Изобретение относится к системам сезонного или суточного аккумулирования тепла в грунте подземного расположения и преимущественного использования его, в последующем, для целей теплоснабжения и/или кондиционирования помещений.
Заявляемый результат интеллектуальной деятельности - изобретение, предназначено для использования избыточных сезонных тепла и холода, а затем их последующее использование в противоположные сезоны с недостатком тепла или холода, соответственно для теплоснабжения или кондиционирования/охлаждения воздуха в помещениях, расположенных преимущественно в климатических зонах с умеренным климатом.
Уровень техники.
Из уровня техники известна "Скважинная система теплоснабжения с подземным теплогидроаккумулированием".
Технический результат: расширение условий применения скважинной системы теплоснабжения, расширение ее функциональных возможностей - придание возможности аккумулировать и хранить выработанную тепловую энергию, а также осуществление замкнутого цикла теплоснабжения с минимизацией затрат на создание тепловых сетей теплопотребителя и тепловых потерь в них. Скважинная система теплоснабжения с подземным теплогидроаккумулированием содержит источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, установленную в водоводе гидротурбину, кинематически соединенную с расположенным ниже вихревым теплогенератором дискового типа, корпуса которых выполнены с возможностью фиксирования и восприятия ими реактивного момента опорным элементом под динамический уровень воды, напор которого достаточен для выработки тепловой энергии. Водоводом является скважина, источником воды является поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина или перебуренная и сообщенная с ней подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами сообщения питательной емкости с водоводом, снабженные устройствами регулирования расхода воды, например регуляторами-задвижками, интервал скважины до места установки вихревого теплогенератора пробурен вертикальным методом. Скважинная система также содержит тепловодопотребитель с тепловыми сетями, имеющими входной и выходной трубопроводы. Гидротурбина и вихревой теплогенератор дискового типа агрегатированы и составляют скважинный гидротеплоагрегат, корпуса их жестко соединены, гидротурбина расположена выше вихревого теплогенератора дискового типа, опорным элементом является колонна труб, опущенная в скважину, верхний конец которой закреплен на устье скважины, гидротеплоагрегат соединен с нижним концом колонны труб. Зоной стока является поглощающий интервал природного или искусственного происхождения, например, сформированный путем трещинообразования гидроразрывом коллектор. Она дополнительно включает добычную скважину, которой перебурен, например, сформированный путем трещинообразования гидроразрывом коллектор, сообщенный с ней, а в условиях, когда нижерасположенный поглощающий интервал не пересекается с вертикальной трассой скважины, интервал скважины ниже места установки гидротеплоагрегата пробурен направленным до пересечения с зоной стока. Входной трубопровод тепловодопотребителя подключен к добычной скважине, а его выходной трубопровод - к скважине (смотр, описание патента РФ на изобретение №2371638, опубл. 27.10.2009 г.).
Известен также "Подземный теплогидроаккумулятор", включающий расположенный в подземном водоносном интервале экран-объем, сформированный с использованием пробуренного с поверхности или из горной выработки множества скважин тампонирования, причем линия, соединяющая точки заложения скважин на земной поверхности, является замкнутой, и скважинами перебурен подземный водоносный интервал, а методами тампонирования или инъектирования они на протяженности водоносного интервала, а также частично, включая его кровлю и подошву, затампонированы, при этом для создания герметичной поверхности теплогидроаккумулятора расстояние между скважинами выбрано соответствующим определенной схеме, например, с условием наложения затампонированных околоскважинных объемов при их тампонировании; скважину для зарядки его горячей водой, пробуренную с поверхности или из горной выработки до подземного водоносного интервала и сообщающую его с теплоисточником, и скважину сообщения его с теплопотребителем, а каналы скважин снабжены побудителями движения воды в них и водоносном интервале, например, насосами для обеспечения движения теплоносителя при его зарядке и теплоотборе горячей воды из него, в нем экран-объем снабжен каналом сообщения внутреннего объема экрана-объема с водоносным интервалом в нижней его части со стороны, противоположной направлению подземного водотока в нем, а пробуренные до водоносного интервала скважины зарядки теплогидроаккумулятора и сообщения его с теплопотребителем расположены в экране-объеме и разнесены между собой (смотр, описание патента РФ на полезную модель №112366, опубл. 10.01.2012 г.).
Кроме того, основные принципы и подходы аккумулирования тепла и холода в водоносных горизонтах описаны в статье Kabus F., Bartels Y. "Подземное аккумулирование тепла и холода", журнал «Теплоэнергетика», No 6, 2004 г., стр. 70-76.
Наиболее близким аналогом из уровня техники известен тепловой насос - "устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой.
Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии. По прогнозам Международного энергетического агентства, тепловые насосы будут обеспечивать 10% потребностей в энергии на отопление в странах ОЭСР к 2020 году и 30% - к 2050 году".
Среди эксплуатируемых тепловых насосов есть схему с отбором энергии от грунта земли: "самые эффективные, но и самые дорогие схемы предусматривают отбор тепла от грунта, чья температура не меняется в течение года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. По данным 2006 года в Швеции полмиллиона подобных установок, в Финляндии 50 000, в Норвегии устанавливалось в год до 70 000. При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе. На практике 0,7-1,2 метра.
Минимальное рекомендуемое производителями расстояние между трубами коллектора - 1,2…1,5 метра. Здесь не требуется бурение, но требуются более обширные земельные работы на большой площади, и трубопровод более подвержен риску повреждения. Эффективность такая же, как при отборе тепла из скважины. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее.
Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода: в глине - 50-60 Вт, в песке - 30-40 Вт для умеренных широт, на севере значения меньше. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350-450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20×20 м). При правильном расчете контур мало влияет на зеленые насаждения (смотр. Википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5o/oD0o/oBFo/oD0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%BD%D0%B0%Dl%81%D0%BE%D1%81).
Недостатками вышеуказанных известных решений являются:
- большая трудоемкость в связи со значительной глубиной залегания грунтового аккумулятора, т.к. это обусловлено использованием естественной теплопроводности грунта в качестве изолятора;
- необходимость блокировать динамику глубинных грунтовых вод с целью сокращения энергопотерь.
Недостатками прототипа являются:
- низкий уровень потенциальной тепловой энергии при использовании подповерхностных уровней грунта (-5…+5 градусов Цельсия; https://zen.yandex.ru/media/teplo/chto-takoe-teplovoi-nasos-5a7b5fb1168a91f768006849);
- невозможность существенного аккумулирования тепла или холода вследствие неприемлемой диссипации (рассеяния) из-за проникновения осадков, таяния снега и т.д. в близлежащие подповерхностные уровни грунта
Раскрытие.
Задачей заявляемого результата интеллектуальной деятельности является повышение эффективности систем отопления и кондиционирования.
Техническим результатом является экономия невозобновляемых энергетических ресурсов и повышение коэффициента трансформации теплового насоса за счет повышения или понижения уровня энергии в грунтовых аккумуляторах тепла и холода.
Под аккумулятором понимается - устройство, для накопления энергии с целью ее последующего использования. В зависимости от вида накапливаемой энергии различают гидравлические аккумуляторы, инерционные аккумуляторы, пневматические аккумуляторы, тепловые аккумуляторы и электрические аккумуляторы ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 20).
Под грунтом понимается - горные породы, залегающие в пределах зоны выветривания Земли. Представляет собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени и используемую как основание или материал, на котором возводятся здания и инженерные сооружения. Грунты подразделяются на скальные и нескальные. К скальным относятся грунты, обладающие жесткими структурными связями. По происхождению могут быть изверженными, метаморфическими и осадочными. Грунты, не имеющие жестких структурных связей, относятся к нескальным, которые делятся на крупно-обломочные (содержат по массе более 50% частиц размером свыше 2 мм), песчаные, глинистые ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с; с. 138-139).
Под сплошной средой понимается - среда, которую можно рассматривать как непрерывную, пренебрегая ее дискретным атомно-молекулярным строением ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с; с. 498).
Под центром тяжести понимается - точка, неизменно связанная с твердым телом и являющаяся центром параллельных сил тяжести, действующих на все частицы этого тела. Центр тяжести тела совпадает с центром масс тела ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с; с. 589; там же "центр масс" и "центр параллельных сил").
Под гидроизоляционными материалами понимаются - материалы для защиты строительных конструкций, зданий и сооружений от вредного воздействия воды и химических агрессивных водных растворов (кислот, щелочей, и пр.). По назначению гидроизоляционные материалы подразделяют на антифильтрационные, антикоррозийные и герметизирующие, по виду основного материала - на битумные, дегтевые, полимерные, минеральные и металлические ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с; с. 120).
Под теплоизоляционными материалами понимаются - материалы имеющие низкую теплопроводность. Основная характеристика теплоизоляционных материалов - коэффициент теплопроводности, обычно находящийся в пределах 0,02-0,2 Вт/(м⋅К). Теплоизолирующая способность теплоизоляционных материалов обусловлена их пористой структурой (пористость, как правило, более 60%). По виду основного сырья теплоизоляционные материалы делятся на органические (древесноволокнистые и торфяные плиты, фибролит, пенопласты, сотопласты и др.) и неорганические (минеральная вата, пеностекло, легкие бетоны и др.). Для высокотемпературной теплоизоляции промышленных печей, котлов и т.п.и Применяются так называемые монтажные теплоизоляционные материалы на основе асбеста (вулканит, совелит), вспученных горных пород (вермикулит, перлит) и керамики ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 525).
Существует новая эффективная теплоизоляция Thermal-Coat с заявленным коэффициентом теплопроводности 0,005 Вт/(м⋅К) (http://www.tcceramic.ru/texnicheskie-xarakteristiki).
Коэффициент теплопроводности вакуума принимается строго равным нулю, при этом известны теплоизоляции, использующие вакуумные полости (смотр, описание патента РФ на изобретение №2290481, опубл. 27.12.2006 г.).
Под сопротивлением теплопередаче понимают величину, обратную теплопроводности и характеризующую теплозащитные свойства конструкции, размерность (м2⋅К)/Вт (смотр. Википедия, https://ru.wikipedia.org/wiki/% D0%A1%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%ВВ%D0%B_5% D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%82%D0%В5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D0%B5 %D1%80%D0%B5%D0%В4%D0%B0%D1%87%D0%B5_%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0 %D0%В6%D0%B4%D0%B0%D1%8E%D1%89%D0%B8%D1%85_%D0%BA%D0%BE%D0%BD %D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B9%#CITEREFCП_50.1 3330.20122012).
Под фундаментом понимается - подземная или подводная часть здания (сооружения), через которую передается нагрузка на грунт основания ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 578).
Под дреной понимается - подземный искусственный водоток (труба, скважина, полость) для сбора и отвода грунтовых вод и аэрации почвы. Дрены различают по назначению (осушители, коллекторы), конструкции и материалам (деревянные, гончарные, пластмассовые). Прокладываются дренажными машинами ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 163-164; там же "дренаж сооружений", "дренажные машины", "дренажные трубы").
Под тепловой трубой понимается - устройство, способное передавать большие тепловые мощности при малых перепадах температуры. Состоит из герметизированной трубы, частично заполненной жидким теплоносителем, который испаряясь у одного конца тепловой трубы, поглощает теплоту, а затем конденсируясь у другого конца трубы, отдает ее. Движение пара происходит за счет разности давлений насыщенного пара в зонах испарения и конденсации. Обратное движение жидкости осуществляется либо под действием силы тяжести, либо по капиллярной структуре (фитимо), расположенной обычно на внутренних стенках тепловой трубы. Применяется в энергетике, космической технике и т.д. ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 524).
Под траншейным экскаватором понимается - машина для рытья траншей под кабели связи, газо-, нефтепроводы, трубопроводы канализации, и т.п.По виду рабочего оборудования подразделяются на цепные со скребковым рабочим органом, цепные многоковшовые, роторные многоковшовые и роторные бесковшовые (фрезерные). Для работы в мерзлых грунтах траншейные экскаваторы снабжаются специальным сменным оборудованием. Траншейные экскаваторы выпускаются на пневмоколесном и гусеничном ходах или на базе трактора с ходоуменьшителем - дополнительной коробкой передач, уменьшающей скорость движения трактора. Производительность траншейного экскаватора, например при ширине траншеи 900 мм и глубине 1100 мм, - 45 км/ч ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 543).
Под оболочкой понимается - пространственная конструкция, ограниченная двумя криволинейными поверхностями, расстояние между которыми мало по сравнению с остальными ее размерами ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 339).
Под термоэлектрическими явлениями понимается - группа физических явлений, обусловленных существованием взаимосвязи между тепловыми и электрическими процессами в проводниках и полупроводниках. К термоэлектрическим явлениям относят Зеебека явление, Пельтье явление и Томсона явление ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 530).
Под явлением Зеебека понимается - возникновение термоэдс в замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников тока (или полупроводников), спаи которых находятся при различной температуре. Зеебека явление используется в термоэлементах ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 178).
Под Пельтье явлением понимается - выделение или поглощение теплоты в месте контакта двух веществ (металлов, полупроводников) при прохождении через контакт электрического тока. При изменении направления тока эффект меняет знак. Количество выделяющейся (или поглощающейся) теплоты Q пропорционально электрическому заряду q, проходящему через контакт: Q=П*q, где П - коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих веществ и температуры. Пельтье явление используется, например, в холодильных установках, работающих на полупроводниках ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 368).
Под Томсона явлением понимается - выделение или поглощение (в зависимости от направления тока) теплоты, помимо джоулевой, в проводнике с током, в котором существует перепад температур. Эффект (теплота Томсона) описывается формулой: Q=τItΔT, где I - сила тока, t - время, ΔТ - перепад температур, τ - коэффициент Томсона, зависящий от материала проводника ("Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: "Советская энциклопедия", 1989. - 656 с.; с. 537).
Под конечным множеством понимается множество, количество элементов которых конечно
(https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BC%D0%BD%D0%BE%D0%B6%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE).
Если прямая или кривая совпадает с плоскостью или криволинейной плоскостью на некотором отрезке, то число общих точек бесконечно, как число точек содержащихся в отрезке.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что применяют способ аккумулирования тепла в ограниченном подземном грунте от энергии солнечного излучения, энергии тепла атмосферного воздуха, энергии искусственной генерации, включающий подведение энергии в грунт для ее накопления и вывода для ее использования, преимущественно, в целях теплоснабжения, при том, что используют сплошной/единый объем грунта не менее 5 куб.м с центром тяжести, находящимся на расстоянии от 0,1 м до 10 м от поверхности земли, ограниченный оболочкой из гидроизоляции и теплоизоляции с сопротивлением теплопередачи от 0,5 (м2⋅К)/Вт до 250 (м2⋅К)/Вт, при этом имеется, по меньшей мере, одна геометрическая прямая, которая пересекается с ограничивающей криволинейной поверхностью оболочки в конечном множестве точек не менее двух.
Кроме того, могут использовать объем грунта, находящийся под строением в пределах границ фундамента.
Кроме того, могут использовать объем грунта, находящийся под газоном.
Кроме того, могут использовать объем грунта, находящийся под тротуарным или автодорожным покрытием.
Кроме того, могут использовать объем грунта, находящийся выше максимального сезонного уровня грунтовых вод.
Кроме того, могут использовать объем грунта с искусственным понижением уровня грунтовых вод, в том числе с помощью закрытого или открытого дренажа.
Кроме того, с целью аккумулирования тепла для подведения или вывода энергии могут использовать контуры теплового насоса.
Кроме того, с целью аккумулирования тепла для подведения или вывода энергии могут использовать термоэлектрические контуры на эффекте Зеебека, Пельтье или явлении Томсона.
Кроме того, с целью аккумулирования тепла для его осуществления могут использовать тепловые трубы с установкой испаряющей части над вне грунта, а конденсирующей части в теле объема грунта.
В варианте создания запаса охлаждения применяют способ аккумулирования холода в ограниченном подземном грунте от атмосферного воздуха, энергии искусственной генерации, включающий подведение охлаждения в грунт для его накопления и вывода для использования, преимущественно, в целях кондиционирования, при том, что используют сплошной/единый объем грунта не менее 5 куб.м с центром тяжести, находящимся на расстоянии от 0,1 м до 10 м от поверхности земли, ограниченный оболочкой из гидроизоляции и теплоизоляции с сопротивлением теплопередачи от 0,5 (м2⋅К)/Вт до 250 (м2⋅К)/Вт, при этом имеется, по меньшей мере, одна геометрическая прямая, которая пересекается с ограничивающей криволинейной поверхностью оболочки в конечном множестве точек не менее двух.
Кроме того, могут использовать объем грунта, находящийся под строением в пределах границ фундамента.
Кроме того, могут использовать объем грунта, находящийся под газоном.
Кроме того, могут использовать объем грунта, находящийся под тротуарным или автодорожным покрытием.
Кроме того, могут использовать объем грунта, находящийся выше максимального сезонного уровня грунтовых вод.
Кроме того, могут использовать объем грунта с искусственным понижением уровня грунтовых вод, в том числе с помощью закрытого или открытого дренажа.
Кроме того, с целью аккумулирования холода для подведения или вывода энергии могут использовать контуры теплового насоса.
Кроме того, с целью аккумулирования холода для подведения или вывода энергии могут использовать термоэлектрические контуры на эффекте Зеебека, Пельтье или явлении Томсона.
Кроме того, с целью аккумулирования холода для его осуществления могут использовать тепловые трубы с установкой конденсирующей части над поверхностью на открытом воздухе, а испаряющей части в теле объема грунта, аккумулирующего холод.
Кроме того, с целью аккумулирования тепла или холода могут использовать гибкую оболочку из гидроизоляции и теплоизоляции с сопротивлением теплопередачи от 0,5 (м2⋅К)/Вт до 250 (м2⋅К)/Вт.
Осуществление.
Заявляемый результат интеллектуальной деятельности может быть реализован, например, следующим образом.
Имеется система отопления индивидуального жилого дома с помощью теплового насоса с отбором тепла от грунта с контуром в горизонтальной плоскости (https://zen.yandex.ru/media/teplo/chto-takoe-teplovoi-nasos-5a7b5fb1168a91f768006849; или журнал "Дом" №19/2018, стр. 66, Свидетельство о регистрации ПИ №ФС77-72828 от 17.05.2018). В рамках заявляемого изобретения, объем грунта с контуром окружен гидроизоляцией и теплоизоляцией. При этом оболочка может быть различной, например гибкой и ограждающей грунтовый объем с пяти граней: сверху и с четырех боковых сторон. Солнечный коллектор с газовым теплоносителем по собственному самостоятельному закольцованному контуру постоянно (в дневное время) нагревает указанный подземный теплоизолированный грунтовый объем. Регулировка происходит автоматически. Поскольку газовый теплоноситель (например, осушенный воздух), пройдя по грунту приобретает его текущую температуру, а затем пройдя по солнечному коллектору, приобретает дополнительную температуру и энергию, которую затем отдает грунту.
Циркуляционная прокачка газового теплоносителя потребляет незначительную энергию и может осуществляться за счет небольших солнечных батарей, также автоматически начинающих работать в дневное время с восходом солнца.
Солнечный коллектор постоянно круглогодично накапливает энергию солнечного излучения в грунтовый аккумулятор за счет теплоемкости грунта и повышения его температуры. Температура подземного грунтового аккумулятора может повышаться до 95 градусов Цельсия. Более высокая температура нецелесообразна по соображениям технической безопасности, чтобы не происходило вскипание атмосферной воды, которая может попасть в грунтовый аккумулятор вследствие нештатного повреждения гидроизоляции.
Отбор энергии осуществляется обычным путем - через контур низкопотенциального тепла для теплового насоса, далее через контур высокопотенциального тепла теплового насоса на цели теплоснабжения или горячего водоснабжения индивидуального жилого дома. При существенной накопленной температуре грунтового аккумулятора, энергоперенос осуществляется напрямую без трансформационных затрат/потерь теплового насоса.
Накапливание энергии в грунтовый аккумулятор может происходить и с помощью тепловых труб. При этом испаряющая часть располагается на открытом воздухе и ниже уровня испаряющего контура тепловой трубы в грунтовом аккумуляторе. Работа тепловой трубы начинается автоматически при превышении температуры атмосферного воздуха над температурой грунтового аккумулятора. Максимальная температура грунтового аккумулятора при таком варианте не будет превышать максимальную дневную температуру атмосферы в теплый сезон года.
Накапливание холода осуществляется в холодный сезон года с помощью тепловой трубы, при этом конденсирующая часть расположена выше уровня поверхности на открытом воздухе, а испаряющая часть в теле грунтового аккумулятора. Тепловая труба автоматически начинает выводить тепло из грунта, если его температура превышает температуру окружающего воздуха, и автоматически прекращает работу, если текущая температура теплового аккумулятора становится ниже температуры атмосферы, т.е., например, в теплый сезон.
Холод, накопленный, в соответствующем грунтовом аккумуляторе используется для кондиционирования воздуха в жилых помещениях. При существенной накопленной низкой температуре холодного грунтового аккумулятора, теплоперенос (из помещений в грунт) осуществляется без энергозатрат/потерь трансформации теплового насоса.
Подобные системы, охлаждающие массив грунта с помощью сезонно функционирующих тепловых труб, - используются на северных линиях железнодорожных путей системы РЖД РФ для поддержания стабильности земляного полотна в условиях вечной мерзлоты (http://www.rzdtv.ru/2018/11/28/slozhnaya-elektronika-2/).
Грунтовые аккумуляторы могут быть получены путем прорезания цепными траншеекопателями узких канав по периметру грунтовых модулей и затем заполнением их тепло- и гидроизоляцией. Сверху грунтовый аккумулятор также закрывается тепло- и гидроизоляцией, например, матами с минеральной ватой. На поверхности грунтового аккумулятора может располагаться газон, автопарковка, беседка, клумбы и т.д. Кроме того, грунтовый аккумулятор можно также разместить внутри периметра фундамента самого сооружения.
Кроме того, грунтовый аккумулятор тепла может иметь в плане кольцевую, спиральную и иную форму, диктуемую застройкой земельного участка. Форма изолирующей оболочки вокруг грунта может быть второго и более порядка, что определяется количеством пересечений геометрической прямой с ограничивающей криволинейной поверхностью оболочки. Т.е., это может быть перевернутый "ящик, параллелепипед, полуцилиндр, тор и т.д.
Расчет системы отопления с солнечными термопанелями и грунтовым накопителем тепла.
Исходные размерности:
1 кВт*ч=3.600.000 Дж или 859.189 Кал или 859 кКал
1-н квадратный метр земной поверхности в средних широтах принимает 3-5 кВт*ч солнечной энергии.
За 365 дней в году по нижнему пределу получается
3 кВтч*365дн=1095 кВт*ч/кв.м за год.
Энергозатраты на отопление 1 кВт на 10 кв.м ("советский стандарт"), 1 кВт на ~20 кв.м по более современным нормативам.
Т.е. 0,05 кВт/кв.м мощности на 1 кв.м отапливаемой площади, за сутки 1,2 кВт*ч/кв.м на 1 кв.м отапливаемой площади, 216 кВт*ч/кв.м за отопительный сезон 180 суток на 1 кв.м отапливаемой площади.
Таким образом 1 кв.м. солнечной термопанели (КПД 97%)за 365 суток в году накапливает энергии достаточной, для отопления в течение 180 суток - 5,1 кв.м.
Для сезонного накопления тепловой энергии понадобится грунтовый тепловой аккумулятор следующих параметров.
Объемная теплоемкость грунта, малой влажности и по среднему минимуму равна 320 кКал/куб.м*К=0,37 кВт*ч/куб.м*К, т.е. ~1/3 от теплоемкости воды.
При накопительном нагреве с 20 до 70 градусов температурная дельта составит 50 градусов, а 1-н кубометр грунтового аккумулятора накопит 18,6 кВт*ч тепловой энергии. Исходя из этого, для 1 кв.м. отапливаемой площади за сезон понадобится энергия из 11,6 куб.м. подземного теплового аккумулятора.
С учетом круглогодичной работы солнечных термопанелей понадобится пропорционально меньше, а именно (180/365)*11,6 куб.м=5,7 куб.м. грунта подземного теплового аккумулятора.
В итоге для дома площадью 150 кв.м понадобятся:
- солнечная термопанель площадью 6*5=30 кв.м, например в виде односкатный крыши гаража, под углом 55 градусов (=широта местности) и азимутом на Юг (для Северного полушария);
- грунтовый тепловой аккумулятор для сезонного накопления тепла от солнечной термопанели объемом 855 куб.м., т.е. площадью ~20 м*20 м и глубиной 2 м.
При температурной дельте работы грунтового аккумулятора в 90-20=70 градусов, для тех же условий понадобится грунтовый объем в ~600 куб.м.
Для осуществления запаса сезонного холода можно исходить из следующего приближенного расчета.
Для кондиционирования в течение 1 суток для теплового насоса/централизованной сплит-системы понадобится ~0,5 куб.м грунта, охлажденного до минимальной зимней температуры (-15-20 гр. Цельсия). При максимальном сезоне кондиционирования 180 суток понадобится подземный холодильный аккумулятор объемом ~8 м*8 м*1,41 м=90 куб.м.
Кроме того, запасание энергии в подземных грунтовых аккумуляторах может производиться с помощью электрических контуров на явлен ии/эффекте Пельтье, когда соответствующие изолированные грунты нагреваются или охлаждаются. Съем запасенного охлаждения также может производиться на эффекте Пельтье, при этом нагревающий контур Пельтье будет стремиться нагреть замороженный грунт, а, соответственно, охлаждающий элемент при этом более энерго-эффективно охлаждает помещения.
Заявляемый результат интеллектуальной деятельности соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение относится к системам сезонного или суточного аккумулирования тепла в грунте подземного расположения и преимущественного использования его в последующем для целей теплоснабжения и/или кондиционирования помещений. Изобретение предназначено для использования избыточных сезонных тепла или холода, а затем их последующего использования в противоположные сезоны с недостатком тепла или холода, соответственно для теплоснабжения или кондиционирования/охлаждения воздуха в помещениях. Задачей изобретения является повышение эффективности систем отопления и кондиционирования. Техническим результатом является экономия невозобновляемых энергетических ресурсов и повышение коэффициента трансформации теплового насоса за счет повышения или понижения уровня энергии в грунтовых аккумуляторах тепла и холода путем тепло- и гидроизоляции грунтовых аккумуляторов. Изобретение соответствует критерию «промышленная применимость». 2 н. и 17 з.п. ф-лы.
1. Способ аккумулирования тепла в ограниченном подземном грунте от энергии солнечного излучения, энергии тепла атмосферного воздуха, энергии искусственной генерации, включающий подведение энергии в грунт для ее накопления и вывода для ее использования, преимущественно, в целях теплоснабжения, отличающийся тем, что используют сплошной объем грунта не менее 5 куб.м с центром тяжести, находящимся на расстоянии от 0,1 м до 10 м от поверхности земли, ограниченный оболочкой из гидроизоляции и теплоизоляции с сопротивлением теплопередачи не менее 1,0 (м2⋅K)/Вт, при этом имеется, по меньшей мере, одна геометрическая прямая, которая пересекается с ограничивающей криволинейной поверхностью оболочки в конечном множестве точек не менее двух.
2. Способ аккумулирования тепла по п. 1, отличающийся тем, что используют объем грунта, находящийся под строением в пределах границ фундамента.
3. Способ аккумулирования тепла по п. 1, отличающийся тем, что используют объем грунта, находящийся под газоном.
4. Способ аккумулирования тепла по п. 1, отличающийся тем, что используют объем грунта, находящийся под тротуарным или автодорожным покрытием.
5. Способ аккумулирования тепла по п. 1, отличающийся тем, что используют объем грунта, находящийся выше максимального сезонного уровня грунтовых вод.
6. Способ аккумулирования тепла по п. 1, отличающийся тем, что используют объем грунта с искусственным понижением уровня грунтовых вод, в том числе с помощью закрытого или открытого дренажа.
7. Способ аккумулирования тепла по п. 1, отличающийся тем, что для подведения или вывода энергии используют контуры теплового насоса.
8. Способ аккумулирования тепла по п. 1, отличающийся тем, что для подведения или вывода энергии используют термоэлектрические контуры на эффекте Зеебека, Пельтье или явлении Томсона.
9. Способ аккумулирования тепла по п. 1, отличающийся тем, что для его осуществления используют тепловые трубы с установкой испаряющей части над вне грунта, а конденсирующей части в теле объема грунта.
10. Способ аккумулирования холода в ограниченном подземном грунте от атмосферного воздуха, энергии искусственной генерации, включающий подведение охлаждения в грунт для его накопления и вывода для использования, преимущественно, в целях кондиционирования, отличающийся тем, что используют сплошной объем грунта не менее 5 куб.м с центром тяжести, находящимся на расстоянии от 0,1 м до 10 м от поверхности земли, ограниченный оболочкой из гидроизоляции и теплоизоляции с сопротивлением теплопередачи не менее 1,0 (м2⋅K)/Вт, при этом имеется, по меньшей мере, одна геометрическая прямая, которая пересекается с ограничивающей криволинейной поверхностью оболочки в конечном множестве точек не менее двух.
11. Способ аккумулирования холода по п. 10, отличающийся тем, что используют объем грунта, находящийся под строением в пределах границ фундамента.
12. Способ аккумулирования холода по п. 10, отличающийся тем, что используют объем грунта, находящийся под газоном.
13. Способ аккумулирования холода по п. 10, отличающийся тем, что используют объем грунта, находящийся под тротуарным или автодорожным покрытием.
14. Способ аккумулирования холода по п. 10, отличающийся тем, что используют объем грунта, находящийся выше максимального сезонного уровня грунтовых вод.
15. Способ аккумулирования холода по п. 10, отличающийся тем, что используют объем грунта с искусственным понижением уровня грунтовых вод, в том числе с помощью закрытого или открытого дренажа.
16. Способ аккумулирования холода по п. 10, отличающийся тем, что для подведения или вывода холода используют контуры теплового насоса.
17. Способ аккумулирования холода по п. 10, отличающийся тем, что для подведения или вывода холода используют термоэлектрические контуры на эффекте Зеебека, Пельтье или явлении Томсона.
18. Способ аккумулирования холода по п. 10, отличающийся тем, что для его осуществления используют тепловые трубы с установкой конденсирующей части над поверхностью, а испаряющей части в теле объема грунта.
19. Способ аккумулирования по пп. 1 и 10, отличающийся тем, что для его осуществления используют гибкую оболочку.
| СИСТЕМА НАПОЛЬНОГО ОТОПЛЕНИЯ (ОХЛАЖДЕНИЯ) | 2013 |
|
RU2552975C2 |
| ХОЛОДИЛЬНИК-АККУМУЛЯТОР ЗИМНЕГО ХОЛОДА | 2000 |
|
RU2201565C2 |
| US 2009308566 A1, 17.12.2009. | |||
