СИСТЕМА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОНОМНОГО ЗДАНИЯ
POWER SUPPLY SYSTEM FOR STAND ALONE BUILDING

Предложенное техническое решение относится к системам энергообеспечения зданий по типу периферийно замкнутого строения с внутренним двором, перекрытым куполом.
Известно техническое решение энергосистемы зданий, где теплоснабжение осуществляется посредством теплоты конденсации паросиловой установки, накапливаемой в низкотемпературном теплоаккумуляторе, а электроснабжение здания осуществляется электрогенератором, приводимым паросиловой установкой, где парогенерирование выполняется за счет подвода тепла от высокотемпературного теплоаккумулятора, зарядка теплом которого идет посредством теновых электронагревателей от альтернативных источников, например ветроустановок и солнечных фотоэлементов, а также за счет сжигания в парогенераторе традиционного топлива, используемого преимущественно как резервный источник энергии.
Поскольку наименьший теплообмен между окружающей средой и зданием при одновременном обеспечении благоприятной среды обитания достигается при выполнении здания в виде периферийно замкнутого сооружения с преимущественно с прозрачным куполом, перекрывающим внутренний двор, то внутренние источники тепловой энергии, имеющиеся в здании (например, биологический реактор переработки сточных вод, блок переработки бытовых отходов, работающее оборудование, системы вентиляции и кондиционирования, бытовые кухни, системы освещения, проживающие люди и животные и пр.), могут наиболее полно использоваться вторично за счет технологий реэнергетики, и в этой связи разработка оптимизированной энергоэффективной и экологически чистой энергосистемы такого дома, минимизирующего потребление энергии из внешних, например, тепловых и электрических систем является актуальной задачей.
Пример возможного энергоэффективного решения здания рассматриваемого типа совместно с системой его энергообеспечения, выполненной по патентам РФ №2215244, 2233387, описан в [1] - прототип.
Цель данного предложения - дополнительное повышение эффективности системы энергообеспечения преимущественно малоэтажных замкнутых зданий с перекрытым куполом внутренним двором при одновременном получении возможности относительного увеличения поступающей внутрь дома световой (солнечной) энергии через купол и ее преобразования в электроэнергию, экологичности энергосистемы и внутренней среды обитания самого здания при минимизации затрат на его инженерное обеспечение и энергоснабжение в широком диапазоне изменения температурных и других параметров окружающей внешней среды. Другой целью является получение возможности компоновки энергосистемы в виде компактного многофункционального блока, расширяющего возможности использования как альтернативных внешних источников энергии, так и внутренних источников энергии при высокой эффективности системы преобразования различных видов энергии в необходимую для системы жизнеобеспечения здания данного типа.
Поставленная задача в известной системе энергообеспечения автономного здания с внутренним перекрытым куполом двором, снабженной высоко- и низкотемпературным теплоаккумуляторами, энергетически сообщенными с располагаемыми как вне, так и внутри здания источниками альтернативной энергии, а также с потребителями как тепловой, так и электрической энергии, вырабатываемой электрогенератором, приводимым регулируемой паросиловой установкой с парогенератором, по теплу сообщенным по меньшей мере с высокотемпературным теплоаккумулятором, паровой машиной и конденсатором, решается тем, что:
- по центру двора здания установлена кинематически связанная с куполом (2) и выходящая наружу купола многоканальная трубная опора (13) с каналами 14 выхода воздуха из подкупольного пространства и каналами забора (15) воздуха из атмосферы, сообщенными по теплу теплообменными устройствами (16, 17) (например, теплообменниками, тепловыми трубами, тепловыми насосами) между собой и низкотемпературным теплоаккумулятором (5), снабженным дополнительной секцией пониженной температуры (5*), причем конденсатор (12) паросиловой установки по теплу сообщен, например, в ней расположен, с этой дополнительной секцией 5*, например, имеющей отрицательную по Цельсию температуру, которая по теплу основным тепловым насосом (18), приводимым преимущественно посредством паросиловой установки 11, сообщена с первичной секцией (5) низкотемпературного теплоаккумулятора;
- секции 5, 5* низкотемпературного теплоаккумулятора по теплу сообщены между собой посредством дополнительной паросиловой установки (19) с низкокипящим рабочим телом, выполненной с возможностью автономной работы или/и кинематически связанной с основной паросиловой установкой 11;
- подкупольное пространство здания 1 и обтекающая купол 2 воздушная среда, преимущественно в зоне выхода трубной опоры наружу, по каналам (14*, 20) трубной опоры 13 по теплу сообщены с дополнительной секцией низкотемпературного теплоаккумулятора 5*, посредством тепловых труб (летом) или тепловых насосов (зимой);
- верхняя часть трубной опоры (13), выходящая наружу купола, снабжена осесимметричной трубе жесткой площадкой (21) с расположенной на ней электрогенераторной ветроустановкой (6), выходной воздушный канал (22) которой, взаимодействующий с приводящим электрогенератор (23) рабочим органом (24) ветроустановки, выполнен с возможностью закрутки проходящего через него потока воздуха и сообщен с выходными вентиляционными каналами трубной опоры, каналами отвода отработанных горячих газов (25) и пара паросиловой установки (11), каналом (26) отвода тепла от теплоаккумуляторов, причем по меньшей мере часть указанных каналов выполнена с возможностью регулирования их проходных сечений для управления тепловыми потоками в энергосистеме, например, посредством дроссельных задвижек. При этом проточная часть ветроустановки содержит теплообменники (27, 28) подвода теплоты протекающего через них воздуха к низкотемпературному теплоаккумулятору (5,5*) посредством теплового насоса (29) или/и тепловой трубы (30);
- по меньшей мере один подводящий и один отводящий вертикальные каналы-воздуховоды сообщены по теплу посредством регенерационного теплообменника 16;
- низкотемпературный аккумулятор (5, 5*), паросиловая установка (11) и вентиляционные каналы трубной опоры (13) по теплу, получаемому углеводородному топливу и газовой среде подключены к по меньшей мере одному снабженному аккумулятором углеводородного топлива (31) пиролизному реактору (32) переработки сточных вод и бытовых отходов, генерируемых в процессе жизнедеятельности внутри здания, причем аккумулятор подключен к горелкам (33) разогрева как самого реактора (32), так и парогенератора паросиловой установки (11);
- альтернативные источники энергии, внутренний двор, помещения здания, паросиловые установки, электрогенераторы, а также первичная и вторичная секции низкотемпературного теплоаккумулятора по теплу, воздуху и электроэнергии объединены в единую систему энергообеспечения и поддержания микроклимата автономного здания через посредство центрально расположенной во дворе здания трубной опоры (13) с выполненными внутри нее воздушными и теплообменными каналами;
- трубная опора выполнена с возможностью доступа во внутреннее ее пространство на уровни расположения оборудования и каналов передачи энергии и в своей нижней части снабжена каналами связи с системой тепловых аккумуляторов.
На чертеже показан пример технической реализации, принципиально раскрывающей основную сущность данного предложения.
Система энергообеспечения автономного здания 1 с внутренним перекрытым куполом 2 двором 3 снабжена высоко- и низкотемпературным теплоаккумуляторами 4, 5 соответственно, энергетически сообщенными с располагаемыми как вне, так и внутри здания источниками альтернативной энергии (например, ВУ 6, солнечными располагаемыми на поверхности стены здания 1 и/или на куполе 2 фотоэлементами 7, солнечными коллекторами, изотопными теплоисточниками, низкотемпературными источниками (воздух, земля, вода и т.п.), а также с потребителями как тепловой, так и электрической энергии автономного здания, вырабатываемой электрогенератором 8, приводимым регулируемой паросиловой установкой 9 с парогенератором 10, по теплу сообщенным по меньшей мере с высокотемпературным 4 теплоаккумулятором, паровой машиной 11 и конденсатором 12.
По центру двора 3 здания 2 установлена многоканальная трубная опора 13, кинематически жестко или посредством шарнирных или упругих связей связанная с куполом 2. Трубная опора 13 своей верхней частью выходит наружу купола и снабжена каналами 14 выхода воздуха из подкупольного пространства и каналами забора 15 воздуха из атмосферы, сообщенными по теплу теплообменными устройствами 16,17 (например, теплообменниками, тепловыми трубами, тепловыми насосами) между собой и низкотемпературным теплоаккумулятором 5, снабженным дополнительной секцией пониженной температуры 5*. Конденсатор 12 паросиловой установки 9 по теплу сообщен (например, в ней расположен) с этой дополнительной секцией 5*. Секция 5* имеет существенно пониженную относительно первичной секции 5 температуру, например, отрицательную по Цельсию, и по теплу основным тепловым насосом 18, приводимым преимущественно посредством паросиловой установки 11, сообщена с первичной секцией 5 низкотемпературного теплоаккумулятора (5, 5*). Тепловой насос 18 с небольшими затратами механической энергии передает из секции 5* тепло, нагревая секцию 5 и захолаживая секцию 5*, что позволяет легко, практически без затрат дополнительной механической энергии (например, посредством тепловых труб и/или малозатратных по энергии вентиляторов 30) осуществлять поступление в секцию 5* тепловой энергии как из внешней среды, так и подкупольного пространства здания, куда выходят вентиляционные каналы помещений здания 1. Таким образом, подкупольное пространство здания 1 и обтекающая купол 2 воздушная среда, преимущественно в зоне выхода трубной опоры наружу, по каналам 14*, 20 трубной опоры 13 по теплу сообщены с дополнительной секцией низкотемпературного теплоаккумулятора 5*, например, посредством тепловых труб летом или/и тепловых насосов зимой 30.
Секции 5, 5* низкотемпературного теплоаккумулятора по теплу также могут быть сообщены между собой и посредством дополнительной паросиловой установки 19 с низкокипящим рабочим телом, выполненной с возможностью автономной работы или/и кинематически связанной с основной паросиловой установкой 11, что позволяет осуществить вырабатывание дополнительной механической и электрической энергии, необходимой для системы жизнеобеспечения здания.
Верхняя часть трубной опоры 13, выходящая наружу купола 2, снабжена осесимметричной трубе жесткой площадкой 21 с расположенной на ней электрогенераторной ветроустановкой 6, выходной воздушный канал 22 которой, взаимодействующий с приводящим электрогенератор 23 рабочим турбинного типа органом 24 ветроустановки, выполнен с возможностью гарантированной закрутки проходящего через него потока воздуха, например, посредством направляющих лопаточных рабочих органов 24*. Канал 22 через посредство рабочего органа 24 сообщен со всеми выходными каналами трубной опоры: вентиляционными 13, каналами отвода отработанных горячих газов 25 и пара паросиловой установки 11, каналом 26 отвода тепла от теплоаккумуляторов, причем по меньшей мере часть указанных каналов выполнена с возможностью регулирования их проходных сечений для управления тепловыми потоками в энергосистеме, например, посредством дроссельных задвижек. Проточная часть ветроустановки 6 также содержит теплообменники 27, 28 посредством которых и выполняется подвод теплоты, протекающего через них воздуха, к низкотемпературному теплоаккумулятору 5, 5* посредством тепловых насосов или/и тепловых труб или вентиляторов 29, 30 (в зависимости от температурных перепадов между 5,5* и окружающей средой).
По меньшей мере один подводящий и один отводящий вертикальные каналы-воздуховоды сообщены по теплу посредством регенерационного теплообменника 16.
Низкотемпературный аккумулятор 5, 5*, паросиловая установка 11 и вентиляционные каналы трубной опоры 13 по теплу, углеводородному топливу и газовой среде подключены к по меньшей мере одному снабженному аккумулятором углеводородного топлива 31 пиролизному реактору 32 переработки сточных вод (СТВ) и бытовых отходов (ТБО), генерируемых в процессе жизнедеятельности внутри здания, причем аккумулятор подключен к горелкам 33 разогрева как самого реактора 32, так и парогенератора паросиловой установки 11;
Альтернативные источники энергии 6, 7, внутренний двор 3, помещения здания 1, паросиловые установки 11, 19, электрогенераторы 8, а также первичная 5 и вторичная 5* секции низкотемпературного теплоаккумулятора по теплу, воздуху и электроэнергии объединены в единую систему энергообеспечения и поддержания микроклимата автономного здания через посредством центрально расположенной во дворе здания трубной опоры 13 с выполненными внутри нее воздушными и теплообменными каналами 14 14*, 26 и каналами связи с тепловыми аккумуляторами 4; 5, 5*, оборудованием 11, 18,19, 30, 31, 32, 33 и энергоканалами входа/выхода связи со зданием и пространством двора 3, что позволяет, не загромождая пространство двора, эффективно с минимальными затратами трубную опору с ее наземной и подземной частью выполнять как единый инженерный комплекс системы жизнеобеспечения, обеспечивающий: поступление свежего воздуха из внешнего пространства, его очистку, необходимую активацию/дезактивацию, подогрев/охлаждение; очистку, опреснение и регенерацию воды, например, поступающей из расположенной во дворе скважины, эффективное выведение отработанных газов и воздуха в пространство через отсасывающий выходной канал ветроустановки 22, поступление в тепловые аккумуляторы энергии внешней среды и ее дальнейшее эффективное преобразование для нужд населения здания.
Важно, что при выполнении ветроустановки по вихревому или другому типу, но выполненной с каналом отсоса воздуха и газов обеспечивается экологическая чистота в пространстве здания и повышается энергоэффективность ветроустановки за счет генерирования вихревого потока, обтекающего купол 2, площадку 21 (площадка здесь выполняет функцию опоры генерируемого вихря) и далее поступающего в закручивающие воздушный поток аппараты 27, 28, дополнительно выполняющие функции теплообменников отбора тепловой энергии от протекающего через них воздуха. Подача в поток сбрасываемого вентиляцией воздуха и отработанных газов и пара пиролизного реактора 32 и паросиловой установки (при ее работе на резервном топливе) существенно активизирует генерирование и мощность вихревого потока, генерируемого ветроустановкой 6, и соответственно мощность, вырабатываемую электрогенератором 23 ветроустановки 6.
Трубная опора 13 выполнена с возможностью доступа во внутреннее ее пространство на уровни расположения оборудования и каналов передачи энергии и в своей нижней части снабжена каналами связи с системой тепловых аккумуляторов, что обеспечивает техническое обслуживание и ремонт инженерного оборудования. Между трубной опорой 13 и зданием выполняются радиальные каналы и коллекторы передачи тепла/холода, бытовых отходов, воды (питьевой, технической, горячей) с приводом вентиляторов и насосов от паросиловой установки непосредственно или посредством электродвигателей.
Работа установки ясна из предыдущего описания и чертежа. Запуск энергосистемы может осуществляться от альтернативных источников с инверторами небольшой мощности для электропривода вспомогательного оборудования или посредством паросиловой установки, запускаемой на углеводородном резервном топливе.
В целом, предложенная система энергообеспечения автономного купольного здания представляет собой единое техническое решение, обеспечивающее как минимизацию тепловых потерь и затрат энергии на функционирование энергосистемы и системы жизнеобеспечения здания, так и наиболее эффективное использование альтернативных видов энергии ветра, солнца, атмосферного тепла (естественно, что допустимо и использование тепла земли и грунтовых вод, где это возможно, в чем, однако, данная система практически не нуждается из-за высокой эффективности предложенного комплексного технического решения), СТВ, ТБО и др. источников, например, изотопных источников тепловой энергии. Предложенное выполнение энергосистемы совместно с трубной опорой описанного типа, купола, замкнутого по периферии здания, вихревой ветроустановки с опорой вихря на жесткую площадку трубной опоры в совокупности с использованной системой энергогенерирования и энергопреобразования оптимальным образом решает задачу экологически чистого автономного энергоснабжения, минимизируя производственные затраты на строительство и инженерное обеспечение.
Данное техническое решение автономного здания может эффективно выполнять функции электро- и теплозаправочной станции, а при избытке электроэнергии накапливать ее в виде водорода в соответствующих энергоаккумулирующих устройствах.
Источники информации
1. Насосы&оборудование. Научно практический журнал, №2 (43), 2007, стр.26-28.