СИСТЕМА ГЕЛИОТЕПЛОХЛАДОСНАБЖЕНИЯ
SOLAR HEAT AND COLD SUPPLY SYSTEM

Изобретение предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах.
Известна система гелиотеплохладоснабжения (см. авторское свидетельство СССР №1322038, кл. F24J 2/42, 1987), содержащая южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовой воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами.
Недостатком данной системы является невозможность поддержания микроклимата внутри здания, как по температуре, так и по степени очистки атмосферного воздуха от загрязнений в виде твердых и каплеобразных частиц, имеющих разнообразный состав при изменяющихся погодно-климатических условиях.
Известна система гелиотеплохладоснабжения (см. авторское свидетельство СССР №1733871, кл. F24J 2/42, 1992, бюл. №18), содержащая южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, входом сообщенной с подпольным воздухопроводом, «холодным» каналом - с помещением, а «горячим» - через тепловой аккумулятор с грунтовым воздухопроводом, выходы подпольного и грунтового воздухопроводов подсоединены к «холодному» каналу вихревой трубы, а за местом их подсоединения установлен фильтр, при этом южный и северный воздухопроводы сообщены с атмосферой, а теплообменный - с помещением.
Недостатками технического решения являются дополнительные затраты, обусловленные длительной эксплуатацией в различных температурно-влажностных режимах грунта, когда в широких пределах изменяется не только температура грунта, но и его влажность, что приводит к интенсивному окислению металлического трубопровода и, соответственно, его демонтажу, кроме того, при температурных воздействиях наблюдаются значительные теплопотери транспортируемого воздуха.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированных сроков эксплуатации грунтового трубопровода и устранение тепловых потерь при длительной работе в условиях изменяющегося температурно-влажностного режима грунта, воздействующего на элементы системы гелиотеплохладоснабжения путем выполнения слоем грунтового трубопровода из композиционного материала с закрепленным тонковолокнистым базальтом, продольно растянутым по длине между металлическим основанием гидроизоляцией.
Технический результат достигается тем, что система гелиотеплохладоснабжения, содержащая южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, входом сообщенной с подпольным воздухопроводом, «холодным» каналом - с помещением, а «горячим» - через тепловой аккумулятор с грунтовым воздухопроводом, выходы подпольного и грунтового воздухопроводов подсоединены к «холодному» каналу вихревой трубы, а за местом их подсоединения установлен фильтр, при этом южный и северный воздухопроводы сообщены с атмосферой, а теплообменный - с помещением, при этом грунтовой воздухопровод (трубопровод) выполнен из композиционного материала, который включает металлическое основание, теплоизоляционный и теплоаккумулирующий тонковолокнистый базальт и гидроизоляцию, причем тонковолокнистый базальт продольно расположен в растянутом положении по длине грунтового трубопровода и закреплен в воде между металлическим основанием и гидроизоляцией.
На фигуре 1 представлена схема системы гелиотеплохладоснабжения, на фигуре 2 - разрез элемента грунтового трубопровода.
Система содержит воздухопроводы: южный 1, подпольный 2, северный 3, теплообменный 4 и грунтовый 5 с грунтовыми теплопроводящими трубами 6, помещение 7, под которым расположен тепловой аккумулятор 8, вихревую трубу 9 с входом 10 для обрабатываемого воздуха, каналом «холодного» потока 11, соединенным с входом 12 фильтра 13, и каналом «горячего» потока 14, соединенным с грунтовым воздухопроводом 5, фильтр 13 своим выходом 15 соединен с внутренним объемом помещения 7, нагнетательный вентилятор 16, установленный в вентиляционной камере 17 и соединенный подпольным воздухопроводом 2 через воздушные заслонки 18 и 19 с входом 10 вихревой трубы 9 и с выходом 12 фильтра 13, вытяжной вентилятор 20, установленный в вентиляционной камере 21 и соединенный теплообменным воздухопроводом с северным воздухопроводом, осуществляющим выброс воздуха из помещения 7 в атмосферу.
Грунтовой трубопровод 5 выполнен из композиционного материала и включает металлическое основание 22, теплоизолирующий и теплоаккумулирующий слой 23 тонковолокнистого базальта 24, продольно расположенного по длине грунтового трубопровода 5, и гидроизоляцию 25.
Система гелиотеплохладоснабжения работает следующим образом.
Особенно в осенне-зимний и зимне-весенний периоды года температурно-влажностые режимы грунтов существенно изменяются не только ежесуточно, но и в течение суток (см., например, Справочник по климату СССР, Выпуск 28. Влажный воздух, атмосферные осадки, снежный покров. Гидрометиоиздат. Ленинград, 1968 г. - 259 с. ил.), что способствует интенсификации процесса окисления металлического грунтового трубопровода 5 и возрастанию теплопотерь движущегося в нем потока «горячего» воздуха из вихревой трубы 9 со значениями температуры, отличающимися от нормированных для помещения 7 (см., например, СНиП II-3-79. Строительная теплофизика, М.: 1998 г. - 12 с.). При этом поступающий в помещение 7 после фильтра 13 воздух не обеспечивает заданных параметров микроклимата, а металлический грунтовой трубопровод 5 покрывается снаружи ржавчиной и окалиной, т.е. интенсивно изнашивается, что требует выполнения демонтажных работ по его замене, а это приводит к дополнительным энергозатратам при эксплуатации системы гелиотеплохладоснабжения.
Выполнение грунтового трубопровода 5 из композиционного материала с расположением по его длине тонковолокнистого базальта 24 и последующего размещения между металлической основой 22 и гидроизоляцией 25 приводит к тому, что в процессе передачи тепла от «горячего» потока из вихревой трубы 9 теплопроводностью через металлическую основу 22, она аккумулируется по толщине слоя 23 тонковолокнистого базальта 24 (см., например, Волокнистые материалы из базальтов Украины. Издательство «Техника». Киев. 1971 г. - 76 с., ил.). В результате оборота тепла в аккумулирующий слой 23 тонковолокнистого базальта 24 от «горячего» потока, он охлаждается и направляется через фильтр 13 в помещение 7, поддерживается заданный микроклимат.
При поступлении из вихревой трубы 9 «горячего» потока воздуха с температурой ниже нормированной для помещения 7 в грунтовом трубопроводе 5 осуществляется отбор тепла от тонковолокнистого базальта 24 ко всей длине теплоаккумулирующего слоя 23, который также, выполняя функции теплоизоляции, предотвращает тепловые потери в грунт. Подогретый за счет аккумулированного тепла тонковолокнистого базальта 24, продольно расположенного на теплоаккумулирующем слое 23 грунтового трубопровода 5, «горячий» поток из вихревой трубы 9 через фильтр 13 поступает в помещение 7, поддерживая заданный микроклимат. Следовательно, наличие теплоизолирующего и теплоаккумулирующего слоя 23 обеспечивает поддержание заданного микроклимата в помещении 7 при изменениях температуры атмосферного воздуха, поступающего в вихревую трубу 9 для термодинамического расслоения на «горячий» и «холодный» потоки без дополнительных энергозатрат на регулирование температурного режима воздуха, поступающего в помещение 7, а наличие гидроизоляции продлевает срок службы грунтового трубопровода 5 и поддерживает процесс аккумулирования тепла слоем 22.
В теплое время года при температурах атмосферного воздуха выше значений температуры, предусмотренных параметрами микроклимата внутри помещения 7, например, 25°С (воздушная заслонка 19 закрыта), атмосферный воздух по южному воздухопроводу 1 нагнетается в подпольный воздухопровод 2 вентилятором 16, установленным в вентиляционной камере 17. Из подпольного воздухопровода 2 по открытой воздушной заслонке 18 атмосферный воздух под избыточным давлением поступает на вход 10 вихревой трубы 9, в которой происходит расслоение на «холодный» (температура несколько ниже входящего в вихревую трубу атмосферного воздуха) и «горячий» (температура несколько выше входящего в вихревую трубу атмосферного воздуха) потоки воздуха. Холодный поток разделенного в вихревой трубе 9 атмосферного воздуха с заданной по условиям микроклимата внутри здания 7 температурой, например, 18°С по холодному каналу 11 вихревой трубы 9 поступает на вход 12 и в фильтр 13, где очищается от твердых частиц загрязнений, а также от жидких частиц сконденсировавшейся в процессе охлаждения парообразной влаги атмосферного воздуха, а, как известно, чем выше температура атмосферного воздуха, тем больше в нем влаги, при этом отделенные загрязнения в фильтре 13 удаляются из него через установку удаления загрязнений, например конденсатоотводчик поплавкового типа. «Горячий» поток атмосферного воздуха по горячему каналу 14 вихревой трубы 9 направляется в грунтовый воздухопровод 5, где охлаждается, отдавая тепло грунту, а сконденсировавшаяся в процессе охлаждения воздуха влага удаляется через теплопроводящие трубы 6 и дренируется в грунте. Охлажденный в грунтовом воздухопроводе 5 воздух поступает к входу 12 фильтра 13, где окончательно очищается от капельнообразных загрязнений и твердых частиц загрязнений, т.е. доводится до параметров, определяемых заданным микроклиматом в помещении 7. Из фильтра 13 обработанный воздух с заданными параметрами по температуре, влажности и степени очистки от твердых частиц поступает внутрь помещения 7.
Воздух из помещения 7 вентилятором 20, установленным в вентиляционной камере 21, направляется в теплообменный воздухопровод 4, где отдает тепло аккумулятору 8, и по северному воздухопроводу 3 выбрасывается в атмосферу.
Размещение вихревой трубы 9 в тепловом аккумуляторе 8 обеспечивает дополнительное накопление тепла, выделяемого через корпус вихревой трубы 9, в процессе расслоения обрабатываемого атмосферного воздуха на «холодный» и «горячий» потоки.
В результате тепловой аккумулятор 8 накапливает тепловую энергию, поступающую как от теплообменного воздухопровода 4, так и от корпуса вихревой трубы 9.
При снижении температуры нагнетаемого вентилятором 16 атмосферного воздуха ниже гостированной для заданных условий микроклимата здания 7, например в ночное время температура около 15°С, открывается воздушная заслонка 19 (воздушная заслонка 18 закрыта). Атмосферный воздух по южному воздухопроводу 1 вентилятором 16 через открытую воздушную заслонку 19 подается в фильтр 13, где очищается до заданных условиями микроклимата в помещении 7 параметров. Тепловой аккумулятор 8 отдает тепло всасываемому атмосферному воздуху в подпольном воздухопроводе 2, нагревая его до необходимой температуры. Если тепловой энергии, отдаваемой тепловым аккумулятором 8 атмосферному воздуху, движущемуся по подпольному воздухопроводу 2, недостаточно, то осуществляется подогрев отопительной системой (не указано), затраты которой будут снижены, так как значительная часть тепла поступает от теплового аккумулятора 8 и грунта.
Размещение фильтра 13 после вихревой трубы 9 в тепловом аккумуляторе 8 обеспечивает снижение энергоемкости очистки нагнетаемого вентилятором 16 через южный 1 воздухопровод атмосферного воздуха вовнутрь помещения 7 за счет частичной очистки в процессе расслоения обрабатываемого воздуха (часть твердых загрязнений перемещается в горячий поток и дренируется в грунт по теплообменным трубам 6). А также полученное тепло от аккумулятора 8 при низких температурах атмосферного воздуха устраняет возможность обмерзания фильтрующих элементов, приводящего к возрастанию гидравлического сопротивления при температурах атмосферного воздуха, имеющих значение, существенно более низкое, чем предусмотрено параметрами микроклимата внутри помещения 7, вихревая труба 9 воздушной заслонкой 18 отключается от подпольного воздухопровода 2. Всасывающий атмосферный воздух нагревается как в южном воздухопроводе 1 за счет использования тепла солнечной радиации (южный воздухопровод выполнен из поглощающего солнечную радиацию материала), так и от теплового аккумулятора 8 в подпольном воздухопроводе 2. В случае недостатка данного тепла для получения заданной температуры воздуха, нагнетаемого вовнутрь помещения 7, применяется отопительная система (не показана) незначительной мощности.
В результате предлагаемое изобретение позволяет использовать солнечную энергию и аккумулирующие свойства грунта, как при положительных, так и при отрицательных температурах атмосферного воздуха, обеспечивая снижение энергозатрат процесса получения заданных параметров микроклимата внутри помещения, как по температуре, так и по степени очистки вентилируемого воздуха от загрязнений в виде твердых и каплеобразных загрязнений.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что снижение энергозатрат при длительной работе системы гелиотеплохладоснабжения, достигается как обеспечением нормированных сроков эксплуатации грунтового трубопровода без выполнения дополнительных демонтажных работ при изменяющихся температурно-влажностых режимах грунта, так и поддержанием заданного микроклимата в помещении, путем выполнения грунтового трубопровода из композиционного материала, включающего тонковолокнистый базальт, заключенный между металлической основой и гидроизоляцией. При этом выполнение тонковолокнистого базальта в виде слоя с продольно растянутыми волокнами по длине грунтового трубопровода позволяет не только осуществлять функцию теплоизоляции, но и аккумулировать тепло, передаваемое теплопроводностью через металлическую основу от движущегося «горячего» потока воздуха, а это помимо устранения теплопотерь через гидроизоляцию в аккумулирующую среду-грунт позволяет поддерживать постоянство заданного микроклимата в помещении без дополнительных энергозатрат при изменении температуры атмосферного воздуха, поступающего в вихревую трубу.