ЗДАНИЕ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ СОЛНЕЧНУЮ РАДИАЦИЮ ДЛЯ НУЖД ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
BUILDING UTILISING SOLAR RADIATION FOR HEAT SUPPLY NEEDS

Изобретение относится к строительной гелиотехнике и может быть применено при строительстве зданий и сооружений, использующих энергию солнечной радиации для нужд теплоснабжения.
Известна стеновая панель солнечного отопления по патенту РФ №2241916, МКИ F24J 2/32, F24J 2/42 («Панель солнечного отопления зданий»).
Панель солнечного отопления применима при строительстве гражданских и промышленных зданий различного назначения и включает каркас, обрамляющий ее внешний контур, лицевую стеклянную обшивку и приемник тепловой энергии, выполненный двухслойным из металлической теплоприемной пластины с шероховатой внешней поверхностью, окрашенной в темный цвет, и слоем из тяжелого бетона. Между стеклом и металлической пластиной выполнен воздушный зазор, образуя герметичную воздушную гелиокамеру. Вплотную к металлической пластине с внутренней стороны панели прилегает слой из тяжелого бетона с дисперсным армированием. Тепловые трубки с односторонней теплопроводностью вставлены в гильзы и соединяют через гнезда пластины и теплоаккумулирующие слои панели. Пространство между приемником тепловой энергии и теплоаккумулятором заполнено легким бетоном с пористым заполнителем. Внутренняя поверхность панели выполнена в виде декоративного слоя с воздушным каналом, отделяющим его от теплоаккумулятора. На входе и выходе воздушного канала между слоями панели выполнены дефлекторы.
Такая конструкция стеновой панели солнечного отопления дает возможность регулирования мощности теплового потока, поступающего внутрь помещения, путем отведения воздушного теплового потока в теплое время года через вентиляционные устройства, которые могут работать в режиме естественной и принудительной вентиляции. Технический результат достигается за счет использования парникового эффекта в воздушной гелиокамере между стеклом и теплоприемником и устройства вентиляционного канала у внутренней поверхности панели с возможностью отвода воздушного потока наружу здания.
Недостатками стеновой панели солнечного отопления являются:
- сложность конструкции, повышающая ее стоимость;
- большая трудоемкость обслуживания системы отвода воздушного потока наружу в условиях многоэтажного здания, что также повышает ее стоимость;
- низкая эффективность использования энергии солнечной радиации из-за ограничения мощности приемника тепловой энергии габаритами панели.
Известно здание, наружные ограждения и крыша которого изготовлены из стекла, условно называемое «стеклянное здание».
Недостаток названного «стеклянного здания» заключается в том, что остекление выполняет декоративную функцию, здание практически не содержит приемников тепловой энергии, которые аккумулируют тепло, нет специальных гелиокамер, которые обеспечивают эффективность парникового эффекта и регулирование теплового режима, энергия солнечной радиации при этом используется малоэффективно.
Известно многоэтажное здание, содержащее систему застекленных лоджий, которые занимают часть ограждений здания, (см. чертеж). Застекленные лоджии расположены только напротив ряда комнат здания, остальная часть ограждений здания остекления не содержит. Нижняя часть застекленных лоджий, являясь защитным ограждением высотой 1 метр, также не содержит остекления.
Недостатком известного здания является низкая эффективность использования энергии солнечной радиации из-за отсутствия приемников тепловой энергии - теплоаккумуляторов и ограничения площади остекления габаритами лоджий, что связано с повышением комфортности пространства лоджий, и не направлено на использование тепла солнечной радиации.
Известно здание, использующее солнечную радиацию для нужд теплоснабжения (см. выложенную заявку на изобретение РФ №95114648 МКИ F24J 2/04, 1995, пункт 6 формулы изобретения «Сибирский дом с отоплением от гелиоэнергетики»), выбранное заявителем в качестве прототипа.
Известное здание включает панельные, щитовые стены легкой конструкции, на наружных стенах с южной стороны смонтирован тепловой коллектор с концентрацией солнечных лучей, с остальных сторон стены закрыты вакуумным стеклом с минимальным слоем между ними огнестойкой теплоизоляции, что по сути дела представляет собой герметичную воздушную гелиокамеру. Стены известного здания являются приемниками тепловой энергии, они аккумулируют тепло при солнечном излучении, однако сложная конструкция теплового коллектора с концентрацией солнечных лучей затрудняет использование данной конструкции здания с обогревом от энергии солнечной радиации в многоэтажном домостроении.
Недостатками известного здания, использующего солнечную радиацию для нужд теплоснабжения, выбранного заявителем в качестве прототипа, являются:
- сложность конструкции и высокая стоимость;
- низкая эффективность использования энергии солнечной радиации в условиях многоэтажного здания.
Техническим результатом предложенного изобретения является устранение недостатков прототипа и аналогов, а именно: увеличение эффективности использования солнечной радиации для нужд теплоснабжения современного многоэтажного здания.
Технический результат достигается тем, что здание, использующее солнечную радиацию для нужд теплоснабжения, содержащее стены, являющиеся внутренним ограждением, приемником тепловой энергии и теплоаккумулятором, и наружное ограждение, выполненное из стекла, согласно изобретению, здание содержит сотовую систему смежных воздушных гелиокамер, размещенных снаружи здания по всему периметру и опирающуюся на собственный фундамент, наружное ограждение из стекла выполнено по всему периметру здания, каждая воздушная гелиокамера состоит из наружного ограждения из стекла, из железобетонной задней панели, являющейся стеной здания, боковых железобетонных панелей, облицованных металлическим листом, верхних и нижних железобетонных панелей, которые являются междуэтажными перекрытиями здания, и передней железобетонной панели, являющейся защитным ограждением стекла, наружное ограждение из стекла расположено от стены здания на расстоянии не менее 1,0-2,0 метра, в каждой гелиокамере размещен вентиляционный канал с естественной или принудительной вентиляцией, выполненный в виде нижнего входного и верхнего выходного воздуховода двухсекционного по длине - «вход/выход», размещенного на периферии междуэтажного перекрытия.
Кроме того, здание может содержать сборно-монолитный каркас с безбалочными перекрытиями, которые в пределах гелиокамер выступают за пределы стен здания в виде консоли на расстояние 1,0-2,0 метра.
Крыша здания может быть выполнена из стекла.
Стена здания может быть выполнена двухслойной, внешний слой - из металлического листа с шероховатой лицевой поверхностью, окрашенной в темный цвет, а внутренний - из тяжелого бетона. Стеклянное наружное ограждение здания может быть выполнено из стекла, снижающего солнечную радиацию.
На стекло наружного ограждения с внутренней стороны может быть наклеена пленка, отражающая солнечную радиацию.
Высота передней панели, которая является защитным ограждением стекла, может быть равна 1,0-1,1 метра.
Стеклянное наружное ограждение и панели, образующие воздушную гелиокамеру, могут содержать устройства для преобразования солнечной радиации в электроэнергию, которая используется для нужд теплоснабжения.
В плане длинная ось здания, имеющего форму вытянутого прямоугольника, должна быть расположена в направлении «Север-Юг».
Наличие у здания по сравнению с аналогами и прототипом множества дополнительных приемников тепловой энергии - теплоаккмуляторов, каждый из которых образует гелиокамеру, а все вместе гелиокамеры объединены в сотовую систему, размещены снаружи здания по его периметру и опираются на собственный фундамент, и выполнение наружного ограждения из стекла по всему периметру здания, позволяет эффективно использовать энергию солнечной радиации. При этом в качестве приемников тепловой энергии - теплоаккумуляторов солнечной радиации служат не только элементы конструкции гелиокамер, но и внутреннее ограждение, т.е. стена здания, так как она является задней панелью каждой из смежной воздушной гелиокамеры, что дает возможность повысить эффективность использования парникового эффекта для нужд теплоснабжения современного многоэтажного здания.
Расположение наружного ограждения, выполненного из стекла, на расстоянии не менее 1,0-2,0 метра от стены здания позволяет использовать объем гелиокамеры в качестве лоджии (например, в жилых зданиях), размещать в ней вытяжной вентилятор с автоматическим регулятором температуры воздуха, а также типовой кондиционер. Каждая гелиокамера может содержать типовой клапан для регулирования естественной вентиляции.
Устройство безбалочных междуэтажных перекрытий в пределах гелиокамер выступающими за пределы стены здания в виде консоли на расстояние 1,0-2,0 метра обеспечивает создание системы смежных гелиокамер, а значит, наружное остекление по всему периметру здания.
Наличие вентиляционных каналов с естественной или принудительной вентиляцией дает возможность эффективно регулировать температуру воздуха в гелиокамере путем отведения избытка тепла. Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1 показан поперечный разрез здания.
На фиг.2 изображен общий вид здания в плане.
Здание, использующее солнечную радиацию для нужд теплоснабжения, содержит стены 1, являющиеся приемниками тепловой энергии, и наружное ограждение 2 из стекла. Здание содержит сотовую систему смежных воздушных гелиокамер 3, размещенных снаружи здания по всему периметру, опирающуюся на собственный фундамент. Наружное ограждение 2 из стекла выполнено по всему периметру здания. Каждая воздушная гелиокамера 3 состоит из наружного ограждения 2 из стекла, из железобетонной задней панели, являющейся стеной 1 здания, железобетонных боковых панелей 4, облицованных металлическим листом с обеих сторон, верхних и нижних железобетонных панелей 5, которые являются междуэтажными перекрытиями здания, и передней железобетонной панели 6, являющейся защитным ограждением стекла 2. Наружное ограждение 2, выполненное из стекла, расположено от стены здания на расстоянии не менее 1,0-2,0 метра. В каждой гелиокамере 3 размещен вентиляционный канал 7 с естественной или принудительной вентиляцией.
Боковые панели 4 облицованы с обеих сторон металлическим листом. Вентиляционный канал 7 выполнен в виде нижнего входного и верхнего выходного воздуховодов прямоугольного сечения, двухсекционный по длине - «вход/выход», размещенный на периферии безбалочного перекрытия 5.
Крыша 9 здания выполнена из стекла. Здание может содержать сборно-монолитный каркас с безбалочными перекрытиями 5, колонны 8.
Монолитные безбалочные перекрытия 5 и сборные колонны 8 сборно-монолитного каркаса здания, использующего солнечную радиацию для нужд теплоснабжения, выполняют из бетона особовысокой прочности марки 800 (1000), внутреннее ограждение - стены здания 1 могут быть выполнены из пеноблоков или других легких материалов с высокими тепловыми характеристиками с оштукатуриванием лицевой поверхности. Поскольку стены 1 здания также являются приемником тепловой энергии и аккумулятором тепла, то, при необходимости, они могут иметь типовое наружное покрытие - двухслойное, внешний слой в виде металлического листа с шероховатой лицевой поверхностью, окрашенной в темный цвет, а внутренний из тяжелого бетона. Наружное ограждение 2 и крыша 9 выполнены из стекла толщиной 8-10 мм. Вентиляционный канал 7 гелиокамеры 3 может иметь естественную или принудительную вентиляцию и может быть выполнен из металлических квадратных труб, имеющих высокую коррозионную стойкость.
Боковые панели 4 и передняя панель 6 - это основные приемники тепловой энергии и теплоаккумуляторы, они выполнены двухслойными, внешний слой в виде металлического листа с шероховатой лицевой поверхностью, окрашенной в темный цвет, а внутренний - из тяжелого бетона. Боковые панели 4 облицованы металлическим листом с обеих сторон.
Сотовая система смежных гелиокамер 3 размещена снаружи здания по всему периметру. Высота передней панели 6, которая является защитным ограждением стекла 2, достигает 1,0-1,1 м.
Наружное ограждение, выполненное из стекла, расположено на расстоянии от стены здания не менее 1,0-2,0 метра, что позволяет использовать объем гелиокамеры в качестве лоджии.
Нижняя сторона безбалочного перекрытия 5, являющаяся в пределах каждой из гелиокамер 3 верхней (потолочной) панелью 5, может содержать внешний слой в виде металлического листа с шероховатой лицевой поверхностью, окрашенной в темный цвет. Фундамент 10 воздушной камеры выполнен из высокопрочного бетона марки 800 (1000).
Использование в здании солнечной радиации для нужд теплоснабжения осуществляется следующим образом.
Солнечная радиация проникает через наружные ограждения - стены 2 и крышу 9, выполненные из стекла и частично нагревает стекло и воздух внутри герметичных воздушных гелиокамер 3, но при этом существенным образом нагревает панели 4 и 6, а также стену здания 1 и безбалочные перекрытия 5 в пределах каждой из гелиокамер, которые являются приемниками тепловой энергии и теплоаккумуляторами. Нагретые до определенной температуры (свыше 30°C) панели, образующие гелиокамеру 3, начинают излучать инфракрасные тепловые лучи, которые очень эффективно нагревают воздух в гелиокамере 3. Избыток тепла в гелиокамере 3 отводится естественным или принудительным путем через вентиляционный канал 7. В гелиокамерах 3 и под стеклянной крышей 9 здания воздух нагревается до температуры существенно более высокой, чем у воздуха за пределами наружного стеклянного ограждения 2 и 9. Температура воздуха внутри гелиокамер 3 и под стеклянной крышей 9 здания может регулироваться вручную или автоматически и за счет известных устройств при наличии принудительной вентиляции через вентиляционный канал 7. За счет поступления свежего воздуха более низкой температуры происходит охлаждение поверхности приемников 4, 5 и 6 тепловой энергии - теплоаккумуляторов.
Наружное ограждение 2, выполненное из стекла, а также крыша 9 могут содержать типовые клапаны (форточки) (не показаны) или в них могут быть установлены типовые кондиционеры, без чего сложно обходиться в теплое время года, особенно в южных регионах.
Здание, использующее солнечную радиацию для нужд теплоснабжения, должно быть расположено определенным образом по отношению к сторонам света, а именно в плане длинная ось здания, имеющего форму вытянутого прямоугольника, должна быть расположена в направлении «Север-Юг». Южная сторона здания в теплое время года будет испытывать определенные неудобства из-за повышения температуры воздуха в гелиокамерах и поэтому к югу должен быть повернут только торец здания, а не длинная сторона. Таким образом, технический результат достигается за счет использования парникового эффекта в гелиокамере 3 между стеклом наружного ограждения 2 и крыши 9 и приемниками тепловой энергии - теплоаккумуляторами и устройства вентиляционного канала 7, который обеспечивает возможность отвода избыточного тепла наружу здания.
2
2
2
Солнце - это очень мощный, а главное совершенно бесплатный источник тепловой энергии, воспользоваться которым предлагает автор изобретения, особенно в условиях России, климат которой относительно суровый. Использование парникового эффекта для нужд теплоснабжения в условиях средней полосы России весьма эффективно, поскольку здесь наблюдается наибольшая инсоляция за день - 7 кВт/м (или с учетом рассеянной составляющей - 8,4 кВт/м), в тропиках - 7,1 (8,3), на экваторе - 6,5 (7,5) кВт/м. Такое повышение инсоляции при увеличении широты связано со значительным возрастанием продолжительности дня. Так, в июне продолжительность дня в средней полосе России - более 16 часов, а в тропиках - всего 12 часов. По оценке автора здание, использующее солнечную радиацию для нужд теплоснабжения, позволит уменьшить расход топлива не менее чем на 30%.
Предлагаемое изобретение применимо при строительстве гражданских и промышленных зданий различного назначения.