Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: утилизация солнечной энергии при строительстве зданий жилого и производственного назначения. Солнечный коллектор, одновременно являющийся кондиционером, выполнен в виде обращенной в южную сторону стеновой строительной панели, внешняя поверхность которой снабжена прозрачным теплоизолирующим материалом с высоким коэффициентом пропускания в видимом диапазоне и высоким коэффициентом теплового сопротивления. Солнечный коллектор соединен трубами циркулирующего теплоносителя через емкость и тепловой насос с межсезонным аккумулятором тепла. Холодный контур теплового насоса связан с емкостью, а горячий контур - с межсезонным аккумулятором тепла. Трубы циркулирующего теплоносителя размещены на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности стеновой панели внутри последней. Солнечное излучение поступает на внешнюю поверхность стеновой строительной панели, защищенную прозрачным теплоизолирующим материалом, и передает тепловую энергию циркулирующему по трубам теплоносителю, например воде. Технический результат: повышение эффективности использования солнечной энергии и обеспечение возможности поддержания комфортной температуры в помещении в любое время года. 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2172904
Класс(ы) патента: F24J2/42
Номер заявки: 99124097/06
Дата подачи заявки: 16.11.1999
Дата публикации: 27.08.2001
Заявитель(и): Алтайский региональный центр нетрадиционной энергетики и энергосбережения
Автор(ы): Федянин В.Я.; Утемесов М.А.; Чертищев В.В.
Патентообладатель(и): Алтайский региональный центр нетрадиционной энергетики и энергосбережения
Описание изобретения: Изобретение относится к области использования солнечного тепла, а именно к устройствам для утилизации солнечной энергии, и может быть применено при строительстве зданий жилого и производственного назначения.
Известно устройство для утилизации солнечной энергии, состоящее из стен с большой массой и теплоемкостью, например стена Тромба [1].
Известно устройство для утилизации солнечной энергии, состоящее из большого количества емкостей с водой, например дом Бауэра [2].
Однако вышеописанные устройства не обеспечивают длительной аккумуляции тепла, что приводит к низкой эффективности использования солнечной энергии. При этом эффективность работы устройства обусловлена, в основном, их теплоизоляционными свойствами [3].
Известно устройство для отопления, содержащее наружную стеновую строительную панель с трубами циркулирующего теплоносителя. Стеновая строительная панель выполнена многослойной. Трубы циркулирующего теплоносителя размещены на расстоянии 0,2 - 0,25 м от внутренней отапливаемой поверхности этой панели внутри последней. Внешняя поверхность стеновой строительной панели теплоизолирована [4].
Однако это устройство не обеспечивает утилизацию солнечной энергии.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство для утилизации солнечной энергии, содержащее плоский солнечный коллектор, изготовленный из одинаковых элементов с однослойным остеклением, размещенных под углом наклона к горизонту 45o и соединенный трубами циркулирующего теплоносителя с межсезонным аккумулятором тепла. Устройство также содержит вакуумированный солнечный коллектор, установленный под углом наклона к горизонту 75o, стеновую строительную панель, обращенную в южную сторону, и тепловой насос с холодным и горячим контурами. Тепловой насос предназначен для поддержания постоянной температуры в системе отопления и установлен после межсезонного аккумулятора тепла. Солнечный коллектор, размещенный под углом 45o к горизонту, предназначен для использования в теплое время года, а солнечный коллектор, размещенный под углом 75o к горизонту, предназначен для использования в холодное время года [5].
Основными недостатками описанного устройства для утилизации солнечной энергии является невысокая эффективность использования солнечной энергии, во-первых, вследствие повышенной температуры теплоносителя на участке между солнечным коллектором с однослойным остеклением и межсезонным аккумулятором тепла, что снижает коэффициент использования солнечной энергии, во-вторых, вследствие незначительного потока тепла через нагреваемую стеновую панель ввиду ее теплоизолирующих свойств, что снижает эффективность утилизации солнечной энергии в зимний период, отсутствие возможности поддержания комфортной температуры в помещении, так как не предусмотрено кондиционирование, а именно охлаждение помещений в летний период, когда температура наружного воздуха выше благоприятной температуры для самочувствия. Кроме того, использование устройства для утилизации солнечной энергии, выбранного в качестве прототипа, приводит к высоким капитальным и эксплуатационным затратам вследствие применения вышеназванных солнечных коллекторов, особенно при эксплуатации коллектора в зимний период при внешних температурах ниже чем 0oC, так как при этом солнечный коллектор необходимо заполнять антифризом.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для утилизации солнечной энергии, содержащем солнечный коллектор, соединенный трубами циркулирующего теплоносителя с межсезонным аккумулятором тепла, стеновую строительную панель, обращенную в южную сторону, и тепловой насос с холодным и горячим контурами, солнечный коллектор, являющийся одновременно кондиционером, выполнен в виде стеновой строительной панели, внешняя поверхность которой снабжена прозрачным теплоизолирующим материалом. При этом трубы циркулирующего теплоносителя размещены на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности стеновой строительной панели внутри последней и соединены с межсезонным аккумулятором тепла через емкость и тепловой насос, холодный контур которого связан с этой емкостью, а горячий контур - с межсезонным аккумулятором тепла.
Техническим результатом является повышение эффективности использования солнечной энергии и обеспечение возможности поддержания комфортной температуры в помещении в любое время года.
Повышение эффективности использования солнечной энергии достигается посредством выполнения солнечного коллектора в виде стеновой строительной панели, внешняя сторона которой защищена прозрачным теплоизолирующим материалом с высокими коэффициентом пропускания (прозрачностью) в видимом диапазоне и коэффициентом теплового сопротивления, при соединении труб циркулирующего теплоносителя, размещенных вблизи внешней поверхности этой панели, с межсезонным аккумулятором тепла, через емкость и тепловой насос, холодный контур которого связан с этой емкостью, а горячий контур - с межсезонным аккумулятором тепла. При этом циркулирующий теплоноситель, получающий тепловую энергию солнечного излучения от стеновой панели с прозрачным теплоизолирующим материалом, отдает эту энергию для накопления межсезонному аккумулятору тепла, и для предотвращения перегрева не допускается переток тепла в помещение, так как постоянная температура циркулирующего теплоносителя в пределах 16 - 20oC поддерживается тепловым насосом, что повышает коэффициент использования солнечной энергии. Размещение труб циркулирующего теплоносителя вблизи внешней поверхности стеновой строительной панели внутри последней также повышает коэффициент использования солнечной энергии.
Поддержание комфортной температуры в помещении в любое время года достигается вследствие того, что солнечный коллектор одновременно выполняет функцию кондиционера, снимая избыточный поток тепла и снижая температуру в помещении в летний период и максимально утилизируя поток солнечного излучения в зимний период, за счет размещения труб циркулирующего теплоносителя на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности стеновой панели. Это расстояние зависит от теплофизических характеристик материала стеновой панели и соотношения межтрубного расстояния и диаметра труб (см. фиг. 3). Увеличение расстояния выше оптимального приводит к увеличению тепловой изоляции труб, снижению теплового потока и уменьшению коэффициента использования солнечной энергии. Уменьшение расстояния ниже оптимального приводит к неравномерному нагреву внешней поверхности стены, перетоку тепла в помещение и нарушению комфортности.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема солнечного коллектора с распределением температур в зимний период, К; на фиг. 2 - общий вид заявляемого устройства для оптимизации солнечной энергии; на фиг. 3 - график съема солнечной энергии солнечным коллектором за сутки (15 декабря) в зависимости от расположения трубы в солнечном коллекторе, фиг. 4 - распределение температуры по толщине солнечной панели в 14.00 часов 15 декабря (кривая 1) и 15 июля (кривая 2). Кроме того, на фиг. 2 стрелками обозначен поток солнечной радиации к солнечному коллектору, а на графиках 3 и 4 x/L - отношение текущего расстояния x к толщине панели L.
Устройство для утилизации солнечной энергии содержит солнечный коллектор, являющийся одновременно кондиционером, выполненный в виде обращенной в южную сторону стеновой панели 1 из строительного материала, например из бетона или кирпича, внешняя поверхность которой снабжена прозрачным теплоизоляционным материалом 2 с высокими коэффициентом пропускания, т.е. прозрачностью, в видимом диапазоне и коэффициентом теплового сопротивления, в частности, TWD [6] . Внутри панели 1 с одинаковым шагом размещены трубы 3 циркулирующего теплоносителя, например воды, на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности панели 1. Трубы 3 циркулирующего теплоносителя соединены через емкость 4 и тепловой насос 5 с межсезонным аккумулятором тепла 6 большой тепловой емкости. Между солнечным коллектором и емкостью 4, между емкостью 4 и тепловым насосом 5, а также между тепловым насосом 5 и межсезонным аккумулятором тепла 6 установлены циркуляционные насосы 7. Холодный контур теплового насоса 5 связан с емкостью 4 и циркуляционным насосом 7 трубами 3 циркулирующего теплоносителя. Горячий контур теплового насоса 5 связан с межсезонным аккумулятором тепла 6 и циркуляционным насосом 7 трубами 3 циркулирующего теплоносителя. Тепловой насос 5 предназначен для поддержания постоянной температуры циркулирующего теплоносителя, а межсезонный аккумулятор тепла 6 - для накопления утилизируемого тепла и использования его в теплодефицитный период года.
Устройство для утилизации солнечной энергии работает следующим образом. Солнечное излучение поступает на внешнюю поверхность обращенной в южную сторону стеновой строительной панели 1, защищенную прозрачным теплоизолирующим материалом 2, и передает тепловую энергию циркулирующему по трубам 3 теплоносителю, массовая скорость которого определяется из условия полного съема поступающей энергии солнечного излучения. В случае применения в качестве теплоносителя воды рекомендуемая скорость 0,2 - 0,4 кг/с в пересчете на 1 м2 стеновой строительной панели. При этом не допускается переток тепла в помещение и тем самым предотвращается перегрев.
Теплоноситель по трубам 3 из солнечного коллектора через циркуляционный насос 7 поступает в емкость 4, постоянная температура в которой в пределах 16 - 20oC поддерживается тепловым насосом 5. Избыточное тепло посредством теплового насоса отводится из емкости 4 и накапливается в межсезонном аккумуляторе тепла 6. В зимний период времени в случае недостатка солнечной энергии постоянная температура в пределах 16 - 20oC в емкости 4 поддерживается за счет подпитки теплоносителя из межсезонного аккумулятора тепла 6. Тепловой насос 5 при этом отключается.
В летний период достаточно поддерживать температуру теплоносителя на 1 - 2oC ниже требуемой комфортной температуры в помещении, например 16 - 17oC при требуемой температуре 18oC, а в зимний период температура циркулирующего теплоносителя должна быть равна требуемой комфортной температуре, например 18oC (смотри фиг. 4).
Пример конкретного выполнения устройства.
Стеновая панель 1, обращенная в южную сторону, выполнена из бетона толщиной 0,2 м, а ее внешняя поверхность снабжена слоем TWD толщиной 0,2 м с термическим сопротивлением - 1,79 м2 К/Вт [6]. Внутри стеновой панели 1 на расстоянии 0,05 м от ее внешней поверхности были проложены полиэтиленовые трубы 3 циркулирующего теплоносителя, в качестве которого использовалась вода. Внутренний диаметр трубы 3 составляет 0,02 м, а межтрубное расстояние - 0,2 м. Скорость прокачиваемой воды - 0,2 м/с. Температура теплоносителя в зимний период - 18oC, в летний - 16oC. Поддержание постоянной температуры теплоносителя осуществляется тепловым насосом типа АТНУ-10 или АТНУ-15. Утилизируемая системой энергия накапливалась в межсезонном аккумуляторе тепла 6 объемом 450 м3 при температуре 50-60oC. Прокачка воды в устройстве производилась в светлое время суток (фиг. 1, 2).
В декабре при условии 25% времени безоблачного неба от общего светового времени температура внутренней поверхности стеновой панели 1 поддерживалась в пределах 17 - 19oC, в то же время энергии солнечного излучения достаточно для компенсации тепловых потерь через панель 1, что подтверждено численными расчетами (см. фиг. 3). В этот период, 15 декабря в 14 часов, когда поток солнечной радиации и температура внешней поверхности стеновой панели 1 достигли максимальных значений, распределение температур в предлагаемом устройстве было следующим: наружная температура воздуха (указана слева на фиг. 1) - 250 К, температура внешней поверхности стеновой панели 1 - 313 К, температура в помещении - 291 К (указана справа на фиг. 1). Поскольку при этом баланс поступления энергии нулевой, то температура теплоносителя была постоянной, и тепловой насос 5 был отключен. В весенний и летний периоды с марта по сентябрь температура в помещении поддерживалась на том же уровне, а теплосъем за счет утилизации солнечной энергии доходил до 10 МДж/м2 в сутки.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность использования солнечной энергии, обеспечить возможность поддержания комфортной температуры в помещении в любое время года, а также снизить капитальные и эксплуатационные затраты вследствие выполнения солнечного коллектора в виде обращенной в южную сторону стеновой строительной панели, внешняя поверхность которой снабжена прозрачным теплоизолирующим материалом, при размещении труб циркулирующего теплоносителя на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности стеновой панели внутри последней, по сравнению с соответствующими затратами при использовании солнечных коллекторов, содержащихся в устройстве - прототипе.
Источники информации
1. Андерсон Б. Солнечная энергия. (Основы строительного проектирования). - М., 1982, с. 88-90.
2. Андерсон Б. Солнечная энергия. (Основы строительного проектирования). - М., 1982, с. 104-106.
3. Newton M. N., Warren B.F. "Passive solars" house performance: Derivation from simulation results. // Build. Serv. Eng. And Technol., 1995, 16, N 2, pp. 91-96.
4. Сандер А.А., Каня Я.Н., Никифоров В.А. Определение шага трубопроводов в многослойной отопительной панели. // Теплозащита крупнопанельных жилых зданий в Сибири. / Сборник научных трудов N 20, Новосибирск, 1979, с. 64-71.
5. Федянин В.Я., Утемесов М.А., Чертищев В.В. Расчет баланса тепла энергоавтономного дома. Теплоэнергетика, 1999, N 2, с. 16-20). (выявлен прототип).
6. Marko A., Braun P. Thermishe solarenerggienutzung an gebauden. Berlin, 1997, p. 47.
Формула изобретения: Устройство для утилизации солнечной энергии, содержащее солнечный коллектор, соединенный трубами циркулирующего теплоносителя с межсезонным аккумулятором тепла, стеновую строительную панель, обращенную в южную сторону, и тепловой насос с холодным и горячим контурами, отличающийся тем, что солнечный коллектор, являющийся одновременно кондиционером, выполнен в виде стеновой строительной панели, внешняя поверхность которой снабжена прозрачным теплоизолирующим материалом, при этом трубы циркулирующего теплоносителя размещены на расстоянии не более 0,1 м от внешней поверхности стеновой строительной панели внутри последней и соединены с межсезонным аккумулятором тепла через емкость и тепловой насос, холодный контур которого связан с этой емкостью, а горячий контур - с межсезонным аккумулятором тепла.