МОБИЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ДОМ
MOBILE SOLAR HOUSE

Изобретение относится к строительству, в частности к сооружению мобильных, быстровозводимых и энергоэффективных зданий.
Целью изобретения является создание объекта с комфортной средой проживания, возможностью его быстрого монтажа и введения в эксплуатацию, низким потреблением энергоресурсов и удовлетворения потребности населения в жилье носящим временный характер, а именно: кемпинги, строительные городки, сезонные гостиницы, вахтовое жилье и т.п.
В последние десятилетия наблюдается значительное усиление внимания к проблемам экологии и влияния человеческой деятельности на окружающую среду. К таким влияниям относится сжигание полезных ископаемых для получения энергии и тепла, вырубка лесов под строительство, уничтожение культурного слоя почв при рытье фундаментов и прокладке коммуникаций, загрязнение водных источников и почв бытовыми и промышленными стоками, увеличение численности населения земли и, как следствие, нехватка водных и энергетических ресурсов [9]. Все это и многое другое чревато глобальным изменением окружающей среды не только в отдельных регионах, но и на всей планете.
Нами предлагается компактное и энергоэффективное здание [6] [15], легко возводимое из типовых элементов и адаптированное к перевозкам различными видами транспорта, такими как ж/д транспорт, грузовой автотранспорт, перевозки на морских грузовых суднах, грузовые авиаперевозки [22] [23]. Здание состоит из 4-х секций размерами 2,5 метра на 2,5 метра в плане и 3,3 метра в высоту каждая, комбинируя эти секции потенциально возможно формировать множество различных вариантов планировочных решений, нами предлагается наиболее эффективное планировочное решение, в плане представляющее собой квадрат и образующее жилую ячейку [1]. В состав здания входят: кухня, санитарный и душевой блок, спальня, общая зона - она же столовая [2] [3]. По вертикали здание делится на жилую зону высотой 2,2 метра и подполье, с размещаемым там обслуживающим оборудованием, высотой 1,1 метр. Конструктивно здание состоит из ряда типовых элементов: стальных несущих рам покрытых жидкой теплоизоляцией [28] [29]; облегченных рам из легких сплавов металлов, также покрытых жидкой теплоизоляцией [25]; панелей 2-х типов полнотелых и оконных; комбинированной солнечной энергоустановки. Все конструктивные элементы жестко скрепляются винтовыми соединениями (винты [27], гайки [21], резьбовые заклепки [24]). Облегченные рамы с закрепленными на них панелями крепятся к несущим рамам и располагаются в два слоя, на расстоянии 6 см каждые, образуя перекрытия и стены здания. Коммуникации прокладываются в пространстве между облегченными рамами и скрываются полнотелыми панелями, вставленными в облегченные рамы, таким образом обеспечивая легкий доступ к обслуживанию сетей и оборудованию дома и защищая их от воздействия внешней среды и внутренней среды дома.
С целью обеспечения экологически благоприятной среды энергоснабжения и водообеспечения здания нами предлагается установить на крыше комбинированную солнечную энергоустановку и оснастить здание системой по фильтрации воды, системой по очистке серых вод с возможностью повторного использования воды в бытовых нуждах пользователей [16], автономной солнечной электростанцией, накапливающей и преобразующей электроэнергию, полученную от солнечных батарей [12] [13] [14], размещенных на внешней поверхности комбинированной солнечной энергоустановки.
Данная энергоустановка имеет пирамидальную форму с углом наклона граней 45 градусов, для наиболее эффективного поглощения солнечного излучения фотоэлектрической установкой, гелиотермической установкой, и стока дождевой воды, ориентированную на все стороны света, что повышает ее энергоэффективность, соответственно она получает солнечную энергию на протяжении всего светового дня и лишена требования по размещению строго относительно южных румбов, так же установка за счет своей формы выполняет роль крыши и способствует естественному стоку дождевой воды. Комбинированная солнечная энергоустановка состоит из бака с водой общего пользования, то есть водой употребляемой для питья, приготовления пищи и гигиенических процедур; бака с оборотной водой - водой, которая была уже использована, прошла очистку и теперь повторно используется в бытовых нуждах, а именно в смыве унитаза, мытье посуды, поливе растений [17] [19]; бака с водой для пожаротушения, данный бак напрямую подсоединен к системе спринклеров, которые в случае пожара разбрызгивают воду над источником возгорания; бака горячей воды общего пользования, где подогрев воды осуществляется за счет 4 парных гелиоколлекторов со встроенными в бак тепловыми трубками [4] [5], в совокупности с электрокотлом образующих гелиотермическую установку [11], которые разогревают воду за счет передачи тепла через теплообменники тепловых трубок и конвекционных процессов в самой воде, находящейся в баке, такая вода также используется для приготовления пищи, соблюдения гигиенических процедур и мытья посуды; вытяжной вентиляции, в которой за счет процессов теплообмена восходящих потоков теплого воздуха и труб с водой, направляемой в бак с горячей водой, происходит частичный нагрев последней, что в свою очередь экономит энергию при дальнейшем подогреве воды в баке, а установленный наверху дефлектор способствует усилению тяги в вытяжном канале; солнечных батарей, являющихся также частью автономной электрической станции, в состав которой, помимо упомянутых батарей, входит оборудование, располагающееся в подполье, по накоплению и распределению электричества в здании [7] [8]; системы сбора дождевой воды [20], которая в дальнейшем после прохождения системы фильтрации воды попадает в бак с водой общего пользования [14].
Энергоустановка, как следует из вышесказанного, за счет сочетания в себе различных систем обеспечивает возможность использования пассивного и принудительного энерго- и водоснабжения. Суть этих возможностей заключается в следующем: при пассивном обеспечении дома вода, тепло и электричество поступают только от естественных источников - дождь, естественные водоемы и реки, солнечное излучение, восходящие потоки теплого воздуха; при комбинированном обеспечении - энерго-, тепло- и водные ресурсы могут дублироваться системами централизованного энерго- и водоснабжения, таким образом предоставляя возможность полной либо частичной автономности солнечного дома.
На фиг.1 изображен фасад здания; на фиг.2 - план здания на отметке 2,2 метра; на фиг.3 - разрез здания по А-А на фиг.2; на фиг.4 - изометрия конструктивных элементов и последовательность их установки на примере одной секции; на фиг.5 - схема сбора, очистки и распределения по бакам дождевой воды; на фиг.6 - схема получения оборотной воды и ее использования; на фиг.7 - схема автономной солнечной электростанции; на фиг.8 - схема получения горячей воды с изображением конвекционных процессов внутри бака; на фиг.9 - разрез гелиоколлектора по А-А на фиг.8;
На фиг.1, 2, 3, 4 приведено здание, состоящее из 4-х секций, функционально поделенное на кухню 64, душевую и с/у 65, спальню 66, и столовую 67, также в состав здания входит подпольное пространство 68 с размещенным там оборудованием и установленная на крыше солнечная энергоустановка, которая в свою очередь объединяет в себе: баки для хранения оборотной воды 17, баки с водой общего пользования 12, баки с горячей водой 13 со встроенными гелиоколлекторами 21, вытяжку 19, солнечные батареи 33 и водосточный желоб 1 для сбора дождевой воды. Внутри установки предусмотрено пустое пространство 40 для установки в нем оборудования и прокладки труб и электрических кабелей, которые свяжут установку с оборудованием в подполье и точками потребления внутри дома.
На фиг.4 - отображены в изометрии конструктивные элементы здания и последовательность их сборки, а на фиг.3, 5, 6, 7 отображена картина устройства подпольного пространства и метод прокладки инженерных сетей внутри и между конструктивных элементов здания. На примере одной секции (фиг.4) показано, что здание состоит из ряда унифицированных конструктивных элементов, которыми являются основание дома 55, несущая рама 56, выполненная из профильных стальных элементов, легкая рама 57, глухих панелей 58 и оконных панелей 59, декоративных заглушек 60 и деформационных резиновых прокладок 61, защищающих торцы несущих рам. Все выше перечисленные конструктивные элементы монтируются в следующей последовательности - сначала устанавливаются фундаментные блоки 55, затем на них устанавливаются несущие рамы 56, соединяющиеся между собой с помощью болтов, после в несущие рамы 56 вставляются легкие рамы 57, причем из данных рам монтируются не только стены, но также будущие пол и потолок. Затем в легкие рамы в зависимости от внутреннего планировочного решения вставляются панели 2-х типов - глухие 58 и оконные 59. В завершающем этапе монтируются декоративные заглушки 60, дверные панели 62 (проемы) и резиновые прокладки 61. После чего сверху на крыше монтируется солнечная установка.
На фиг.5 приведена технологическая схема сбора дождевой воды, ее очистки и распределения по бакам комбинированной солнечной энергоустановки, включающая в себя водосточный желоб 1 по которому вода стекает в водосточную трубу 2 на входе, в которую установлен фильтр механической очистки 2а. Затем дождевая вода попадает в бак сбора дождевой и неочищенной воды 3, из него с помощью насоса 4 вода доставляется в систему очистки, разделенную на несколько этапов. Вначале вода проходит осадочный фильтр 5, в котором удаляются крупные загрязнители, грязь и песок, затем вода проходит фильтр обезжелезивания 6, где в качестве фильтрующей среды используют различные природные вещества, включающие в свой состав двуокись марганца и выполняющие роль катализатора реакции окисления. В результате этой реакции растворенные в воде железо и марганец переходят в нерастворимую форму и выпадают в осадок. Этот осадок задерживает слой фильтрующей среды и в дальнейшем вымывают в дренаж при обратной промывке. Далее вода проходит умягчитель воды 7, к которому подсоединен бак солерастворителя 8. Потом вода поступает в угольный фильтр 9, где благодаря своей высокой адсорбционной способности активированный уголь эффективно поглощает хлор, растворенные газы, органические соединения, устраняя тем самым посторонний привкус, запахи и цветность. Далее вода проходит уф фильтр 10, где происходит обеззараживание. После вода направляется сразу к месту потребления, где пройдя через бытовой фильтр 15, выпускается через кран 16, либо с помощью датчика уровня воды в баках 11 и ее распределения подается в баки в зависимости от их наполнения, в бак с водой общего пользования 12 или бак с горячей водой 13. При подаче воды в баки с горячей водой 13 трубы проходят через вытяжной канал 19, где за счет восходящих потоков горячего воздуха 54 происходит теплообмен и вода на входе в бак горячей воды имеет уже температуру выше, чем та вода, которая была направлена в бак с водой общего пользования. Подогрев воды в баке горячей воды происходит за счет тепловых трубок 21.
На фиг.6 показана схема технологического процесса по использования оборотной воды. Нагретая вода в баке 13 подается под давлением в электрический котел 25, который греет воду в случае если ее температура недостаточно велика (используется исключительно как страховочная система подогрева воды) и далее по трубам в кран 16; и холодная вода из бака воды общего пользования по трубам 24 подается также в кран 16 и еще в один такой же кран исключительно для питьевой воды, предварительно пройдя бытовой фильтр 15. Также горячая и холодная вода подаются в душ 22. Вся использованная вода, в дальнейшем попадающая в сточные трубы, подается в систему по очистке бытовых вод (серой воды) для повторного ее использования в быту - такая вода называется оборотной. В этой системе серая вода проходит 3 стадии очистки: бак, в котором из воды удаляются крупные примеси 28, бак биологической очистки воды 29, бак уф стерилизации 30. Затем оборотная вода подается с помощью датчика уровня воды в баках 11 и ее распределения в бак оборотной воды 17, либо в бак воды, предназначенной для пожаротушения 18, подающейся в случае возникновения пожара через спринклеры 32. Оборотная вода из бака по мере необходимости используется в смыве унитаза 27 или в поливе растений. Из унитаза вода вместе с продуктами жизнедеятельности попадает в накопительный бак 31, откуда она может быть повторно отправлена на очистку и дальнейшее использование либо позже удалена.
На фиг.7 изображена схема получения электричества от фотоэлектрических элементов (солнечных батарей), установленных на поверхности комбинированной солнечной энергоустановки. Солнечное излучение 52, падающее на солнечные батареи 33, преобразуется в электрическую энергию и забирается устройством отбора максимальной мощности 34, затем электричество поступает на устройство зарядки-разрядки 35, где электричество в зависимости от необходимости сразу подается на инвертор 36 и поступает к точкам потребления переменного тока 38, либо в обход инвертора подается к точкам потребления постоянного тока 39, либо осуществляется заряд аккумуляторных батарей 37.
На фиг.8, 9 показаны схемы теплообмена в баке горячей воды. Вода в данном баке нагревается следующим образом, как это было показано на фиг.14, вода подаваемая в бак горячей воды 13, начинает согреваться еще в канале вытяжки 19 за счет теплого воздуха, подымающегося вверх 54. Попав в бак, вода с меньшей температурой и большей плотностью стремится опуститься в нижнюю часть бака, где расположены теплообменники тепловых трубок 21, по пути вода согревается за счет теплообмена с разогретой водой, имеющей меньшую плотность, а следовательно, поднимающуюся в верхнюю часть бака. Далее происходит следующее - солнечное излучение, падающее на абсорбер 46, разогревает рабочую жидкость 48 внутри него. Жидкость превращается в газ и подымается вверх, где через рабочий контур 44 отдает тепло воде, спустившейся в нижнюю часть бака, тем самым разогревая ее. Затем, отдав тепло, рабочая жидкость конденсируется и стекает вниз абсорбера. Все возможные утечки тепла в окружающую среду невозможны за счет того, что бак имеет толстый слой теплоизоляции 42, размещенный между внутренним слоем нержавеющей стали 43 и внешним покрытием бака 41. От потерь тепла через тепловую трубку систему предохраняет вакуумная трубка из стекла 50 и герметичная пробка 45.
Экспликация
1
Желоб водосточный
2
Труба водосточная
2а
Фильтр механической очистки
3
Бак сбора дождевой и неочищенной воды
4
Насос
5
Осадочный фильтр
6
Фильтр обезжелезивания
7
Умягчитель воды
8
Бак солерастворителя
9
Угольный фильтр
10
Стерилизатор ультрафиолетовый
11
Датчик уровня воды в баках, совмещенный с распределителем очищенной воды
12
Бак холодной воды общего пользования (приготовление пищи, питьевая вода, гигиена)
13
Бак горячей воды общего пользования со встроенными 4 солнечными коллекторами.
14
Клапаны принудительной заправки баков водой
15
Система подготовки питьевой воды (фильтр бытовой)
16
Кран подачи воды
17
Бак с вторично используемой водой (оборотной водой)
18
Бак с водой для пожаротушения
19
Канал вытяжки с дефлектором
20
Душевой поддон
21
Тепловые трубки
22
Душ
23
Насос
24
Труба подачи воды из бака с водой общего пользования
25
Электрический котел (электрокотел)
26
Раковина
27
Унитаз с бачком для воды
28
Бак отделения от «серой» воды крупных примесей и подготовки к биологической очистке
29
Бак биологической очистки воды
30
Бак УФ стерилизации
31
Бак накопительный (для сточных вод)
32
Спринклеры
33
Солнечные батареи
34
Устройство отбора максимальной мощности
35
Регулятор зарядки-разрядки
36
Инвертор
37
Аккумуляторная батарея
38
Потребитель переменного тока
39
Потребитель постоянного тока
40
Пространство под баками для прокладки труб и размещения обслуживающего оборудования
41
Внешнее покрытие бака
42
Теплоизоляция
43
Внутренний резервуар из нержавеющей стали
44
Рабочий контур
45
Герметичная пробка
46
Медная тепловая трубка (абсорбер)
47
Алюминиевая фольга
48
Легкокипящая рабочая жидкость
49
Вакуум
50
Стеклянная вакуумная трубка
51
Покрытие энергоустановки
52
<img file="00000001.tif" he="4" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
Солнечное излучение
53
<img file="00000002.tif" he="3" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
Осадки
54
<img file="00000003.tif" he="4" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
Теплый воздух
Экспликация к конструктивной части сооружения (дома)
55
Фундамент, основание
56
Рама несущая
57
Облегченная рама
58
Полнотелая панель
59
Оконная панель
60
Заглушка
61
Прокладка из резины
62
Панель с дверью или дверным проемом
Экспликация к планировочной части сооружения (дома)
63
Тамбур
64
Кухня
65
Душевая и с/у
66
Спальня
67
Столовая
68
Подполье
Источники информации
1. Степанов И.В. Мобильные здания и сооружения. Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1988 год.
2. Сапрыкина Н.А. Мобильное жилище для севера. Л.: Стройиздат, 1986
3. Д.Майдар, Д.Пюрвеев. От кочевой до мобильной архитектуры. М.: Стройиздат, 1980.
4. Капралов А.И. Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988.
5. Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966.
6. П.Р.Сабади. Солнечный дом. М.: Стройиздат, 1981.
7. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент. М.: Энергоатомиздат, 1987.
8. Ершов А.А. Солнечная энергетика. Москва, изд. «Знание», 1974.
9. Возобновляемая энергия в России. // Международное энергетическое агентство ОЭСР/МЭА, 2004.
10. Е.Ю.Котляров, А.Б.Анохин. Как выбрать тип коллектора [http://www.rainbow1.ru/org/sub198/183.html].
11. Конструкция и принцип работы солнечных вакуумных коллекторов [http://solar.atmosfera.ua/ru/kak-eto-rabotaet/konstrukciya-i-princip-raboty-solnechnyx-vakuumnyx-kollektorov-atmosferaua-2/].
12. Арбузов Ю.Д., Безруких П.П. Оборудование возобновляемой и малой энергетики. М.: ИД Энергия, 2005.
13. Элементы солнечных батарей и дополнительные компоненты [http://www.powerinfo.ru/solar-cell.php].
14. Самойлов B.C. Инженерное оборудование дома и участка. [http://www.mukhin.ru/besthome/equiphouse/13.html]
15. И.А.Огородников, О.Н.Макарова, Е.С.Дубынина. Экодом в Сибири [http://www.seu.ru/programs/ecodom/book/12.htm].
16. Прохорова О. Повторное применение использованной воды в технических целях/ [http://www.ecorussia.info/ru/ecopedia/home_water_recycling#paragraph_8_32].
17. Grey water recycling system for baths /showers/ laundry waste water for use in flushing toilets. / [http://www.grey-water-recycling.co.uk/].
18. Greywater / [http://en.wikipedia.org/wiki/Grevwater].
19. Hansgrohe AG. Greywater recycling with pontos AquaCycle. [http://www.hansgrohe-int.com/int_en/86087.htm].
20. Системы сбора дождевой воды и повторное использование воды [http://www.woodheat.ru/doklad/rain.html].
21. Ткачев Л.А. Болты, гайки и шайбы [http://www.zmi2.ru/articles/bolts/].
22. Типы морских контейнеров [http://www.chemical.ho.ua/index.php?c=spravochnik/tipv-morskih-konteinerov.htmll.
23. Грузовые вагоны колеи 1520 мм железных дорого СССР (альбом-справочник) /Министерство путей и сообщения СССР. М.: изд. Транспорт, 1989.
24. Резьбовые заклепки [http://santal-m.ru/production/description/?cod=2150].
25. Сверхтонкая жидкая теплоизоляция / newchemistry.ru Аналитический портал химической промышленности. / [http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=4215], [http://www.termoplex.ru/korund.php?table=korund].
26. Электрические отопительные котлы / [http://warmos.ru/products/electric_heating_boilers/].
27. ГОСТ 11738 / DIN 912 / ISO 4762.
28. ДСТУ 2251-93 (ГОСТ 8509-93) Уголок горячекатаный равнополочный. М.: Изд. Стандартов.
29. ГОСТ 8278-89 (СТ СЭВ 105-86) Швеллеры стальные гнутые равнополочные. М.: Изд. Стандартов.
30. Гост 300778-2001 / прокладки уплотняющие из эластомерных материалов для оконных и дверных блоков / Госстандарт, Москва.