Динамический энергосберегающий фасад с изменяемыми свойствами
DYNAMIC ENERGY-SAVING FACADE WITH VARIABLE PROPERTIES

Изобретение относится к области строительства энергоэффективных и экологически безопасных зданий, в частности касается регулирования теплозащитных свойств защитной оболочки здания, солнечного отопления и обеспечения требуемого воздухообмена в зданиях для управления параметрами микроклимата внутренних помещений.
В настоящее время при возведении энергоэффективных зданий, как правило, используются конструктивные решения ограждающих конструкций с постоянными теплофизическими свойствами независимо от расположения ограждающих конструкций по высоте фасада здания и его ориентации на местности. Такие решения являются нерациональными с учетом значительного изменения режимов и условий эксплуатации зданий в зимний и летний периоды, увеличения ветровой нагрузки по высоте здания и в зависимости от ориентации здания в пространстве.
Известна конструкция фасада, включающего стену с поглощающей поверхностью из штукатурки, покрытой черной краской, прозрачную теплоизоляцию из полимерной пленки на основе триацетатцеллюлозы толщиной 0,135 м и закаленного стекла толщиной 0,006 м. Конструкция из прозрачной изоляции заключена в деревянную раму (G.M. Wallner, R. Hausner, H. Hegedys, H. Schobermayr, R.W. Lang. Application Demonstration and Performance of Cellulose Triacetate Polymer Film Based Transparent Insulation Wall Heating System. Solar Energy, Vol. 80, 1410-1416, 2006) [1]. Недостатками данной конструкции являются большая толщина, недостаточно высокий коэффициент пропускания прозрачной теплоизоляции, высокий коэффициент излучения поглощающей поверхности, отсутствие возможности изменения теплофизических свойств стены.
Известна конструкция фасада, включающего стену с прозрачной теплоизоляцией, заключенной в деревянную раму. Прозрачная изоляция состоит из поликарбоната капиллярной структуры, заключенного между двумя стеклами. На стену с внешней стороны нанесена черная краска (I.L. Wong, P.C. Eames, R.S. Perera. A Review of Transparent Insulation System and the Evaluation of Payback Period for Building Applications. Solar Energy, Vol. 81, pp. 1058-1071, 2007) [2]. Недостатками конструкции являются недостаточно высокий коэффициент пропускания, большая толщина, высокий коэффициент излучения поглощающей поверхности, отсутствие возможности изменения теплофизических свойств стены.
-3
-4
Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является конструкция солнечного фасада с вакуумированным стеклопакетом (RU 2382164, МПК, Е06В 3/677, 2010 г) [3], содержащего стену с поглощающей поверхностью и вакуумированный стеклопакет толщиной 6,5 мм с вакуумом 10-10 мм рт.ст. и с селективным покрытием на внутренней поверхности стекла с излучательной способностью ε=0,1, установленный на внешней стороне стены здания, при этом поглощающая поверхность имеет селективное покрытие с коэффициентом поглощения α=0,95 и излучательной способностью ε=0,1. Недостатком известной конструкции является недостаточно высокие теплоизоляционные свойства, низкая эффективность использования подогретого воздуха для отопления помещений, отсутствие возможности автоматизированного изменения теплофизических свойств стены в процессе эксплуатации.
Задачей предлагаемого изобретения является автоматизированное регулирование теплофизических свойств стены здания в зависимости от изменения погодных и эксплуатационных условий, повышение эффективности использования солнечной энергии для воздушного отопления помещений здания, обеспечение подогрева свежего воздуха при его подаче через приточный клапан.
-3
-4
Вышеуказанный результат достигается тем, что предлагаемый динамический энергосберегающий фасад с изменяемыми свойствами содержит стену из традиционных стеновых материалов (монолитный бетон, кирпич, блоки из ячеистого бетона, деревянный брус и т.п.) со слоем эффективного утеплителя, например из минеральной ваты, покрытой ветро-гидрозащитной мембраной, и наружный динамический слой, состоящий из установленных с возможностью синхронного поворота вокруг своих параллельно расположенных в одной плоскости вертикальных осей треугольных призм, боковые грани которых выстраиваясь в одной плоскости образуют наружные и внутренние поверхности со следующими свойствами: первая грань в виде вакуумированного стеклопакета толщиной 6-8 мм мм с вакуумом 10-10мм рт.ст. и с селективным покрытием на внутренней поверхности стекла с излучательной способностью ε=0,10-0,20, соединенного с двумя другими гранями, имеющими на внутренних поверхностях селективное покрытие с коэффициентом поглощения α=0,80-0,95 и излучательной способностью ε=0,10-0,20; вторая грань имеет покрытие на внешней стороне с коэффициентом отражения ρ=0,85-0,90 и третья грань на внешней стороне имеет пленочную солнечную батарею. Верхние заглушки треугольных призм выходят своими полыми патрубками в горизонтально расположенный герметичный короб, имеющий перпендикулярно расположенный к нему канал с приточным клапаном, выходящим на внутреннюю грань стены. Имеется устройство для поворота призм и блок управления, работающие в автоматическом режиме по заданной программе при изменении условий эксплуатации, а также контроллер для преобразования солнечной энергии в электрическую, аккумуляторная батарея и инвертор для преобразования постоянного электрического тока в переменный.
В результате использования предлагаемого изобретения снижаются тепловые потери здания, затраты на отопление, вентиляцию и охлаждение помещений благодаря использованию поворотных призм с гранями, наружные и внутренние поверхности которых обладают различными свойствами излучательной способности, коэффициентами поглощения и отражения, а также содержат пленочные солнечные батареи.
Технический результат: обеспечение высоких теплозащитных характеристик наружных стен зданий с возможностью их регулирования при изменении условий эксплуатации с одновременным снижением затрат на отопление, вентиляцию и поддержание требуемых параметров микроклимата внутренних помещений.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами. На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 представлен общий вид динамического энергосберегающего фасада здания с изменяемыми свойствами, работающего соответственно в режиме 1, режиме 2 и режиме 3; на фиг. 4 - общая схема конструктивного решения стены с динамическим энергосберегающим фасадом с изменяемыми свойствами; на фиг. 5 - вертикальный разрез стены с динамическим энергосберегающим фасадом с изменяемыми свойствами в месте прохождения приточного клапана; на фиг. 6 - горизонтальный разрез 1-1 стены с динамическим энергосберегающим фасадом с изменяемыми свойствами; на фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11 - расположение призм в плане при работе динамического фасада с изменяемыми свойствами соответственно в режиме 1, режиме 2, режиме 3, режиме 4, режиме 5; на фиг. 12 - общий вид поворотного механизма с вертикальным расположением двигателя; на фиг. 13 - общий вид поворотного механизма с горизонтальным расположением двигателя.
-3
-4
Динамический энергосберегающий фасад с изменяемыми свойствами содержит стену с внутренним слоем из традиционных стеновых материалов 1 (фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6), эффективный утеплитель, например из минеральной ваты 2 (фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6), ветро-гидрозащитную мембрану 3 (фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6), воздушный зазор 4 между наружным динамическим слоем 5 и эффективным утеплителем 2 (фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6). Наружный динамический слой 5 состоит из установленных с возможностью синхронного поворота вокруг своих параллельно расположенных в одной плоскости вертикальных осей треугольных поворотных призм 6, боковые грани которых 7, 8 и 9 способны выстраиваться в одной плоскости или параллельных плоскостях и имеют следующие свойства: первая грань 7 в виде вакуумированного стеклопакета толщиной 6-8 мм мм с вакуумом 10-10 мм рт.ст. и с селективным покрытием на внутренней поверхности стекла с излучательной способностью ε=0,10-0,20, соединенного с двумя другими гранями 8 и 9, имеющими на внутренних поверхностях селективное покрытие с коэффициентом поглощения α=0,80-0,95 и излучательной способностью ε=0,10-0,20; при этом вторая грань 8 на внешней стороне имеет покрытие с коэффициентом отражения ρ=0,85-0,90, а третья грань 9 на внешней стороне имеет пленочную солнечную батарею 10. Треугольная поворотная призма 6 имеет нижние и верхние заглушки соответственно 11 и 12 (фиг. 5). Нижние заглушки 11 треугольных поворотных призм 6 имеют втулки 13, установленные в посадочные отверстия 14 нижнего горизонтального короба 15 и имеющие на конце ведомую шестерню 16, которая взаимодействует с ведущей шестерней 17 механизма поворота призм (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 12, фиг. 13). В механизм поворота призм входит расположенный горизонтально составной вал 18, соединенный через редуктор 19 с шаговым двигателем 20 (фиг. 4, фиг. 12, фиг. 13). Двигатель 20 может располагаться в правой или левой стойках 21 как вертикально, так и горизонтально. Вал 18 поворачивается на определенный угол (или проворачивается на нужное число оборотов) и задерживается в нужном положении, чтобы дать возможность выставить грани призм 6, обладающих одинаковыми свойствами, в одной плоскости. Работу механизма поворота призм регулирует блок управления (условно не показан). В зависимости от погодных или заданных условий и времени в соответствии с программой он устанавливает призмы 6 в заданное положение и определяет время их неподвижного состояния. Верхние заглушки 12 треугольных призм 6 выходят своими полыми патрубками 22 в герметичный горизонтально расположенный верхний короб 23 для сбора нагреваемого воздуха, имеющий перпендикулярно расположенный к нему канал с приточным клапаном 24, выходящим на внутреннюю грань стены 1. Воздух в призмы поступает через отверстия 25 (фиг. 5, фиг. 6), находящиеся в нижних заглушках 11 призм 6, нагревается и попадает через полые патрубки 22 верхних заглушек 12 в герметичный верхний короб 23 и через приточный клапан 24 попадает в помещение. Устройство для поворота призм и блок управления (условно не показан) работают в автоматическом режиме по заданной программе при изменении условий эксплуатации. Для работы динамического фасада в автономном режиме используется контроллер 25 для преобразования солнечной энергии в электрическую, аккумуляторная батарея 26 и инвертор 27 для преобразования постоянного электрического тока в переменный (фиг. 4).
Динамический энергосберегающий фасад с изменяемыми свойствами работает в различных режимах.
-3
-4
2
Режим 1 (фиг. 1, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7). Наружные грани призм 6 создают плоскость динамического энергосберегающего фасада 5 из вакуумированных стеклопакетов 7. В данном режиме динамический энергосберегающий фасад работает как солнечный воздушный коллектор, обеспечивающий воздушное отопление в солнечный день и подачу подогретого свежего воздуха в помещения. Солнечные излучение проходит через вакуумированные стеклопакеты 7 и попадает на внутренние поверхности граней 8 и 9 призм с коэффициентом поглощения α=0,80-0,95 и излучательной способностью ε=0,1-0,2, нагревает их, от которых, в свою очередь, нагревается воздух в призмах 6. Потери тепла снижаются за счет вакуумированного стеклопакета 7 с вакуумом 10-10мм рт.ст. со стеклокерамическими фиксаторами 28, имеющего сопротивление теплопередаче R=0,8-0,9 (м⋅К)/Вт. В вакуумном зазоре стеклопакетов 7 конвекция и теплопроводность разреженного газа незначительны, а теплопотери за счет излучения значительно снижаются благодаря селективному покрытию с излучательной способностью ε=0,10-0,20, нанесенному на внутреннюю поверхность стекла. Воздух поступает через отверстия 25, находящихся в нижних заглушках 11 призм 6, нагревается и попадает через полые патрубки 22 верхних заглушек 12 в верхний герметичный короб 23 и через приточный клапан 24 попадает в помещение. Приточный клапан 24 имеет фильтр и заслонку для регулирования проходного отверстия.
Режим 2 (фиг. 2, фиг. 4, фиг. 8). Наружные грани 9 призм 6, покрытые пленочными солнечными панелями 10 создают на фасаде плоскую поверхность, работающую как солнечная батарея. Солнечная энергия с помощью контроллера 25 преобразуется в электрическую и заряжает аккумуляторную батарею 26. Постоянный ток с помощью инвертора 27 преобразуется в переменный и используется для работы всей системы. Динамический фасад может работать в автономном режиме по заданной программе. Блок управления при использовании датчиков времени и датчиков, реагирующих на яркость света, автоматически устанавливает заданный режим.
Режим 3 (фиг. 3, фиг. 9). Наружные грани 8 призм 6 создают плоскость динамического энергосберегающего фасада с коэффициентом отражения
ρ=0,85-0,90. В этом режиме динамический энергосберегающий фасад отражает солнечное излучение в жаркий день и этим охлаждает стену 1. При этом положении грань призмы 7 из вакуумированного стеклопакета также будет препятствовать нагреву стены.
Режим 4 (фиг. 10). В данном режиме между призмами создается зазор для удаления в летний период накопленной в зимний период влаги из стены и эффективного утеплителя. В данном режиме расположение призм может иметь три варианта и наряду с сушкой утеплителя может работать и в режиме, например, солнечных батарей.
Режим 5 (фиг. 11). В жаркий день грани призм из вакуумированных стеклопакетов 7, располагаясь параллельно эффективному утеплителю, создают сплошную плоскость, препятствующую проникновению теплого наружного воздуха с улицы. При этом грани 8 призм 6 отражают солнечное излучение на поверхность солнечных батарей 10, способствуя охлаждению стены и обеспечивая работу солнечных батарей.
Следует к преимуществам динамического фасада отнести возможность замены слоя эффективного утеплителя при капитальном ремонте здания путем предварительного снятия призм, что невозможно осуществить в других случаях при расположении утеплителя внутри стены.
Библиографический список
1. G.M. Wallner, R. Hausner, H. Hegedys, H. Schobermayr, R.W. Lang. Application Demonstration and Performance of Cellulose Triacetate Polymer Film Based Transparent Insulation Wall Heating System. Solar Energy, Vol. 80, 1410-1416, 2006.
2. I.L. Wong, P.C. Eames, R.S. Perera. A Review of Transparent Insulation System and the Evaluation of Payback Period for Building Applications. Solar Energy, Vol. 81, pp. 1058-1071, 2007.
3. Патент 2382164 Российская Федерация. Солнечный фасад с вакуумированным стеклопакетом / Стребков Д.С., Митина И.В.; заявитель и патентообладатель: Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) - №2008148711/03; Заявл. 11.12.2008; опубл. 20.02.2010, Бюл. №15 - 5 с.