КОМПЛЕКС АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЯ
SELF-SUSTAINED POWER AND HEAT SUPPLY SYSTEM FOR BUILDING

Изобретение относится к устройствам альтернативного энергоснабжения с использованием комбинированных средств получения тепла, холода и электричества при помощи ветровой и солнечной энергии, которые предназначены преимущественно для автономного кондиционирования и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий.
7
Известна система теплоснабжения по патенту РФ на полезную модель №124949, МПК F24D 3/18, предназначенная для автономного теплоснабжения и холодоснабжения объектов индивидуального жилья и зданий. Преимуществом этой системы является более полное использование солнечной энергии, а также энергии низкопотенциального теплоносителя скважин.
Система содержит контур сбора тепла грунта путем циркуляции низкопотенциального теплоносителя, тепловой насос системы «грунт-вода», бак емкостного водонагрева с пиковым нагревателем, теплообменники. Нижний теплообменник подключен к системе сбора тепла солнечной энергии, включающей контур циркуляции теплоносителя, проходящий через вакуумированный трубчатый коллектор, который в свою очередь соединен с теплообменником и теплообменником, размещенным в буферной емкости, трехходовые краны, трубопровод подачи теплоносителя в тепловой насос, трубопровод отвода теплоносителя из теплового насоса, трубопровод отвода теплоносителя из вакуумированного трубчатого коллектора, который соединен с теплообменником, помещенным в бак косвенного нагрева. Имеются также трубопровод подачи теплохладоносителя из теплового насоса, трубопровод возврата теплохладоносителя в тепловой насос, трубопровод подачи в систему отопления и охлаждения здания, трубопровод возврата из системы отопления и охлаждения здания, трубопровод подачи холодной воды в здание, трубопровод отвода горячей воды потребителю.
Второй теплообменник соединен с тепловым насосом системы «грунт-вода». Система снабжена баком-аккумулятором, внутри которого размещен теплообменник, а весь остальной внутренний объем бака аккумулятора заполнен парафином, при этом теплообменник одной стороной через трехходовые краны соединен с контуром циркуляции теплоносителя и теплообменником бака косвенного нагрева и теплообменником, размещенным в буферной емкости, а другой стороной через трехходовые краны - со вторым теплообменником, размещенным в баке емкостного
водонагревателя, буферной емкостью, снабженной пиковым нагревателем и вторым теплообменником, вход и выход которого соединены с введенным в систему дополнительным источником тепла в виде пеллетного или твердотопливного котла.
Указано, что система теплоснабжения и холодоснабжения зданий может быть снабжена ветрогенератором, установленным на здании или рядом с ним, который электрически связан с пиковым нагревателем, установленным в баке косвенного нагрева, и с пиковым нагревателем, установленным в буферной емкости.
Необходимость вакуумирования трубчатого коллектора и теплохладоносителя значительно усложняет указанную систему теплоснабжения и делает энергетически неэффективной подключение к пиковому нагревателю ветрогенератора из-за многоэтапного преобразования механической энергии ветра в электрическую, а затем и в тепловую энергию.
7
Также известна система автономного электро- и теплоснабжения жилых и производственных помещений по патенту РФ №224912, МПК F03D 9/00. Система содержит ветрогенераторную установку для выработки электроэнергии, связанную с потребителями электрической энергии; аккумулятор электрической энергии, связанный с ветрогенераторной установкой и потребителями электрической энергии; установку для преобразования солнечной энергии в тепловую и тепловой аккумулятор, связанные с потребителями тепловой энергии. Система содержит работающий от ветрогенераторной установки тепловой насос, связанный с потребителями тепловой энергии; инвертор, через который аккумулятор электрической энергии подключен к потребителям электроэнергии; утилизатор теплоты сточных вод; коллектор тепла Земли и автоматическую систему управления, соединенную через датчики тепловой и электрической нагрузок с исполнительными механизмами. Установка для преобразования солнечной энергии в тепловую содержит блок солнечных коллекторов, связанных по теплоносителю, по меньшей мере, с двумя теплообменниками, один из которых расположен в тепловом аккумуляторе, другой - в теплообменном аппарате, связанном по теплоносителю с коллектором Земли. Тепловой насос содержит компрессор, работающий от ветрогенераторной установки; по меньшей мере, два выносных испарителя и, по меньшей мере, два выносных конденсатора. Выносной испаритель встроен в теплообменный аппарат, связанный по теплоносителю с коллектором тепла Земли. Выносной испаритель встроен в утилизатор теплоты сточных вод. Выносной конденсатор встроен в бак горячей воды, а второй выносной конденсатор встроен в теплообменный аппарат, связанный по теплоносителю с потребителями тепловой энергии.
Повышение надежности системы автономного энергоснабжения достигнуто чрезмерным усложнением системы, избыточным количеством датчиков температуры, организацией нескольких контуров циркуляции теплоносителя, а совместимость их работы обеспечивается специальной программой для ЭВМ. Питание АСУ осуществляется от отдельной аккумуляторной батареи. Недостаточно эффективным является и тепловой аккумулятор в виде термоизолированной емкости с водой.
Наиболее близкой изобретению является известная система солнечного теплоснабжения здания по патенту РФ №2312276, которая содержит солнечный коллектор, имеющий жидкостную и паровую зоны, соединенные трехходовым вентилем, теплообменник потребителя и бак-аккумулятор с образованием замкнутого контура. Гелиосистема выполнена из двух контуров: в первом контуре коллектор состоит из жидкостной и паровой емкостей с теплоизоляционным материалом снаружи, соединенных трубопроводами, в паровой емкости расположен теплообменник второго контура, а в жидкостной емкости, покрытой светопрозрачным материалом, контейнер с фазопереходным теплоаккумулирующим материалом и крышка-отражатель, которая заполнена теплоизоляционным материалом. Циркуляция теплоносителя первого контура гелиосистемы улучшена за счет использования принципа тепловой трубы и фазового перехода теплоаккумулирующего материала парафина, применения теплоизоляции емкостей первого контура, обеспечения дополнительного использования крышкой-отражателем солнечных лучей.
В системе теплоснабжения по патенту 2312276 плоские отражатель и прозрачное ограждение емкости с низкокипящей жидкостью не обеспечивают достаточную концентрацию солнечной энергии в средних широтах для использования дешевых и безвредных теплоносителей, которые не требуют тщательной герметизации столь громоздкой установки, а использование принципа контурной тепловой трубы физически ограничивает дальность и высоту теплопередачи паровой трубы и возможности ее размещения в разнообразных архитектурных условиях.
Техническая задача состоит в увеличении эффективности использования солнечной энергии путем ее концентрации на вертикальных опорных конструктивных элементах домовой архитектуры и более полного поглощения солнечных лучей на большей площади; в уменьшении тепловых потерь за счет размещения теплогенератора внутри теплоаккумулятора и теплоносителя; в увеличении теплоаккумулирующей способности за счет использования теплоаккумулирующего материала с более высокой температурой фазового перехода; в улучшении принудительной циркуляции теплоносителя за счет циркуляции теплоносителя вместе с воздухом.
Поставленная техническая задача достигается тем, что комплекс автономного электротеплоснабжения здания, содержащий солнечный коллектор, снабженный отражателем, контуры циркуляции жидкого теплоносителя, теплообменник потребителя и бак-накопитель с образованием замкнутого контура, контейнер с теплоаккумулирующим материалом, прозрачное ограждение, согласно изобретению установлен на крыше здания внутри прозрачного купола, кроме ротора ветропривода, находящегося над куполом, в верхней зоне купола укреплен бак-накопитель жидкого теплоносителя, внутри которого размещен контейнер с теплоаккумулирующим материалом, а внутри контейнера размещен теплогенератор с возможностью теплообмена между его корпусом, заполненным магнитной жидкостью, и теплоаккумулирующим материалом, при этом теплогенератор включает кинематически связанные с валом ветропривода электрогенератор и ферромагнитный ротор, снабженный обмоткой подмагничивания; бак-накопитель теплоизолирован и соединен с вертикальной опорной трубой квадратного сечения, теплоизолированной по двум граням, при этом замкнутый контур циркуляции теплоносителя образуют бак-накопитель, радиаторы нагрева-охлаждения, труба квадратного сечения и узел эрлифта, включающий воздушный насос с возможностью подачи воздуха из трубы эрлифта, сообщающейся с воздушным слоем над теплоносителем в баке-накопителе, в полость трубы квадратного сечения посредством распылителя, предпочтительно микропористого распылителя; отражатель солнечных лучей выполнен по форме в виде параболического конуса с вертикальной осью оптического фокуса и укреплен внутри купола с возможностью расположения опорной трубы квадратного сечения в фокусе отражателя. При необходимости отражатель может быть снабжен поворотным сервомеханизмом слежения за солнцем; на двух гранях вертикальной трубы без теплоизоляции, обращенных к отражателю, укреплены с возможностью теплового контакта и с обеспечением электроизоляции элементы Пельтье, на внешней стороне которых размещены зачерненные поглотители солнечного излучения в виде оребренных металлических пластин; элементы Пельтье электрически соединены последовательно и подключены через разделительные диоды параллельно электрогенератору и обмотке подмагничивания ферромагнитного ротора к воздушному насосу и стабилизатору заряда буферного аккумулятора, подключенного через инвертор к электросети, которая соединена с переключателем режимов элементов Пельтье через регулируемый выпрямитель тока и с выключателем электронагревателя теплоносителя в баке-накопителе.
Материал теплоносителя выбирается в зависимости от требований потребителя. Например, в качестве теплоносителя может быть вода, или водный раствор тосола, или кремнийорганическая жидкость, или хлопковое масло, или другое. Известны материалы с теплоаккумулирующими свойствами, например парафин. В настоящей заявке предложен в качестве теплоаккумулирующего материала сплав битума в объеме 50-70% с полиэтиленом низкого давления 50-30% объема (использованные ПЭТ бутылки). Материал получен опытным путем. Экспериментами подтверждены экологичность, безопасность описанного сплава, возможность подбора температуры фазового перехода.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг. 1 - схема комплекса, где пунктиром показаны электрические связи элементов комплекса, на фиг. 2 показана схема функционирования отражателя солнечного излучения и взаимодействие с ним двух граней квадратной трубы, на фиг. 3 - электрическая схема комплекса.
Комплекс автономного электротеплоснабжения здания использует средства отражения и концентрации солнечных лучей и располагается преимущественно на крыше 1 зданий, что соответствует условиям максимальной освещенности, безопасности эксплуатации, достаточности площадей. Прозрачное ограждение комплекса выполнено в виде купола 2, обеспечивающего максимальное прохождение через него солнечных лучей. Весь комплекс расположен внутри прозрачного купола 2 за исключением ротора 3 ветропривода, закрепленного на вершине прозрачного купола.
Под куполом размещен отражатель 4 солнечных лучей, выполненный по форме в виде параболического конуса с вертикальной осью оптического фокуса. Все точки такой поверхности собирают солнечное излучение в фокусе параболы в каждом сечении параболы, а в параболическом конусе совокупность фокусных расстояний представляют собой линию. По вертикальной линии фокусов солнечного отражателя укреплена вертикальная опорная труба 5 квадратного сечения с внешней теплоизоляцией 6 (фиг. 2) по двум граням 7-8. На двух гранях вертикальной трубы без теплоизоляции, обращенных на отраженное солнечное излечение, укреплены с возможностью теплового контакта и с обеспечением электроизоляции элементы Пельтье 9, электрически соединенные между собой последовательно. На внешней стороне элементов Пельтье размещены зачерненные поглотители солнечного излучения в виде оребренных металлических пластин 10 для выравнивания теплового потока (фиг. 2). Более равномерное распределение тепла по поверхности элементов Пельтье увеличивает их эффективность и срок службы. Вертикальная труба 5 сообщается с внутренним объемом бака-накопителя 11, в котором находится жидкий теплоноситель 12. Также предусмотрена внешняя теплоизоляция 13 бака-накопителя.
Замкнутый контур циркуляции теплоносителя образуют: труба 5, бак-накопитель 11, радиаторы 14 нагрева-охлаждения и эрлифт, включающий воздушный насос 15, соединенный входным патрубком с воздухозаборником 16, который сообщается с воздушным нагретым слоем 17 над теплоносителем в баке-накопителе 11. Насос 15 подает воздух в полость трубы 5 квадратного сечения снизу посредством микропористого распылителя 18. В качестве теплоносителя могут использоваться в зависимости от назначения комплекса различные жидкости, в частности вода или водный раствор тосола, или кремнийорганическая жидкость, или хлопковое масло и т.п.
Бак-накопитель 11 жидкого теплоносителя укреплен в верхней зоне купола 2. В крышке бака-накопителя 11 предусмотрен предохранительный сапун 19 для выравнивания давления между объемом бака-накопителя и атмосферой, а также для предотвращения улетучивания теплоносителя. Внутри бака-накопителя 11 размещен контейнер 20 с теплоаккумулирующим материалом, в который погружен с возможностью теплообмена с теплоаккумулирующим материалом корпус теплогенератора 21. В качестве теплоаккумулирующего материала используется сплав битума в объеме 50-70% с полиэтиленом низкого давления 50-30% объема. Материал и выбор ингредиентов получены опытным путем. Полученный материал плавится при температуре кипения теплоносителя. Изменяя пропорции битума и полиэтилена, можно варьировать температуру фазового перехода теплоаккумулирующего материала.
В качестве теплогенератора выбрана конструкция прямого преобразователя механической энергии ветропривода непосредственно в тепловую энергию теплоносителя в замкнутом контуре теплоснабжения на основе использования магнитной жидкости, находящейся в управляемом магнитном поле, поскольку все виды энергии преобразуются в тепловую энергию теоретически со 100 % КПД.
Теплогенератор включает кинематически связанные с валом 22 ветропривода электрогенератор 23 и ферромагнитный ротор 24, снабженный обмоткой подмагничивания 25 (фиг. 3). Уровень тока подмагничивания задается начальной установкой, что отражено на электрической схеме (фиг. 3) как переменное сопротивление 26 в цепи обмотки подмагничивания. Ферромагнитный ротор 24 размещен в корпусе теплогенератора 21, заполненном магнитной жидкостью 27. Магнитная жидкость производится промышленным способом - это технологический искусственно синтезированный материал из карбонильного железа, обладающий магнитоуправляемой вязкостью. Также может рыть использован порошок окиси железа на основе мелкодисперсного магнитного шлама и др.
Схема 28 электрического взаимодействия узлов комплекса автономного электротеплоснабжения здания условно обозначена на фиг. 1 и представлена на фиг. 3. Последовательно соединенные элементы Пельтье 9 подключены через разделительные диоды 29 параллельно электрогенератору 23 и обмотке подмагничивания 25 ферромагнитного ротора 24 к воздушному насосу 15 и стабилизатору 30 заряда буферного аккумулятора 31, подключенного через инвертор 32 к электросети 33, которая соединена с переключателем 34 режимов элементов Пельтье через регулируемый выпрямитель тока 35 и с выключателем 36 электронагревателя 37 теплоносителя в баке-накопителе 11.
Работа комплекса автономного электротеплоснабжения здания может происходить при взаимодействии всех входящих в нее систем или в режиме их отдельного функционирования, что очень удобно для представления его действия.
1) В режиме солнечного облучения
Зеркальный отражатель 4 в форме параболического конуса концентрирует солнечное излучение на всей поверхности вертикальной трубы 5, расположенной вдоль вертикальной линии оптического фокуса отражателя. При укороченных сторонах параболического конуса отражатель может быть снабжен поворотным сервомеханизмом слежения за солнцем для обеспечения наилучших условий поглощения солнечного излучения в течение более продолжительного времени. Плоские элементы Пельтье закреплены (с обеспечением электроизоляции) на двух плоских гранях трубы 5 и их полное совмещение с гранями обеспечивает наилучшую теплопередачу в слоях «элемент Пельтье - металлическая труба-жидкий теплоноситель». В заявляемом решении элементы Пельтье используются по их назначению, а также как аккумуляторы и проводники тепловой энергии. Для максимального поглощения излучения, максимального нагрева элементов Пельтье и выравнивания температуры нагрева на их внешней поверхности, что обеспечивает эффективную работу по созданию электрического потенциала, на поверхности элементов размещены зачерненные металлические оребренные пластины 10. Внутренняя сторона элементов Пельтье, укрепленных на двух гранях с обеспечением теплового контакта, охлаждается потоком теплоносителя, подогреваемого ввиду теплобмена. После повышения температуры теплоносителя до точки плавления теплоаккумулирующего материала в контейнере 20 температура всего комплекса стабилизируется и радиаторы 14 начинают обогревать отапливаемые помещения здания.
Перепад температуры вызывает появление электрического напряжения на выходных клеммах элементов Пельтье 9, которые через разделительный диод 29 питают воздушный насос 15, а в случае, когда вырабатываемое напряжение превышает порог заряда буферного аккумулятора 31, обеспечивают питание и его зарядного стабилизатора 30.
Избыток электроэнергии через инвертор 32 подается в электросеть 33 (на питание бытовых электроприборов - на чертеже не показаны). При этом распылитель воздуха 18 эрлифта обеспечивает подъем подогретого теплоносителя 12 в вертикальную трубу 5 и теплоизолированный бак-накопитель 11, а также его циркуляцию через радиаторы нагрева-охлаждения 14.
Вертикальная труба 5 комплекса является многофункциональным элементом. Она является естественным опорным элементом архитектурно-планировочного решения по созданию купольной конструкции здания. Также труба 5 является опорой практически всех элементов комплекса, расположенных в верхней зоне купола, - это ротор ветропривода, бак-накопитель, электрогенератор, ферромагнитный ротор, воздушный насос. Остальное внутрикупольное пространство свободно, например, для создания оранжерей. Труба 5 позволяет организовать вертикальный конвекционный поток теплоносителя, следуя естественному движению подогретой жидкости вверх. При этом воздушный насос 15 в контуре эрлифта обеспечивает в достаточной степени принудительное перемещение подогреваемого теплоносителя в бак-накопитель 11. Пузырьки воздуха не только транспортируют вверх теплоноситель, но и способствуют увеличению температуропроводности теплоносителя. Воздушный насос по сравнению с жидкостными насосами имеет высокую надежность, меньший вес, существенно меньшую стоимость, является малошумящим и маломощным, и для его работы достаточно электроэнергии, вырабатываемой элементами Пельтье.
Таким образом, при наличии солнечного излучения описанная часть комплекса обеспечивает автономное электро- и теплоснабжение здания.
Вместе с тем, надежное бесперебойное всепогодное электротеплоснабжение здания обеспечивается наличием в комплексе узла теплогенератора 21 с ветроприводом.
2) В режиме ветровой нагрузки
Механическая энергия воспринимается ротором 3 ветродвигателя, который приводит во вращение относительно небольшой электрогенератор 23 и ферромагнитный ротор 24, снабженный обмоткой подмагничивания 25, запитанной от этого же электрогенератора.
Поэтому чем быстрее вращается ветродвигатель 3, тем выше выходное напряжение электрогенератора 23 и ток в обмотке подмагничивания 24 ферромагнитного ротора 25. Увеличение тока приводит к увеличению вязкости и температуры магнитной жидкости 27 в корпусе теплогенератора 21, который подогревает и плавит теплоаккумулирующий материал, погруженный в жидкий теплоноситель 12.
Кроме того, электрогенератор 23 через свой разделительный диод 29 питает воздушный насос 15 и стабилизатор заряда 30 буферного аккумулятора 31, подключенного к инвертору 32, который при необходимости подает электроэнергию в сеть 33 или бытовым электроприборам, как и в предыдущем случае.
Возможна одновременная работа комплекса в режиме солнечного облучения и ветровой нагрузки. Необходимый баланс мощности обеспечивается переменным сопротивлением 26 и переключателем 34.
3) В ночное время и полном штиле элементы Пельтье через переключатель 34 и регулируемый выпрямитель 35 запитываются постоянным током непосредственно от электросети 33 и в зависимости от полярности этого тока они либо нагревают теплоноситель 12 в вертикальной трубе 5, охлаждая пространство под куполом 2, либо наоборот подогревают это пространство и охлаждают радиаторы 14 под крышей здания 1.
Кроме того, при включенном выключателе 36 подогрев теплоносителя 12 в баке-накопителе 11 может осуществляться по льготному ночному тарифу непосредственно от электросети 33, что повышает общую надежность работы всего комплекса, особенно при наличии слабого ветра и освещенности.
Преимущества предлагаемой гелиосистемы заключаются в следующем:
- улучшается принудительная циркуляция теплоносителя и общая длина и высота его контура за счет циркуляции не только жидкого теплоносителя, но и воздуха;
- обеспечивается достаточно полное поглощение солнечных лучей с большой площади за счет использования параболического конуса-отражателя;
- увеличивается теплоаккумулирующая способность за счет использования более высокотемпературного фазопереходного теплоаккумулирующего материала согласованного с теплофизическими характеристиками теплоносителя;
- уменьшаются тепловые потери за счет размещения теплогенератора внутри теплоаккумулятора и теплоносителя;
- повышается степень использования возобновляемых источников энергии.