Геліоустановка гарячого водопостачання

1 Геліоустановка гарячого водопостачання, що містить сонячну батарею, яка включає, щонайменше, два сонячних теплових колектори, сполучені між собою патрубком, бак-акумулятор, трубопровід подачі води з бака-акумулятора в сонячну батарею, трубопровід відведення води з сонячної батареї в бак-акумулятор, трубопровід подачі холодної води в бак-акумулятор, трубопровід відведення гарячої води з бака-акумулятора до споживача, причому трубопровід подачі холодної води в бак-акумулятор і трубопровід подачі води в сонячну батарею з бака-акумулятора приєднані до донної частини бака-акумулятора, а трубопровід відведення води з сонячної батареї в бак-акумулятор і трубопровід відведення гарячої води з бакаакумулятора до споживача сполучені з верхньою частиною бака-акумулятора, який відрізняється тим, що сонячні колектори забезпечені індивідуальними трубопроводами відбирання з них гарячої води і індивідуальними датчиками температури, трубопровід подачі води з бака-акумулятора в сонячну батарею оснащений водяним насосом, а бак-акумулятор містить два теплообмінники різного об'єму більшого - для води, що призначена для опалювання, меншого - для води, що годиться на побутові потреби 2 Геліоустановка гарячого водопостачання за п 1, яка відрізняється тим, що сонячні колектори установлені з можливістю їх повороту відносно осі і горизонту 3 Геліоустановка гарячого водопостачання за п 1, яка відрізняється тим, що сонячні колектори розташовані під кутом нахилу до горизонту, рівним 30-40°С влітку і 60-70°С взимку для середніх широт північної півкулі Землі 4 Геліоустановка гарячого водопостачання за п 1, яка відрізняється тим, що сонячні колектори можуть бути виконані будь-якої геометричної форми 5 Геліоустановка гарячого водопостачання за п 1, яка відрізняється тим, що бак-акумулятор і трубопроводи відведення гарячої води з сонячних колекторів до нього покриті шаром теплоізоляції 6 Геліоустановка гарячого водопостачання за п 1, яка відрізняється тим, що на МІСЦІ перехрещення трубопроводів відбирання гарячої води з колекторів і патрубків, що їх з'єднують, розташовані запірні пристрої 7 Сонячний тепловий колектор, що містить верхню прозору панель, теплоізоляційний шар, теплопоглинальну панель, виконану у вигляді набору паралельних металевих труб для рідинного теплоносія, з'єднаних з нижньою поверхнею металевого променепоглинального листа, який відрізняється тим, що він додатково містить опорнутеплоізолюючу панель, розташовану під теплоізоляційним шаром, а металеві паралельні трубки теплопоглинальної панелі впресовані в металевий лист, причому опорна теплоізолююча панель, теплоізоляційний шар, теплопоглинальна і прозора панелі герметично з'єднані між собою в конструкцію коробчатої структури, а знизу і зверху цієї конструкції по периметру установлені металеві або пластикові профілі 8 Сонячний тепловий колектор за п 7, який відрізняється тим, що металеві паралельні трубки, що впресовані в металевий лист, розташовані вздовж коротких сторін листа і сполучені між собою трубками, розташованими вздовж довгих сторін листа 9 Сонячний тепловий колектор за п 8, який відрізняється тим, що між панелями сонячного колектора по периметру розміщені гумові прокладки 10 Сонячний тепловий колектор за п 8, який відрізняється тим, що опорна теплоізолююча панель виконана з дерева, фанери, деревостружкової плити, пластикових та інших аналогічних матеріалів 11 Сонячний тепловий колектор за п 8, який відрізняється тим, що шар теплоізоляції виконаний з пшопласта, скляної, мінеральної або базальтової вати чи виробів з неї 12 Сонячний тепловий колектор за п 8, який відрізняється тим, що взимку як теплоносій використовують суміш води і антифризу в співвідношенні 1 1 00 ю 42584 Винахід відноситься до області геліотехніки, зокрема, до сонячних теплових колекторів, і може бути застосований в системах гарячого водопостачання житлових будинків, об'єктів адміністративно-побутового, виробничого і сільськогосподарського призначення Відома геліоустановка, яка містить сонячний колектор, розташований вище за нього бак-акумулятор, прямий трубопровід подачі води із сонячного колектора в бак-акумулятор, зворотний трубопровід відведення води з бака-акумулятора в сонячний колектор, трубопровід подачі холодної води в бак-акумулятор і трубопровід відведення води 3 бака-акумулятора до споживача, причому трубопровід подачі холодної води в бак-акумулятор і зворотний трубопровід відведення води з бакаакумулятора в сонячний колектор приєднані до донної частини бака-акумулятора, прямий трубопровід забезпечений зливним кінцем, трубопровід відведення гарячої води до споживача - відбірним кінцем, при цьому зливний і відбірний КІНЦІ розміщені у верхній частині бака-акумулятора (Богословский В Н и др Внутренние санитарно-технические устройства / Справочник проектировщика 4 1 - М Стройиздат, 1990, - С 176, рис 16 1 (а)) Недоліком даної геліоустановки є значна втрата тепла в атмосферу при транспортуванні і зберіганні теплоносія, оскільки тільки зливний та відбірний КІНЦІ трубопроводів знаходяться в баці-акумуляторі, а самі трубопроводи розташовані зовні і при цьому не мають теплоізоляції Крім цього, втрата тепла відбувається і через стінки бака-акумулятора, бо він теж не має теплоізоляційного покриття Відомий СОНЯЧНИЙ тепловий колектор, що є складовою частиною геліоустановки, описаний в патенті Роси за № 2042088, кп F24J2/20, 1995, який містить корпус, прозору теплоізоляцію і дві пластини, що з'єднані по периметру між собою із зазором і до яких прикріплені проточні труби з рідиною в місцях їх контакту, причому труби розташовані між пластинами вздовж їх довгих сторін, а верхня пластина із зовнішнього боку покрита променепоглинаючим матеріалом Недоліком цього сонячного колектора є невисокий коефіцієнт тепловіддачі від пластини до рідини, що знаходиться в трубах, через те, що труби і пластини контактують між собою тільки по твірних циліндричної поверхні труб, тобто мають відносно малу поверхню контакту Крім того, сонячне випромінювання поглинає тільки верхня пластина, і тому тільки вона буде виконувати функцію елемента нагріву Наявність нижньої пластини малоефективна, бо несе тільки конструктивне навантаження і при цьому збільшує металоємність колектора Найбільш близькою до винаходу, що пропонується, є геліоустановка гарячого водопостачання, що описана в патенті України за № 23837, кл F24J2/00, 1998, яка містить сонячний колектор, бак-акумулятор, трубопровід подачі води з бакаакумулятора в сонячний колектор, трубопровід відведення води з сонячного колектора в бак-акумулятор, трубопровід подачі холодної води в бакакумулятор і трубопровід відведення гарячої води з бака-акумулятора до споживача, причому трубопровід подачі холодної води в бак-акумулятор і трубопровід подачі води в сонячний колектор з ба ка-акумулятора приєднані до донної частини бакаакумулятора, а трубопровід відведення води з сонячного колектора в бак-акумулятор і трубопровід відведення гарячої води з бака-акумулятора до споживача сполучені з верхньою частиною бакаакумулятора, але таким чином, що входять вони в бак-акумулятор через днище і піднімаються усередині бака вертикально вздовж довгих його сторін у верхню частину, де закінчуються зливним і відбірним кінцями Запропоноване часткове розміщення трубопроводу відведення води з сонячного колектора в бак-акумулятор і трубопроводу відведення гарячої води з бака-акумулятора до споживача безпосередньо усередині бака-акумулятора вздовж довгих його сторін не виключає утрати тепла в атмосферу, тому що основна частина трубопроводів знаходиться зовні бака-акумулятора При цьому трубопроводи і бак-акумулятор не мають теплоізоляції на ЗОВНІШНІЙ поверхні, і тому гаряча вода буде втрачати своє тепло при її транспортуванні і зберіганні Отож підвищити ефективність використання сонячної енергії для нагріву води, згідно з даним винаходом, не має можливості Найближчим до винаходу, що пропонується, є сонячний тепловий колектор, описаний в патенті України за № 20662, кл 6 F24J2/24, 1998, що містить верхню прозору панель, теплоізоляційний шар, теплопоглинальну панель, виконану у вигляді набору паралельних металевих труб для рідинного теплоносія, з'єднаних з нижньою поверхнею металевого променепоглинального листа через ребра шляхом їх зварювання, причому поглинальний лист складається з окремих металевих елементівсегментів, які зверху мають селективне покриття Даний колектор, в цілому, має патрубки для з'єднання з іншими колекторами і трубопроводами системи гарячого водопостачання Недоліком даного сонячного колектора є складність конструкції теплопоглинаючої панелі, для якої потрібно виготовити окремі металеві сегменти з'єднати їх разом і прикріпити до нижньої їх поверхні трубну систему за допомогою зварювання Завдяки підвищеній метало- і трудомісткості процесу виготовлення цієї профільованої панелі зростає собівартість сонячного теплового колектора А з'єднання трубної системи з поглинальним листом шляхом їх зварювання через ребра не сприяє підвищенню теплопередачі від металевого листа до води, що знаходиться в трубах Задача винаходу полягає в створенні такої геліоустановки гарячого водопостачання, в якій конструктивне рішення виборчого відбирання гарячої води з колекторів сонячної батареї, оснащення бака-акумулятора двома теплообмінниками різного об'єму, а трубопроводу подачі води з бакаакумулятора в сонячну батарею - водяним насосом, теплоізолювання трубопроводів і бака-акумулятора, а також цілеспрямоване розташування колекторів сонячної батареї на МІСЦІ експлуатації з можливістю установлення плоскості колекторів перпендикулярно сонячному випромінюванню дозволило б підвищити ефективність використання сонячної енергії для нагріву води і зберігання її тепла протягом тривалого часу до моменту и споживання 42584 Ще однією задачею винаходу є створення такої конструкції сонячного теплового колектора, в якій конструктивне рішення збільшення поверхні контакту системи труб для теплоносія і листа шляхом їх з'єднання методом гарячого пресування, доповнення колектора опорною теплоізолюючою панеллю, що прилягає знизу до шару теплоізоляції, і ущільнювачем, розташованим між панелями, створення конструкції коробчатої структури і встановлення зверху і знизу по и периметру металевих чи пластикових профілів, дозволило би підвищити коефіцієнт теплопередачі теплопоглинальної панелі, спростити спосіб її виготовлення, знизити втрати тепла, зменшити метало- і трудомісткість колекторів та підвищити їх механічну МІЦНІСТЬ Перша поставлена задача вирішується тим, що в геліоустановці гарячого водопостачання, до складу якої входять сонячна батарея, яка включає, щонайменше, два сонячних теплових колектори, сполучені між собою патрубком, бак-акумулятор, трубопровід подачі води з бака-акумулятора в сонячну батарею, трубопровід відведення води з сонячної батареї в бак-акумулятор, трубопровід подачі холодної води в бак-акумулятор, трубопровід відведення гарячої води з бака-акумулятора до споживача, причому трубопровід подачі холодної води в бак-акумулятор і трубопровід подачі води в сонячну батарею з бака-акумулятора приєднані до донної частини бака-акумулятора, а трубопровід відведення води з сонячної батареї в бак-акумулятор і трубопровід відведення гарячої води з бака-акумулятора до споживача сполучені з верхньою частиною бака-акумулятора, згідно з винаходом сонячні колектори забезпечені індивідуальними трубопроводами відбирання з них гарячої води і індивідуальними датчиками температури, трубопровід подачі води з бака-акумулятора в сонячну батарею оснащений водяним насосом, а бакакумулятор містить два теплообмінники різного об'єму більший - для води, що призначена для опалювання, менший - для води, що годиться на побутові потреби, при їх співвідношенні 4 1 Сонячні колектори можуть бути виконані будь-якої геометричної форми, а на МІСЦІ перехрещення трубопроводів відбирання гарячої води з колекторів і патрубків, що з'єднують ці колектори, розташовані запірні пристрої Бак-акумулятор і трубопроводи покриті шаром теплоізоляції Причому сонячні колектори можуть бути установлені на МІСЦІ експлуатації з можливістю їх повороту відносно осі і горизонту Влітку кут нахилу колекторів до горизонту складає 30-40°С, а взимку - 60-70 °С для середніх широт північної півкулі Землі Друга поставлена задача вирішується тим, що сонячний тепловий колектор, який включає верхню прозору панель, теплоізоляційний шар теплопоглинальну панель, виконану у вигляді набору паралельних металевих труб для рідинного теплоносія, з'єднаних з нижньою поверхнею металевого променепоглинального листа, згідно з винаходом, додатково містить опорну теплоізолюючу панель, розташовану під теплоізоляційним шаром, а металеві паралельні трубки теплопоглинальної панелі впресовані в металевий лист, причому опорна теплоізолююча панель, теплоізоляційний шар, теплопоглинальна і прозора панелі герметично з'єднані між собою в конструкцію коробчатої структу ри, а знизу і зверху цієї конструкції по периметру установлені металеві або пластикові профілі Причому металеві паралельні трубки, що впресовані в металевий лист, розташовані вздовж коротких сторін листа і сполучені між собою трубками, розташованими вздовж довгих сторін листа Між панелями сонячного колектора по периметру розміщені гумові прокладки Опорна теплоізолююча панель виконана з дерева, фанери, деревостружкової плити, пластикових та інших аналогічних матеріалів, а шар теплоізоляції виконаний з пінопласту, скляної, мінеральної або базальтової вати чи виробів з неї При цьому взимку як теплоносії що знаходиться в трубках теплопоглинаючої панелі, використовують суміш води і антифризу в співвідношенні 1 1 Винахід пояснюється кресленнями, на яких зображено Фіг 1 - схематичне зображення геліоустановки гарячого водопостачання Фіг 2 - схематичне зображення сонячного колектора, вигляд збоку, умовно Фіг 3 - загальний вигляд сонячного колектора Згідно З фіг 1 геліоустановка містить сонячну батарею 1, яка складається з декількох сонячних теплових колекторів 2, бак-акумулятор 3, трубопровід 4 подачі холодної води до бака-акумулятора 3, трубопровід 5 подачі води з бака-акумулятора 3 до сонячної батареї 1, трубопровід 6 відведення води з сонячної батареї 1 до бака-акумулятора 3, трубопроводи 7 і 8 відведення гарячої води з бака-акумулятора до споживача Сонячні колектори з'єднані між собою патрубками 9 Кожний із сонячних колекторів 2 через патрубок 9 сполучений з трубопроводом 10 відбирання гарячої води з колектора На МІСЦІ перехрещення патрубків 9 та трубопроводів 10 розміщені запірні пристрої 11 Трубопровід 5 подачі води з бака-акумулятора 3 до сонячної батареї 1 забезпечений водяним насосом 12 Бак-акумулятор 3 містить два теплообмінники 13 і 14 різного об'єму Теплообмінник 13 більшого об'єму призначений для акумулювання гарячої води, що годиться для опалювання, а теплообмінник 14, який має менший об'єм, - для акумулювання гарячої води, що годиться для побутових потреб Трубопроводи 7 і 8 забезпечені вентилями 15 Кожний сонячний колектор 2 має індивідуальний датчик температури 16 Крім того, геліоустановка має програмний електронний пристрій 17, який забезпечує управління датчиками температури 16, електродвигуном водяного насоса 12 і запірними пристроями 11 Згідно З фіг 2 і 3 сонячний тепловий колектор 2 складається з верхньої прозорої панелі 18, розташованої під нею теплопоглинальної панелі 19, що включає набір паралельних металевих поперечних трубок 20, які впресовані в металевий лист 21 по його нижній поверхні, теплоізоляційного шару 22 і опорної теплоізолюючої панелі 23 Для кращої теплопередачі лист 21 виконаний алюмінієвим, а трубки 20 для рідинного теплоносія - мідними Причому паралельні МІДНІ трубки 20 розташовані вздовж коротких сторін листа 21 і сполучені між собою подовжніми трубками 24, розташованими вздовж довгих сторін листа Одна з подовжніх трубок 24 є розподільною, а друга - збиральною Між панелями по периметру розміщені гумові про 42584 кладки або ущільнення 25 Сонячний колектор 2 виконаний у вигляді конструкції 27 коробчатої структури, знизу і зверху якої установлені металеві або пластмасові профілі 26 Робота геліоустановки гарячого водопостачання описана нижче Через трубопровід 4 подають холодну воду в бак-акумулятор 3 і заповнюють його, а потім, за допомогою водяного насоса 12, по трубопроводу 5 і через патрубки 9 подають воду з бака-акумулятора 3 в сонячні теплові колектори 2 сонячної батареї Після цього водяний насос 12 відключають Сонячні промені, що падають перпендикулярно на плоскість колекторів 2, нагрівають воду, що знаходиться в них, і, коли температура води в якомусь із колекторів досягає заданої величини, що фіксується датчиком температури 16, спрацьовує програмний електронний пристрій 17 Цей пристрій вмикає водяний насос 12 і установлює запірні пристрої 11 таким чином, що нагріта в колекторі вода по трубопроводу 10 відводиться через загальний трубопровід 6 в бакакумулятор 3 Одночасно вода з бака-акумулятора З заповнює водою той колектор з усіх колекторів 2 сонячної батареї 1, з якого була відведена найгарячіша вода Потім насос 12 знову відключається, а запірний пристрій 11 повертається в своє первинне положення, тобто патрубок 9 знову стає робочим, а трубопровід 10 запирається Таким чином, бак-акумулятор 3 поступово заповнюється гарячою водою Спочатку гарячою водою заповнюється теплообмінник 13, що акумулює воду для опалювання приміщень, а потім - теплообмінник 14, який акумулює воду для побутових потреб Щоб задовольнити потреби споживачів гарячої води для опалювання або для побутових потреб використовують вентилі 15, розташовані на трубопроводах 7 і 8 В цьому режимі система працює постійно Причому співвідношення теплообмінників 13 і 14 залежить від об'ємів споживання гарячої води різного призначення і переважно складає 4 1 Наявність теплообмінників 13, 14 в баці-акумуляторі 3, замість безпосереднього заповнення водою цього бака, не тільки сприяє кращому зберіганню нагрітої води і підтриманню її температури довгий час, але і забезпечує підігрів тієї води, що знаходиться в баці і поступає з нього в сонячні теплові колектори 2 Цій же задачі сприяє те, що бакакумулятор 3 і трубопроводи 5, 6, 7, 8, 10 покриті шаром теплоізоляції, наприклад, пінопластом або скляною, мінеральною чи базальтовою ватою і виробами з неї Перевагу складає базальтова вата або вироби з неї, оскільки це недорога і дуже ефективна теплоізоляція, бо виготовляється з дешевої сировини - базальтового каменю і має малий коефіцієнт теплопроводності Циркуляція води в контурі геліоустановки гарячого водопостачання забезпечується, як вже вказувалось, насосом 12, який автоматично вмикається, коли досягається певний рівень сонячної радіації і, отож, задана температура води в колекторі При відсутності сонця насос не працює Для кращого використання сонячної енергії колектори повинні бути установлені своєю плоскістю під прямим кутом до променів сонця 3 цією метою вони забезпечені механізмом повороту їх відносно осі і лінії горизонту, за допомогою якого колектори закріплюються на МІСЦІ експлуатації Кут нахилу колекторів до горизонту складає влітку 3040°С, а взимку - 60-70°С для середніх широт північної півкулі Землі Найбільший економічний ефект досягається розміщенням частини сонячних теплових колекторів на вертикальній СТІНІ будівлі з орієнтацією їх зі сходу на захід, а решти колекторів - на даху під кутом нахилу до горизонту, що відповідає куту схилення сонця в даний період Оскільки поверхня будівель буває дуже різноманітною, сонячні колектори сонячної батареї можуть бути виконані будь-якої геометричної форми, що полегшить їх установку на МІСЦІ експлуатації Запропонована геліоустановка гарячого водопостачання дозволяє ефективно використовувати сонячне випромінювання для перетворення його в теплову енергію води за рахунок виборчої системи відбирання гарячої води із колекторів за допомогою індивідуальних датчиків температури і індивідуальних трубопроводів, а також програмного електронного пристрою, ефективного зберігання акумульованого тепла у вигляді гарячої води, розташованої в баці-акумуляторі, і цілеспрямованого розташування сонячних колекторів на МІСЦІ їх експлуатування по відношенню до сонячного проміння Нижче описана робота сонячного теплового колектора Зі СХОДОМ СОНЦЯ СОНЯЧНІ промені проникають через прозору панель 18 і падають на променепоглинальний алюмінієвий лист 21, який пофарбований чорною матовою фарбою або має селективне покриття Лист 21 теплопоглинальної панелі 19 нагрівається і передає тепло до мідних трубок 20, що впресовані в нього Завдяки способу їх з'єднання методом гарячого пресування поверхня контакту трубок 20 з листом 21 збільшується в порівнянні з методом зварювання, пайки або склеювання, коли з'єднання відбувається по твірній труби Високий коефіцієнт теплопровідності алюмінію та МІДІ І велика поверхня контакту трубок 20 з листом 21 забезпечують ефективну передачу тепла від теплопоглинальної панелі 19 до рідинного теплоносія, тобто води, що знаходиться в трубках 20 і 24 Лист 21 під час його з'єднання з трубками 20 шляхом гарячого пресування їх стає профільованим, що сприяє реалізації додаткового теплообміну в довгохвильовому діапазоні між листом 21 теплопоглинальної панелі 19 і трубками 20 і 24 Під теплопоглинальною панеллю 19 розташований шар теплоізоляції 22, а нижче знаходиться теплоізолююча опорна панель 23, яка додатково захищає трубки з рідинним теплоносієм від утрати тепла і одночасно підвищує механічну МІЦНІСТЬ конструкції колектору Між панелями 18, 19 та між теплоізоляційним шаром 22 і панелями 19 та 23 розташовані по периметру гумові прокладки або ущільнювач 25 Всі панелі і шар теплоізоляції герметично з'єднані між собою механічним шляхом в конструкцію коробчатої структури 27, наприклад, за допомогою болтів Для більшого теплоізолюючого ефекту і жорсткості конструкція зверху і знизу колектора по периметру установлені металеві або пластмасові профілі 26 Опорна теплоізолююча панель 23 може бути виготовлена з дерева, фанери, деревостружкової плити або пластикових матеріалів 42584 Як рідинний теплоносій в колекторах може бути використана взимку суміш води та антифризу в співвідношенні 1 1, бо така суміш не буде замерзати Запропонована конструкція сонячного колектора забезпечує підвищення ефективності тепловіддачі від теплопоглинаючої панелі листотрубної конструкції до рідини, зниження його метало- та трудомісткості, збільшення механічної МІЦНОСТІ і жорсткості конструкції, а також спрощення її виготовлення І і Запропонована конструкція сонячної батареї, яка включає декілька сонячних колекторів, забезпечує, крім вказаного вище, підвищення коефіцієнту корисної дії теплопередачі, розширення технічних можливостей и застосування на місцевості та підвищення зручності ґі експлуатації Таким чином, використання геліоустановки запропонованої конструкції дозволить не тільки підвищити її ККД, тобто підвищити ефективність використання сонячної енергії для нагрівання води і зберігання її температури, але і розширити технічні можливості її застосування на місцевості а Фіг. 1 42584 Фіг. 2 і— Фіг. З ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Киів-133, бульв Лесі Українки, 26 (044)295-81-42, 295-61-97 Підписано до друку Обсяг обл -вид арк 2002 р Формат 60x84 1/8 Тираж 50 прим Зам УкрІНТЕІ, 03680, Киів-39 МСП, вул Горького, 180 (044) 268-25-22