволяет обеспечить расчетную несущую способность. Экспериментальными исследованиями установлено, что 90% несущей способностью в балке ПНС воспринимает пластина 20. Деревянные элементы в балке выполняют роль оболочек, которые необходимы для соединения с элементами крыши, стен здания и опорной рамой под ветрогенератор. Несмотря на увеличение трудоемкости при изготовлении балок ПНС в сравнении с аналогом, ее применение позволит при прочих равных условиях увеличить длину пролета в 1,5-1,6 раза и отказаться от ферм деревянных.

На потолочном покрытии, выполненном с теплошумозащитным покрытием, размещают крышу 4, ветрозахватные перегородки 6 и навесы 5. На деревянные элементы обрешетки укладывают солнечные панели 8. Стыковые соединены между панелями заполняют гидроизоляционным материалом (монтажной пеной), обеспечивая герметичность крыши. Солнечные панели, кроме своего прямого назначения, выполняют роль кровли. Уклон панели (i) для стока атмосферной воды принимают равным 0,01. Размещение панелей по всей поверхности горизонтальной крыши позволяет увеличить площадь и соответственно мощность солнечной установки.

Удаление снега с солнечного покрытия выполняют с помощью сжатого воздуха, подаваемого бытовым компрессором в перфорированные трубопроводы. Трубопроводы включают одну центральную трубу 9 с двухрядным расположением боковых отверстий и смежные трубы 10, где отверстия выполняют в один ряд и направляют в сторону стен здания. Трубы 9, 10 располагают параллельно друг другу и стенам здания. Подобное расположение труб и отверстий на трубах позволяет удалять снег с крыши любой формы и площади в сжатые сроки с минимальными затратами электроэнергии. Для свободного стока атмосферной воды с крыши МЭЗ трубопроводы размещают на подкладках толщиной 2-3 см. В установке для удаления снега с крыши здания предусмотрено, кроме компрессора, побудительное устройство, которым служит баллон со сжиженным нейтральным газом - азотом.

Энергетическая мощность здания от использования ветровой энергии зависит от скорости, объема поступающего воздуха в крышу здания и направления ветра. Если потоки воздуха направлены перпендикулярно стенам здания, мощность ветрогенератора при площади здания в плане 100 м² и скорости ветра 5 м/сек может достигать 10 кВт. При отклонении направления ветра на 45° мощность ветрогенератора (здания) снижается на 4-5 кВт. В связи с этим на каждой стене здания закрепляют вертикальные перегородки 6, которые способны изменять горизонтальное направление ветра на вертикальное. В результате использования вертикальных перегородок 6 мощность МЭЗ увеличивается на 30-40%.

По углам здания устанавливают полузаглубленные в грунт водосборные емкости 12 в тепловой оболочке 21. Емкости соединяют между собой переточными полимерными трубами 22, которые прокладывают вблизи поверхности грунта. В одной из емкостей устанавливают водонагревательный элемент 23, а в емкости противоположной размещают нагружной насос 24. Насос предназначен для подачи воды в здание на бытовые нужды. Вода для полива растений на приусадебном участке поступает из емкостей 12 под действием гидростатического давления. Постоянный расход воды из сообщающихся теплоизолированных емкостей, использование водонагревателя и подземное расположение переточных труб исключает замерзание воды в установке при низких отрицательных температурах воздуха.

Поступление воды в емкости 12 осуществляется через водосточные трубы 13. В весеннее время года при знакопеременных температурах воздуха в трубах 13 происходит образование наледи и ледяных пробок. В этот период в верхней части водосточных труб закрепляют контейнеры 25 с перфорированной поверхностью. Полость контейнера предварительно заполняют карбидом кальция 26 и технической солью 27. Талая вода с кровли здания поступает в контейнер, вступает в реакцию с CaC₂, нагревается до температуры 40-50°С и, таким образом, предохраняет поверхность от образования наледи и ледяных пробок.

Рядом со зданием в траншее прокладывают коллектор 11 в оболочке 28 из глинистого максимально увлажненного грунта. Один конец коллектора соединяют с воздухозаборником 29, другой соединяют через вытяжную трубу 30 с зоной пониженного давления, которой служит воздушное пространство под ветрогенератором 7. Глинистый грунт обладает свойством сохранять влагу и при этом не отдавать ее, если рядом нет источника тепла с высокой температурой. Следовательно, оболочка 28 выполняет в устройстве роль естественного аккумулятора холода.

Охлаждающее устройство работает в режиме проточно-вытяжной вентиляции, в которой побудительными устройствами являются ветрогенератор, градиенты температур и давления воздуха. Постоянная разность давления воздуха в устройстве приводит к циркуляции воздуха в коллекторе 11 и вытяжной трубе 30. Подачу и объем холодного воздуха в помещении здания регулируют запорной арматурой. В зимний период года оболочка 28 из глинистого грунта замерзает. Аккумулирующая способность грунта возрастает, поскольку появляется другая составляющая атмосферного холода - фазовая теплота плавления льда. В процессе эксплуатации устройство не требует затрат электрической энергии. Таким образом, общая энергетическая мощность здания с учетом использования всех типов природных источников энергии, ветра, солнца, грунта и фазовой теплоты плавления льда может находиться в пределах 15-20 кВт.

В условиях распространения вечномерзлых грунтов строительство малоэтажных зданий выполняется на свайных фундаментах с использованием закрытого холодного подполья. Вечномерзлые грунты относятся к грунтам слабым и, как правило, к пучинистым. Поэтому постоянное оттаивание и замерзание сезонного грунта приводит к появлению неравномерных осадок фундамента и деформациям зданий с небольшими нагрузками. При устройстве свайных фундаментов в настоящее время используются буроопускной способ погружения сваи 31. В результате срок вмерзания свай, а следовательно, и строительство здания составляет 6-7 месяцев.

Для решения этой задачи предлагается буровибропогружной способ погружения свай, сущность которого состоит в следующем.

На площадке под здание бурят лидерную скважину, диаметр которой принимают на 1,5-2 см меньше диаметра трубчатой стальной сваи. В пробуренную скважину устанавливают трубчатую сваю с закрытым острым концом. Погружение сваи выполняют с использованием электровибратора. Под действием вибратора околосвайный мерзлый грунт толщиной 0,7-1,0 см мгновенно превращается в грунт талый. Погружение сваи на глубину 3 м происходит за 8-10 минут. После этого сваи оставляют для естественного вмерзания. В зимнее время свая после погружения смерзается с мерзлым грунтом в течение 2-3 часов.

Исключение влияния сил морозного пучения на сваи в слое грунта сезонного оттаивания - промерзания оказывается возможным, если этот грунт оставлять в мерзлом состоянии на весь период эксплуатации здания. Для этого в теплый период года в закрытое подполье здания подают из газобаллонной установки периодически нейтральный газ - азот - с низкой отрицательной температурой. Сохранение сезонного слоя грунта 32 под здание в мерзлом состоянии позволяет существенно повысить несущую способность фундамента, уменьшить глубину заложения свай и повысить надежность и сроки эксплуатации малоэтажного здания.

Несмотря на улучшение технических характеристик и экономических показателей, малоэтажное здание с плоской крышей лишено разнообразия архитектурных форм. Учитывая это обстоятельство, здание может быть использовано при строительстве коттеджных поселков преимущественно для владельцев с ограниченными финансовыми возможностями. Кроме этого, полный набор технических решений не может быть использован для любой климатической зоны. Так, например, если здание предполагается располагать в условиях теплого сухого климата, не имеет смысла использовать деревянные стены и балки, устройство для удаления снега с крыши здания, устройство для предотвращения наледи в водосточных трубах и установки атмосферного водоснабжения. И, наоборот, в условиях холодного климата нет необходимости в грунтоохлаждающем устройстве и солнечной электроустановке.

Изобретение относится к строительству малоэтажных энергообразующих зданий, в том числе на вечномерзлых грунтах, имеет отношение к нетрадиционной энергетике с использованием природных источников энергии и может быть использовано преимущественно в условиях умеренного и холодного климата. Технический результат и существенные отличия здания от известных состоят в том, что здание является источником электрической и тепловой энергии, снабжено противоосадочным устройством, ветрозахватными вертикальными перегородками, размещенными на внешних поверхностях стен здания, солнечной электрической установкой, солнечные панели которой расположены по всей поверхности плоской крыши, установкой атмосферного водоснабжения, устройством для охлаждения воздуха в здании с использованием тепловой энергии грунта, установкой для автоматического удаления снега с поверхности крыши, устройством для предотвращения образования льда в водосточных трубах и способом возведения свайных фундаментов и эксплуатации малоэтажных зданий в условиях вечномерзлых грунтов. Отличие состоит в том, что при изготовлении стен из деревянных элементов используются бревна меньшего диаметра, начиная с 15 см. В изобретении основные элементы здания, как стены и крыша, выполняют роль элементов ветросолнечной установки. При этом ветрогенератор, размещенный в крыше здания, начинает вырабатывать электроэнергию при скорости ветра 0,5-0,8 м/сек. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Малоэтажное энергообразующее здание, включающее фундамент, стены из деревянных элементов, деревянные балки, ветрозахватную крышу, солнечные панели, ветрогенератор, воздухоохлаждающее устройство, устройство для атмосферного водоснабжения и водосточные трубы, отличающееся тем, что здание снабжено компенсатором сил морозного пучения, размещенным в грунте по периметру здания, вертикальными перегородками, расположенными перпендикулярно на внешней поверхности стен, и деревянными балками повышенной несущей способности (ПНС), при этом компенсатор выполнен в виде незамерзающего слоя глинистого раствора и размещен в контакте с боковой поверхностью здания, солнечные панели размещены по всей поверхности крыши здания, каждый деревянный элемент стены выполнен в виде скрепленных между собой регулирующими винтами полубревен, обращенными выпуклыми поверхностями друг к другу, а теплоизоляционный вспученный материал размещен между полубревнами на всю высоту стен, балка ПНС выполнена не менее чем из двух состыкованных плоских элементов прямоугольной формы и снабжена размещенной между элементами вертикальной пластиной с обратимой деформацией, установка для удаления снега выполнена в виде одной центральной трубы, имеющей два ряда боковых отверстий, направленных в противоположные стороны, и труб, смежных с одним рядом отверстий, обращенных к стенам здания, воздухоохлаждающее устройство выполнено в виде подземного коллектора, размещенного в оболочке из глинистого максимально увлажненного грунта и соединенного одним концом с воздухозаборником, другим - с зоной пониженного давления воздуха в крыше здания, устройство атмосферного водоснабжения выполнено в виде сообщающихся теплоизолированных полузаглубленных в грунт емкостей, которые размещены под водосточными трубами, снабжено погруженным насосом и водонагревательным элементом, причем каждая водосточная труба снабжена перфорированным контейнером, заполненным гранулами карбида кальция и технической солью и имеющим возможность перемещения по трубе.

2. Малоэтажное энергообразующее здание по п.1, отличающееся тем, что при возведении и эксплуатации здания в условиях вечномерзлых грунтов в подполье здания создают периодически газовый экран с низкой отрицательной температурой, а при погружении трубчатых свай используют лидерную скважину диаметром на два сантиметра меньше диаметра сваи.