Пристенный гелиоколлектор

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Гродненский государственный аграрный университет(72) Авторы Богданович Петр Францевич Григорьев Дмитрий Алексеевич Заневский Владислав Викторович Пестис Витольд Казимирович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гродненский государственный аграрный университет(57) 1. Пристенный гелиоколлектор, содержащий вертикально установленные и последовательно расположенные в каркасе светопрозрачное ограждение, первую полость нагрева воздуха, поглотитель, слой теплоизоляции с отражающим покрытием, вторую полость нагрева воздуха, образованную слоем теплоизоляции и поглотителем, который со стороны слоя теплоизоляции снабжен вертикальными ребрами жесткости, полость охлаждения 94582013.08.30 воздуха, связанную с первой и второй полостями нагрева через водонагреватель в виде оребренной трубы, защищенный с трех сторон теплоизоляцией, установленный в верхней части гелиоколлектора и незащищенной стороной ориентированный вниз, аккумулятор тепла в виде стены здания, заслонку, штору, установленную перед светопрозрачным ограждением, воздушный фильтр, соединяющий первую полость нагрева воздуха с атмосферой, установленный на одной из боковых стенок каркаса, при этом вторая полость нагрева воздуха в нижней части через отверстия в нижней части поглотителя связана с первой полостью нагрева воздуха, а через отверстия в нижней части слоя теплоизоляции связана с полостью охлаждения воздуха, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фотодатчик, помещенный в нижней части первой полости нагрева воздуха, первый датчик температуры, установленный на водонагревателе, второй датчик температуры,помещенный во второй полости нагрева воздуха, и третий датчик температуры, установленный на отражающее покрытие слоя теплоизоляции в полости охлаждения воздуха,блок управления шторой, механически связанный со шторой, и блок привода заслонки,механически через тягу связанный с заслонкой, которая установлена в нижней части полости охлаждения и имеет два положения, при этом в первом ее положении отверстия в нижней части слоя теплоизоляции, связывающие вторую полость нагрева воздуха и полость охлаждения, будут открыты, во втором положении они будут закрыты. 2. Пристенный гелиоколлектор по п. 1, отличающийся тем, что фотодатчик, первый и второй датчики температуры электрически связаны с блоком управления шторой, а блок привода заслонки электрически связан со вторым и третьим датчиками температуры.(56) 1. Патент России 2193147, МПК 24 2/24, 2/34. 2. А.с. СССР 1663343, МПК 24 2/42, 1991. 3. Патент РБ на полезную модель 3760, МПК 24 2/42, 2007. 4. Патент РБ на полезную модель 5071, МПК 24 2/42, 2008. Полезная модель относится к гелиотехнике и может быть использована для горячего водоснабжения и отопления зданий. Для нагрева воды и отопления зданий используют устройство 1, содержащее каркас,светопрозрачное ограждение, водонагреватель и аккумулятор тепла, обеспечивающее получение горячей воды и нагретого воздуха для отопления. Однако его эксплуатационные возможности ограничены, и оно не обеспечивает эффективное горячее водоснабжение и отопление зданий при всесезонном использовании. Известно устройство 2, содержащее каркас, светопрозрачное ограждение, первую полость нагрева воздуха, поглотитель, водонагреватель, аккумулятор тепла и заслонку,позволяющее обеспечивать горячее водоснабжение и отопление зданий. Недостатком данного устройства является конструктивная сложность, ограниченные функциональные возможности, обусловленные перегревом здания в летнее время, и низкой эффективностью в зимний период. Известно также устройство 3, содержащее каркас, светопрозрачное ограждение, первую полость нагрева воздуха, поглотитель, слой теплоизоляции с отражающим покрытием, полость охлаждения воздуха, связанную с первой полостью нагрева через отверстие в нижней части слоя теплоизоляции и поглотителя, аккумулятор тепла в виде стены здания,водонагреватель в виде оребренной трубы, защищенный с трех сторон теплоизоляцией,установленный в верхней части гелиоколлектора и незащищенной стороной ориентированный вниз, заслонку на три положения, установленную в верхней части слоя теплоизоляции и имеющую три положения, при этом в первом ее положении выход первой полости нагрева по воздуху через водонагреватель связан со входом полости охлаждения,2 94582013.08.30 во втором или третьем положениях заслонки перекрыты, соответственно, выход первой полости нагрева или вход полости охлаждения и штору, установленную перед светопрозрачным ограждением. Устройство является всесезонным и обеспечивает горячее водоснабжение и отопление зданий. Недостатками устройства являются относительно невысокая эффективность использования энергии солнечного излучения и сложность эксплуатации, связанная с необходимостью периодической частичной разборки гелиоколлектора для очистки от пыли внутренней поверхности светопрозрачного ограждения, поглотителя и водонагревателя. В качестве прототипа принято устройство 4, содержащее вертикально установленные и последовательно расположенные в каркасе светопрозрачное ограждение, первую полость нагрева воздуха, поглотитель, слой теплоизоляции с отражающим покрытием,вторую полость нагрева воздуха, образованную слоем теплоизоляции и поглотителем, который со стороны слоя теплоизоляции снабжен вертикальными ребрами жесткости, полость охлаждения воздуха, связанную с первой и второй полостями нагрева через водонагреватель в виде оребренной трубы, защищенный с трех сторон теплоизоляцией,установленный в верхней части гелиоколлектора и незащищенной стороной ориентированный вниз, аккумулятор тепла в виде стены здания, заслонку, штору, установленную перед светопрозрачным ограждением, воздушный фильтр, соединяющий первую полость нагрева воздуха с атмосферой, установленный на одной из боковых стенок каркаса, при этом вторая полость нагрева воздуха в нижней части через отверстия в нижней части поглотителя связана с первой полостью нагрева воздуха, а через отверстия в нижней части слоя теплоизоляции связана с полостью охлаждения воздуха. Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности автоматизации управления его работой и связанные с этим сложность эксплуатации и невысокая эффективность использования энергии солнечного излучения. Заявляемая полезная модель направлена на обеспечение возможности автоматизации управления работой гелиоколлектора, улучшение его эксплуатационных свойств и повышение эффективности использования энергии солнечного излучения. Сущность полезной модели заключается в следующем. Пристенный гелиоколлектор содержит вертикально установленные и последовательно расположенные в каркасе светопрозрачное ограждение, первую полость нагрева воздуха, поглотитель, слой теплоизоляции с отражающим покрытием, вторую полость нагрева воздуха, образованную слоем теплоизоляции и поглотителем, который со стороны слоя теплоизоляции снабжен вертикальными ребрами жесткости, полость охлаждения воздуха, связанную с первой и второй полостями нагрева через водонагреватель в виде оребренной трубы, защищенный с трех сторон теплоизоляцией, установленный в верхней части гелиоколлектора и незащищенной стороной ориентированный вниз, аккумулятор тепла в виде стены здания, заслонку,штору, установленную перед светопрозрачным ограждением, воздушный фильтр, соединяющий первую полость нагрева воздуха с атмосферой, установленный на одной из боковых стенок каркаса, при этом вторая полость нагрева воздуха через отверстия в нижней части поглотителя связана с первой полостью нагрева воздуха а через отверстия в нижней части слоя теплоизоляции связана с полостью охлаждения воздуха, фотодатчик, помещенный в нижней части первой полости нагрева воздуха, первый датчик температуры, установленный на водонагревателе, второй датчик температуры, помещенный во второй полости нагрева воздуха, и третий датчик температуры, установленный на отражающее покрытие слоя теплоизоляции в полости охлаждения воздуха, блок управления шторой,механически связанный со шторой, и блок привода заслонки, через тягу механически связанный с заслонкой, которая установлена в нижней части полости охлаждения и имеет два положения. В первом положении заслонки отверстия в нижней части слоя теплоизоляции,связывающие вторую полость нагрева воздуха и полость охлаждения, будут открыты, во втором положении они будут закрыты. Фотодатчик, первый и второй датчики температу 3 94582013.08.30 ры электрически связаны с блоком управления шторой, а блок привода заслонки электрически связан со вторым и третьим датчиками температуры. Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой приведена схема устройства гелиоколлектора в вертикальном поперечном сечении. Пристенный гелиоколлектор содержит (фигура) примыкающий к стене здания каркас 1, светопрозрачное ограждение 2, первую полость 3 нагрева воздуха, поглотитель 4 с вертикальными ребрами, вторую полость 5 нагрева воздуха, образованную слоем 6 теплоизоляции с отражающим покрытием и поглотителем 4, аккумулятор 8 тепла в виде стены здания, водонагреватель 9, выполненный в виде оребренной трубы и защищенный с трех сторон от теплопотерь теплоизоляцией 10, заслонку 11, установленную в нижней части полости 7 охлаждения воздуха и имеющую два положения. В первом положении заслонки(на фигуре правое положение) отверстия 12 в нижней части слоя теплоизоляции, связывающие вторую полость нагрева воздуха и полость охлаждения, будут открыты, во втором положении (на фигуре левое положение) они будут закрыты. Гелиоколлектор содержит также штору 13, блок 14 управления шторой, выполненный в виде электромеханического устройства и кинематически связанный с механизмом подъема и опускания шторы, блок 15 привода заслонки, через тягу 16 механически связанный с заслонкой 11, фильтр 17,обеспечивающий защиту внутренних элементов коллектора от попадания пыли, первый 18, второй 19 и третий 20 датчики температуры, выполненные в виде термисторов, фотодатчик 21, выполненный в виде кремниевого фотоэлемента. Поглотитель 4 снабжен ребрами жесткости и может быть выполнен, например, путем штамповки. Ребра жесткости ориентированы вертикально и вершинами примыкают к слою теплоизоляции 6, делят полость 5 на вертикальные каналы. Отверстия в слое теплоизоляции и в поглотителе имеют продолговатую форму, ориентированы вдоль нижней стенки каркаса 1 и имеют площадь проходного сечения, достаточную для перетекания воздуха из полости 7 охлаждения в полости 5 и 3 нагрева воздуха. Блок 14 управления шторой может быть выполнен в виде электродвигателя постоянного тока, питаемого от электронной схемы, собранной на основе, например, микроконтроллера и других элементов электроники. Фотодатчик 21, первый 18 и второй 19 датчики температуры электрически связаны с электронной схемой, входящей в состав блока 14 (на фигуре эти связи не показаны). Блок 15 привода заслонки также может быть выполнен в виде электродвигателя постоянного тока или электромагнитного механизма, питаемого от электронной схемы, связанной электрически со вторым 19 и третьим 20 датчиками температуры (на фигуре эти связи не отображены). Блок 14 и блок 15 электрическое питание могут получать, например, от сети. Пристенный гелиоколлектор работает следующим образом. В рабочем состоянии, когда на блоки управления шторой 14 и привода заслонки 15 подано электрическое питание, на выходах первого 18, второго 19 и третьего 20 датчиков температуры формируются, соответственно, напряжения 1, 2, 3, несущие информацию о температуре 1 водонагревателя 9, температуре 2 воздуха во второй полости 5 нагрева воздуха и о температуре 3 в полости 7 охлаждения воздуха. Фотодатчик 21 формирует напряжение Ф, пропорциональное падающему на него световому потоку Ф. В электронной схеме блока 14 управления шторой может обеспечиваться реализация следующих трех режимов, определяющих положение шторы 1) ФФ 0 и 110, и 12 - штора открыта 2) ФФ 0 и 110 - штора закрыта 3) ФФ 0 и 12, и 110 - промежуточное положение. В электронной схеме блока 15 привода заслонки могут быть реализованы два состояния, определяющих положение заслонки 4 94582013.08.30 1) 230 или 330 - заслонка закрыта 2) 330 и 32 - заслонка открыта. В приведенных соотношениях Ф 0, 10, 30, - пороговые напряжения, соответствующие задаваемым уровням освещенности Ф 0, температурам Т 10, 30, выбранным в качестве пороговых. Для примера 10 соответствует температуре 1070 С 30 соответствует температуре 3022 С. Напряжения Ф 0, 10, 30 в электронных схемах могут быть заданы с помощью потенциометров. В режиме отопления и горячего водоснабжения штора 14 открыта, а заслонка 11 находится в первом (открытом) положении (состояние 1.2). Солнечное излучение, проникая через светопрозрачное ограждение 2, воспринимается темной поверхностью поглотителя 4,который нагревается. Воздух, находящийся в полостях 3 и 5 нагрева, контактируя с нагретым поглотителем 4, нагревается и поднимается вверх к водонагревателю 9. Контактируя с водонагревателем, нагретый воздух охлаждается, отдавая тепло водонагревателю, и поступает в полость 7 охлаждения воздуха, где опускается вниз и дополнительно охлаждается, отдавая тепло аккумулятору 8 тепла, роль которого выполняет стена здания. Из полости 7 охлажденный воздух через отверстия 12 снова поступает в полости 3 и 5 нагрева, где нагревается, и процесс переноса тепла от поглотителя 4 к водонагревателю 9 и к стене 8 здания повторяется. Направления циркуляции нагретого воздуха 22 и охлажденного воздуха 23 в полостях 3, 5 и 7 указаны стрелками на фигуре. Нагретый в водонагревателе 9 жидкий теплоноситель может использоваться в системе горячего водоснабжения и для отопления комнат здания, не связанных со стеной 8, аккумулирующей тепловую энергию, а также для зарядки теплового аккумулятора большой емкости. При избыточном поступлении тепловой энергии в полость 7 (330,) заслонка 11 будет закрыта, что предохраняет перегрев стены здания. Снижение теплопроизводительности гелиоколлектора по нагреву жидкого теплоносителя произойдет при условии 110 (штора закрыта) или 110 (промежуточное положение шторы). При полном закрытии шторы 13 теплопроизводительность гелиоколлектора будет минимальной. При отсутствии солнечного излучения (ФФ 0) (ночные часы) штора будет закрыта,и при 230 для предотвращения теплопотерь за счет обратного конвективного процесса заслонка 11 будет закрыта. В случае, когда потребность в отоплении отсутствует (летнее время) и заслонка 11 находится в закрытом состоянии, циркуляция нагретого воздуха будет происходить в полостях 3, 5 и водонагревателе 9, в процессе которой будет обеспечиваться перенос тепла от поглотителя 4 к водонагревателю 9. Более холодный воздух 23 будет опускаться вниз возле светопрозрачного ограждения 2. Регулирование производительности гелиоколлектора по нагреву жидкого теплоносителя в водонагревателе 9 будет осуществляться согласно условию ФФ 0, и 21, и 110. Штора 13 будет находиться в промежуточном положении. Выравнивание давления воздуха внутри гелиоколлектора осуществляется за счет связи с атмосферой через фильтр 17. При этом поступающий через фильтр в коллектор атмосферный воздух очищается от пыли, что исключает необходимость периодической разборки гелиоколлектора для очистки внутренней поверхности прозрачного ограждения 2 и других поверхностей от пыли. За счет этого упрощается эксплуатация гелиоколлектора. За счет наличия второй полости 5 нагрева воздуха снижаются потери тепла через прозрачное ограждение 2 и эффективность использования энергии солнечного излучения повышается. Кроме того, полость 5 обеспечивает снижение потерь тепла в направлении от стены 8 здания к ограждению 2 в ночные часы, когда коллектор играет роль теплозащитного устройства. Предлагаемый пристенный гелиоколлектор является многофункциональным устройством, не требует реконструкции существующих зданий, пригоден для использования в 5 94582013.08.30 строящихся зданиях и может иметь большую площадь. Введение новых элементов - фотодатчика, первого, второго и третьего датчиков температуры, блока управления шторой,механически связанного со шторой и блоком привода заслонки, установленной в нижней части полости охлаждения, обеспечивает возможность автоматизации управления работой гелиоколлектора, упрощается процесс его эксплуатации и повышается эффективность использования энергии солнечного излучения при применении для отопления и горячего водоснабжения различных зданий. При покрытии свободных от дверных и оконных проемов участков стен здания, ориентированных на юг, запад и восток, его теплопроизводительность будет высокой и в периоды с низким уровнем солнечной радиации. При отсутствии солнечной радиации и в зимнее время гелиоколлектор будет выполнять роль эффективного теплоизолирующего слоя для стен здания. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6