Устройство системы отопления пола зданий и сооружений Российский патент 2022 года по МПК F24D3/14 

Изобретение относится к области строительства, в частности к строительству пассивных зданий, и может быть использовано для строительства теплых полов, например, полов на свайных фундаментах с проветриваемым подпольем, новых и реконструируемых зданий и сооружений.

Приоритетными областями применения изобретения являются общественные, производственные и административно-бытовые помещения первого этажа зданий и сооружений предприятий, расположенных в районах Арктики, в районах крайнего Севера и Дальнего Востока, в районах с вечномерзлыми грунтами и с низкой температурой наружного воздуха.

Широко известны традиционные устройства систем отопления теплых полов жилых, общественных, административно-бытовых и производственных зданий и сооружений, применяемые в соответствии с нормативными документами, в том числе, СП 60.13330.2012 «СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» (утв. приказом Министерства регионального развития РФ от 30 июня 2012 г. N 279). В частности, в п. 6.21 указано: «В помещениях первых этажей жилых зданий, а также в общественных, производственных и административно-бытовых помещениях с постоянными рабочими местами, расположенных в I климатическом районе с температурой наружного воздуха минус 40°С (параметры Б) и ниже, следует предусматривать системы отопления для равномерного прогрева поверхности пола.»

и далее в п. 6.4.7: «Среднюю температуру поверхности строительных конструкций со встроенными нагревательными элементами в расчетных условиях следует принимать не выше, °С: 26 - для полов помещений с постоянным пребыванием людей …».

Недостатками традиционных систем отопления пола являются существенные потери тепла в окружающую среду и неравномерное распределение температуры по поверхности пола.

Из уровня техники широко известно устройство системы отопления пола жилых и производственных помещений, содержащее отопительный змеевик горячей воды, укладываемый в теплоизоляционный слой или в опорный слой чистого пола (Статья V.Bearzi.Temibie полы. Теория и практика. Журнал АВОК, Отопление и кондиционирование, № 7, 2005 г., стр. 70-81).

Недостатками известного устройства системы отопления пола являются существенные теплопотери в случае размещения пола над грунтом (полы первого этажа здания на свайном фундаменте с вентилируемым подпольем), а также неравномерность распределения температуры по поверхности чистого пола.

Из уровня техники известна также система отопления пола жилых и производственных помещений, содержащая подающий и обратный трубопроводы и средства передачи тепловой энергии, уложенные в равноудаленных друг от друга параллельных канавках, проложенных в верхней поверхности отопительных панелей, поверх которых установлена теплопроводящая поверхность, причем, в канавки отопительных панелей в качестве средств передачи тепловой энергии уложен набор джет-труб, выполненных в виде отдельных металлических герметически запаянных корпусов с зонами испарения и конденсации, во внутреннюю полость которых под вакуумом закачан жидкий теплопроводник, и каждая из этих труб подключена к подводящему трубопроводу под углом 2-3° относительно основания отопительных панелей (RU 2357154 С2 МПК F24D 3/14 2006.01).

Данное изобретение по совокупности признаков является прототипом заявленного устройства системы отопления теплого пола зданий и сооружений.

Недостатками прототипа являются:

- существенные потери тепла в окружающую среду.

Технической задачей предлагаемого устройства является устранение указанных недостатков.

Решение поставленной технической задачи и достижение требуемого результата обеспечиваются тем, что в заявленном устройстве системы отопления пола зданий и сооружений, содержащем основание, теплоизоляционный слой, напольное покрытие и холодильную установку с компрессорно-регулирующим блоком, испарительным блоком и конденсаторным блоком, испарительный блок выполнен в виде змеевика и размещен вместе с теплораспределительными пластинами на основании пола под теплоизоляционным слоем, конденсаторный блок выполнен в виде змеевика и размещен вместе с теплораспределительными пластинами на теплоизоляционном слое под напольным покрытием, компрессорно-регулирующий агрегат содержит компрессор с инверторным приводом, теплообменный аппарат с регулятором температуры хладоагента на выходе из него, регулятор давления конденсации, регулятор давления кипения хладоагента и размещен в отапливаемом помещении, снабженном системой отопления и системой автоматического регулирования температуры воздуха внутри помещения путем изменения теплопроизводительности системы отопления, при этом система отопления содержит воздушный или водяной контур передачи тепла в отапливаемое помещение, котлы на углеводородных видах топлива, воздухонагреватели и наружные блоки систем кондиционирования, регулятор давления кипения хладоагента настроен на температуру, близкую к непрерывно измеряемой температуре окружающей среды под полом, регулятор давления конденсации и регулятор температуры паров хладоагента на выходе из теплообменника настроены на температуру, превышающую температуру внутреннего воздуха помещения на 2-6°С.

Технический результат изобретения заключается в создании устройства системы отопления пола зданий и сооружений, обеспечивающего существенное снижение энергопотребления путем возврата внутрь здания части теплопотерь, равной холодопроизводительности испарительного блока. Еще одним техническим результатом заявленного устройства является снижение вредных выбросов в окружающую среду (тепловой энергии, углекислого газа, окислов азота).

Причиной целесообразности использования предлагаемого устройства является потребность в снижении потребления энергоресурсов на отопление зданий и сооружений при новом строительстве в Арктической зоне РФ с одновременным снижением экологической нагрузки на окружающую среду в виде выбросов тепловой энергии и вредных веществ в соответствии с Государственной политикой РФ в Арктике на период до 2035 года.

Достоинствами заявляемого устройства системы отопления являются:

- снижение тепловых потерь зданий и сооружений через теплозащитные ограждения пола,

- снижение затрат энергоресурсов на отопление зданий и сооружений,

- снижение экологической нагрузки на окружающую среду,

- равномерное распределение температуры по поверхности пола,

- возможность рекуперации тепловых потерь зданий и сооружений через ограждения теплого пола.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунком, на котором представлена схема заявленного устройства системы отопления пола.

Рисунок содержит:

основание пола - несущие строительные конструкции пола здания, включающие в себя железобетонные плиты 1, теплораспределительные медные пластины 2 в канавки которых уложены медные трубы 3 испарительного блока, теплоизолирующий слой 4, например, слой экструдированного пеноплистирола, теплораспределительные медные пластины 6 в канавки которых уложены медные трубы 7 конденсаторного блока, паро- гидроизоляционная пленка 8, выравнивающий слой 5 чистого пола, например плиты ГВЛ, чистый пол, например, ламинат 9, компрессорно-регулирующий агрегат 10, в состав которого входят теплообменник 11 с регулятором температуры паров хладоагента на выходе из теплообменника, регулятор давления конденсации 12, ресивер 13, компрессор 14 с инверторным приводом, терморегулирующий вентиль 15 и регулятор давления кипения 16.

Устройство работает следующим образом.

Во время отопительного сезона (холодный период года) включают компрессорно-регулирующий агрегат 11 и поддерживают автоматически с помощью регулятора давления кипения температуру кипения хладоагента, равную или близкую к температуре наружного воздуха, которую измеряют в непосредственной близости от нижней поверхности пола, а также поддерживают автоматически с помощь, регулятора давления конденсации температуру конденсации хладона, близкую к температуре внутреннего воздуха, например, от +22 +26°С. При этом поддерживают автоматически с помощью регулятора температуру хладоагента на выходе из теплообменника на более высоком уровне, например, равном +26°С.

При низкой температуре наружного воздуха тепло от теплораспределительных металлических пластин 5 и медных труб конденсаторного блока 6 распространяется в двух направлениях: вверх, в помещение, и вниз сквозь теплоизолирующий слой 4 к теплораспределительным металлическим пластинам 2 и медным трубам 3 испарительного блока. Поскольку температуру кипения поддерживают постоянной и равной температуре наружного воздуха, то теплопередача от испарителя вниз, через железобетонное основание пола отсутствует, а весь тепловой поток из здания расходуется на испарение хладоагента.

Таким образом, тепло внутреннего воздуха, ушедшее через пол здания, перехватывается испарительным блоком (трубами 3, пластинами 2) и возвращается внутрь здания вместе с парами хладоагента через компрессорно-регулирующий агрегат.

В это же время наружная часть пола здания, состоящая из несущей строительной конструкции пола, имеет равные температуры с внутренней и внешней сторон, и по этой причине теплопотери, т.е. тепловой поток из здания наружу, равны нулю.

Пример 1

Рассмотрим новое здание класса А энергетической эффективности с проектными значениями сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, совпадающими с нормируемыми значениями по СП 60.13330.2012 "СНиП 41-01-2003.

Здание на свайном фундаменте с административными, бытовыми и производственными помещениями спроектировано для Арктических районов в зонах вечномерзлых грунтов с величиной градусо-суток отопительного периода, D_d,°C⋅сут, до 12000. В этом случае, согласно СП 50.13330.2010, таблица 4, нормируемое значение сопротивления теплопередаче пола над неотапливаемыми подпольями равно: R_reg=6,4 м²⋅°С/Вт. В данном примере во внутреннем помещении площадью 280 кв.м. на первом этаже этого здания поддерживают с помощью системы отопления температуру воздуха плюс 20°С. Температура наружного воздуха принята равной минус 20°С.

При традиционном способе устройства системы отопления пола при указанных данных теплопотери через пол будут равны:

где

Q_mn - величина теплопотерь, Вт,

S - площадь пола, м²,

R_reg - нормируемое значение сопротивления теплопередаче, м²⋅°С/Вт,

t_вн - температура внутреннего воздуха, °С,

t_нар- темпера наружного воздуха, °С.

В предлагаемом примере реализации заявленного устройства системы отопления пола компрессорно-регулирующий блок выполнен на базе компрессорно-конденсаторного агрегата RZAG35A производства фирмы Дайкин и оснащен дополнительно регулятором давления конденсации, регулятором давления кипения и регулятором температуры паров хладоагента на выходе из блока.

Основные технические характеристики агрегата RZAG35A: нижний предел рабочего диапазона минус 20°С, потребляемая мощность до 1,0 кВт, холодопроизвопроизводительность до 3,5 кВт, см. Air Conditioning Technical Data RZAG-A SkyAir. Daikin Europe N.V., EEDEN19, 03.2019.

При температуре кипения минус 20°С и температуре в помещении плюс 20°С холодопроизводительность агрегата RZAG35A равна 1790 Вт, потребляемая мощность 770 Вт.

Теплообменник агрегата RZAG35A выполняет функции теплообменника предварительного охлаждения, в котором горячие пары хладоагента охлаждают воздухом отапливаемого помещения до температуры +26°С. Змеевик конденсаторного блока из медных труб, уложенных в канавки медных теплораспределительных пластин, которые размещены на слое теплоизоляции пола, выполняет функции конденсатора.

Змеевик испарительного блока из медных труб, уложенных в канавки теплораспределительных пластин, которые размещены под слоем теплоизоляции на основании пола, выполняет функции испарителя, температура кипения в котором поддерживается равной температуре наружного воздуха.

При работе предлагаемого устройства системы отопления пола величина тепловых потерь из помещения в окружающую среду через пол равна 0, так как на нижней поверхности теплоизоляционного слоя температура поддерживается равной температуре наружного воздуха с помощью регулятора температуры кипения.

Тепло, уходящее из помещения через пол, расходуется на кипение хладоагента при температуре кипения минус 20°С и переносится парами хладоагента в компрессор и далее в помещение. В итоге, теплопотери мощностью 1,75 кВт возвращаются в помещение и, кроме того, помещение получило дополнительный источник тепла, эквивалентный мощности компрессора, равный 0,77 кВт.

Стоимость наружного блока RZAG35A в 2020 г. ниже 120 000 руб. Стоимость 1 квт ч менее 6 руб. Стоимость электроэнергии, эквивалентной возвращенным теплопотерям за месяц, превысит 7,5 тыс. руб. Отсюда следует, что срок окупаемости капитальных затрат на компрессионно-регулирующий агрегат составит 16 месяцев отопительного периода с температурой наружного воздуха порядка минус 20°С.

Дополнительным достоинством предлагаемого способа и устройства системы отопления пола является равномерность распределения температуры поверхности пола. Это обусловлено тем обстоятельством, что процесс кипения хладоагента происходит при давлении кипения, которое практически одинаково по всей длине труб испарителя.

Пример 2

При параметрах Примера 1 рассмотрим работу предлагаемой системы отопления пола при температуре наружного воздуха плюс 2°С. В этом случае настроим систему управления на температуру кипения хладона 0°С (на два градуса ниже температуры наружного воздуха).

В этих температурных условиях наружный блок RZAG35A потребляет согласно паспортным данным мощность 880 Вт и развивает холодопроизводительность 2940 Вт.

Тепловой поток через пол в окружающую среду через теплозащитную конструкцию пола в этом примере не превышают величины:

Q_mn - величина теплопотерь, Вт,

S - площадь пола, м²,

R_reg - нормируемое значение сопротивления теплопередаче, м²⋅°С/Вт,

t_вн - температура внутреннего воздуха, °С,

t_нар - темпера наружного воздуха, °С.

Определим наружный тепловой поток Q_нар через основание пола из окружающей среды к трубам и теплораспределительным пластинам испарителя. Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции пола согласно п. 2.14. табл.7, п. 2в, СНиП II-А.7-71 равен 15 ккал/(м²⋅ч⋅К), или 17,445 Вт/(м²⋅К). Термическое сопротивление R_жби пустотной железобетонной плиты перекрытия толщиной 220 мм оценивается величиной 0,159 м²⋅К/Вт. Следовательно,

Q_нар - величина теплопотерь, Вт,

S - площадь пола, м²,

R_жби - термическое сопротивление пустотной железобетонной плиты перекрытия, м²⋅°С/Вт,

t₀ - температура кипения, °С,

t_нар - темпера наружного воздуха, °С,

α_нар - коэффициент теплоотдачи с наружной стороны пола.

При этом тепловые потоки сквозь пол здания разнонаправлены:

- тепловой поток через пол с теплоизоляционным слоем и нормируемыми показателями тепловой защиты мощностью 875 Вт направлен от поверхности чистого пола к испарителю при температурном напором 20°С,

- тепловой поток через железобетонные плиты основания мощностью 2600 Вт направлен от окружающей среды к испарителю при температурном напоре 2°С.

Тепло этих двух потоков объединяется в теплообменнике и передается с парами хладона в компрессорно-регулирующий агрегат, где и выделяются внутри здания вместе с тепловым эквивалентом потребляемой компрессором электроэнергии.

Суммарная мощность теплопритоков вторичного тепла составляет

и может быть использована для отопления основных или вспомогательных помещений, например теплиц.

Изобретение может быть использовано в устройствах систем отопления пола зданий и сооружений. Устройство системы отопления пола зданий и сооружений содержит основание (1), теплоизоляционный слой (4), напольное покрытие (9) и холодильную установку с компрессорно-регулирующим агрегатом (10), испарительным блоком и конденсаторным блоком. Испарительный блок выполнен в виде змеевика (3) и размещен вместе с теплораспределительными пластинами (2) на основании (1) пола под теплоизоляционным слоем (4). Конденсаторный блок выполнен в виде змеевика (7) и размещен вместе с теплораспределительными пластинами (6) на теплоизоляционном слое (4) под напольным покрытием (5), (9). Компрессорно-регулирующий агрегат (10) содержит компрессор (14) с инверторным приводом, теплообменный аппарат (11) с регулятором (15) температуры хладоагента на выходе из него, регулятор (12) давления конденсации, регулятор (16) давления кипения хладоагента. Компрессорно-регулирующий агрегат (10) размещен в отапливаемом помещении, снабженном системой отопления и системой автоматического регулирования температуры воздуха внутри помещения путем изменения теплопроизводительности системы отопления. Система отопления содержит воздушный или водяной контур передачи тепла в отапливаемое помещение, котлы на углеводородных видах топлива, воздухонагреватели и наружные блоки систем кондиционирования. Технический результат заключается в снижении энергопотребления путем возврата внутрь здания части тепловых потерь. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство системы отопления пола зданий и сооружений, содержащее основание, теплоизоляционный слой, напольное покрытие и холодильную установку с компрессорно-регулирующим агрегатом, испарительным блоком и конденсаторным блоком,

отличающееся тем, что

испарительный блок выполнен в виде змеевика и размещен вместе с теплораспределительными пластинами на основании пола под теплоизоляционным слоем, конденсаторный блок выполнен в виде змеевика и размещен вместе с теплораспределительными пластинами на теплоизоляционном слое под напольным покрытием, компрессорно-регулирующий агрегат содержит компрессор с инверторным приводом, теплообменный аппарат с регулятором температуры хладоагента на выходе из него, регулятор давления конденсации, регулятор давления кипения хладоагента и размещен в отапливаемом помещении, снабженном системой отопления и системой автоматического регулирования температуры воздуха внутри помещения путем изменения теплопроизводительности системы отопления, при этом система отопления содержит воздушный или водяной контур передачи тепла в отапливаемое помещение, котлы на углеводородных видах топлива, воздухонагреватели и наружные блоки систем кондиционирования.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что

регулятор давления кипения хладоагента настроен на температуру, близкую к непрерывно измеряемой температуре окружающей среды под полом, регулятор давления конденсации и регулятор температуры паров хладоагента на выходе из теплообменного аппарата настроены на температуру, превышающую температуру внутреннего воздуха помещения на 2-6°С.