Изобретение относится к теплотехнике и области гелиотехники, а именно, системы теплоснабжения зданий за счет прямой и рассеянной солнечной радиации тепловыми и гибридными солнечными строительными воздушными коллекторами с возможностью до 100% обеспечения бытовых и технологических нужд.

Системы 100% отопления на основе возобновляемых источников (ВЭИ) существуют давно, например, как гибрид двух технологий: гелиотермального поля коллекторов для регенерации почвы в летнее время и для ГВС в межотопительный сезон и геотермального отопления, использующий необходимый (расчетный) поток жидкости по трубам на глубине более 2-х метров с постоянной температурой 5°-8°С для теплонасоса, покрывающий теплозатраты здания в отопительный сезон. Геотермальное отопление, кроме того, ограничено характеристикой почвы и геологическими параметрами местности и редко возможна в плотной застройке города. Еще одна технологии 100% отопления - технология теплонасоса «воздух-вода», однако масштабируемость ее не приветствуется, ввиду многократного превышения нагрузки на электросеть в зимний период и больших эксплуатационных затратах. По-существу технология теплонасоса - это эффективный способ электрического отопления.

Многочисленные примеры и последние достижения по гелиоотоплению с использованием теплонасосов и развитию PVT- коллекторов, даны в [1,2].

Наиболее близким аналогом нашей технологии явлется одна из воздушных гелиоустановок SolarWall 2-Stage канадской компании Conserval - одного из лидеров мирового рынка в секторе солнечного воздушного отопления [3]. В двухступенчатой воздушной гелиоустановке на первой стадии происходит нагрев наружного воздуха при прохождении через перфорированный абсорбер воздушного коллектора без остекления (без покрытия). На второй стадии предварительно нагретый воздух проходит через перфорированный абсорбер коллектора с поликарбонатным остеклением и дополнительно подогревается. Такой вариант больше подходит для солнечных систем воздушного отопления помещений, т.к. позволяет нагреть наружный воздух на 20°-50°С, причем в пасмурную погоду температура повышается на 20°С. Солнечный КПД двухступенчатого SolarWall достигает 80%. Даже в пасмурные дни, система обеспечивает значительную экономию энергии. Конструкция «солнечной стены» позволяет также снизить тепловые потери через наружное ограждение здания i осенне-зимний период, а в летний период снизить затраты на систему кондиционирования, т.к. защищает стену от воздействия прямых солнечных лучей (воздух, проходящий через фальш-стену и затем выбрасываемый наружу, предотвращает перегрев стены здания). Производительность составляет 500 - 700 Вт/м ² тепловой энергии, а расход воздуха составляет 50-100 м ³ /ч на 1 м ² коллектора. Система солнечного воздушного отопления может обеспечивать до 50% потребностям здания в тепловой энергии. Имеются примеры отопления воздушной гелиоустановкой SolarWall-2 за полярным кругом. Однако использование атмосферного воздуха и непокрытых коллекторов ставит под сомнение возможности технологии для 100% отопления.

Наша технология, основанная на вариантах способа теплообеспечения в данной заявке, работает так же, как гибридная гелио/геотермальная система в летнее время и так же продолжает выдавать требуемый (расчетный) поток, но воздушного теплоносителя для теплонасоса в зимнее время, только с повышенной температурой - минимум 15°-25°С, т.е. с большей эффективностью работы теплонасосов (COP=4-8). Отличие только в стоимости систем отопления и здесь гибридное 100%

«би» отопление намного дороже предлагаемого 100% солнечного «моно» отопления.

Для краткости, варианты способа и ее реализации предлагаемого теплообеспечения будем обозначать как 100%+ СЕ, где «100%» - это 100% теплообеспечение, «+» - дополнительная электрогенерация, а «СЕ» - солнечная энергия.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа и его вариантов использования рассеянной солнечной энергии для покрытия недостающей тепловой энергии в зимний период для отопления здания, из расчета на самый трудный декабрь месяц.

Техническим результатом предлагаемых вариантов способа и его реализации - является возможность 100% солнечного отопления и круглогодичного покрытия всех энергетических нужд или «100%+ СЕ» здания при удельной теплозащищенности в 75-100квт.ч/м ² год (в условиях севера и юга Украины). Одновременно, «моно» технология 100%+ СЕ здания наименее затратна с «почти» нулевыми эксплуатационными расходами.

Для решения технической задачи - 100% теплообеспечения зданий, предлагается создание гелиопокрытие всей поверхности кровли из воздушных строительных непокрытых и/или покрытых PVT-панелей («южная» часть) и покрытых Т-панелей (остальная или Т-часть), вписанных возможно и в конструктив здания - как прямого генератора тепло и электроэнергии (PV-энергии), так и источника низкотемпературного теплоносителя в технологии «холодо/тепло насоса» компрессионного или сорбционных типов в зимний период. Таким образом, предлагается использовать поверхности «несолнечных» сторон здания для сбора необходимого объема солнечной тепловой (рассеянной) энергии.

Изобретение предлагает использовать только солнечную энергию, а именно: рассеянную солнечную радиацию в течении всего дня в зимнее время и, дополнительно, генерировать электрическую и тепловую энергию в солнечные часы, путем использования всей поверхности крыши при различных соотношениях PVT- и Т-частей, при необходимости, и фасадов. Рассеянная солнечная радиация, например для Киева, достигает до 75% средней дневной радиации декабря и составляет 0.7-1.0 квт.ч./м ² на оптимальный наклон поверхности в 60°-90°. Для центральной и южной Европы поток суммарной радиации декабря несравнимо выше (среднесуточная дневная радиация декабря в Центральной Европе в два раза выше, чем в г.Киев) и большим числом солнечных дней и долей рассеянной радиации не менее 50-60%, доля рассеянной радиации декабря выше для северных стран и доходит до 95%. Отбор тепловой энергии рассеянной радиации в пасмурные дни и зимний период, производится масштабным гелиопокрытием из PVT- и Т- коллекторов с необходимым расходом (50м ³ -150м ³ /час с 1м ² поверхности коллектора) низкотемпературного воздуха в дневное время и температурой не ниже 10°-25 ^с С для теплонасоса(ов) «воздух-вода» с СОР=3-8 в этом случае. В зимнее ночное время теплонасос(ы) «воздух-вода» отключаются и доставляется горячая вода 40°-50°С прямо из теплоаккумуляторов ил1 могут включаться теплонасосы «вода-вода» преобразующие остаточную низкотемпературную воду теплоаккумуляторов в горячую до 60°С. Отбор тепловой энергии производится обоими типами коллекторов, а PVT-коллекторы дополнительно производят PV-энергию в солнечные часы, в основном, в летнее время для работы теплонасосов и продажи в сеть, при этом возможно и использование электроаккумуляторов для хранения.

Покрытие всей поверхности скатной или прямой кровли здания возможно только созданными нам1 строительными покрытыми и непокрытыми PVT- и Т-панелями (выдерживающие давление до 5 Мпа, [4]), ввиду автоматического обеспечения технологического доступа к любой точке гелиопокрытия, с возможностью механического перемещения грузов по прямой кровле и обеспечивает экономию эксплуатационных расходов при очистке и ремонте поверхности гелиопокрытия. Эффективность их близка к промышленным образцам [1,2]: для покрытых [5] и не покрытых PVT-панелей 45-60%, а Т-панелей 65-72%. Экономическая целесообразность такого масштабного гелиопокрытия PVT- и Т-панелями обеспечивается их дешевизной и техническими характеристиками.

Пояснения к фигурам.

На Фиг.1 дана констукция называемая ячейкой, как составляющей покрытия «южной» части (PVT части) гелиопокрытия. Ячейка состоит из двух PVT-панелей вида 1, и Т-панели вида 2 с входящим и выходящим отверстиями 3 на тыльных сторонах, соединяемые стыковочными отверстиями 4. Количество последовательно соединенных панелей ограничено энергозатратами вентилятора на перенос потока воздуха в 50-150 м. куб/час из ячейки в систему воздуховода PVT части с температурой до 40 ^° С на второй панели 1. Для иного случая ограничений на энергозатраты вентилятора, количество панелей предварительного нагрева 1 и выводящих воздушный поток панелей 2 в ячейке может быть иным. При необходимости использования всей «южной» части под генерацию электроэнергии, ячейки могут быть составлены только из панелей вида 1 с коррекцией скорости потока под температурный режим не более 40град.С на третьей панели вида 1.

На Фиг. 2 показана конструкция гелиопокрытия и схема воздухопроводной «южной» PVT части состоящей их PVT- и Т-панелей. На фигуре визуализирован один ряд по высоте кровли, состоящий и: двух ячеек параллельно подключенных к входному (охлажденному) воздуховоду 5 и выходному воздуховоду 6 через патрубок с вентилятором 10. В зависимости от высоты кровли возможен набор 3-х и более параллельно подключенных ячеек в одном ряду. 11- обозначен выходящий поток горячей воды идущий в сеть теплоснабжения и ГВС здания, а так же к теплоаккумуляторам, 12 - обратный входящий поток воды.

Фиг.З показывает конструкцию «северной» стороны Т-части, состоящей только из панелей 2 в каждом ряду. В разрезе по центру показано, как с помощью трехходовых автоматических клапанов 13 организовать параллельное или последовательное соединение двух частей «северной» стороны Фиг.4 показывает вариант конструкцию «южной» стороны Т-части, где каждый ряд состоит из двух параллельно соединенных ячеек, причем ко второй ячейке добавлена еще одна Т-панель 2. По краям все цельные ряды обрамлены нестандартными панелями 2.

Фиг.5 показывает конструкцию «восточной» или «западной» стороны Т-части состоящей только из панелей вида 2 в каждом ряду. «Восточная» и «западные» стороны так же с помощью трехходовьо автоматических клапанов могут перекоммутировать воздуховоды 5 и 6 для параллельной или последовательной организации замкнутого воздухопотока в Т-части гелиопокрытия.

Технически - 100%+ солнечное отопление, создается совместно с гелиопокрытием в подкрышном утепленном пространстве (чердаке), где температура не отличается от температуры жилых помещений и рекуперация воздуха происходит здесь же (если здание вентилируемо), т.е. выходящий поток воздуха заходит в чердачное пространство как буферную зону. Части гелиопокрытия с PVT-и Т-панелями на южной стороне кровли с температурой управляемого воздушного потока до50°С (PVT-часть) и Т-панелями на остальной части кровли с температурой потока до 75°С и выше (Т-часть) и своим дополнительным теплообменником(ами), аэродинамически разделены и составляют замкнутые контуры, они могут встречаться или нет на теплообменнике теплонасоса(ов) «воздух-вода». Энергозатраты принудительного теплоотбора с гелиопокрытия и даже затраты на аэродинамическое сопровождение в системе трубопроводов, полностью покрываются прибавочной эффективностью при работе PVT-панелей в среде с создаваемой рабочей температурой 15-40°С. После окончательного отбора тепла из выходного потока до температуры 20-25°С, возможно дальнейшее понижение температуры в PVT- и Т-контурэх для еще большего повышения эффективности и электрической и тепловых частей PVT-части и Т- части гелиопокрытия и подачи части входного потока для охлаждения здания при наличии вентиляции. Понятно, что под «южной» частью (PVT-частью) мы понимаем часть гелиопокрытия или фасадов воспринимающих прямое солнечное излучение, в частности, прямая кровля вся может считаться южной частью, а остальной частью (Т-частью) может выступать часть фасада, причем она может захватывать и прямое солнечное излучение. В решении «100%+ СЕ здание» за PVT-часть принимается только солнечная «южная» часть покрытия кровли, т.к. этого достаточно для электрогенерации с полным покрытием энергозатрат летнего периода и авансовой генерации в сеть будущих энергозатрат зимнего периода. Оставшиеся «несолнечные» поверхности кровли и весь фасад здания могут быть использованы для сбора рассеянного излучения Т-панелями.

Основное свойство такого способа системы воздушного гелиоотопления в том, что имеется возможность отключать контур Т-части в летнее время (замкнутый контур делается открытым), если нет дополнительных пользователей тепла и отключать PVT-контур в экстремальное зимнее время (точнее - замкнутый контур обходит теплонасос) и понижать скорость потока в независимых контурах, т.к. при больших отрицательных температурах PVT-покрытие, если является системой непокрытых коллекторов, будет охлаждать общий воздушный поток для теплонасоса(ов), т.к. в некоторых случаях использование покрытых PVT-коллекторов нежелательно. В обоих случаях масштабность гелиопокрытия позволяет быстро накапливается необходимое количество буферной теплоэнергии в резервных тепло-аккумуляторах (ТА) для пасмурных дней и двухнедельный резерв для критических дней зимних месяцев используя при этом и редкие солнечные дни. Объем воздушного теплового потока и его температура регулируется скоростью теплоносителя-воздуха и соотношением покрытия PVT- и Т-коллекторов (как правило 1:2), причем при необходимости, може быть использован и фасад здания и, в этом случае, соотношение PVT- и Т-частей может быть 1:3, 1:4 и более, в зависимости от тепловой нагрузки здания в декабре этой зоны, а в южной климатическо зоне 1:0, если теплового излучения достаточно только с PVT части. На конкретном здании соотношение будет дробными, например, 1:2,4 или 1:3,6. Еще больший эффект может иметь место, если воздухопроводная система для Т-части состоит из групп коллекторов, которые автоматически могут перекоммутироваться в последовательное или параллельное соединение в составе своей части как показано на Фиг.З и, где «восточная» и «западные» стороны так же с помощью трехходовых автоматических клапанов могут перекоммутировать воздуховоды 5 и 6 на параллельную или последовательную организацию замкнутого воздухопотока в Т-части гелиопокрытия. Таким образом Т-часть, при последовательном соединении ее составляющих, создает возможность многоступенчатой системы предварительного нагрева в неблагоприятное зимнее время используя только рассеянную радиацию.

Здесь же, на гелиопокрытии установлены пиранометр(ы), а в подчердачном помещении находятся датчики температур и давлений расположенных как в панелях так и в воздуховодах; бойлер(ы), тепло/холодо насос(ы) и весь воздухопривод с автоматической запорной и регулирующими элементами; теплоаккумуляторы (ТА) в необходимом количестве и объеме, которые ввиду большого веса, могут находиться в подвальном помещении или в ином защищенном месте. В автоматику «умного дома» заложен двухнедельный прогноз погоды. Между бойлером и теплоаккумуляторами устанавливается дополнительный(е) теплонасос(ы) «вода-вода» небольшой мощности, с возможностью переключения на любой ТА для преобразования остаточной низкотемпературной воды 15°-25°С в среднетемпературную - 40°-50°С и работающие не в пиковые часы на создание резерва в ТА.

В южных зонах возможно использовать только теплообменники «воздух-вода», а тепло-насос использовать как резерв.

Температура подачи охлажденного воздуха для коллекторов и PVT- и Т-частей гелиопокрытия независима и регулируются режимами своего теплонасоса «воздух-вода» или канального вентилятора 9, Фиг.2, т.к. температурные требования охлажденных потоков PVT- и Т-частей могут быть разные по временам года и даже в течении дня, например: при отсутствии выработки электроэнергии (достаточной прямой солнечной радиации) логичнее повышать эффективность выработки тепла путем охлаждения воздуха при подаче в Т часть, собирающую рассеянную радиацию.

Как отмечалось выше, одним из технических результатов изобретения является существенное повышение эффективности получения солнечной тепловой энергии на 1 м ² кровли, за счет использования не только «южной» части кровли, но и тех частей куда не падает прямое солнечное излучение. Объяснение этому простое: если общая площадь гелиопокрытия в относительных единицах равна 3 (расчет для соотношения PVT- и Т-частей как 1:2), где 2 части составляет покрытие для сбора рассеянной солнечной энергии, которая в зимнее время составляет более 50% суммарной радиации. Таким образом, общая поверхность для сбора тепловой энергии в относительных единицах равна двум (1+2-0.5), а для PV-энергии электроэнергии - единице, а с учетом отношения 3:1 между получаемой тепловой и электроэнергией с 1 м ² поверхности освящаемой прямым излучением, будем иметь отношение 6:1 мощностей тепловой и электрической энергий, а с суммарной мощностью солнечного излучения 7:1. При расчете выработки за год эта разница существенно возрастает (не менее 10:1) т.к. при отсутствии солнца PV модули не работают, а Т- коллекторы работают в дневное время, даже при мощности излучения 100 Вт/м ² .

Наконец, просто подсчитать имея многолетние данные солнечного суммарного и рассеянного излучения декабря в любой географической точке (например, данные НАСА), что путем простого увеличения поверхности сбора рассеянного излучения можно получать необходимую тепловую энергию для различных климатических зон в решении «100%+ СЕ здание», а это выбор соотношениг PVT- и Т-частей гелиопокрытия конкретного здания.

Система отопления 100%+ СЕ позволяет регулировать температурой входящего в панели воздушное охлажденного потока в разные временные и погодные условия для максимизации экономической эффективности, например, если при повышении или понижении температуры фотоэлементов от точки 25°С происходит потеря или добавка мощности согласно коэффиценту тепловых потерь ±0.5% (TecrSTC), то предлагаемые варианты технологии, будучи замкнутыми системами, отбирая остаточное (после теплообменника) тепло теплонасосом(и) «воздух-вода», позволяют одновременно понижать до 10°-15°С температуру входящего потока без особых затрат, т.е. гарантированно повышать установленную мощность СЭС. Такое повышение имеет место и для тепловой мощности т.е. тепловой эффективности PVT- и Т-коллекторов, однако установленных численных характеристик, в отличие от фотоэлементов, для них нет.

Затраты на создание воздухопотока ограничиваются потерей давления в воздуховодах и коллекторах и учетом объема потока воздуха 50-150 м ³ /ч в области оптимальной эффективности коллекторов, тогда, при больших поверхностях крыши, создается модульная конструкция кровли т.е. вся поверхность (все подчердачное пространство) делится на несколько независимых воздухообменных систем, включающих в себя обе PVT- и Т-части, с приемлемыми энергозатрата на потери давления в воздуховодах и коллекторах. Под модулем понимается гелиопокрытие с подчердачным объемом (воздухопривод с запорной и регулирующей автоматикой, вентиляторы, теплообменники и теплонасосы «воздух-вода» с или без баков-акумуляторов и теплонасоса(ов) «вода-вода»), где все четыре поверхности покрытия показаны на Фиг.3-5, причем угол наклона поверхностей с Т-панелями составляет оптимальные 60°-90° к линии горизонта для сбора энергии рассеянной солнечной радиации, а «южная» PVT-часть на угол близкий к географической широте расположения здания для сбора энергии прямой солнечной радиации, некритичны и 60°-90°. Изложенные выше способы 100%+ СЕ теплообеспечения зданий могут распространены на создание солнечных тепло-электрических станций (ТЭС) больших мощностей по модульному принципу конструкции, на базе строительных воздушных PVT- и Т-панелей-теплообменников для центральных сетей теплоснабжения с низкотемпературными теплосетями 4-го и 5-го поколения. Модульность конструкции ТЭС понимается как серия модулей-крыш, генераторов теплового потока, которые установлены прямо на землю с хорошо утепленным полом, совместно с баками-аккумуляторами необходимого количества и теплонасосом(и), имея при этом только общим для всех модулей горячий/холодный водопровод с теплосетью 5-го поколения и общую электрическую сеть.

Выше приведены только предпочтительные варианты осуществления настоящего патента, следует отметить, что специалисты в данной области техники, без отступления от принципов и сущности изобретения настоящего патента, могут делать различные модификации и замены, эти модификации и замены следует рассматривать как область защиты этого патента.

Указание конкретных численных величин в тексте преследует цель пояснение изложения и фигур, могут быть иными при других условиях и никак не ограничивает формулу изобретения.

Фиг.1-5

Литература

1. Zondag, Н. A. Flat-plate PV-Thermal collectors and systems : a review. - Renewable and Sustainable Reviews, 2008, 12(4), p.891-959.

2. Colangelo G., Favale E., Miglietta P., Risi A. Innovation in flat solar thermal collectors: Are view of the last ten years experimental results. -Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 57, p.1141-1159.

3. https://www.solarwall.com

4. Патент UA 116607 C2 (WO 2018/236330)

5. Заявка на патент UA/A201911861 «Pokrptϊ будшельж РУТ-панел! з пщвищеними характеристиками мщносп».