НАГРЕВАТЕЛЬ, РАБОТАЮЩИЙ НА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ, И СПОСОБ НАГРЕВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
HEATER WORKING ON SOLAR ENERGY AND METHOD OF HEATING WITH USE OF SOLAR ENERGY

Изобретение относится к нагревателю, содержащему солнечный коллектор, где солнечный коллектор передает полученную солнечную энергию в наружный воздух, проходящий через солнечный коллектор, а также к средству для использования тепла от воздуха, выходящего из солнечного коллектора, для нагрева.
Такой солнечный коллектор известен в данной области техники (см., например, US 4934338) и обычно используется для выработки нагретого воздуха для отопления помещений или другой деятельности внутри помещений, связанной с нагревом, например, для сушки. В любых зданиях данные коллекторные панели могут быть встроены в фасад или в крышу таким образом, чтобы для сбора и передачи солнечной энергии были доступны большие площади. Воздуховыпускной канал солнечного коллектора соединен с внутренней частью здания, чтобы подавать в здание нагретый воздух. Таким образом можно достичь снижения затрат на другие средства отопления. Однако основная часть энергии для охлаждения внутренней части помещения требуется по утрам, когда солнечная энергия отсутствует или ее количество ограничено. Этот фактор является ограничивающим для использования данных коллекторных панелей.
Задачей настоящего изобретения является создание нагревателя, использующего тепло воздуха, выходящего из солнечного коллектора, для нагрева в течение всего дня.
Другой задачей настоящего изобретения является создание простого в изготовлении и недорогого нагревателя, использующего тепло воздуха, выходящего из солнечного коллектора, с целью нагрева.
Также задачей настоящего изобретения является создание нагревателя, снабженного солнечным коллектором и средством аккумулирования тепла, имеющего простую и надежную конструкцию.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание нагревателя, в котором тепло, накопленное в средстве аккумулирования тепла, подается в воздух, используемый для нагрева, если температура этого воздуха ниже заданной.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание нагревателя, в котором тепло забирается из воздуха, используемого для нагрева, если температура этого воздуха выше заданной, и накапливается в средстве аккумулирования тепла.
Согласно первому аспекту изобретения одна или более из вышеупомянутых задач выполнены созданием нагревателя, содержащего солнечный коллектор, который передает полученную солнечную энергию в наружный воздух, проходящий через солнечный коллектор, средство использования тепла воздуха, идущего от солнечного коллектора, для нагрева, тепловой насос, теплообменник, присоединенный к тепловому насосу, и средство аккумулирования тепла, при этом солнечный коллектор содержит по меньшей мере одну первую коллекторную панель и по меньшей мере одну вторую коллекторную панель, причем воздух, идущий от упомянутой по меньшей мере одной первой коллекторной панели, подают в средство для нагрева, а воздух, идущий от упомянутой по меньшей мере одной второй коллекторной панели, подают в теплообменник, соединенный с тепловым насосом, при этом тепловой насос передает тепло, извлеченное из воздуха, в средство аккумулирования тепла.
Термины «первая коллекторная панель» и «вторая коллекторная панель» могут означать как одну коллекторную панель, так и множество коллекторных панелей.
Первая коллекторная панель, используемая для нагрева воздуха для нагревателя, имеет определенные размеры, которые в значительной степени определяются необходимым количеством тепловой энергии и количеством энергии, которое можно получить в дневные часы. Увеличение размеров коллекторной панели больше заданного максимума существенно не увеличит временной промежуток, в течение которого можно обеспечить достаточно тепла для нужд, связанных с нагревом, поскольку возможная пиковая мощность будет значительно превышать максимальное потребление тепла. Следовательно, существует определенный оптимальный размер для такой коллекторной панели, что приводит к наличию ограниченного периода времени, в течение которого мощность будет достаточной, и этот период слишком короток, чтобы обеспечить необходимое количество тепла в течение всех суток. Согласно изобретению обеспечена отдельная вторая коллекторная панель, при этом тепло от воздуха, проходящего через данную вторую коллекторную панель, извлекается посредством теплообменника и теплового насоса и аккумулируется в средстве аккумулирования тепла. Забранное и аккумулированное тепло используют в то время суток, когда воздух, проходящий через первую коллекторную панель, нагревается недостаточно, чтобы обеспечить потребность в энергии, необходимой для нагрева.
С помощью теплового насоса и средства аккумулирования тепла можно забирать и хранить тепло в течение всего дневного времени, лишь с тем ограничением, что температура воздуха не должна быть ниже определенного критического значения, приближенного к температуре замерзания воды. Следовательно, для второй коллекторной панели не существует ограничений по размерам, как для первых коллекторных панелей.
Нагреватель по изобретению, в котором использовано сочетание первой и второй коллекторных панелей, теплового насоса и средства аккумулирования тепла, может полностью обеспечить потребность в обогреве или обеспечить значительную ее часть.
Коллекторная панель, используемая в нагревателе по изобретению, образует по меньшей мере частично замкнутое пространство и имеет одну или более сторон для поглощения солнечной энергии, впускные отверстия для воздуха, соединяющие наружный воздух с упомянутым по меньшей мере частично замкнутым пространством, и выпускной воздуховод, соединенный с упомянутым по меньшей мере частично замкнутым пространством. Согласно еще одному варианту осуществления впускные отверстия для воздуха соединены с одним или более воздухопроводами внутри коллекторной панели, чтобы направлять воздух по забирающей солнечную энергию стороне панели и управлять потоком воздуха внутри панели. Данные коллекторные панели могут быть прикреплены к боковой стене, или наклонной стороне здания, или к крыше здания или могут быть встроены в любую из данных сторон здания.
Хотя поток воздуха возникает в коллекторной панели благодаря теплопередаче, в большинстве случаев этого недостаточно для обеспечения достаточного потока воздуха к средству для нагрева, которое соединяет выпускной воздуховод с первой коллекторной панелью. В выпускном воздуховоде второй коллекторной панели поток должен быть достаточным, чтобы воздух проходил через теплообменник по меньшей мере с определенной минимальной скоростью. Согласно еще одному аспекту изобретения обеспечено средство всасывания воздуха для создания достаточного потока воздуха в выпускном воздуховоде коллекторной панели. С помощью данного средства всасывания воздуха можно установить непрерывный поток воздуха через выпускной воздуховод и отрегулировать его для достижения максимальной эффективности.
После прохождения воздуха, поступающего из второй коллекторной панели, через теплообменник температура воздуха в большинстве случаев будет слишком низкой, чтобы использовать его для любых целей, связанных с нагревом, таких как отопление помещений. Следовательно, обеспечено дополнительное средство направления воздуха, поступающего от второй коллекторной панели, после прохождения теплообменника, во внешнюю среду. Если теплообменник расположен вблизи места соединения выпускного воздуховода со второй коллекторной панелью, которая, например, может располагаться на крыше здания, данное дополнительное средство может состоять просто из дополнительного выпускного воздуховода, ведущего наружу.
Основная потребность в тепле для обогрева бывает в утренние часы. Первая коллекторная панель выделяет достаточно тепла для обогрева в середине дня, а в большинстве случаев - и во второй половине дня. Для подачи достаточного количества тепла в остальное время используют тепло, извлеченное из воздуха, поступающего от второй коллекторной панели после прохождения теплообменника, и сохраненное в средстве аккумулирования тепла.
Согласно еще одному аспекту изобретения дополнительный теплообменник расположен в выпускном воздухопроводе, соединенном с первой коллекторной панелью. Посредством соединения дополнительного теплообменника со средством аккумулирования тепла накопленное тепло добавляют в воздух, поступающий от первой коллекторной панели, а затем дополнительно нагретый воздух поступает в средство для нагрева.
Чтобы получить возможность соединить дополнительный теплообменник со средством аккумулирования тепла в те периоды времени, когда требуется дополнительное тепло, обеспечено средство управления для соединения и разъединения упомянутого дополнительного теплообменника и средства аккумулирования тепла.
В середине дня воздух, поступающий от первой коллекторной панели, может быть нагрет значительно выше температуры, требуемой для нагрева. Согласно изобретению обеспечено, чтобы во время данного периода времени дополнительный теплообменник был присоединен с помощью средства управления к средству аккумулирования тепла таким образом, чтобы «вычесть» тепло из нагретого воздуха, поступающего от первой коллекторной панели, и аккумулировать его в средстве аккумулирования тепла. В конце упомянутого периода времени дополнительный теплообменник отсоединяют от средства аккумулирования тепла. Позднее в тот же день, когда потребуется дополнительное тепло, теплообменник снова подсоединяют к средству аккумулирования тепла, но таким образом, чтобы тепло из средства аккумулирования тепла поступило в воздух, проходящий через теплообменник.
Если температура воздуха, поступающего от первой коллекторной панели, выше необходимой для нагрева, но недостаточно высока для хранения «вычтенного» тепла в средстве аккумулирования тепла, можно также использовать тепловой насос, который, однако, потребует дополнительного средства управления, а возможно и дополнительного теплообменника. В большинстве случаев такие дополнительные вложения оказываются неэкономичными, так как вторая коллекторная панель и тепловой насос обеспечивают циркуляцию достаточного количества дополнительного тепла, которое можно забрать и накопить.
Согласно еще одному аспекту изобретения обеспечено средство управления потоком воздуха в выпускном воздуховоде, соединенном со второй коллекторной панелью, предназначенное для того, чтобы добавлять дополнительный поток воздуха в выпускной воздуховод, соединенный со второй коллекторной панелью, выше по ходу от теплообменника. Согласно предпочтительному варианту осуществления средство управления потоком воздуха предназначено для добавления отработанного воздуха, выходящего из средства нагрева, в выпускной воздухопровод, соединенный со второй коллекторной панелью. Температура отработанного воздуха, получаемого в процессе нагрева, например, при отоплении помещения, все еще относительно высока, и его можно использовать для смешивания с воздухом, идущим от второй коллекторной панели, перед подачей его в теплообменник, для повышения температуры данного воздуха. Поднятие температуры воздуха улучшает эффективность теплового насоса. В зависимости от разновидности процесса нагревания средство управления потоком воздуха также может быть выполнено таким образом, чтобы в течение определенного периода времени через выпускной воздуховод сзади по ходу от средства управления потоком воздуха подавался только отработанный воздух.
Согласно еще одному аспекту изобретения обеспечен способ нагрева с использованием наружного воздуха, проходящего через солнечный коллектор, причем способ включает этапы, при которых:
- пропускают воздух, идущий от упомянутой по меньшей мере одной первой коллекторной панели солнечного коллектора к средству для нагрева,
- извлекают тепло посредством теплового насоса из воздуха, идущего от упомянутой по меньшей мере одной второй коллекторной панели солнечного коллектора, и
- передают извлеченное тепло в средство аккумулирования тепла.
Способ предпочтительно включает дополнительные этапы, при которых:
- добавляют тепло в воздух, поступающий от первой коллекторной панели в средство нагрева, или забирают из него тепло посредством теплообменника, размещенного в потоке воздуха, поступающего от первой коллекторной панели, причем теплообменник присоединяют к тепловому насосу и/или средству аккумулирования тепла.
Кроме того, отработанный воздух, поступающий от средства для нагрева, добавляют к воздуху, идущему от второй коллекторной панели, выше по ходу относительно места, где тепло извлекают посредством теплового насоса.
Далее изобретение будет разъяснено при помощи рассматриваемого примера, представленного на чертеже, на котором схематично показана система, в которой первая коллекторная панель подсоединена к системе отопления, а вторая коллекторная панель с теплообменником подсоединена к тепловому насосу и средству аккумулирования тепла.
На чертеже первая коллекторная панель 1 показана размещенной на строительной конструкции, при этом строительная конструкция схематично показана пунктирной линией. Коллекторная панель 1 представляет собой, например, металлическую коллекторную панель с перфорациями в качестве впускных отверстий для воздуха. В зависимости от области применения коллекторной панели также можно использовать коллекторную панель с другими отверстиями, отличающимися от перфорации, в качестве впускных отверстий для воздуха. Коллекторная панель 1 также может быть отдельной панелью, прикрепленной к стороне строительной конструкции, или может быть встроена в строительную конструкцию и ориентирована таким образом, чтобы получать как можно больше солнечной энергии.
Выпускной воздуховод 2 присоединен к верхней части первой коллекторной панели 1 и пропускает нагретый воздух из первой коллекторной панели 1 в систему отопления помещения. Вентилятор 4 размещен в выпускном воздуховоде 2, чтобы создавать в выпускном канале 2 для воздуха достаточный поток воздуха для подачи воздуха в систему отопления 5.
Вторая коллекторная панель 11 снабжена выпускным воздуховодом 12, соединенным с верхней частью второй коллекторной панели 11 и подающим воздух в теплообменник. Теплообменник 13 соединен посредством трубы 16 с тепловым насосом 17, а тепловой насос 17 соединен со средством 18 аккумулирования тепла. Впереди по ходу от теплообменника 13 в выпускном воздуховоде 15 расположен вентилятор 14 для обеспечения достаточного потока воздуха через теплообменник 13. После того как воздух пропущен через теплообменник 13, его подают в окружающую среду через выпускной воздуховод 15.
Использование теплового насоса 17 обеспечивает возможность извлечения энергии из воздуха, который пропускают через теплообменник 13, с диапазоном температур, который начинается с температуры, значительно меньшей, чем температура нагретого воздуха, который подходит для применений с прямым нагревом. В этом отношении термин «нагретый воздух» следует интерпретировать соответствующим образом.
Средство 18 аккумулирования тепла может, например, содержать изолированную емкость, в которой жидкая среда, такая как вода, может храниться при повышенной температуре в течение периода времени, достаточного для того, чтобы использовать ее при необходимости. Если аккумулированная энергия подлежит использованию для отопления помещений, она должна быть доступна по меньшей мере в утренние часы, когда потребление тепла во многих случаях максимально, а нагрев с помощью непосредственно нагретого воздуха еще недоступен. Затем, в конце дня и вечера, в большинстве случаев снова возникает необходимость использовать аккумулированное тепло. Количество аккумулированного тепла также должно быть достаточно для заполнения данного промежутка, что легко реализовать с помощью средств получения, извлечения и аккумулирования энергии.
Система также содержит теплообменник 3, который непосредственно соединен со средством 18 аккумулирования энергии посредством труб 6, и регулирующий клапан 20, такой, что при необходимости тепло, аккумулированное в средстве 18 аккумулирования тепла, можно добавить в воздух, идущий в здание через систему отопления 5. Если температура воздуха, поступающего от первой коллекторной панели 1, выше необходимой для работы системы отопления 5, тепло может быть «вычтено» из воздуха посредством теплообменника 3 и аккумулировано в средстве 18 аккумулирования тепла 18.
В выпускном воздуховоде 12, присоединенном ко второй коллекторной панели 1, предусмотрено средство 19 управления потоком воздуха, которое используется для подачи отработанного воздуха из внутренней среды, показанной стрелкой 21, в поток воздуха, пропускаемый через теплообменник 13, который соединен с тепловым насосом 17. Это делается только в том случае, если температура нагретого воздуха, идущего от коллекторной панели 11, меньше температуры отработанного воздуха.
Средство 9 управления потоком воздуха, обеспеченное в выпускном воздуховоде 2 для воздуха, идущего от первой коллекторной панели 1 к теплообменнику 3, используют для подачи наружного воздуха, показанного стрелкой 7, в выпускной воздуховод 2, если температуру нагретого воздуха, идущего из первой коллекторной панели 1, следует понизить для управления отоплением помещения и для подачи в здание достаточного количества свежего наружного воздуха.