МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ПЛИТКА ДЛЯ КРЫШИ
MULTIFUNCTIONAL TILE FOR ROOF

Изобретение относится к строительству, а также к энерготехнике, тепло-гелиотехнике, а именно к строительным элементам и конструкциям с новыми функциональными свойствами, посредством которых обеспечивается ресурсосберегающий микроклимат в строениях накоплением и использованием солнечной тепловой энергии. В частности, к объектам использования для скатных крыш жилых домов и хозяйственных помещений.
Близкие аналоги, совмещающие функциональные возможности и внешний вид плитки, отсутствуют.
Известны изобретения, относящиеся к гелиотехнике и предназначенные для аккумулирования солнечной тепловой энергии с целью последующего использования. Из них к аналогам с близким принципом функционирования шатра теплицы можно отнести заявку Российской Федерации №2002103695, 15.02.2002, A01G 13/06. В ней впервые предложен теплообменник в виде шатра теплицы, имеющей двойное покрытие, при этом конструкция шатра обеспечивает возможность перемещения воды и воздуха в пространстве между покрытиями, в ней также используется теплоаккумулятор, в котором создается и поддерживается температурный градиент воды передачей тепловой энергии, переносимой водой и воздухом в зависимости от температуры в определенные области объема теплоаккумулятора. Но крыша этой теплицы, состоящая из двух покрытий, имеет специфическую конструкцию, которая требует новых представлений и больших изменений, как традиционных технологий покрытия крыш, так и эстетических представлений, поэтому применение ее к современным жилым и хозяйственным строениям в данный момент затруднительно. Это частично относится к более близким аналогам, приведенным ниже. Более близкими аналогами, которые можно отнести к прототипам, являются заявка Российской Федерации №2005128163, 12.09.2005, 12.09.2005 F28F 3/00, F24D 15/00, и заявка Российской Федерации №2008141672, 20.10.2008. В них общий принцип функционирования крыш теплиц или строений близок к принципу функционирования крыши, покрытой многофункциональной плиткой. Для теплообмена в этих заявках используется крыша (шатер) строения, как солнечно-тепловой теплообменник, для этого она выполнена с двойным покрытием, обеспечивающим возможность перемещения воды и воздуха в пространстве между покрытиями. Наружное покрытие прозрачное, внутреннее оборудовано отливом и водосборным желобом, отводящим тепловую энергию воды в теплоаккумулятор. Вода, подаваемая насосом из холодной области термоаккумулятора, поступает в область конька и разбрызгивается или распыляется в пространстве между покрытиями, откуда также забирается охлажденный воздух, подаваемый внутрь сооружения, а вода, стекающая по внутреннему покрытию, участвует в теплообмене с нагреваемой солнцем конструкцией крыши и воздухом, нагревается, а затем поступает через распределитель в соответствующую ее температуре изотемпературную область термоаккумулятора.
Накопление солнечной тепловой энергии в теплоаккумуляторе происходит за счет энергии, затрачиваемой на охлаждение воздуха в строении, то есть без дополнительных затрат энергии.
Более близкой решаемой данным изобретением задачей является конструкция, представляющая собой сеть прямых или извилистых каналов. Она ответвляется от самого верхнего, расположенного в горизонтальной плоскости, куда подается вода и забирается воздух. Каналы располагаются на согреваемых солнцем скатах крыши, соединяя верхний канал с карнизом. Они могут иметь не только прямой, но и извилистый путь: зигзагообразный, винтовой или спирально - винтовой. Они располагаются или в углублениях крыши, или на ее поверхности. Каналы выполняются составными из прозрачных патрубков или разъемными, закрытыми сверху прозрачными колпаками. Для борьбы с конденсатом внутри сооружения предлагается следующее решение: изнутри строения к охлаждаемым водой элементам конструкции на небольшом расстоянии от них, но обеспечивающем свободный доступ воздуха, к ним крепятся отводящие конденсат накладки, по которым конденсат отводится в сборник конденсата, а оттуда используется для пополнения потерь воды в теплоаккумуляторе.
В этих полезных изобретениях приведено решение близкой задачи, но другими, далекими от традиционных, конструктивными решениями, поэтому для их широкого внедрения требуются значительные средства не только на разработку новых технологий, но на изменение традиционно сложившегося представления. Приведенные выше аналоги также включают: насос для воды, как средство для подачи воды; детали конструкций для распределения воды по скатам крыши; детали конструкций для отвода воды через температурный распределитель в теплоаккумулятор; средство или конструктивные детали, обеспечивающие движение воздуха для обеспечения ресурсосберегающего микроклимата в строениях. В предлагаемом изобретении приведено решение более широкой функциональной задачи, но в узкой области, для конкретного элемента, методами, приближенными к традиционным конструктивным решениям. Многофункциональная плитка не изменят внешнего вида крыш, обеспечивая более широкие функциональные возможности, то есть повышает эффективность крыш при меньших затратах на внедрение.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей при высокой экономичности традиционных по форме и новых по функциональным возможностям скатных крыш. Достигается использованием новых кровельных элементов многофункциональной плитки, применение которой обеспечивает ресурсосберегающие экологически чистые способы обеспечения микроклимата в строениях, повышение эффективности и экономичности, расширение функциональной возможности дополнительной функцией низкотемпературного термоэлектрического генератора электроэнергии.
Сущность изобретения. Многофункциональная плитка для скатных крыши, включающая внутреннюю полость или полости, предназначенная для покрытий скатных крыш, с возможностью функционирования в качестве теплообменника. Крыши строений включают: средство для подачи воды, детали конструкций для распределения воды по скатам крыши, детали конструкций для отвода воды через температурный распределитель в теплоаккумулятор и средство или конструктивные детали, обеспечивающие движение воздуха для обеспечения микроклимата в строениях. Внутренняя полость или полости многофункциональной плитки, открытые с двух сторон, выполнены с возможностью соединения при монтаже покрытия крыши в каналы, обеспечивающие возможность движения по ним, по меньшей мере, через две плитки, воды и (или) воздуха. Возможность соединения внутренней полости или полостей плитки в каналы достигается соответствием формы и внутренних размеров поперечного сечения полостей, в пределах длины соединения плиток, нижерасположенной по скату крыши плитки; наружной форме и размерам поперечного сечения патрубка или патрубков соединительных частей вышерасположенной по скату крыши плитки. Сверху стык плиток закрывает верхняя накрывающая кромка вышерасположенной плитки. Многофункциональная плитка может быть выполнена сдвоенной, то есть состоять из двух кровельных плиток или профильных листов, имеющих стандартный профиль: волновой, прямоугольный, трапециевидный, а также: синусоидальный, полукруглый, треугольный, четырехугольный, пятиугольный, шестиугольный. В этом случае плитка состоит из комбинации профильного листа с плоским листом, или двух листов одинакового профиля, или листов разных профилей, но с равным шагом. В последних двух случаях каналы в полой плитке формируются за счет того, что вершины волны профиля верхнего листа плитки расположены против впадины волны профиля нижнего листа плитки. Наружная верхняя часть многофункциональной плитки или ее поверхность может быть выполнена прозрачной, а в случае выполнения комбинированной плитки из двух разных материалов, верхняя часть ее выполнена из прозрачного материала. За счет возможности проникновения во внутренние полости плитки солнечного теплового излучения, в этой плитке совмещены функциональные качества теплообменника и солнечного коллектора.
Дальнейшее расширение многофункциональности плитки обеспечивается тем, что она имеет дополнительную функцию низкотемпературного термоэлектрического генератора электроэнергии. Она выполнена из диэлектрического материала и содержит полупроводники обеих видов проводимости с пограничным слоем и (или) проводники пар металлов или сплавов металлов, подобранных в термопары, спаи которых расположены в областях плитки с наибольшей разницей температур, а электрические выходы от внутренних соединений термопар, расположенные на краях плитки, выполнены в виде краевых контактов, коммутируемых при монтаже крыши с краевыми контактами соседней плитки в сеть, включающую отводящие электрический ток шины.
Технология производства такой многофункциональной плитки может быть различной, например материал плитки может быть армирован проволокой из металлов или сплавов металлов по схемам, образующим последовательно-параллельное соединение термопар.
Чтобы ослабить влияние окружающей среды на краевые электрические контакты. Краевые контакты от встроенных в плитку низкотемпературных термоэлектрических генераторов электроэнергии расположены на перекрываемых кромках многофункциональной плитки, в области вершины волны профиля или возвышения, со стороны накрываемой кромки, имеют вид выпуклостей или шипов, возвышающихся над поверхностью плитки; а ответные контакты, со стороны накрывающей кромки, имеют вид вогнутостей, утопленных в поверхность плитки, или углублений под шипы.
Дальнейшее расширение функциональных возможностей плитки обеспечивается тем, что она дополнена профильным отводящим конденсат листом, расположенным с внутренней стороны крыши под нижней поверхностью плитки. Профильные отводящие конденсат листы монтируются с зазором для возможности движения воздуха между внутренней поверхностью внешней кровли из многофункциональной плитки и внешней поверхностью внутренней кровли из профильных листов; гребни профиля листа имеют поры или отверстия, обеспечивающие доступ воздуха из внутреннего помещения строения к охлаждаемой водой нижней поверхности плитки, а из впадин профиля листа составляется сеть желобов, отводящих конденсат, образующийся на вышерасположенной нижней поверхности полой плитки. В случае одновременного движения через каналы в плитках воды и воздуха, вода стекает под действием силы тяжести сверху вниз через нижние области площадей поперечного сечения полостей плиток, а воздух, под действием естественной или принудительной тяги, поднимается снизу вверх, непосредственно над водой, через верхние области площадей поперечного сечения полостей плиток. Полости многофункциональной плитки могут иметь направляющие или препятствия ламинарному течению воды, образующими с дном полости нижней части плитки зазор и (или) имеющие отверстия, в граничной с поверхность дна полости плитки области, для пропуска остаточной воды и конденсата.
Из-за больше турбулентного, чем ламинарного, характера движения воды в полостях плиток происходит хороший теплообмен между водой и воздухом. Для распределения воды по полостям плиток предназначен горизонтально расположенный коньковый канал, выполненный с возможностью объединения верхних по скату крыши полостей плиток, а полости нижних по скату крыши плиток объединены карнизным каналом, предназначенным для распределения воздуха по полостям плитки и отвода воды в теплоаккумулятор.
Горизонтально расположенный коньковый канал объединяет полости кровельной плитки в верхней части крыши, в области ее конька.
Коньковый канал имеет форму трубы с отверстиями или желоба с отверстиями для дождевания воды, равномерно разбрызгиваемой над ним, и поддона с плоским или выпуклым дном, боковые стенки которого прилегают к коньковым деталям кровли. На границе стенок и дна поддона расположены патрубки, предназначенные для соединения с полостями плитки, внешний контур поперечных сечений патрубков по форме и размерам соответствуют контуру поперечных сечений внутренних полостей плитки, в пределах длины соединения. В коньковом канале происходит теплообмен воды и воздуха, в нем распределяется по полостям верхних по скату крыши плиток вода, и через него проходит воздух, поступающий из каналов, образованных полостями плиток. В нижней части крыши, в области карниза, полости многофункциональной плитки объединены карнизным каналом, имеющим форму трубы с двумя плоскими гранями, по одной из которых расположены отверстия, по форме и размерам соответствующие наружной форме и размерам поперечного сечения патрубков плитки. Через карнизный канал проходит и распределяется по полостям плитки воздух и отводится вода, стекающая из полостей кровельной плитки, карнизный канал связан водоотводящей трубой с температурным распределителем теплоаккумулятора. Карнизный и коньковый каналы соединены с системой обеспечения ресурсосберегающего микроклимата в строении, которая включает: насос для подачи воды в коньковый канал, в случае охлаждения крыши, вода подается из соответствующей холодной, имеющей хороший тепловой контакт с землей, изотемпературной области теплоаккумулятора; теплоаккумулятор, который имеет сообщающиеся разделение на изотемпературные области посредством тепловых экранов, за счет этого в нем сохраняется и поддерживается температурный градиент воды; температурный распределитель для распределения воды, поступающей в него по водоотводящей трубе из карнизного канала, по изотемпературным областям теплоаккумулятора; вентиляционную систему строения, с которой соединены карнизный и коньковый каналы.
На Фиг.1 представлен фронтальный вид и поперечный разрез дома с крышей, покрытой многофункциональной плиткой, он включает в себя: теплоаккумулятор 1, коньковый канал: труба с отверствиями 2, труба подачи воды с форсунками 3, поддон 4, коньковую деталь 5, многофункциональную плитку 6, полость плитки 7, карнизный канал 8, водоотводящую трубу 9, отводящие конденсат листы 10, распределитель теплоаккумулятора 11, воздуховод вентиляционной системы 12. На Фиг.2 представлен увеличенный фрагмент крыши 6, покрытый многофункциональной плиткой, и другой вариант ее выполнения, где представлены: направляющие 13, краевые контакты 14. Работа многофункциональной плитки в составе крыши для обеспечения ресурсосберегающего микроклимата в строениях имеет несколько режимов. Рассмотрим один из наиболее экономичных режимов работы устройства.
Рассмотрим режим охлаждения с одновременным накоплением тепловой энергии для обеспечения ресурсосберегающего микроклимата в строениях.
Рассмотрим солнечный летний день. Наружный воздух нагревается, если его температура превысит заданный предел, включается насос для подачи воды, подающий холодную воду из соответствующей холодной, имеющей хороший тепловой контакт с землей, изотемпературной области теплоаккумулятора 1 в коньковый канал, в нем вода разбрызгивается в трубе с отверстиями 3 и стекает в поддон 4, затем распределяется по полостям 7 верхних по скату крыши плиток 6. Через коньковый канал проходит воздух, поступающий из каналов, образованных полостями плиток. В случае одновременного движения через каналы в плитках воды и воздуха, вода стекает под действием силы тяжести сверху вниз через нижние области площадей поперечного сечения полостей плиток, а воздух под действием естественной или принудительной тяги поднимается снизу вверх непосредственно над водой через верхние области площадей поперечного сечения полостей плиток. Вода стекает по каналам, образованным полостями плиток 6, крыши, функционирующей как теплообменник, участвуя в теплообмене, нагревается сама и охлаждает движущийся навстречу воздух; воздух, поднимаясь в коньковый канал, охлаждается и поступает в строение. Теплая вода стекает по каналам, образованным полостями плиток 6, в карнизный канал 8, через который также проходит для теплообмена воздух. Из карнизного канала вода стекает по водоотводящей трубе 9, ведущей к температурному распределителю теплоаккумулятора 11. Через температурный распределитель вода поступает в соответствующую ее температуре изотемпературную область теплоаккумулятора. Теплоаккумулятор имеет сообщающееся разделение на изотемпературные области посредством тепловых экранов, за счет этого в нем сохраняется и поддерживается температурный градиент воды;
охлажденный воздух забирается из той части карнизного канала, где разбрызгивается или распыляется вода. После этого по воздуховоду 12 подается в помещение или (и) в холодную область воздуховода теплоаккумулятора.