RU2846151C1 - Гелиоэлектрическая отопительная установка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к оборудованию для отопления производственных и вспомогательных помещений сельскохозяйственного назначения, в частности для животноводческих помещений. Установка содержит массивную стену Тромба-Мишеля с наружной темной стороной, поглощающей солнечное излучение, защищенную снаружи остеклением с воздушной прослойкой, отверстия для входа и выхода воздуха, нижнюю и верхнюю воздушные заслонки, датчик температуры воздуха в помещении, дублирующий источник тепла, состоящий из корпуса, воздушного канала, теплоаккумулятора, трубчатых электронагревательных элементов и электровентилятора, блок управления, с которым связаны нижняя и верхняя воздушные заслонки, датчик температуры воздуха в помещении и электровентилятор. Внутренняя сторона стены Тромба-Мишеля покрыта теплоизоляционным слоем, в воздушной прослойке установлен датчик температуры воздуха, корпус дублирующего источника тепла закрыт снаружи тепловой изоляцией, а в воздушном канале установлена дополнительная воздушная заслонка, при этом датчик температуры воздуха в воздушной прослойке и дополнительная воздушная заслонка соединены с блоком управления. 1 ил.

Description

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

Известны активные и пассивные отопительные установки для отопления помещений солнечного теплоснабжения зданий. На основании теоретических и натурных испытаний установлено, что развитие систем солнечного теплоснабжения является перспективным. Оно позволит сэкономить большое количество органического топлива, улучшить экологическую ситуацию.

Характерным признаком активных отопительных установок является наличие коллектора солнечной энергии, аккумулятора теплоты, дополнительного источника энергии, трубопроводов, теплообменников, насосов или вентиляторов и устройств их автоматического контроля и управления. В пассивных отопительных установках роль солнечного коллектора и аккумулятора теплоты обычно выполняют сами ограждающие конструкции здания, а движение теплоносителя (воздуха) осуществляется за счет естественной конвекции без применения вентилятора.

Сравнение активных и пассивных отопительных установок дает возможность выявить их преимущества и недостатки. Преимущества активных установок связаны с легкостью и гибкостью интегрирования их со зданием и возможностью автоматического управления работой отопительной установки, а также снижением тепловых потерь.

Недостатками активных отопительных установок являются недостаточная надежность оборудования, в том числе системы автоматического управления, неправильная его установка и монтаж, сложность технического обслуживания, опасность замерзания и коррозии, а также их высокая стоимость.

Пассивные отопительные установки просты, надежны в работе и недороги.

К недостаткам пассивных систем солнечного теплоснабжения являются возникающие трудности с поддержанием температурного режима, необходимого для обеспечения теплового комфорта в отапливаемых помещениях, невозможность их использования в ночное время, низкий КПД.

Известен солнечный дом, содержащий ограждающие конструкции стен, и крышу с установленными параллельно поверхности крыши отражателями солнечного излучения и установленными в меридиональном направлении двусторонними солнечными модулями в защитной оболочке из стекла с каждой стороны модуля с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, на одной стороне модуля по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой закреплена герметичная камера из прозрачного материала для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, соединенная с контуром горячего водоснабжения и отопления солнечного дома (патент РФ №2755204, МПК F24S 90/00, H02S 10/30, опубл. 14.09.2021, бюл. №26).

Недостатком известного солнечного дома являются высокая стоимость, недостаточная надежность, трудности с поддержанием температурного режима, особенно в ночное время, сложность в конструкции теплоаккумулирующих элементов.

Известен гибридный солнечный модуль для получения тепла, содержащий защитное стеклянное покрытие, скоммутированные солнечные элементы и теплообменник, соединенный с системой горячего водоснабжения и отопления здания, теплообменник выполнен в виде воздушного коллектора с каналами для теплоносителя воздуха в прозрачном для солнечного излучения корпусе и установлен по площади защитного стеклянного покрытия, причем защитное стеклянное покрытие и теплообменник в виде воздушного коллектора расположены с двух сторон скоммутированных двухсторонних солнечных элементов, при этом для отопления здания воздушный коллектор присоединен теплоизолированным воздуховодом с вентилятором к системе воздушного отопления здания, для горячего водоснабжения воздушный коллектор присоединен через теплоизолированный воздуховод с вентилятором и теплообменником воздух-вода к системе горячего водоснабжения и отопления здания, а скоммутированные солнечные элементы через инвертор соединены с электроводонагревателем системы горячего водоснабжения здания (патент РФ, №2763117, МПК H02S 10/30, F24D 10/09, опубл. 11.01.2022, бюл. №2).

Недостатками известного гибридного солнечного модуля является отсутствие теплоаккумулирующего элемента в модуле, что вызывает существенные колебания температуры воздуха в обогреваемом помещении.

Известна рекуперативная приточная электроотопительная установка, в которой наружный воздух через воздухозаборник попадает в канал, где нагревается теплым внутренним воздухом через оребренные снаружи стенки канала (Раяк М.Б. Вентиляция животноводческих помещений. Обзорная информация. Выпуск 4.М., ВНИИИС, 1983). После подмешивания к наружному воздуху рециркуляционного воздуха, смесь догревается в электронагревателе. Пройдя через теплоаккумулятор, приточный воздух частично попадает в зону размещения животных в обогреваемом помещении, частично через канал поступает в верхнюю зону помещения. Наличие вертикального канала теплого воздуха увеличивает гравитационное давление для преодоления аэродинамического сопротивления теплоутилизатора, обеспечивает дополнительный подогрев холодного воздуха через общую теплопроводную стенку. Теплоаккумулирующая насадка позволяет накапливать тепло в период ночного снижения электропотребления, которое затем используют в пиковой нагрузке.

Недостатком известной рекуперативной приточной электроотопительной установки являются невозможность использования солнечного излучения для отопления помещения, высокие энергозатраты, невозможность поддержания требуемой равномерной температуры обогрева и использования ночного пониженного тарифа на электроэнергию, а также низкий КПД установки.

Известна индивидуальная солнечная установка с остекленной теплоаккумулирующей южной стеной (стеной Тромба-Мишеля), окрашенной в черный или иной темный цвет, имеющая несколько вариантов конструктивного исполнения (Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки-М.: Энергоатомиздат, 1991 - 208 с. ил.). Проникающее через остекление солнечное излучение поглощается поверхностью стены, аккумулируется в массе стены, что вызывает повышение температуры стены, от которой нагревается воздух в помещении.

Недостатком известной индивидуальной солнечной установки является то, что аккумулированная днем теплота передается с некоторым запаздыванием внутрь помещений посредством излучения и конвекции, так при толщине бетонной стены 200 мм запаздывание обогрева помещения составляет 5 часов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, является пассивная система солнечного теплоснабжения (стена Тромба-Мишеля), содержащая массивную стену Тромба-Мишеля с наружной темной стороной, поглощающей солнечное излучение, и защищенную снаружи остеклением, воздушную прослойку, отверстия для входа и выхода воздуха, нижнюю и верхнюю воздушные заслонки, датчик температуры воздуха в помещении, блок управления с которым связаны нижняя и верхняя воздушные заслонки и датчик температуры воздуха в помещении, дублирующий источник тепла, состоящий из корпуса, воздушного канала, теплоаккумулятора, трубчатых эектронагревательных элементов и электровентилятора, электровентилятор. (Системы солнечного тепло- и холодоснабжения / Р.Р. Авезов, М.А. Барский-Зорин, И.М. Васильева и др.; Под ред. Э.В. Сарнацкого и С.А. Чистовича.-М. Системы солнечного тепло- и холодоснабжения. Стройиздат,1990. - 328 с. -32.: ил.). На уровне пола и потолка имеются отверстия для входа и выхода воздуха, оборудованные воздушными заслонками. Солнечное излучение поглощается наружной поверхностью стены Тромба-Мишеля, которая нагревается и в свою очередь нагревает воздух в прослойке между остеклением и стеной. Нагретый воздух поступает в отапливаемое помещение через верхнее отверстие, охлаждается и возвращается в прослойку через нижнее отверстие. Таким образом, в системе осуществляется термосифонная циркуляция воздуха. Автоматическое регулирование температуры воздуха осуществляется как изменением количества поступающей солнечной энергии, так и изменением теплопроизводительности дублирующего источника тепла (аккумуляционного электроприбора с вентилятором).

Недостатками известной системы солнечного теплоснабжения являются высокие энергозатраты, большие потери тепловой энергии в стене Тромба-Мишеля, невозможность поддержания требуемой температуры обогрева и использования ночного пониженного тарифа на электроэнергию при отоплении помещения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат на отопление помещения, поддержание требуемой температуры обогрева, уменьшение потерь тепловой энергии, использование ночного пониженного тарифа на электроэнергию и повышение увеличивается КПД.

Технический результат достигается тем, что в гелиоэлектрической отопительной установке, содержащей массивную стену Тромба-Мишеля с наружной темной стороной, поглощающей солнечное излучение, и защищенную снаружи остеклением, воздушную прослойку, отверстия для входа и выхода воздуха, нижнюю и верхнюю воздушные заслонки, дублирующий источник тепла, состоящий из корпуса, воздушного канала, теплоаккумулятора, трубчатых эектронагревательных элементов и электровентилятора, датчик температуры воздуха в помещении, блок управления, с которым связаны нижняя и верхняя воздушные заслонки, датчик температуры воздуха в помещении, электровентилятор, согласно изобретению, внутренняя сторона стены Тромба-Мишеля покрыта теплоизоляционным слоем, а в воздушной прослойке установлен датчик температуры воздуха, корпус дублирующего источника тепла закрыт снаружи тепловой изоляцией, а в воздушном канале установлена дополнительная воздушная заслонка, при этом датчик температуры воздуха в воздушной прослойке и дополнительная воздушная заслонка соединены с блоком управления.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена общая схема гелиоэлектрической отопительной установки.

Гелиоэлектрическая отопительная установка содержит массивную стену с темной наружной стороной Тромба-Мишеля 1 с теплоизоляционным слоем 2, защитное остекление 3 с воздушной прослойкой 4, входное отверстие для воздуха 5, выходное отверстие для воздуха 6, нижнюю воздушную заслонку 7, верхнюю воздушную заслонку 8, датчик температуры воздуха 9 в воздушной прослойке и дублирующий источник тепла 10. Дублирующий источник тепла 10 содержит корпус 11 с тепловой изоляцией 12, теплоаккумулятор 13, трубчатые электронагревательные элементы (ТЭН) 14, воздушный канал 15, дополнительную воздушную заслонку 16 и электровентилятор 17. Электровентилятор 17, датчик температуры воздуха 9 в воздушной прослойке 4 и датчик температуры воздуха 18 в помещении, нижняя 7, верхняя 8 и дополнительная 16 воздушные заслонки связаны с блоком управления 19.

Помещение ограничивают ограждающие конструкции (потолок, стены, пол) 20.

В отапливаемом помещении напротив защитного остекления 3 установлена массивная (бетонная) с темной наружной стороной стена Тромба-Мишеля 1 (аккумулятор тепла от солнечного излучения). На внутренней стороне стены 1 выполнен теплоизоляционный слой (минеральная вата) 2. Между остеклением 3 и стеной Тромба-Мишеля 1 имеется воздушная прослойка 4, в которой происходит нагрев теплоносителя (воздуха) солнечным излучением для отопления помещения. Входное отверстие для охлажденного воздуха 5 расположено на уровне пола, а выходное отверстие для нагретого воздуха 6 расположено на уровне потолка помещения. Во входном 5 и в выходном 6 отверстиях для воздуха установлены регулируемые нижняя 7 и верхняя 8 воздушные заслонки, соответственно.

В воздушной прослойке 4 установлен датчик температуры воздуха 9. Дублирующий источник тепла 10 состоит из корпуса 11, покрытого снаружи тепловой изоляцией (минеральная вата) 12, теплоаккумулятора 13 с трубчатыми электронагревательными элементами (ТЭН) 14, воздушного канала 15, в котором установлена дополнительная регулируемая воздушная заслонка 16, и электровентилятора 17. Датчик температуры воздуха 18 установлен в отапливаемом помещении с ограждающими конструкциями (потолок, стены, пол) 20.

Работает гелиоэлектрическая отопительная установка следующим образом.

Солнечное излучение поглощается темной стороной стены Тромба-Мишеля 1, которая нагревается и, в свою очередь, нагревает теплоноситель (воздух) в воздушной прослойке 4 между остеклением 3 и стеной 1. Теплоизоляционный слой 2 на внутренней стороне стены Тромба-Мишеля 1 уменьшает потери тепловой энергии, накопленной в стене 1.

Ночью нагретый воздух поступает в отапливаемое помещение через выходное отверстие 6, охлаждается и возвращается в воздушную прослойку через входное отверстие 5. Когда температура воздуха в воздушной прослойке 4, измеряемая датчиком температуры 9 в воздушной прослойке, превысит температуру воздуха в отапливаемом помещении, замеряемую датчиком температуры 18 в помещении, воздушные заслонки 7 и 8 открываются и нагретый солнцем воздух начинает циркулировать в помещении через отверстия 5 и 6. Охлажденный воздух в помещении через входное отверстие 5 при открытой нижней воздушной заслонке 7 возвращается в воздушную прослойку 4. Как только температура воздуха в воздушной прослойке 4, измеряемая датчиком температуры 9, упадет ниже температуры воздуха в помещении, заслонки 7 и 8 закрываются. Если при этом температура воздуха в помещении, измеряемая датчиком температуры 18, будет ниже заданной, то воздушная заслонка 16 в воздушном канале 15 дублирующего источника тепла 10 откроется и включится электровентилятор 17. С помощью электровентилятора 17 при открытой воздушной дополнительной заслонке 16 воздух, проходя по воздушному каналу 15 вдоль поверхности теплоаккумулятора 13 с трубчатыми электронагревательными элементами (ТЭН) 14, нагревается. Нагретый воздух, выходящий из воздушного канала 15, отапливает помещение с ограждающими конструкциями (потолок, стены, пол) 20, в котором требуемую температуру обогрева контролирует и обеспечивает блок управления 19.

Дублирующий источник тепла 10 с тепловой изоляцией 12 заряжается в ночные часы при отпуске электроэнергии по пониженному тарифу.

При включении трубчатые электронагревательные элементы 14 в период действия пониженного ночного тарифа на электроэнергию нагревают теплоаккумулятор 13 дублирующего источника тепла 10, в котором происходит накопление тепловой энергии (зарядка). При этом воздушные заслонки 7 и 8 закрываются и прекращается циркуляция воздуха в воздушной прослойке 4.

При работе гелиоэлектрической отопительной установки происходит поочередный нагрев воздуха в помещении. Днем стена Тромба-Мишеля 1 нагревается за счет солнечного излучения, а отопление помещения - дублирующим источником тепла 10. В ночное время стена Тромба-Мишеля 1 отдает накопленное тепло для отопления помещения, а дублирующий источник тепла 10 потребляет внепиковую (дешевую) электроэнергию и накапливает тепло в теплоаккумуляторе 13.

Пример выполнения гелиоэлектрической отопительной установки.

Отопление животноводческого помещения (телятника) осуществляли гелиоэлектрической отопительной установкой, содержащей массивную стену 1 Тромба-Мишеля (теплоаккумулятор солнечной энергии), внутренняя сторона которой покрыта теплоизоляционным слоем 2 и дублирующим источником тепла 10 (теплоэлектроаккумулятор), корпус 11 которого снаружи закрыт тепловой изоляцией 12.

Расчетные параметры гелиоэлектрической отопительной установки

Тепловая мощность стены Тромба-Мишеля, кВт	8-10
Температура нагрева стены Тромба-Мишеля, °С	40-45
Электрическая мощность трубчатых электронагревательных элементов, кВт	5

При работе гелиоэлектрической отопительной установки происходит нагрев воздуха в телятнике. Днем стена 1 Тромба-Мишеля нагревается за счет солнечного излучения до температуры 40-45°С и поддерживает температуру за счет теплоизоляционного слоя 2 на внутренней стороне стены 1, а ночью аккумулированным теплом отапливается телятник. В ночное время происходит зарядка теплоаккумулятора с трубчатыми электронагревательными элементами 14 дублирующего источника тепла 10, корпус 11 которого снаружи закрыт тепловой изоляцией, потребляя внепиковую (дешевую) электроэнергию. В телятнике круглосуточно устанавливается температура воздуха 17°С.

Таким образом, осуществляют отопление телятника, используя энергию солнца и дешевую электроэнергию.

Технико-экономическая оценка показала, что при использовании гелиоэлектрической отопительной установки для отопления телятника энергозатраты на отопление помещения снижаются на 15-20%, увеличивается КПД установки на 10-15% по сравнению с прототипом.

Предлагаемое изобретение позволяет снизить энергозатраты на отопление животноводческого помещения, уменьшить потери тепловой энергии, поддерживать требуемую температуру обогрева помещения, использовать ночной пониженный тариф на электроэнергию и увеличить КПД установки.

Claims (1)

1. Гелиоэлектрическая отопительная установка, содержащая массивную стену Тромба-Мишеля с наружной темной стороной, поглощающей солнечное излучение, защищенную снаружи остеклением с воздушной прослойкой, отверстия для входа и выхода воздуха, нижнюю и верхнюю воздушные заслонки, датчик температуры воздуха в помещении, дублирующий источник тепла, состоящий из корпуса, воздушного канала, теплоаккумулятора, трубчатых электронагревательных элементов и электровентилятора, блок управления, с которым связаны нижняя и верхняя воздушные заслонки, датчик температуры воздуха в помещении и электровентилятор, отличающаяся тем, что внутренняя сторона стены Тромба-Мишеля покрыта теплоизоляционным слоем, в воздушной прослойке установлен датчик температуры воздуха, корпус дублирующего источника тепла закрыт снаружи тепловой изоляцией, а в воздушном канале установлена дополнительная воздушная заслонка, при этом датчик температуры воздуха в воздушной прослойке и дополнительная воздушная заслонка соединены с блоком управления.