ОГРАЖДАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С СОЛНЕЧНЫМ КОЛЛЕКТОРОМ Российский патент 2015 года по МПК E04B2/14 E04B1/76 

Изобретение относится к строительству, а именно к конструкциям ограждающих элементов с солнечным коллектором, и может быть использовано в строительстве различных отапливаемых зданий, преимущественно сельскохозяйственных.

Известен ограждающий элемент с солнечным коллектором (экономический патент ГДР №252634, кл. Е04С 11/06, 1987), включающий герметичные воздушные и наклонные щели по его высоте, восходящими от наружной к внутренней поверхности элемента.

Недостатком являются низкие теплотехнические качества ограждающего элемента из-за отсутствия направленного конвективного теплообмена внутри элемента.

Известен ограждающий элемент с солнечным коллектором (см. а.с. СССР №1652486, кл. Е04В 2/14, опубл. 30.05.91, бюл. №20), включающий герметичные воздушные наклоненные щели по его высоте, восходящие от наружной к внутренней поверхности элемента, причем каждая герметичная наклонная щель имеет переменное поперечное сечение, которое уменьшается к внутренней поверхности, и минимальный размер b которого определяется из соотношения b=L (tgβ+a/L - tgΨ), где L - величина горизонтальной проекции наклонной щели; а - максимальный размер поперечного сечения; β - угол между верхним основанием наклонной щели и горизонталью; Ψ - угол между нижним основанием наклонной щели и горизонталью.

Недостатком являются повышенные теплопотери при дневном отсутствии солнечной радиации и/или в темное время суток, когда резко возрастают локальные теплопотери в зоне контакта термической воздушной наклонной щели и изоляционного слоя из-за различия их термического сопротивления по толщине ограждающего элемента в местах взаимного расположения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание заданных теплоизоляционных свойств ограждающего элемента с солнечным коллектором как при наличии солнечной радиации, так и после ее воздействия.

Технический результат достигается тем, что ограждающий элемент с солнечным коллектором, включающий герметичные воздушные наклоненные щели по его высоте, восходящие от наружной к внутренней поверхности элемента, причем каждая герметичная наклонная щель имеет переменное поперечное сечение, которое уменьшается к внутренней поверхности и минимальный размер b которого определяется из соотношения b=L (tgβ+a/L - tgΨ), где L - величина горизонтальной проекции наклонной щели; а - максимальный размер поперечного сечения; β - угол между верхним основанием наклонной щели и горизонталью; Ψ - угол между нижним основанием наклонной щели и горизонталью, при этом снабжен теплоизоляционным слоем, выполненным в виде витых пучков, расположенных вертикально между наружной и внутренней поверхностями элемента и с различной длиной от наклонных поверхностей герметичных воздушных наклонных щелей.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема ограждающего элемента с солнечным коллектором.

Элемент состоит из несущего слоя 1, связанного с солнечным коллектором в виде экрана 2, герметичной воздушной наклонной щели 3, размещенной в изоляционном слое 4, внутреннего слоя 5, при этом нижняя вертикальная поверхность 6 щели 3 соприкасается с внутренней поверхностью несущего слоя 1, обращенного к холодной среде, а верхняя вертикальная поверхность 7 щели 3 соприкасается с внутренней поверхностью слоя 5, обращенного к тепловой среде, кроме того, в наклонной герметичной воздушной щели 3 при теплообмене образуется циркуляционный контур 8 с восходящим 9 и нисходящим 10 потоками.

Изоляционный слой 4 выполнен из тонковолокнистого базальтового волокна 11, причем тонковолокнистые волокна 11 вытянуты в виде витых пучков 12 и расположены вертикально между несущим 1 и внутренним 5 слоями с различной длиной от наклонных поверхностей 13, 14 герметичной воздушной наклонной щели 3.

Теплообмен при эксплуатации ограждающего элемента с солнечным коллектором осуществляется следующим образом.

Во время воздействия солнечной радиации тепловая энергия теплопроводностью передается теплоизоляционному слою 4 в виде тонковолокнистого базальтового материала 11 и одновременным конвективным теплообменом (см. например, стр.208 Исаченко В.П. и др. Теплопередача. м.: 1981 - 416 с., ил) от наклонных поверхностей 13 и 14 герметичной воздушной щели 3 при теплообмене циркуляционного контура с восходящим 9 и нисходящим 10 потоками. Тонковолокнистый базальтовый материал 11 обладает не только теплоизоляционными параметрами (следовательно отсутствует различие термического сопротивления изоляционного слоя и герметичной воздушной щели) близкими по значению к сухому атмосферному воздуху, но и аккумулирующими теплоту свойствами (см. например, Волокнистые материалы из базальтов, Украина. Изд. «Техник», Киев, 1971, 70 с., ил.), а расположение тонковолокнистого базальтового материала 11 в виде витых вытянутых пучков 12 вертикально с различной длиной от наклонных поверхностей 13 и 14 позволяет равномерно аккумулировать теплоту по всей высоте ограждающего элемента.

При прекращении воздействия солнечной радиации в дневное время и/или в темное время суток саккумулированное в тонковолокнистом базальтовом материале 11 тепло через внутренний слой 5 передается в отапливаемое помещение, снижая энергозатраты систем отопления преимущественно сельскохозяйственных зданий.

При низких температурах окружающей среды и высокой солнечной радиации несущий слой 1 интенсивно нагревается под воздействием солнечного тепла, поступающего через коллектор в виде экрана 2 из селективно пропускающего материала, например силикатного стекла. В результате нагревается часть воздуха герметичной воздушной щели 3, контактирующая с нижней вертикальной поверхностью 6 наклонной щели 3. Изменение плотности воздуха в герметичной воздушной наклонной щели 3 приводит к образованию конвективного теплообмена, где преимущественно тепло передается конвекцией, так как лучистый теплообмен между вертикальными поверхностями 6 и 7 незначителен вследствие их взаимного смещения в пространстве.

Передача тепла конвекцией при прогреве воздуха, прилегающего к нижней вертикальной поверхности 6, наклонной герметичной щели 3 осуществляется за счет образования циркуляционного контура 8 с чередующимися между собой восходящим 9 и нисходящим 10 потоками.

Уменьшение площади наклонной воздушной щели 3 по высоте ограждающего элемента способствует увеличению меры соприкосновения восходящего 9 и нисходящего 10 потоков, т.е. в ней наблюдается дальнейшее увеличение коэффициента теплопередачи. Кроме того, равномерное сближение движущихся восходящих и нисходящих потоков приводит к возникновению диффузионного термоэффекта, представляющего собой возникновение разности температур в результате диффузионного перемещения двух газов (в данном случае сухого воздуха и водяного пара, всегда присутствующего в атмосферном воздухе в различном состоянии: насыщенное, перегретое).

В результате восходящий 9 и нисходящий 10 потоки циркуляционного контура 8 движутся, взаимно соприкасаясь, осуществляя тем самым интенсивный теплообмен с максимальным значением коэффициента теплоотдачи для данных погодно-климатических условий эксплуатации.

При отсутствии солнечной радиации в условиях эксплуатации ограждающего элемента с низкими температурами окружающей среды направленный процесс конвективного теплообмена в наклонной герметичной воздушной щели 3 отсутствует. Это объясняется тем, что верхние слои воздуха, контактирующие с верхней вертикальной поверхностью 7 щели 3, обращенной к теплой среде (помещению), более нагреты и имеют меньшую плотность, чем слои воздуха, контактирующие с нижней вертикальной поверхностью 6 щели 3, обращенной к холодной среде.

Границы рассчитываемого максимального желаемого коэффициента конвективного направленного теплообмена определяется надежностью эксплуатации ограждающего элемента с солнечным коллектором, определяемой как конструктивными особенностями (высота, ширина, длина), так и выполняемыми функциями (наружные и внутренние стены, перегородки, заполнения проемов и т.д.).

Предложенный ограждающий элемент с солнечным коллектором обеспечивает повышение теплотехнических качеств конструкции за счет получения направленного конвективного теплообмена при ясной погоде и гарантирует заданное термическое сопротивление при отсутствии солнечной радиации со стороны холодной среды. Предложенная конструкция технологична, суживающиеся по высоте щели облегчают извлечение пустообразователя и изготовление конструкции ограждающего элемента может осуществляться как при конвейерном, так и при агрегатно-поточном производстве. Кроме того, наличие наклонной уменьшающейся по высоте ограждающего элемента воздушной щели способствует увеличению прочностных свойств строительного элемента при равенстве конвективного теплообмена по сравнению с воздушной наклонной щелью постоянного сечения.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение теплоизоляционного слоя из тонковолокнистого базальтового материала таким образом, что волокна вытянуты в виде витых пучков и расположены вертикально между наружной и внутренней поверхностями элемента с различной длиной от наклонных поверхностей герметичных воздушных щелей, обеспечивает не только снижение тепловых потерь в окружающую среду, но и поддержание теплового режима в отапливаемом здании, преимущественно сельскохозяйственных, имеющих значительные размеры наружных ограждений, и соответственно, обладающих большими аккумулирующими тепло параметрами (за счет количественного размещения тонковолокнистого базальтового материала).

Изобретение относится к строительству, а именно к конструкциям ограждающих элементов с солнечным коллектором, и может быть использовано в строительстве различных отапливаемых зданий, преимущественно сельскохозяйственных. Технический результат: поддержание заданных теплоизоляционных свойств ограждающего элемента с солнечным коллектором, как при наличии солнечной радиации, так и после ее воздействия. Ограждающий элемент с солнечным коллектором включает герметичные воздушные наклоненные щели по его высоте, восходящие от наружной к внутренней поверхности элемента, причем каждая герметичная наклонная щель имеет переменное поперечное сечение, которое уменьшается к внутренней поверхности. Элемент снабжен теплоизоляционным слоем, выполненным в виде витых пучков, расположенных вертикально между наружной и внутренней поверхностями элемента и с различной длиной от наклонных поверхностей герметичных воздушных наклонных щелей. 1 ил.

Ограждающий элемент с солнечным коллектором, включающий герметичную воздушную наклоненную щель по его высоте, восходящую от наружной к внутренней поверхности элемента, причем каждая герметичная наклонная щель имеет переменное поперечное сечение, которое уменьшается к внутренней поверхности, и минимальный размер b которого определяется из соотношения b=L (tgβ+a/L - tgΨ), где L - величина горизонтальной проекции наклонной щели; а - максимальный размер поперечного сечения; β - угол между верхним основанием наклонной щели и горизонталью; Ψ - угол между нижним основанием наклонной щели и горизонталью, отличающийся тем, что снабжен теплоизоляционным слоем, выполненным в виде витых пучков, расположенных вертикально между наружной и внутренней поверхностями элемента и с различной длиной от наклонных поверхностей герметичных воздушных наклонных щелей.