Теплоаккумуляционная электроотопительная установка с потолочным вентилятором Российский патент 2025 года по МПК F24H3/04 F24H7/02 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к электрооборудованию для отопления производственных и вспомогательных помещений сельскохозяйственного назначения, в частности для производственных и животноводческих помещений.

Отопление высоких помещений, к которым можно отнести помещения сельскохозяйственного назначения, требует много энергии на отопление, существенная часть которой теряется без всякой пользы из-за расслоения воздуха в помещении по температуре. Температурное расслоение воздуха по высоте помещения (градиент или дифференциал) образуется за счет того, что теплый воздух легче холодного и в соответствии с законами физики поднимается вверх, скапливаясь в потолочной зоне, в то время как холодный опускается вниз к полу. Чем выше помещение, тем больше разница температур у пола и потолка, тем существеннее затраты энергии на отопление. Поскольку в нижней зоне находятся животные, работают люди, располагается различное оборудование и приборы, то температуру необходимо поддерживать именно в нижней зоне, перегревая воздух вверху, что и приводит к увеличению теплопотерь здания. Затраты еще более возрастают, если из верхней зоны обогреваемого помещения перегретый воздух удаляется системой вытяжной вентиляции.

Снизить затраты на отопление можно путем перемещения и перемешивания воздуха так, чтобы уменьшить разницу температур между верхней и нижней зонами помещения. Для этой цели широко используются малошумные потолочные вентиляторы, которые имеют специально спрофилированные лопасти, эффективно направляющие теплый воздух в нижнюю зону, несмотря на его стремление подняться вверх. Благодаря работе потолочных вентиляторов температурное расслоение по высоте помещения уменьшается, а затраты на отопление снижаются (Д.Н. Мурусидзе, А.М. Зайцев, и др. «Установки для создания микроклимата на животноводческих фермах», Изд. 2-е, переработанное и доп. - М.: Колос, 1979, 327 с., ил.).

На основании теоретических и натурных испытаний установлено, что применение потолочных вентиляторов позволяет не только иметь эффект охлаждения животных в теплое время года, но и экономить тепловую энергию в отопительный период за счет выравнивания температуры воздуха по высоте помещения (Трунов С.С., Растимешин С.А. Экономия энергии при использовании потолочны х вентиляторов в животноводческих помещениях. Вестник ВИЭСХ №3(24)2016. С.35-38).

Известны электрические теплоаккумулирующие устройства сельскохозяйственного назначения для подогрева приточного холодного воздуха в системах вентиляции и обеспечения микроклимата коровников, выполненные из жаропрочного бетона с магнезитовой крошкой или магнезитовых кирпичей (Aleksei V. Khimenko, Dmitry A. Tikhomirov, Aleksey V. Kuzmichev, Stanislav S. Trunov, Olga V. Shepovalova. Thermal characteristics and operation efficiency of solid-state electro thermal storage. Energy Reports. 2021. Vol.7, S.5. 219-231. – ISSN 2352-4847. doi.org/10.1016/j.egyr.2021.07.129).

Недостатком известных теплоаккумулирующих устройств является отсутствие дополнительного электроотопительного прибора для работы установки во время зарядки теплоаккумулятора, а также не обеспечивается равномерное распределение температуры воздуха по высоте помещения, что приводит к перерасходу теплоты на обогрев помещения.

Известен электроотопительный прибор с аккумуляцией тепла, у которого «зарядка» теплового аккумулятора статическая, а теплоотдача – регулируемая (Ерошенко Г.П., Спиридонов А.А., Глубокий Ю.П. «Результаты эксплуатации распределенных аккумулирующих электроотопителей» – Труды Саратовского института механизации сельского хозяйства 1979 г., вып. 124, с. 18…28). Теплоотдача электроотопительного прибора осуществляется за счет вертикальных каналов в массиве сердечника теплоаккумулятора, выполненного из керамики (магнезита), через которые проходит нагреваемый воздух.

Недостатками известного прибора являются неудовлетворительные аэродинамические характеристики электроотопительного прибора с аккумуляцией тепла, поскольку центр нагрева и центр охлаждения в данной конструкции практически совпадают, и отсутствие нагревателей, работающих на обогрев помещений во время «зарядки» сердечника, что делает его пригодным только для отопления помещений с периодическим использованием, а также не обеспечивается равномерное распределение температуры воздуха по высоте помещения, что приводит к перерасходу теплоты на обогрев помещения.

Известны электрообогревательные панели и блоки, изготовленные из бетона с магнезитовым (шамотным) наполнением с встроенным электрическим нагревательным элементом (Ерошенко Г.П., Спиридонов А.А., Глубокий Ю.П. «Теплоаккумуляционные электрообогреватели» в журнале «Техника в сельском хозяйстве» 1981 г., №2, стр. 28-29). В таких конструкциях теплоотдача осуществляется от наружных поверхностей прибора путем излучения и естественной конвекции.

Недостатком известных электрообогревательных панелей и блоков является то, что «разрядка» теплоаккумулирующего устройства происходит статически, без регулирования по мере естественного остывания сердечника, а тепловые потребности помещения не увязаны с подобной нерегулируемой теплоотдачей и не всегда эффективно поддерживают требуемую температуру, неравномерно распределенную по высоте в помещении.

Известен электроотопительный прибор с аккумуляцией тепла, содержащий теплоизолированный корпус с теплоизолированной стенкой, образующей две камеры, соединенные между собой воздушным каналом, в одной из камер расположен теплоаккумулирующий сердечник с электрическими нагревательными элементами, а в другой камере, имеющей входное отверстие для подачи холодного воздуха и выходное отверстие для выхода заданного воздушного потока нужной температуры, для отапливаемого помещения установлен электроконвектор прямого нагрева с электрическими нагревательными элементами, в камере с теплоаккумулирующим сердечником, входное отверстие содержит регулируемую воздушную заслонку, а в воздушном канале установлена регулируемая заслонка, регулирование которой зависит от температуры воздуха в отапливаемом помещении (патент РФ № 151036, МПК F24H 3/04, опубл. 20.03.2015, бюл. №8).

Недостатком известного электроотопительного прибора с аккумуляцией теплоты является то, что при работе прибора происходит расслоение температуры воздуха по высоте помещения (теплый воздух скапливается наверху помещения), что приводит к перерасходу теплоты на обогрев помещения, большие затраты электроэнергии.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является комбинированный теплоаккумуляционный электроотопительный прибор, содержащий теплоизолированный корпус с теплоизолированной стенкой, образующей две камеры, соединенные между собой воздушным каналом, в одной из камер расположен теплоаккумулирующий сердечник с электрическими нагревательными элементами, а в другой камере, имеющей входное отверстие для подачи холодного воздуха и выходное отверстие для выхода заданного воздушного потока нужной температуры для отапливаемого помещения, установлен электроконвектор прямого нагрева с электрическими нагревательными элементами, в камере с теплоаккумулирующим сердечником входное отверстие содержит регулируемую воздушную заслонку, а в воздушном канале установлена регулируемая заслонка, регулирование которой зависит от температуры воздуха в отапливаемом помещении, в теплоаккумулирующем сердечнике установлен термодатчик, позволяющий контролировать и задавать нужную температуру теплоаккумулирующего сердечника (патент РФ № 171695, МПК F24H 3/04, F24H 7/02, опубл. 13.06.2017, бюл. №17).

Недостатками известного теплоаккумуляционного электроотопительного прибора являются большие затраты энергии на отопление помещений, неравномерное распределение температуры воздуха по высоте помещения (теплый воздух скапливается наверху помещения), что приводит к перерасходу теплоты на обогрев помещения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение затрат энергии, уменьшение расслоения температуры воздуха в обогреваемом помещении по высоте, поддержание требуемой равномерной температуры обогрева, использование ночного льготного тарифа на электроэнергию, уменьшение тепловой мощности и повышение КПД.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность снизить затраты электроэнергии, уменьшить расслоение температуры воздуха по высоте помещения, использовать ночной льготный тариф на электроэнергию, уменьшить тепловую мощность и повысить КПД за счет того, что в обогреваемом помещении установлены потолочный вентилятор для расслоения температуры воздуха по высоте помещения, датчик температуры воздуха в верхней зоне помещения и датчик температуры воздуха в нижней зоне помещения, соединенные с блоком управления, а регулируемая воздушная заслонка, регулирование которой зависит от температуры воздуха в отапливаемом помещении, для выхода заданного воздушного потока нужной температуры для отапливаемого помещения, предназначена для перераспределения потоков воздуха либо нагретого от теплоаккумулирующего сердечника, либо холодного, поступающего в электроконвектор, установлена между совмещенными выходным отверстием для выхода заданного воздушного потока нужной температуры из воздушного канала и входным отверстием для подачи холодного воздуха в электроконвектор.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что теплоаккумуляционная электроотопительная установка с потолочным вентилятором, содержащая теплоизолированный корпус, имеющий входное отверстие с регулируемой воздушной заслонкой для подачи холодного воздуха и выходное отверстие с регулируемой воздушной заслонкой, регулирование которой зависит от температуры воздуха в отапливаемом помещении, для выхода заданного воздушного потока нужной температуры для отапливаемого помещения, теплоаккумулирующий сердечник с электрическими нагревательными элементами, термодатчик, позволяющий контролировать и задавать нужную температуру теплоаккумулирующего сердечника, и электроконвектор прямого нагрева с электрическими нагревательными элементами, входным отверстием для холодного воздуха и выходным отверстием для нагретого воздуха, согласно изобретению, снабжена потолочным вентилятором, датчиком температуры воздуха верхней зоны помещения и датчиком температуры воздуха нижней зоны помещения, установленными в помещении и соединенными с блоком управления, при этом теплоаккумуляционный сердечник с электрическими нагревательными элементами и термодатчик расположены в корпусе, в нижней части которого установлен электровентилятор, входное отверстие для холодного воздуха с регулируемой воздушной заслонкой в воздушный канал и выходное отверстие для заданного воздушного потока нужной температуры из воздушного канала с регулируемой воздушной заслонкой, причем электроконвектор закреплен на стенке корпуса с выходным отверстием для нагретого воздуха, а регулируемая воздушная заслонка установлена между совмещенными выходным отверстием для выхода заданного воздушного потока нужной температуры из воздушного канала и входным отверстием для подачи холодного воздуха в электроконвектор.

Для уменьшения температурного расслоения воздуха в помещениях используется контролирующая температуру система. Основываясь на показаниях датчиков, расположенных в верхней и нижней зонах помещения, и заданной пользователем допустимой разности температур, контролирующая система автоматически изменяет скорость вращения потолочных вентиляторов, выравнивая температуру воздуха в помещении.

Применение электроэнергии как одного из эффективных теплоносителей для отопления помещений позволяет использовать ночной льготный тариф на электроэнергию. Для чего целесообразно эффективно применять теплоаккумулирующие устройства, которые включаются в сеть в часы «провалов» графиков суточных нагрузок энергосистемы. За время подключения к электрической сети тепловой аккумулятор, входящий в конструкцию теплоаккумулирующего устройства, сердечник которого выполнен, как правило, из шамота (керамики, чугуна) заряжается (накапливает тепло), а в часы максимальной нагрузки в энергосистеме – разряжается, отдает накопленное тепло.

Изобретение поясняется фигурами.

На фиг.1 представлена общая схема теплоаккумуляционной электроотопительной установки с потолочным вентилятором; на фиг.2 показан график распределения температуры воздуха обогрева по высоте животноводческого помещения (в профилактории для телят).

Теплоаккумуляционная электроотопительная установка с потолочным вентилятором содержит теплоизолированный корпус 1, теплоаккумулирующий сердечник 2, электрические нагревательные элементы 3, электровентилятор 4, впускную регулируемую воздушную заслонку в корпусе для холодного воздуха 5, воздушный канал 6, термодатчик 7, выпускную регулируемую воздушную заслонку в корпусе для нагретого воздуха 8, потолочный вентилятор 9, блок управления 10, датчик температуры воздуха верхней зоны помещения 11, датчик температуры воздуха нижней зоны помещения 12, входное отверстие в корпусе для холодного воздуха 13, выходное отверстие в корпусе для нагретого воздуха 14, электроконвектор 15, электрические нагревательные элементы 16, входное отверстие в электроконвекторе для холодного воздуха 17, выходное отверстие в электроконвекторе для нагретого воздуха 18.

В теплоизолированном корпусе 1 размещены теплоаккумулирующий сердечник 2 с электрическими нагревательными элементами 3 и термодатчик 7, позволяющий контролировать и задавать нужную температуру теплоаккумулирующего сердечника 2. Между стенками корпуса 1 и теплоаккумулирующим сердечником 2 находится воздушный канал 6. В нижней части корпуса 1 установлен электровентилятор 4, соединенный с блоком управления 10, подающий холодный воздух в воздушный канал 6. В нижней части корпуса 1 также выполнено входное отверстие для подачи холодного воздуха 13 с впускной регулируемой воздушной заслонкой для холодного воздуха 5 и выходное отверстие в корпусе для нагретого воздуха 14 для отапливаемого помещения с выпускной регулируемой воздушной заслонкой для нагретого воздуха 8. Впускная регулируемая воздушная заслонка в корпусе для холодного воздуха 5 предназначена для ограничения доступа приточного холодного воздуха во время «зарядки» теплоаккумулирующего сердечника 2 и регулирования температуры воздуха в помещении. На стенке корпуса 1 с выходным отверстием для нагретого воздуха 14 закреплен электроконвектор 15 с электрическими нагревательными элементами 16, с входным отверстием для холодного воздуха 17 и выходным отверстием для нагретого воздуха 18. Выпускная регулируемая воздушная заслонка в корпусе для нагретого воздуха 8 предназначена для перераспределения потоков воздуха либо нагретого от теплоаккумулирующего сердечника 2, либо холодного, поступающего в электроконвектор 15, и установлена между выходным отверстием в корпусе для нагретого воздуха 14 из воздушного канала 6 и входным отверстием в электроконвекторе для холодного воздуха 17. Уровень регулирования выпускной воздушной заслонки в корпусе для нагретого воздуха 8 зависит от температуры воздуха в отапливаемом помещении.

Потолочный вентилятор 9 позволяет устранить расслоение температуры воздуха по высоте в обогреваемом помещении и расположен в верхней зоне помещения. Датчики температуры воздуха 11 и 12 установлены в верхней и нижней зонах помещения соответственно. Потолочный вентилятор 9 и датчики температуры воздуха 11 и 12 соединены с блоком управления 10.

Работает теплоаккумуляционная электроотопительная установка с потолочным вентилятором следующим образом.

Принцип действия теплоаккумуляционной электроотопительной установки основан на совместной работе теплоаккумулирующего сердечника 2, термодатчика 7, электроконвектора прямого нагрева 15, потолочного вентилятора 9, датчиков температуры воздуха в верхней и в нижней зонах помещения 11, 12 и электровентилятора 4.

При включении электрических нагревательных элементов 3 в период действия льготного ночного тарифа на электроэнергию нагревается теплоаккумулирующий сердечник 2, в котором происходит накопление тепловой энергии (зарядка). При этом впускная регулируемая воздушная заслонка в корпусе для холодного воздуха 5 закрывает входное отверстие в корпусе для холодного воздуха 13 и перекрывает поступление холодного воздуха, а выпускная регулируемая воздушная заслонка в корпусе для нагретого воздуха 8 закрывает выходное отверстие в корпусе для нагретого воздуха 14, прекращая циркуляцию воздуха с помощью электровентилятора 4 через входное отверстие в корпусе для холодного воздуха 13 в теплоаккумулирующий сердечник входное отверстие в корпусе для холодного воздуха 2. С помощью выпускной регулируемой воздушной заслонки в корпусе для нагретого воздуха 8 происходит перераспределение потоков воздуха, подогретого воздуха из воздушного канала 6 и холодного, поступающего в электроконвектор 15 через входное отверстие в электроконвекторе для холодного воздуха 17.

Во время зарядки теплоаккумулирующего сердечника 2 нагрев воздуха в помещении происходит за счет электроконвектора прямого нагрева 15 путем включения электрических нагревательных элементов 16. В период действия льготного ночного тарифа циркуляция воздуха в электроконвекторе 15 происходит через входное отверстие в электроконвекторе для холодного воздуха 17 и выходное отверстие в электроконвекторе для нагретого воздуха 18 за счет естественной тяги.

Потолочный вентилятор 9, обдувающий поверхность аккумуляционной установки и устраняющий расслоение температуры воздуха в помещении, позволяет уменьшить установленную мощность установки, понизить тепловые потери установки и повысить её КПД. Частота вращения потолочного вентилятора 9 регулируется блоком управления 10 с помощью датчиков температуры воздуха в верхней и в нижней зонах помещения 11 и датчика нижней зоны помещения 12. Основываясь на показаниях датчиков 11 и 12, расположенных в верхней и нижней зонах помещения, заданной пользователем температуры в помещении и допустимой разности температур устанавливается частота вращения потолочного вентилятора 9 и устраняется расслоение температуры воздуха.

Пример теплоаккумуляционной электроотопительной установки с потолочным вентилятором

Теплоаккумуляционная электроотопительная установка с потолочным вентилятором 9 позволяет устранить расслоение температуры воздуха по высоте в обогреваемом отапливаемом помещении профилактории для телят.

На графике 2 показана зависимость температуры воздуха (t_В°С) обогрева при расслоении температуры воздуха по высоте h₁/h помещения, где: 1 – 3,3 метра от пола, верхняя зона; 2 – 1,75 метра от пола средняя зона; 3 – 1 метр от пола зона стояния телёнка; 4 – 0,5 метра от пола зона лежания телёнка; 5 и 6 – зона под клеткой (фиг. 2).

Применение потолочного вентилятора 9 устраняет расслоение температуры воздуха по высоте в обогреваемом профилактории и обеспечивает выравнивание температурного поля, как показали исследования это позволяет снизить значение температуры в средней точке на 3-5%. Поэтому для достижения в нижней зоне помещения под клеткой температуры 17°С необходимо иметь температуру в средней точке 17,6°С, при этом величину мощности установки можно уменьшить на 20-25% в отличие от ближайшего аналога и других электроотопительных приборов с аккумуляцией тепла.

В таблице приведены значения необходимой мощности установки при различных расчетных температурах t_B, на выбор которой оказывают влияние потолочные вентиляторы. Как видно из таблицы при температуре t_в в верхней зоне помещения t_в =20°C и в нижней зоне помещения под клеткой t_в=17°С мощность равна 119%, при температуре t_в в верхней зоне помещения t_в=21°C и в нижней зоне помещения под клеткой t_в=17°С мощность равна 124%, при температуре t_в во всех точках помещения t_в=17°С (отсутствие расслоения температуры воздуха) мощность равна 100%.

Анализируя расчетные данные, можно сделать вывод, что при t_в=21°С мощность теплоаккумуляционной электроотопительной установки должна быть на 24% больше по сравнению с тем, когда во всех точках помещения внутренняя температура воздуха составляет + 17°С.

Мощность теплоаккумуляционной электроотопительной установки с потолочным вентилятором, кВт, при следующих условиях обогрева t_в=20°C
t_в под клеткой = 17°С t_в=21°C
t_в под клеткой = 17°С Во всех точках
t_в = 17°С 15,7 кВт 16,25 кВт 13,1 кВт Мощность установки в % 119% 124% 100%

Выравнивание температуры воздуха по высоте помещения позволяет снизить расчетное значение мощности установки на 20-25%, направленный поток воздуха, полученный от потолочного вентилятора, понижает температуру поверхности установки, тем самым уменьшает тепловые потери поверхности установки, увеличить её КПД и уменьшить эксплуатационные затраты на теплоаккумуляционную электроотопительную установку с потолочным вентилятором.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к электрооборудованию для отопления производственных и вспомогательных помещений сельскохозяйственного назначения, в частности для производственных и животноводческих помещений. В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность снизить затраты электроэнергии, уменьшить расслоение температуры воздуха по высоте помещения, использовать ночной льготный тариф на электроэнергию, уменьшить тепловую мощности и повысить КПД. Теплоаккумуляционная электроотопительная установка с потолочным вентилятором содержит теплоизолированный корпус, имеющий входное отверстие с впускной регулируемой воздушной заслонкой для подачи холодного воздуха и выходное отверстие с выпускной регулируемой воздушной заслонкой, регулирование которой зависит от температуры воздуха в отапливаемом помещении, для подачи нагретого воздуха в отапливаемое помещение, теплоаккумулирующий сердечник с электрическими нагревательными элементами, термодатчик, позволяющий контролировать и задавать необходимую температуру теплоаккумулирующего сердечника, и электроконвектор прямого нагрева с электрическими нагревательными элементами, входным отверстием для холодного воздуха и выходным отверстием для нагретого воздуха, потолочный вентилятор, датчик температуры воздуха верхней зоны помещения и датчик температуры воздуха нижней зоны помещения, установленные в помещении и соединенные с блоком управления, при этом теплоаккумуляционный сердечник с электрическими нагревательными элементами и термодатчик расположены в корпусе, в нижней части которого установлен электровентилятор, входное отверстие для холодного воздуха с впускной регулируемой воздушной заслонкой в воздушный канал и выходное отверстие для нагретого воздуха до нужной температуры из воздушного канала с выпускной регулируемой воздушной заслонкой. Причем электроконвектор закреплен на стенке корпуса с выходным отверстием для нагретого воздуха, а регулируемая вытяжная воздушная заслонка установлена между совмещенными выходным отверстием для выхода нагретого воздуха из воздушного канала и входным отверстием для подачи холодного воздуха в электроконвектор. 2 ил.

Теплоаккумуляционная электроотопительная установка с потолочным вентилятором, содержащая теплоизолированный корпус, имеющий входное отверстие с регулируемой воздушной заслонкой для подачи холодного воздуха и выходное отверстие с регулируемой воздушной заслонкой, регулирование которой зависит от температуры воздуха в отапливаемом помещении, для выхода заданного воздушного потока нужной температуры для отапливаемого помещения, теплоаккумулирующий сердечник с электрическими нагревательными элементами, термодатчик, позволяющий контролировать и задавать нужную температуру теплоаккумулирующего сердечника, и электроконвектор прямого нагрева с электрическими нагревательными элементами, входным отверстием для холодного воздуха и выходным отверстием для нагретого воздуха, отличающаяся тем, что снабжена потолочным вентилятором, датчиком температуры воздуха верхней зоны помещения и датчиком температуры воздуха нижней зоны помещения, установленными в помещении и соединенными с блоком управления, при этом теплоаккумуляционный сердечник с электрическими нагревательными элементами и термодатчик расположены в корпусе, в нижней части которого установлен электровентилятор, входное отверстие для холодного воздуха с впускной регулируемой воздушной заслонкой в воздушный канал и выходное отверстие для нагретого воздуха из воздушного канала с выпускной регулируемой воздушной заслонкой, причем электроконвектор закреплен на стенке корпуса с выходным отверстием для нагретого воздуха, а выпускная регулируемая воздушная заслонка установлена между совмещенными выходным отверстием для выхода нагретого воздуха из воздушного канала и входным отверстием для подачи холодного воздуха в электроконвектор.