Изобретение относится к области теплотехники, использующей солнечное излучение для отопления зданий и сооружений.
Известно что стеновая панель здания [1], относящаяся к гелиотехнике, позволяет повысить аккумулирующую способность и обеспечить автономное регулирование теплового режима здания, может быть использована в системах теплоснабжения. Стеновая панель здания включает наружную стенку, выполненную из светопрозрачного материала, заполненную фазопереходным теплоаккумулирующим материалом. Недостатками фазопереходных аккумуляторов тепла являются необходимость герметичной конструкции панели с большой массой вещества (водного раствора соли), и химическая нестабильность раствора. Реализация такой панели экономически нецелесообразна из-за дороговизны панели и её эксплуатации.
Известен солнечный коллектор [2], использующийся в теплотехнике, преобразующий солнечную энергию. Данное техническое решение используется как элемент кровли крыши, состоящий из корпуса и тепловоспринимающего элемента - металлического листа с развитой поверхностью, или в виде гофр, или в виде ребер, или игольчатых выступов с одной стороны, обращенной к теплоносителю, или с обеих сторон. На корпусе имеются крепления для соединения коллекторов между собой и для прикрепления их к каркасу крыши. Недостатком изобретения является незначительная экономия энергии за счет обтекания теплоносителя с одной (обратной) стороны металлического листа. При этом имеют место большие тепловые потери из-за конвекции воздуха, находящегося в тепловом контакте с верхней стороны металлического листа, особенно в ветреную погоду, в холодный зимний период.
В качестве наиболее близкого аналога выбран солнечный коллектор-панель [3], использующийся в теплотехнике, преобразующий солнечную энергию. Солнечный коллектор – панель для отопления зданий и сооружений, содержащий корпус, герметично соединенный с тепловоспринимающим элементом, последний из которых имеет развитую поверхность или в виде гофр, или в виде ребер, являющийся элементом кровли крыши или стены, отличающийся тем, что корпус имеет светопрозрачное покрытие с одной стороны, теплоизоляцию с другой стороны, между которыми установлен тепловоспринимающий элемент, а также к корпусу прикреплены приспособления – штуцеры для входа и выхода теплоносителя, которым заполнены герметичные полости с двух сторон тепловоспринимающего элемента. Недостатком данного изобретения является ограничения его использования только отопительным периодом. В теплое время года из-за отсутствия потребности тепла установка может служить только для отвода тепла от стен или крыши зданий.
Задачей изобретения является увеличение полезной тепловой энергии солнечного коллектора-панели за счет его круглогодичного использования.
Теплоноситель А, например, нейтральный газ в замкнутом контуре или воздух с прямой подачей внутрь здания используется в холодный период для отопления зданий, сооружений. Технический эффект достигается путем использования второго теплоносителя Б жидкость, например, вода в режиме прямого нагрева или антифриз в замкнутом контуре, который используется для нагревания воды для бытовых нужд, отопления и охлаждения зданий.
Изобретение осуществлено с помощью макета с площадью 1 м2 из металлического листа, светопрозрачного верхнего покрытия и теплоизоляционного материала снизу. Макет солнечного коллектора-панели имеет простую надежную конструкцию, которая подтверждается её эксплуатацией в реальных условиях в течении 5 лет. Изобретение, пояснено прилагаемым графическим изображением.
Схематическое устройство солнечного коллектора-панели для отопления и охлаждения, получения горячей воды зданий показано на Фиг.1, где использованы следующие обозначения: 1 - корпус, 2 - светопрозрачное покрытие, 3 - тепловоспринимающий элемент с внутренней полостью, 4 - теплоизоляция, 5 и 6 – приспособления (штуцеры) для входа и выхода теплоносителя А, 7 и 8 – штуцеры для входа и выхода теплоносителя Б.
Солнечный коллектор – панель (см. Фиг.1) представляет собой корпус 1, который имеет светопрозрачное покрытие 2 с одной стороны, теплоизоляцию 4 с другой стороны, препятствующей потерям тепла в окружающую среду, между которыми установлен тепловоспринимающий элемент 3 с развитой поверхностью в виде или гофр, или ребер, или игольчатых выступов с одной стороны, или с обеих сторон, с матовой поверхностью, как можно более черного цвета, как минимум на стороне, куда падают солнечные лучи, или с обоих сторон, с внутренней полостью, корпус 1 имеет штуцеры 5 для входа и 6 для выхода теплоносителя А, тепловоспринимающий элемент 3 соединяется с корпусом 1 способами и материалами, обеспечивающими герметичное соединение, например клеевым соединением, корпус 1 заполняется теплоносителем А, который обтекает тепловоспринимающий элемент 3 с двух сторон, внутренняя полость тепловоспринимающего элемента заполняется теплоносителем Б, корпус 1 имеет штуцер 7 для входа и штуцер 8 для выхода теплоносителя Б.
Устройство работает следующим образом. В установленные на каркас крыши (или стены) и закрепленные креплением между собой и к каркасу крыши (или стены) коллекторы подается теплоноситель А, через приспособления 5, тепловоспринимающий элемент 3, на который падают солнечные лучи, нагревается ими (черная поверхность солнечными лучами может нагреваться до 100oС и более), тепло передается всему объему элемента 3, часть аккумулируется и часть воспринимается теплоносителем А. После достижения теплоносителем А определенной температуры, что можно обеспечить регулированием скоростью подачи, теплоноситель А поступает к потребителю или в накопительную емкость внутри здания.
В отопительный сезон в качестве теплоносителя А используется воздух, тепло полученное коллектором с помощью приспособления 6 подается внутрь здания, нагревая воздух внутри зданий и аккумулируя тепло в материале ограждающих конструкций стен, крыши, пола.
В теплое время года, когда необходимость отопления зданий отпадает, тепло аккумулированное теплоносителем Б (антифриз или вода) нагревает воду для бытовых нужд. При этом нагретый коллектором теплоноситель Б поступает в накопительную ёмкость через штуцер 8. Теплоноситель Б поступает во внутреннюю полость элемента 3 через штуцер 7. В случае использования антифриза внутри накопительной ёмкости устанавливается двухконтурный теплообменник.
Для охлаждения зданий водопроводная вода температурой около 15°С поступает в теплообменник внутри здания, после достижения температуры на выходе теплообменника 23°С, эта вода подается в коллектор приспособлением 7. Во внутренней полости элемента 3 температура воды достигает 65°С, после чего подается в накопительную емкость.
Технический эффект достигается за счет использования коллектора для нагрева воды и воздуха в двух отдельных контурах, наружной и внутренней полости тепловоспринимающего элемента, также круглогодичного полезного использования полученного коллектором тепла. Повышение температуры теплоносителя А до 100°С и выше, обеспечивает увеличение полезного тепла коллектора в 2...3 раза. Использование теплоносителя Б связано с увеличением суммы солнечного излучения до 4 раз в летнее время.
Теплоёмкость в 4 раза больше для жидкостного теплоносителя Б воды Cp = 4182 Дж/(кг·К), чем для теплоносителя А воздуха Cp = 1005 Дж/(кг·К). Удельная масса жидкостного теплоносителя Б воды ρ = 1000 кг/м3 на 3 порядка больше чем для теплоносителя А воздуха ρ = 1 кг/м3. Теплообмен внутренней полости элемента 3 зависит от скорости жидкости и становится достаточным для эффективного отвода тепла, полученного коллектором летом.
Годовая выработка полезной тепловой энергии коллектора увеличивается от 2 до 3 раз, так как основная доля солнечного излучения (около 2/3) для регионов Центральной Азии приходит в теплую половину года с апреля по сентябрь. В холодную половину года с октября по март приходит треть годовой суммы солнечного излучения.
Таким образом, годовая выработка полезного тепла увеличивается до 3 раз, при средней энергетической эффективности коллектора около 65%.
