Энергоактивное здание Советский патент 1992 года по МПК E04H5/00 F24J2/42 

Изобретение относится к строительству, в частности к многоэтажным энергоактивным зданиям с использованием солнечной энергии. Известна конструкция здания, состоящая из кольцевого фундамента, на котором смонтированы несущие и ограждающие конструкции здания, совмещенные с гелиоколлектором, устройства для вращения, системы слежения и ориентации за солнцем, а во внутренний объем, ограниченный стенками фундамента, помещен тепловой аккумулятор.

Цель изобретения - повышение эффективности использования солнечной энергии.

Используют конструктивные элементы здания в качестве несущих конструкций и функционирующих объектов для систем солнечного энергоснабжения. Известно, что эффективная система солнечного энергоснабжения имеет два момента функционирования: процесс отбора солнечной энергии и ее преобразование в другие виды, процесс аккумулирования преобразованной энергии.

Объектами усовершенствования в рассматриваемом изобретении являются элементы, обеспечивающие процесс отбора солнечной энергии: гелиоприемники (размещенные на поверхности здания), устройства вращения, системы слежения за солнцем. Вместе с тем, аккумулятор тепловой энергии размещен вне связи с другими элементами гелиосистемы, занимает значительный строительный объем здания, что ведет к удорожанию как всего здания, так и гелиосистемы. Предложенное размещение теплового аккумулятора в конструктивной системе здания повлечет за собой значительные энергозатраты на его вращение, вследствие массивности аккумулятора.

Известна конструкция энергоактивного здания, выбранного нами в качестве прототипа, и состоящая из несущих и ограждающих конструкций, лестнично-лифтового узла, покрытия ограждения которого совмещены с плоскими гелиоприемниками, бака- аккумулятора небольшего объема, размещенного в верхней части здания и имеющего связь только с верхним наклонным участком гелиоколлектора. Поскольку расстояние от его вертикального и нижнего наклонного участков значительны, то теряется большое количество тепловой энергии при прохождении теплоносителя по трубопроводам тепловой сети. Повышение эффективности работы системы солнечного энергоснабжения здания авторы достигают путем оптимизации процесса отбора солнечной энергии за счет изменения угла наклона поверхности гелиоколлектора.

Как известно, функционирование системы солнечного энергоснабжения носит цикличный характер в силу цикличности солнечного излучения. Рассматриваемое здание работает таким образом. В период наибольшего поступления солнечной энергии - в летне-весенний сезон - потребность

0 в отоплении крайне низка, поэтому избыточное тепло, полученное на гелиоколлекто- ре, приходится сбрасывать в окружающую среду, поскольку объем существующего бака-аккумулятора недостаточен для длитель5 ного хранения тепловой энергии. В зимне-осенний отопительный сезон, когда солнечной энергии недостаточно для покрытия отопительной нагрузки на здание, а объем бака-аккумулятора недостаточен для

0 длительного хранения тепловой энергии, способной покрыть эти нагрузки, приходится дополнительно подключать внешнюю резервную систему энергоснабжения. Поскольку несущие конструкции рассмат5 риваемого здания не предназначены для специальных значительных нагрузок от бака-аккумулятора, он выполнен незначительного объема по отношению ко всему строительному объему здания и не может

0 представлять существенного значения в процессе накопления и сохранения тепловой энергии, полученной на гелиоколлекто- ре. Таким образом, тепловой аккумулятор рассматриваемого здания не повышает эф5 фективности системы солнечного энергоснабжения.

Недостатками рассматриваемого изобретения является неэффективное, с точки зрения взаимосвязи с другими элементами

0 гелиосистемы, пространственно-конструктивное положение бака-аккумулятора, недостаточно большой объем бака-аккумулятора по сравнению со строительным объемом здания, что приводит к недостаточно

5 эффективному использованию солнечной энергии, полученной на гелиоколлекторе; повышенная материалоемкость и энергозатраты на строительство здания, вследствие включения в конструктивную систему

0 здания дополнительного строительного пространства для размещения в нем бака- аккумулятора тепловой энергии, и в результате этого возросшая стоимость системы солнечного энергоснабжения.

5

Цель изобретения - снижение материалоемкости путем пространственной трансформации элементов здания и совмещения в них строительно-конструктивных и аккумулирующих солнечную энергию функций.

Поставленная цель достигается тем, что энергоактивное здание, содержащее несущие и этажные конструкции, бак-аккумулятор и солнечный коллектор, подключенный к последнему при помощи теплообменника, размещенного в нем, что несущие конструкции выполнены в виде двух центрально расположенных одна в другой наружной и внутренней оболочек, по высоте которых при помощи элементов крепления установлены этажные конструкции, внутри внутренней оболочки по всей ее высоте размещен бак-аккумулятор с теплоизолирующими стенками, контактирующими с внутренней поверхностью оболочки, оболочки установлены друг относительно друга с воздушным зазором, внутренняя поверхность наружной оболочки выполнена отражающей, здание содержит дополнительные солнечные коллекторы, подключенные через слои теплообменника к баку-аккумулятору и все коллекторы размещены по высоте здания на этажных конструкциях.

Положительный эффект, достигнутый при использовании изобретения характеризуется центральносимметричным положением бака-аккумулятора тепловой энергии в пространственно-конструктивной системе здания; значительно увеличенным объемом бака-аккумулятора по отношению к общему строительному объему здания; рядом конструктивно-теплотехнических приемов в конструкции центрального ствола, а именно: воздушный зазор между двумя оболочками; отражающая поверхность, выполненная, например, из алюминиевой фольги, на внутренней поверхности наружной оболочки; теплоизолирующие стенки, выполненные, например, из щебня или гравия, в пространстве между поверхностью бака-аккумулятора и внутренней поверхностью внутренней оболочки. Эти признаки позволяют осуществлять межсезонное накопление солнечной теплоты в баке-аккумуляторе, а значит и система солнечного теплоснабжения этого здания будет функционировать циклично в соответствии с годичными циклами солнечной радиации, и таким образом, будет более эффективно использоваться солнечная энергия, поступившая на гелирколлектор.

Далее, предложенная в устройстве несущая конструкция, выполненная в виде двух центральнорасположенных одна в другой наружной и внутренней оболочек, по высоте которых при помощи элементов крепления установлены этажные конструкции, позволяет использовать пространство, заключенное стенками внутренней оболочки для размещения бака-аккумулятора тепловой энергии, а также не только в качестве несущей конструкции для этажных конструкций, но и в качестве несущей и теплоизолирующей конструкции для бака-аккумулятора. Такая конструкция позволяет не сооружать дополнительного строительного объема для хранения теплоаккумулирующе- го вещества и, таким образом, сокращаются энергозатраты и материалы на строительст0 во предложенного энергоактивного здания, а значит и стоимость системы солнечного теплоснабжения.

На фиг. 1 показан поэтажный план здания; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Энер5 гоактивное здание включает несущую конструкцию 1, бак-аккумулятор тепловой энергии 2, внутреннюю оболочку 3, наружную оболочку 4, элементы крепления этажных конструкций 5, этажные конструкции 6а 0 6П, солнечные коллекторы 7, трубопроводы тепловой сети 8, теплообменники 9, отражающее покрытие 10, воздушный зазор между оболочками 11, теплоизолирующие стенки 12.

5 Здание содержит несущую конструкцию 1, представляющую собой ствол монолитного железобетонного ядра жесткости, опущенного в грунт, выполненную в виде двух центральнорасположенных одна в дру0 гой внутренней 3 и наружной оболочки 4 с воздушным зазором 11 между ними. Причем, внутренняя оболочка 3 выполняет несущую и теплоизолирующую функции для бака-аккумулятора тепловой энергии 2. раз5 мещенного по всей высоте внутреннего пространства внутренней оболочки 3 и имеющего теплоизолирующие стенки 12, состоящие из теплоемкого материала, например, щебня или гравия, и находящиеся

0 между поверхностью бака-аккумулятора 2 и внутренней поверхностью внутренней оболочки 3.

Наружная оболочка 4 является несущей для этажных конструкций 6а - 6П, установ5 ленных с помощью элементов крепления 5. По всей высоте здания с южной стороны на этажных конструкциях 6а - 6П установлены солнечные коллекторы 7, подключенные через слои теплообменников 9 к баку-аккуму0 лятору 2. От каждого солнечного коллектора 7 протянут трубопровод тепловой сети 8, через который осуществляется передача поглощенной солнечной энергиии далее через слои теплообменников 9 к баку-аккумулято5 ру2.

Выполняют энергоактивное здание из материалов, применяемых в строительстве и строительной гелиотехнике: бетона, монолитного железобетона, алюминия, стали, стекла, сборного железобетона. Возводят

здание методом скользящей опалубки или другими известными способами возведения зданий с центральным ядром жесткости.

Устройство работает следующим образом.

В элементах солнечного коллектора 7 происходит преобразование солнечной энергии, попадающей на эти элементы, в тепловую энергию. Теплоноситель, циркулирующий в солнечном коллекторе 7 по тру- бопроводам тепловой сети 8 передает ее через теплообменники 9 в бак-аккумулятор 2. Причем, поэтажные участки солнечного коллектора 7 соединены с соответствующими поэтажными участками бака-аккумулято- ра 2 и, таким образом, каждым дополнительным этажным конструкциям б9 - 6П соответствует дополнительный вертикальный участок бака-аккумулятора 2. Поэтому количество этажей не влияет на параметры режима функционирования аккумулирующей системы. Распределение энергии на отопление и горячее водоснабжение также происходит поэтажно через бак-аккумулятор 2.

В связи с тем, что периоды наибольшего поступления солнечной энергии и периоды наибольшего пика отопительной нагрузки на здание не совпадают, то система отопления и система солнечного энергоснабжения функционируют с несовпадающими пиками нагрузок. В устройстве вышеуказанное противоречие разрешается размещением в пространственной системе здания такого бака-аккумулятора тепловой энергии, объем которого, позволяет накопить энергию, достаточную для покрытия отопительных нагрузок. Происходит следующий процесс. В летне-весенний период, когда нет необходимости в отоплении, солнечная энергия, преобразованная в солнечном коллекторе 7 в тепловую энергию, накапливается в баке- аккумуляторе 2. Бак-аккумулятор 2, имеющий объем 20-10% от строительного объема

здания, позволяет накопить количество энергии в этот периол, достаточное для покрытия не менее 50% отопительных нагрузок в зимне-осенний период, когда поступления солнечной энергии минимальны. Вместе с тем существует резервная система отопления, работающая на органическом топливе или электроэнергии. Ряд конструктивно-теплотехнических приемов: воздушный зазор 11 между двумя оболочками, отражающее покрытие 10 на внутренней поверхности наружной оболочки 4, оптимизируют процесс хранения накопленной тепловой энергии в баке-аккумуляторе 2, уменьшая ее потери в окружающую среду.

Формула изобретения Энергоактивное здание, содержащее несущие и этажные конструкции, бак-аккумулятор и солнечный коллектор, подключенный к последнему при помощи теплообменника, размещенного в нем, отличающееся ем, что, с целью снижения материалоемкости путем пространственной трансформации элементов здания и совмещения в них строительно-конструктивных и аккумулирующих солнечную энергию функций, несущие конструкции выполнены в виде двух центрально расположенных одна в другой наружной и внутренней оболочек, по высоте которых при помощи элементов крепления установлены этажные конструкции, внутри внутренней оболочки по всей ее высоте размещен бак-аккумулятор с теплоизолирующими стенками, контактирующими с внутренней поверхностью оболочки, оболочки установлены друг относительно друга с воздушным зазором, внутренняя поверхность наружной оболочки выполнена отражающей, здание содержит дополнительные солнечные коллектора, подключенные через свои теплообменники к баку-аккумулятору и все коллекторы размещены по высоте здания на этажных конструкциях.

А-А

Изобретение относится к строительству энергоактивных зданий с системами солнечного тепло- и холодоснабжения и может быть применено для строительства многоэтажных жилых и общественных зданий в различных климатических зонах, преимущественно в районах с повышенным количеством солнечных дней в году. Цель изобретения - повышение эффективности солнечного энергоснабжения и снижение материалоемкости путем пространственной трансформации элементов здания и совмещения в них функций строительно-конструктивной системы и системы теплового аккумулирования солнечной энергии. Для этого энергоактивное здание выполнено цилиндрической формы с центральным ядром жесткости в виде центрального ствола, опущенного глубоко в грунт, к верхнему концу которого подвешены одна или несколько этажных конструкций, содержащего железобетонные цилиндрические оболочки 3,4 с основанием круглой и эллипсовидной формы, а во внутреннее пространство центрального ствола, ограниченное стенками оболочки, помещен бак-аккумулятор 2 тепловой энергии цилиндрической формы и значительного объема по отношению к строительному объему здания, закрепленный с помощью крепежных элементов 5 к внутренней оболочке 3 с круглым основанием. Кроме того, пространство между оболочкой бака-аккумулятора и оболочкой с круглым основанием может быть заполнено теплоемким материалом, например щебнем, а между двумя цилиндрическими оболочками с круглым основанием предусмотрено воздушное пространство шириной, не менее толщины самой оболочки, а на поверхности оболочек посередине этого пространства выполнено покрытие, например, из алюминиевой фольги. 2 ил. (Л С 4 Ю О vj О 00

Фиг. 2