ГЕЛИОТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТЬМЫ В МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЯХ
HELIOTECHNICAL DEVICE FOR ELIMINATING BIOLOGICAL DARKNESS IN MULTISTOREY BUILDINGS

Предлагаемое в качестве изобретения гелиотехническое устройство позволяет использовать коротковолновый спектр солнечной радиации для освещения, санации помещений, эритемной профилактики в многоэтажных зданиях и состоит из параболического концентратора и электрического излучателя, систем вертикального и горизонтального транспортирования и распределителей солнечной радиации в здании, а также фотоэлектрического преобразователя и электрического аккумулятора для обеспечения освещения помещений при отсутствии солнечного облучения.
Предлагаемое изобретение относится к отраслям: гелиотехника, электротехника, строительство и коммунальная гигиена.
Уровень техники. В настоящее время формируется новое направление активного использования солнечной энергии для освещения зданий. Роль естественного освещения среды обитания человека весьма существенна. Нет другого фактора в природе, который так непосредственно и комплексно влияет на здоровье человека и гигиену его жилища. Неслучайно великому архитектору прошлого Франку Райту принадлежит изречение: «Никто не может осветить дом лучше бога».
Предложенные гелиотехнические установки можно разделить на два типа -одноступенчатой и двухступенчатой трансформацией солнечного света. Оба типа имеют приемно-концентрирующее устройство, состоящее из гелиостата и зеркального отражателя, который в установках первого типа направляет солнечный свет непосредственно в здание. В установках второго типа передача света осуществляется с помощью световых шахт. Исследования показывают, что дополнительное использование света экономит 40-70% электроэнергии.
В оптических гелиоустановках можно использовать электрическое освещение, получаемое от фотоэлектрических батарей. Фотоэлектрическое освещение, объединенное с оптически управляемой системой естественного освещения, позволяет создать децентрализованную энергоэффективную систему.
В настоящее время получила большое распространение оптическая система с применением полых трубчатых световодов. Впервые они были применены в начале 90-х годов XX века в Австралии, а затем в США и Канаде. Наиболее широко новая технология используется в последние годы после организации серийного производства световодов в Италии и Великобритании. В настоящее время Технический комитет ТСЗ 38 Международной комиссии по освещению всемерно поддерживает развитие систем с использование солнечной энергии.
Системы естественного освещения зданий с применением полых трубчатых световодов находят широкое практическое применение. Они состоят из: светопринимающего, транспортирующего, светорассеивающего узлов. Светоприемное устройство в виде прозрачного купола, являясь « оптической воронкой», заполняет световод естественным светом. Устройство располагается вне здания и соединено с транспортирующим свет узлом. Транспортирующий узел - это набор стыкуемых между собой алюминиевых труб прямолинейной и коленчатой формы с полимерным многослойным покрытием с коэффициентом отражения более до 0,99. Свет от светоприемного устройства распространяется вдоль световода и при многократном отражении выходит в освещаемое помещение через диффузор. Налажено производство световодов диаметром труб от 250 до 900 мм и колен, обеспечивающих поворот от 0 до 90 град.
На практике эта оптическая система под название SanPipe реализуется Британской компанией Monodraught для освещения жилых коттеджей и офисов и школ. Компания сообщает, что ее система экономит до 75% электроэнергии.
Следует обратить внимание, что при проектировании таких оптических систем из-за сравнительно небольшой энергетической мощности приемного устройства решается проблема естественного освещения единичных помещений. Подобные светотехнические гелиосистемы предназначены только для освещения и не предусматривают санацию внутренней среды и эритемного профилактического облучения, так как коротковолновое излучение солнца полностью задерживается в приемном устройстве. Эти важные физиологические функции солнечной радиации должны сопутствовать естественному освещению помещений. Они существенны в климатических условиях например России, где на большой территории наблюдается биологическая тьма или сумерки. В российских нормах по проектированию и строительству зданий СНиП 2.07.01-89 2 «Проектирование и застройка городских и сельских зданий» установлено требование обязательной инсоляции зданий для бактерицидной очистки внутренней среды. Однако эти нормы повсеместно нарушаются, так как применяемые конструкции окон препятствует прохождение в помещения активного спектра солнечной радиации, что обуславливает биологическую тьму в помещениях, в частности, находящихся на подземных этажах зданий (Турулов В.А. »Энергетическая оценка эффективности инсоляции помещений» журн. »Жилищное строительство» №3, 2007, стр.22-24.).
Здания в основном имеют систему бокового естественного освещения. Коэффициент полезного действия такого освещения составляет 2-10%, при этом наблюдается значительная неравномерность распределения освещения в помещениях, что отрицательно влияет на зрительный аппарат человека. Для повышения уровня естественного освещения помещений увеличивается площадь окон и зачастую применяется панорамное и ленточное остекление фасада. Такие светопрозрачные конструкции приводят к большим энергозатратам зданий зимой и особенно в летний период при кондиционировании помещений.
В строительной практике распространяется возведение подземных сооружений, лишенных природного освещения, поэтому единственным способом естественного освещения таких сооружений является транспортировка солнечной энергии через верхнюю часть здания.
Известна конструкция осветительного устройства (патент на изобретение RU №2029909 «Осветительное устройство» от 27.02.1995 г.), которое концентрирует солнечные лучи и передает их в операционные для бактерицидной обработки воздуха.
Наиболее близкой к технической сущности является заявка автора на изобретение «Устройство для санации воздуха и эритемного облучения помещений», RU №2006108175/06 (008888) от 15.03.2006, которая имеет положительное решение и принята за прототип.
Недостатком конструкций прототипа является то, что в нем применяется однополый световод, что затрудняет транспортировку энергии в многоэтажных зданиях, а также не предусматривается преобразование и аккумуляция концентрированной солнечной энергии в электрическую для освещения здания при отсутствии солнечного облучения.
ЦЕЛЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ ГЕЛИОТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ, БАКТЕРИЦИДНОЙ САНАЦИИ ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ И ЭРИТЕМНОЙ ПРОФИЛАКТИКИ В МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЯХ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМ СОЛНЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ, ПРИ ЭТОМ ЧАСТЬ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРЕОБРАЗУЕТСЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ, АККУМУЛИРУЕТСЯ И ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ПРИ ОТСУТСТВИИ ПРИРОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве для санации воздуха и эритемного облучения помещений, содержащем параболический гелиоконцентратор, облучатель, отражатель, магистральный и рабочий световоды, рассеиватель и вентилятор, магистральный световод выполнен многожильным, состоящим из поэтажных жил и центрального световода, а также предусмотрен узел фотоэлектрического преобразования и аккумулирования солнечной энергии, в который через центральный световод поступает концентрированное излучение, равномерно рассеивающееся линзой.
Конструкция устройства представлена на следующих чертежах:
Фиг.1. Общая схема: А - узел приема солнечной энергии,
Б - схема транспортировки,
В - узел фотоэлектрического преобразования и аккумулирования.
Фиг.2. Узел приема солнечной энергии:
а) позиция гелиоконцентратора при ясном небе,
б) позиция гелиоконцентратора при отсутствии солнечного облучения.
Фиг.3. Поэтажная транспортировка солнечной энергии в здании.
Фиг.4. Узел фотоэлектрического преобразования и аккумулирования солнечной энергии.
Общую схему гелиотехнического устройства для ликвидации биологической тьмы в многоэтажных зданиях иллюстрирует фиг.1. Устройство состоит из приемного узла: гелиоконцентратора и излучателя (фиг.1А); транспортной сети, включающей магистральный световод, состоящий из центрального световода и поэтажных жил (фиг.1 Б); а также узла с фотоэлектрическим преобразователем и аккумуляторами энергии (фиг.1В).
В узле приема солнечной радиации параболический гелиоконцентратор 1 шарнирно соединен с электрическим излучателем 7 (фиг.2). Для передачи энергии от гелиоконцентратора использован принцип оптической системы телескопа Мерсена. Система состоит из параболического гелиоконцентратора 1 и отражателя 2, на выходе которого создается пучок света (кома), который направлен в магистральный световод 3. Световод 3 отделен от гелиоконцентратора 1 кварцевой диафрагмой 16
Излучатель 7 при ясной погоде поднят для поступления солнечных лучей на поверхность концентратора 1 (фиг.2а). При отсутствии солнечной радиации излучатель 7 закрывает внутреннее пространство гелиоконцентратора 1, изолируя его от внешних воздействий (фиг.2б). Для изменения позиции излучателя 7 применяется телескопическая штанга 8, двигатель 9 и фотоэлемент 10. На внутренней поверхности излучателя 7 размещаются лампы 11, излучающие на поверхность гелиоконцентратора 1 энергию, обеспечивая с помощью отражателя 2 поступление комы электрического излучения в световод 3 (фиг.2б).
Для транспортировки световой энергии от узла приема предусматривается световод 3, который состоит из поэтажных жил 4, предназначенных для вертикального поэтажного перемещения энергии и центрального световода 5 для передачи энергии в узел фотоэлектрического преобразования солнечной радиации (рис.3.).
Количество поэтажных жил 4 в световоде 3 зависит от энергетической мощности гелиоконцентратора 1 и потребности в поэтажном распределении энергии. Поэтажные световодные жилы 4 располагаются по наружному периметру световода 3, в середине которого размещается центральный световод 5.
С внешней стороны световод 3 имеет вентилируемую воздушную прослойку 6. Для транспортирования энергии на соответствующий этаж здания одна из жил 4 световода 3 поворачивается и соединяется с рабочим световодом 12, из которого энергия распределяется между локальными световодами 13. На конце световода 13 устанавливается осветитель 14.
В начале рабочего световода 12 предусматривается диафрагма из кварцевого стекла 16 и вытяжной вентилятор 15 (фиг.3а). К световодной жиле 4, где присоединяется рабочий световод 12, устанавливается автоматически действующая заслонка 17.
Световод 5 и световодные поэтажные жилы 4 перед узлом фотоэлектрического преобразования солнечной энергии соединяются (фиг.4). В устье объединенного световода 19 перед его входом в узел фотоэлектрического преобразования устанавливается рассеивающая линза 18 (фиг.4). Узел включает зону 20, которая ограничена ограждающими перфорированными конструкциями 22 (фиг.4). На внутренней поверхности конструкции 22 укрепляются фотоэлектрические элементы 21. Для съема тепла из зоны 20, где солнечная радиация активно трансформируется в тепловую энергию, предусматривается воздушная прослойка 6, через которую вентилируется воздух (фиг.4.).
Электроэнергия, полученная от фотоэлектрических элементов 21, собирается в аккумуляторах 23.
Действие устройства.
Предлагаемое устройство основано на концентрации и зеркальном переносе солнечной энергии без изменения спектрального состава солнечной радиации. В соответствии с общей схемой устройства (фиг.1) приемный элемент состоит из параболического концентратора 1, который шарнирно соединен с излучателем 7, что позволяет в зависимости от погодных условий автоматически с помощью фотоэлемента 10 двигателя 9 и телескопической штанги 8 обеспечивать соответствующую позицию электрического излучателя 7 для приема солнечной радиации (фиг.2.а.). При отсутствии солнечной радиации устройство функционирует с применением электрической энергии от аккумуляторов 23 (фиг.2б и фиг.4).
В ясную погоду концентратор солнечной энергии открыт (фиг.2а.). Для этого по сигналу фотоэлемента 10 с помощью двигателя 9 и штанги 8 излучатель 7 открывает концентратор 1 в позицию, при которой излучатель не затеняет солнечные лучи, поступающие на приемную поверхность концентратора 1 (фиг.2а). Отражаясь от параболического концентратора 1, солнечные лучи фокусируются на отражателе 2, который собирает их в кому и направляет в световод 3 (фиг.2а).
При наступлении пасмурной погоды по сигналу фотоэлемента 10 срабатывает двигатель 9, который с помощью штанги 8 опускает излучатель 7, изолируя концентратор 1 от внешней среды. При необходимости автоматически включаются источники электроэнергии 11, работающие от аккумуляторов 23 в узле фотоэлектрического преобразования (фиг.4). Световой поток от излучателя 7, который может иметь любой набор ламп (для имитации солнечного излучения), облучает концентратор 1 (фиг.2б). Далее механизм перемещения электроэнергии аналогичен транспортированию солнечной радиации, которое было описано выше.
Кома светового концентрированного пятна солнечной радиации поступает от отражателя 2 в световод 3, при этом узел приема энергии для исключения воздушной тяги изолируется от световода 3 кварцевой диафрагмой 16, которая пропускает коротковолновый спектр солнечной радиации. Световод 3 состоит из нескольких поэтажных жил 4, распределенных по контуру (фиг.2, сечение 1-1). Поэтажные жилы 4 предназначены для поэтажного переноса энергии. Диаметр и количество жил 4 в световоде 3 зависит от мощности гелиоколлектора, этажности здания и числа облучаемых участков.
В центре световода 3 располагается центральный световод 5, через который солнечная радиация проходит в узел фотоэлектрического преобразования (фиг.1В).
Высокая концентрация солнечной радиации, несмотря на зеркальные поверхности световода, создает условия избыточного нагрева его поверхностей, и в этой связи необходим теплосъем с внешней поверхности световода 3. Для охлаждения световода 3 предусматривается воздушная рубашка 6, через которую принудительно или за счет гравитационного давления движется воздух (фиг.2, фиг.4)).
На фиг.3 показана схема поэтажного распределения энергии. Одна из световодных поэтажных жил 4, подойдя к соответствующему этажу, при повороте присоединяется к этажному горизонтальному рабочему световоду 12 и для распределения энергии по этажу проходит через локальные световоды 13. На концах световодов 13 предусматривается осветитель 14, в котором концентрированный световой поток рассеивается перед тем, как поступить в помещение. Осветитель 14 имеет пространственную сетку жалюзи из микроперьев, которая равномерно распределяет в помещении световой поток.
Чтобы исключить воздушные поэтажные перетоки из жил 4 при работе вентилятора 15, перед ним в начале горизонтального световода 12 ставится кварцевая диафрагма 16 (фиг.3а), которая пропускает весь коротковолновый спектр солнечной радиации, обеспечивая, кроме видимого спектра, поступление в помещение бактерицидной и эритемной составляющей солнечной радиации, ликвидируя биологическую тьму в помещениях. Осветитель 14 служит также для воздухозабора. Воздух из помещения с помощью вентилятора 15 через осветитель 14 проходит навстречу световому потоку по локальным 13 и горизонтальным световодам 12. При прохождении через эти световоды воздух обрабатывается концентрированной солнечной радиацией, проходящей через них, при этом энергетическая доза облучения воздуха намного превышает летальную дозу для любой патогенной флоры. С помощью вентилятор 15 обработанный воздух вновь поступает в помещения. Кроме такой активной обработки воздуха с помощью осветителя 14 концентрированный световой поток рассеивается, облучая и тем самым обеззараживая поверхности помещения. Одновременно с бактерицидным осветитель 14 подает в помещение эритемное излучение солнечной радиации, что в зависимости от климатических условий и учитывая возможность изменения концентрации светового потока обеспечивает профилактическую дозу в зоне облучения.
В местах соединения световодной поэтажной жилы 4 с горизонтальным рабочим световодом 12 предусматривается заслонка, которая регулирует поступление энергии в горизонтальные поэтажные рабочие световоды 12 (фиг.3б). При необходимости полного или частичного ограничения поступления энергии на этаж заслонка закрывается и световой поток через жилу 4 проходит в узел фотоэлектрического преобразования солнечной энергии (фиг.4).
Для приведения в действие двигателя 9 для установки соответствующей взаимной позиции концентратора 1 и излучателя 7, а также для питания ламп 11 при отсутствии природного облучения в здании предусматривается узел фотоэлектрического преобразования солнечной радиации (фиг.1В).
Концентрированная солнечная радиация через световод 5 и световодные жилы 4 проходит в камеру 20, при этом в устье световода 19, где собирается световой поток из жил 4 и световода 5, устанавливается линза 18. Она обеспечивает равномерное облучение фотоэлектрических элементов 21. Полученная электроэнергия сохраняется в аккумуляторах 23 и используется для работы двигателя 9 для функционирования излучателя 7 в пасмурное и ночное время.
Фотоэлектрические элементы 21 крепятся к перфорированной поверхности 22, через которую вентилируется камера 20. Для устранения теплоизбытков в камере 20 и для теплосъема с внешней поверхности 22 предусматривается воздушная рубашка 6, через которую вентилируется воздух. Объединение воздушной рубашки 6 с системой приточно-вытяжной вентиляции здания позволяет использовать тепловую составляющую солнечной радиации, которая принимается гелиоконцентратором.
Основные преимущества устройства.
1. Предлагаемое в качестве изобретения гелиотехническое устройство в отличие от существующих систем естественного освещения зданий ликвидирует биологическую тьму, что обеспечивает санацию среды обитания, возможность получения профилактической дозы эритемного облучения как природным, а при его дефиците искусственным ультрафиолетовым облучением.
2. Учитывая большие резервы солнечной радиации в видимом диапазоне спектра, а также высокий коэффициент полезного действия устройства (до 0,9) во многих регионах устройство может сократить расходы электроэнергии на освещение здания на 50%-70%. Этому во многом способствует использование солнечной радиации в ночное время с помощью фотоэлектрического преобразования.
3. Устройство позволяет транспортировать солнечную радиацию, не изменяя спектрального состава, в зоны, не доступные для современных систем естественного освещения, например в подземные этажи здания. При этом, учитывая значительную концентрацию солнечной радиации параболическим гелиоконцентратором, а также высокий коэффициент отражением светового потока (0,9-0,95) при его прохождении в зеркальных световодах, возможно перемещение энергии на значительные расстояния как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях.