Система отопления и кондиционирования здания
HEATING AND AIR CONDITIONING SYSTEM FOR BUILDING

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для эффективного отопления и кондиционирования зданий и сооружений, причем экологически чистого, энергосберегающего, в том числе автономного, с применением тепловых насосов и солнечной энергии в резко континентальных климатических условиях, включая зоны вечной мерзлоты.
2
1
1
2
1
1
2
Известны различные топливные, геотермальные и другие источники энергии, системы отопления и кондиционирования зданий, в том числе с тепловыми насосами (ТН) [1. РейД., Макмайкл Д Тепловые насосы. М.: Энергоиздат. 1982-224 с]. На сегодня для энергосбережения наиболее эффективными считаются именно ТН. Они экологически чисто отбирают от внешних (бесплатных) источников тепла низкого потенциала (воздух, вода и др.) с температурой Т и передают тепло плюс энергию, затраченную на работу компрессора потребителю при температуре T, существенно, в 2-7 раз и более снижают затраты электроэнергии на отопление и кондиционирование. Эта величина, коэффициент преобразования энергии (КОП), быстро уменьшается с увеличением разницы температур T-T. КОП максимален для ТН, работающих по циклу Карно: КОП=T/(T-T), [1. стр. 17]. ТН можно использовать в различных вариантах совместно с солнечной энергией [1, стр. 100, п. 5.2.4]. Воздушные ТН - это кондиционеры реверсивного типа [1, стр. 88, п 4.5.1] с дефростацией (с удалением льда), использующие тепло наружного воздуха, [1, рис. 5.1], эффективны и применяются как летом для кондиционирования, так и зимой для отопления при температуре окружающей среды до минус 15 С, [1, рис. 5.3]. Для этой цели можно применять и грунтовые ТН, использующие теплообмен с грунтом [1, п. 5.2.3].
1
2
Кондиционеры и ТН распространены в США, Германии и др. с короткой зимой и достаточно высокой наружной температурой. В России зима длительна, разница температур Т-Т большая, есть зоны вечной мерзлоты, и рассмотренные аналоги ТН будут иметь повышенные затраты на отопление и кондиционирование. Поэтому в наших условиях для отопления и кондиционирования необходимо использовать дорогое оборудование большой мощности, рассчитанное на максимальные отклонения наружной температуры.
Уменьшение затрат на приобретение и эксплуатацию оборудования и энергосбережение также возможно обеспечить теплоизоляцией стен здания. В качестве прототипа принят известный [2. Патент РФ №2229573] вентилируемый фасад (ВФ), содержащий закрепленный на стене слой теплоизоляции и воздушный зазор, закрытый облицовкой. ВФ обеспечивает удаление влаги из конструкции через воздушный зазор, эффектный наружный вид зданий, а также теплоизоляцию и, соответственно, энергосбережение и пригоден для реконструкции и модернизации практически любых зданий.
Недостатками прототипа являются то, что в зазоре фактически нет вентиляции, и ВФ является просто пассивной тепловой защитой, требует высоких затрат на конструкцию толстого слоя теплоизоляции, отопление и кондиционирование. В здании необходимо использовать мощные отопительные приборы и кондиционеры, рассчитанные на максимальные отклонения наружной температуры.
Задачами предлагаемого изобретения является создание экологически чистой, экономически эффективной, энергосберегающей, в итоге и энергонезависимой системы отопления и кондиционирования, применимой в условиях сурового климата, включая зону вечной мерзлоты.
Поставленные задачи решаются тем, что по изобретению предлагается использовать систему отопления и кондиционирования здания, имеющую внутренние отопительные приборы, подключенные к источникам тепла и установленный на ограждающих конструкциях (крыше, чердаке и стенах) разделенный на секции ВФ, выполненный в виде закрепленных на здании с воздушными зазорами проницаемого теплоизолирующего слоя и облицовки, которые подключены воздушными каналами с вентиляторами и шиберами между собой и к блоку подготовки рабочего воздуха. В итоге система отопления и кондиционирования здания включает не только типовую схему с внутренними отопительными приборами, подключенными к источникам тепла, например, к теплотрассе, ТН, но и внешний, низкотемпературный воздушный контур, который выполнен с секциями ВФ заявляемой конструкции.
р
При работе предлагаемой системы отопления и кондиционирования ВФ активно вентилируется. Рабочий воздух с требуемой температурой Т подается из блока подготовки рабочего воздуха по воздушным каналам. Далее он нагнетается вентиляторами в воздушные зазоры, продувается через проницаемый теплоизолирующий слой, например, минераловатные плиты и далее уходит во внешнюю среду. При этом стремящиеся в помещение тепло/холод удерживаются не только за счет термического сопротивления теплоизолирующего слоя ВФ, но и "выдуваются" обратно, наружу с потоком рабочего воздуха. В итоге проницаемый теплоизолирующий слой работает не пассивно, как простая теплоизоляция, а с большей эффективностью.
р
р
2
1
1
к
1
k
р
2
1
2
Внутренняя часть теплоизолирующего слоя, воздушный зазор и прилегающий к зазору слой стен прогреваются/охлаждаются до температуры Т рабочего воздуха. Оптимальное значение Т зависит от времени года и выбирается в диапазоне между значениями наружной Т и внутренней T температур, причем T близка к комфортной Т температуре, Т=T±ΔТ. Это снижает разницу температур Т-Т по сравнению с Т-Т. Пониженная разница температур позволяет использовать бросовое тепло, теплоту замерзания воды и тепло обратной воды теплосетей, существенно повышает КОП и эффективность применения ТН при использовании тепла низкого потенциала от грунта или наружного воздуха для подогрева рабочего воздуха зимой или охлаждения его при кондиционировании летом.
р
1
р
1
2
1
р
p
p
С другой стороны, внутренние приборы зимнего обогрева помещений здания также работают при гораздо меньшей, причем постоянной в отопительный сезон "наружной" температуре Т и малой разнице температур (Т-Т)<(Т-Т). В итоге можно установить отопительные приборы, рассчитанные на небольшую разницу температур Т-Т и за счет этого снизить капитальные и эксплуатационные затраты на систему отопления, повысить ее экономическую эффективность. Например, в России начало и конец отопительного периода устанавливают при среднесуточной температуре наружного воздуха +8°С в течение 5 суток подряд. Соответственно, принимая, что при T=+8°С для комфортных условий достаточно внутреннего тепловыделения (бытовые электроприборы, люди и др.), возможно полностью исключить капитальные и эксплуатационные затраты на систему внутреннего отопления, а термостатирование здания обеспечить, например, работой ТН с подогревом рабочего воздуха всего до температуры T=+8°С, соответственно с высоким КОП.
Техническое решение дополнительного пункта п. 2 предлагает обогреваемые солнцем секции ВФ, прежде всего крыши и южных стен, соединить воздушными каналами с затененными секциями, причем вентиляторы предложено подключать к затененным секциям фасада зимой напорными, а летом отсасывающими патрубками. Это позволяет днем использовать поступающую солнечную энергию зимой для подогрева рабочего воздуха, а летом охлаждать освещенные стены здания более холодным рабочим воздухом экологически и экономически эффективно, без затрат энергии.
В дополнительных пунктах п. 3-5 уточняется источники энергии и принципы действия блока подготовки рабочего воздуха.
р
2
1
2
12
1
2
12
2
p
При использовании тепла обратной воды п. 3, блок подготовки рабочего воздуха предложено выполнять в виде подключенного к трубопроводу обратной воды теплосети подогревающего воздух теплообменника, например, калорифера. При этом благодаря малой температуре Т возможно глубоко охладить обратную воду в теплосети, ниже 20-25°С (t=20-25°С), и за счет этого существенно увеличить мощность тепловых сетей. Например, при переходе типичного от температурного графика t/t=115/70°С, Δt=45°С к температурному графику со снижением температуры обратной воды имеем t/t=115/25°С в два раза больший теплосъем Δt=90°С и соответственно двукратное повышение мощности теплосети. Кроме того, низкая температура t=20-25°С позволяет переводить газовые котлы тепловой сети в конденсационный режим работы с повышением их экономичности на 10-15%. В итоге технические решения п. 3 существенно экономят топливо, снижают вредные выбросы и эксплуатационные расходы, а при подогреве рабочего воздуха до температуры T=+8°С не потребуется установка отопительных приборов.
2
Отметим, что в странах ЕС требования снижения температуры обратной воды не выше t=35°C и применения конденсационных котлов в системах отопления на газе устанавливаются на законодательном уровне.
р
р
Снижение температуры рабочего воздуха Т по сравнению с комнатной температурой позволяет выполнить блок подготовки в виде подогревающего воздух теплообменника грунтового ТН, п. 4, работающего с высоким КОП. Это снижает потребление электроэнергии, экологическое воздействие и стоимость ТН, причем ТН в жаркий летний период может использоваться для охлаждения. При подогреве рабочего воздуха до температуры Т=+8°С вообще не требуется установка отопительных приборов.
Выполнение блока подготовки рабочего воздуха в виде осадительной камеры с разбрызгивателями воды и устройствами удаления воды, льда и снега, п. 5 и 6, дают наибольшие экономический и экологический эффекты, так как здесь подогрев воздуха зимой от наружного значения Тн=-10°С÷-50°С до температуры 0°С и его охлаждение летом осуществляются бесплатно, за счет теплоты фазового перехода замерзания/испарения воды.
p
Важно, что применение осадительной камеры с разбрызгивателями воды обеспечивает повсеместно доступный, включая зоны вечной мерзлоты, источник тепла низкого потенциала - воздух с температурой 0°С. Выделяющуюся теплоту замерзания предложено использовать для обогрева помещений и рабочего воздуха с помощью ТН, согласно п. 6. Тепло отбирается кондиционерами и/или ТН из тракта рециркуляции рабочего воздуха и передается поступающему в ВФ рабочему воздуху от подогревателей рабочего воздуха в воздушных каналах и при подогреве рабочего воздуха от 0°С до T=+8°С отопление зимой возможно без отопительных приборов. Предлагаемое соединение секций ВФ и блока подготовки рабочего воздуха в контуры циркуляции, п. 6, повысит надежность и обеспечит работу системы при заполнении пор в проницаемом теплоизолирующем слое льдом и снегом.
Зимой, если используется осадительная камера, рабочий воздух влажный, и в проницаемом теплоизолирующем слое возможно замерзание льда и снега. Для обеспечения надежной работы предлагается выполнить его в виде способной расширяться от намерзающего в слое снега и льда засыпки из частиц, п. 7, либо в виде уложенных стопкой листов и/или нитей, п. 8, изготовленных из материалов с низкой теплопроводностью. При этом дополнительно предлагается соединить слой с системами механического встряхивания и импульсной продувки с целью разрушения и удаления появляющегося в слое снега и льда за счет периодического воздействия на них. Кроме того, для периодического удаления из слоя снега и льда дополнительно предлагается, п. 9, в воздушных каналах установить и периодически включать подогреватели рабочего воздуха, подключенные к трубопроводу обратной воды теплосети и/или к ТН. В итоге технические решения п. 7-9 обеспечивают удаление снега и льда и надежную работу проницаемого теплоизолирующего слоя на влажном рабочем воздухе от повсеместно доступного, бесплатного источника тепла низкого потенциала - тепла замерзания воды.
Схемы п. 3-6 обеспечивают энергосбережение и минимизацию потребления электроэнергии, особенно 5 и 6. Поэтому в п. 10 предложено повсеместно, включая зоны вечной мерзлоты, создавать энергонезависимые здания с использованием солнечных коллекторов и батарей, подключенных соответственно к внутренним отопительным приборам и системе электроснабжения.
Сущность изобретения поясняется на чертежах. На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемой системы отопления и кондиционирования здания. На фиг. 2 представлен ее вариант при выполнении блока подготовки рабочего воздуха в виде осадительной камеры. На фиг. 3 приведены разрезы предлагаемых вариантов исполнения ВФ.
Система отопления и кондиционирования здания, фиг. 1, имеет блок 1 подготовки рабочего воздуха, который с одной стороны соединен воздухораспределителем 2 с атмосферой, а с другой стороны подключен воздушными каналами 3 с установленными в них вентиляторами 4 и шиберами 5 к закрепленным на ограждающих конструкциях, крыше и стенах здания секциям 6-9 ВФ. Секции 6-9 ВФ также соединены и между собой воздушными каналами 10 с установленными в них вентиляторами 11 и шиберами 5. В помещениях здания расположены отопительные приборы 12, которые подключены к тепловой сети с прямым 13 и обратным 14 трубопроводами и/или к солнечному коллектору (нагревателю) 15. В качестве отопительных приборов 12 могут использоваться фенкойлы, которые подключены к грунтовому ТН 16 с расположенным в грунте 17 теплообменником 18 или к кондиционерам 19 с внешними теплообменниками 20. Фенкойлы 12 могут поддерживать комфортную температуру и не только обогревать, но могут и охлаждать помещения летом. Для привода двигателей вентиляторов 4 и 11, ТН 16 и кондиционеров 19 на освещаемых фасадах устанавливаются солнечные панели 21 с блоком электроснабжения здания.
Блок 1 подготовки рабочего воздуха имеет подогревающий воздух теплообменник 22 и служит для подогрева зимой или охлаждения летом входящего через воздухораспределитель 2 внешнего воздуха. Теплообменник 22 по другой стороне может быть подключен сетевым насосом 23 к обратному трубопроводу 14 тепловой сети или к грунтовому ТН 16.
2
p
Кроме того, блок 1 предлагается выполнить, фиг. 2, в виде осадительной камеры 24 с разбрызгивателями воды 25, устройством 26 удаления воды, льда, снега и трактом 27 рециркуляции. Зимой осадительная камера 24 служит для подогрева рабочего воздуха от наружной температуры T=-10°С÷-50°С до T=0°С, а летом охлаждает воздух за счет бесплатных источников тепла - замерзания/испарения воды экологически чисто и экономично. Дополнительно теплота фазовых переходов используется и для переноса энергии ТН и/или кондиционерами 19 реверсивного типа с передачей ее от дополнительных подогревателей 28 для подогрева рабочего воздуха, фенкойлам и отопительным приборам 12 благодаря установке их внешних теплообменников 20 в тракте 27 рециркуляции рабочего воздуха, фиг. 2.
Конструкция секций 6-9 ВФ выполняется на основе проницаемого для воздуха теплоизолирующего слоя 29, закрепленного на ограждающих конструкциях 30, стенах и крыше здания креплениями 31 с зазором 32, фиг. 3, и может иметь различное исполнение. Снаружи проницаемый теплоизолирующий слой 29 закрыт непроницаемой для влаги облицовкой 33, черепицей и др., установленными, возможно, с зазором 34 и может выполняться из проницаемых теплоизоляционных материалов, например, в виде:
- засыпки 35 шариков из вспученного вермикулита, керамзита и др;
- слоя теплоизоляции с порами типа минераловатных плит 36;
- уложенных с наклоном в наружную сторону листов и/или нитей 37, что позволяет слою расширяться при образовании в нем отложений 38 льда;
- пакетов пористых листов 39 вспененного полистирола.
Для очистки пор проницаемого теплоизолирующего слоя 29 от отложений в них льда и снега в секциях 6-9 ВФ установлены приборы механического встряхивания 40, вибраторы, связанные с основанием 41 теплоизолирующего слоя 29, и приборы импульсной продувки 42, которые соединены трубками 43 с зазорами 32 через быстродействующие клапаны 44. Секции 6-9 ВФ могут быть соединены с блоком 1 подготовки рабочего воздуха не только воздушными каналами 3, но и обратными воздуховодами 45 с образованием контуров циркуляции. Это обеспечит циркуляцию воздуха через зазор 32, некоторый внешний подогрев здания и работу ВФ в аварийном режиме даже при заполнении пор в слое 29 льдом и снегом.
2
2
2
Работа системы. Система отопления и кондиционирования здания, фиг. 1, работает периодически: при наружной температуре Т<+8°С включается зимой, а летом для кондиционирования при температуре примерно T>+20-25°С и не функционирует при наружной температуре Т в диапазоне +20-25°С÷+8°С. При работе системы атмосферный воздух через воздухораспределитель 2 поступает в блок 1 подготовки рабочего воздуха, там подогревается или охлаждается и вентиляторами 4 нагнетается по воздушным каналам 3 в секции 6-9 ВФ с расходом, который регулируется шиберами 5.
р
р
Секции 6-9 активно вентилируются. Рабочий воздух с требуемой температурой Т нагнетается из зазора 32 и уходит через проницаемый теплоизолирующий слой 29, фиг. 3, во внешнюю среду. В итоге, стремящееся в помещение тепло/холод удерживается не только за счет термического сопротивления теплоизолирующего слоя ВФ, но и "выдувается" обратно, наружу с потоком рабочего воздуха, который уходит через этот слой, обеспечивая термостатирование - внутренняя часть теплоизолирующего слоя 29, зазор 32 и прилегающий к зазору слой стен 30 прогреваются/охлаждаются до температуры Т рабочего воздуха.
р
2
p
p
При поддержании в зазоре 32 температуры рабочего воздуха Т на уровне не ниже +8°С зимой и не выше +20-25°С летом при любой наружной температуре Т возможно обойтись вообще без применения в помещениях здания приборов отопления 12 и/или кондиционеров 19 с фенкойлами 12. При больших отклонениях температуры рабочего воздуха, например, T≈0°С зимой и примерно T>25°С летом, помещения подогревают/охлаждают с помощью приборов 12, подключенных к кондиционерам 19, ТН 16, солнечным коллекторам 15 или трубопроводам 13 и 14 тепловой сети.
p
Благодаря применению предлагаемой системы с ВФ, работающей на новых принципах, зона промерзания вытесняется из массива ограждающих стен 30 здания. Материал стен работает без внешнего промерзания, более надежно и долговечно. Толщина стен 30 может быть уменьшена до необходимой только по условию прочности конструкции, капитальные затраты на строительство здания снижаются. Мощность системы внутреннего отопления и кондиционирования, ее стоимость и эксплуатационные расходы многократно снижаются или они отсутствуют, если +20-25°С≥T≥+8°С.
p
1
k
Поддержание требуемого уровня Тр зимой обеспечивается блоком 1 подготовки рабочего воздуха, причем на уровне более низком, чем комфортная температура в помещениях T<T=T±ΔT. Соответственно в теплообменнике 22 блока 1 подготовки рабочего воздуха можно использовать бесплатное бросовое тепло и тепло от различных источников дешевой энергии низкого потенциала с обеспечением экономичности и экологической чистоты.
Система может работать и без подвода тепла в блоке 1. Например, в холодный дневной период для подогрева рабочего воздуха используют бесплатное солнечное тепло. Подогретый воздух вентиляторами 11 подают по дополнительным воздушным каналам 10 от обогреваемых солнцем секций стен и крыши, прежде всего южных и западных, в затененные секции. Летом наоборот обогреваемые солнцем секции охлаждают воздухом, который отсасывается вентиляторами 11 через затененные секции.
При выполнении блока 1 в виде осадительной камеры 24, фиг. 2, с разбрызгивателями воды 25, устройством 26 удаления воды, льда и снега и трактом 27 рециркуляции получается наиболее малозатратная, экологически и экономически эффективная система. Зимой в камере 24 подогревают рабочий воздух от наружного значения -1°С÷-50°С до температуры 0°С за счет бесплатного источника тепла - замерзания воды. Летом в камере 24 рабочий воздух охлаждают за счет бесплатного источника - испарения воды, экологически чисто и экономично. Теплоту фазовых переходов при этом также используют для дополнительного подогрева/охлаждения рабочего воздуха дополнительными подогревателями 28 и помещений фенкойлами 12 с отбором энергии кондиционерами 19 из тракта 27 рециркуляции рабочего воздуха через их внешние теплообменники 20.
Применение осадительной камеры 24, фиг. 2, минимизирует энергопотребление, поэтому солнечные коллекторы 15 обеспечат теплом отопительные приборы 12, а солнечные панели 21 снабдят электроэнергией двигатели вентиляторов 4 и 11, ТН 16, кондиционеров 19, и это позволит обеспечить энергонезависимую работу зданий, причем даже в зонах вечной мерзлоты.
р
Теплообменники 22 блока 1 и дополнительные подогреватели 28 в варианте фиг. 2 используют для нагрева рабочего воздуха отработанное тепло обратной воды, которая подается сетевым насосом 23 из обратного трубопровода 14 тепловой сети. Благодаря малой температуре Т обратная вода в теплосети может охлаждаться до низкой температуры. За счет повышения разницы температур прямой и обратной воды увеличивается мощность тепловых сетей, а низкая температура обратной воды позволяет использовать в тепловой сети конденсационные котлы, экономящие до 10-15% газа. При подключении воздушных теплообменников 22 к грунтовому ТН 16 с теплообменником 18 для нагрева/охлаждения рабочего воздуха используют энергию грунта 17, причем с высоким КОП.
Работа собственно проницаемого для воздуха теплоизолирующего слоя 29, установленного по креплениям 31 с зазором 32 на стенах здания 30 и закрытого облицовкой 33, закрепленной также с зазором 34, заключается в интенсивном переносе тепла за счет теплопроводности и конвективного потока с фильтрующимся рабочим воздухом.
При работе зимой на влажном рабочем воздухе, поступающем из осадительной камеры 24, возможно замерзание паров влаги в порах и их заполнение отложениями 38 льда и снега, и это необходимо учитывать. Слои 29 в виде засыпки шариков 35 или уложенных с наклоном вниз, в наружную сторону стопки листов и/или нитей 37 допускают отложения 38 льда и снега за счет расширение слоя 29. Они очищаются от отложений с помощью приборов 40 механического встряхивания за счет вибрации основания 41 проницаемого теплоизолирующего слоя 29 или приборами импульсной продувки 42 за счет подачи сжатого воздуха по трубкам 43 в зазор 32 при резком открытии быстродействующих клапанов 44.
Проницаемые теплоизолирующие слои 29 в виде минераловатных плит 36, пакетов пористых листов 39 из вспененного полистирола, как и конструкции 35 и 37, очищаются более универсальным способом - расплавлением отложений льда и снега за счет периодического повышенного прогрева рабочего воздуха дополнительными подогревателями 28.
Кроме того, секции 6-9 ВФ при необходимости соединяют с блоком 1 подготовки рабочего воздуха воздушными каналами 3 и обратными воздуховодами 45 с образованием контуров циркуляции воздуха через воздушные зазоры 32. Это обеспечивает байпас рабочего воздуха и надежную работу системы и при заполнении пор отложениями 38 льда и снега.
В итоге предлагаемым изобретением решаются заявленные цели создания экологически чистой, экономически эффективной, энергосберегающей, в том числе и энергонезависимой системы отопления и кондиционирования, применимой в условиях сурового климата, включая зоны вечной мерзлоты.