Ґрунтовий теплообмінник

1. Ґрунтовий теплообмінник, що використовує геотермальну енергію ґрунту і має трубопроводи і канали, вмонтовані в несучу конструкцію, який відрізняється тим, що в основному ґрунті (1) горизонтально або під невеликим кутом до горизонтальної площини сформовано шари матеріалів, що пропускають повітря, утворюючи циркуляційний канал (9) теплообмінника, обмежений несучою плитою (14) з виступаючими дистанційними елементами (11), з'єднаними з конструкційною сіткою (8), закріпленою на стабілізуючій сітці (7), причому вся поверхня вкрита ізоляційним шаром (19). 2. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що шар матеріалу, що пропускає повітря, має вигляд гравійної підкладки (4) і/або підкладки з битого каменю (5), заповненої піском (6), причому її довжина більша за довжину несучої плити (14) або її частини. 3. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що у вентиляційний канал (22) вбудовано датчики 2 (19) 1 3 95059 4 8. Теплообмінник за п. 4 або 5, який відрізняється тим, що елемент (13) додатково має форму сектора кола (13.1.1.) між положеннями точок (А та В2), основа (35) якого встановлена в швелерній коробці (15) з розпірно-ущільнювальними елемен тами (15.1), причому швелерна коробка (15) закріплена на дистанційній опорі 36, виконаній, переважно, у формі тавра і/або іншої несучої конструкції, а в опорній точці (А1) елемент (13) має замкнуті канали (27) і/або відкриті канали (28). Винахід стосується ґрунтових теплообмінників, що використовують геотермальну енергію ґрунту і які розміщуються в ґрунті на певній глибині. Запропонований теплообмінник може становити частину вентиляційної системи житлових або промислових об'єктів, у якій колектор направляє повітря у вентиляційну установку даного будівельного об'єкта. Відомо охолоджувально-нагрівний пристрій (патент Польщі № 119749), що використовує теплову енергію ґрунту для охолодження або нагрівання повітря. Суть відомого пристрою полягає в тому, що в ґрунті виконані вертикальні впускні отвори для повітря, переважно у вигляді колодязів. Нижня частина колодязів з'єднана зі збірною камерою через виконані в ґрунті канали або шар ґрунту з малим опором потоку повітря або з високим коефіцієнтом теплопровідності. Колектор такого теплообмінника утворений каналами із круговим поперечним перерізом, розміщеними в товщі ґрунту і також з'єднаними зі збірною камерою. Збірна камера з'єднана з такими технологічними вузлами, як конденсатор з повітряним охолодженням, водяний охолоджувач, установка кондиціювання або вентиляції. Пристрій, за цим відомим винаходом, забезпечує значну економію енергії, особливо в періоди з максимальною або мінімальною температурою атмосферного повітря. Інший приклад конструкції системи нагрівання і вентиляції будинків описаний у патентній заявці PCT/SE95/00569. Відповідно до запропонованого технічного рішення будинок містить обвідну фундаментну стіну або фундаментні балки, на які спираються внутрішні стіни і перекриття будинку, що визначає площу підлоги для житлових приміщень будинку. Приміщення під перекриттям розміщується у середині периметра фундаменту. У перекритті виконані отвори або канали - циркуляційні повітроводи, через які із приміщення під перекриттям у житлові приміщення будинку надходить повітря відповідних параметрів. Під плитою перекриття розміщена повітряна камера, з'єднана з каналом повітроводом. Камера закрита мембраною у вигляді герметичної перегородки, виконаної із пластмаси. Мембрана закріплена на повітропроникному пористому шарі, виконаному у вигляді гравійної підкладки, розміщеної на несучій поверхні ґрунту під фундаментною стіною. Предметом винаходу є ґрунтовий теплообмінник, у якому в основному ґрунті сформовано стабілізуючий шар матеріалу з високою теплопровідністю, що закріплюється горизонтально або під невеликим кутом до горизонтальної площини. Шар матеріалу має вигляд гравійної підкладки і/або підкладки з битого каменю, заповненої піском для збільшення поверхні контакту з повітрям. Цей шар утворює циркуляційний канал теплообмінника з несучою плитою. Ця плита має виступаючі дистанційні елементи, які з'єднані з конструкційною сіткою, закріпленою на стабілізуючій сітці, що покриває повітропровідний шар. Повітрозабірник і витяжний канал оснащені вмонтованими датчиками температури, вологості, витрат повітря і іншими вимірювальними пристроями. Уся конструкція за межами повітрозабірника і вентиляційного каналу покрита ізоляційним шаром, переважно з пінополістиролу. Колектор запропонованого теплообмінника, згідно із цим винаходом, що проводить технологічне повітря, складається, у загальному випадку, з площини повітроводу технологічного повітря і елементу розподілу повітря. Цей елемент у поперечному розрізі має форму довільної кривизни, переважно форму сектора кола або будь-якої іншої геометричної фігури. Умовно з боку входу технологічного повітря цей елемент обмежений точкою підтримки, а його протилежна точка є точкою опори. Елемент виконано з металу або іншого матеріалу, переважно з поліпропілену або термопластичної пластмаси. У свою чергу в поздовжньому перерізі колектор має довільну форму, при цьому його модульна довжина обумовлена допустимими технологічними параметрами повітря, що проходить. Площину потоку повітря утворює фундаментна плита з наскрізними отворами, а стабілізуюча сітка закріплена на гравійній підкладці. У такий спосіб забудованому просторі основне значення для одержання технологічних і міцносних характеристик має просторове розташування елементу при належному взаємному положенню точок щодо площини потоку повітря. Відповідно до цього винаходу, точка підтримки розміщена вище площини потоку повітря або ж точка підтримки розміщена в цій площині, а точка опори розташована нижче площини потоку повітря і чергова точка опори розташована на цій площині. Третя можливість полягає в тому, що точка опори розташована нижче цієї площини. Елемент має оптимальне просторове розміщення в тому випадку, коли точка підтримки розташована в площині потоку повітря. На його бічній поверхні з боку входу технологічного повітря виконане певне число відкритих і/або закритих каналів відповідної форми, призначених для вхідного повітря. У свою чергу внутрішня поверхня елементу покрита шаром, виконаним з антистатичного і/або антибактеріального матеріалу. Технологічні параметри повітря регулюються за допомогою датчиків температури, тиску, вологості й витрат повітря. Відповідно до винаходу, в елементі по його повздовжній осі розміщений зволожувач повітря, а 5 уздовж нього закріплене джерело ультрафіолетового випромінювання і дозатори мікроелементів йоду. Переважно виконати елемент у формі сектора кола, а точку підтримки розташувати вище площини потоку повітря, при цьому точку опори розташувати в цій площині, а підстава елемента опори закріплена в коробці у формі швелерної направляючої з розпірно-ущільнювальними елементами. Напрямна закріплена в центрі на дистанційному кронштейні, переважно у формі тавра та/або на іншій несучій конструкції. Завдяки компонуванню, відповідно до винаходу, повітря, що входить у житлові приміщення, проходить по периметру підлоги, що забезпечує оптимальну циркуляцію повітря. За рахунок спрямування вихідного повітря через фундамент будинку і нагрівання його нижньої частини вдається виключити шкідливе зволоження елементів будинку і фундаменту. Конструкція ґрунтового теплообмінника, відповідно до винаходу, забезпечує безпосередній контакт із ґрунтом в усьому об'ємі минаючого повітря. За рахунок використання теплообмінника, оснащеного колектором, відповідно до винаходу, досягається значна економія засобів на обігрів приміщень, на капіталовкладення і експлуатацію при забезпеченні оптимального мікроклімату вентильованого об'єкта. При монтажі вентиляційної системи при будівництві односімейного будинку доцільно змонтувати ґрунтовий теплообмінник поза вентильованим об'єктом. Принцип дії пропонованого теплообмінника заснований на використанні ефекту постійної температури шару ґрунту протягом року на глибині 6-10 м (близько 10 °С). Суть предмета винаходу пояснюється на прикладі конструктивного виконання, представленого на фігурах, зокрема. На фігурі 1 представлено сегмент ґрунтового теплообмінника, відповідно до винаходу, в поперечному розрізі, На фігурі 2 представлено поперечний розріз вузла з'єднання колектора із плитою ґрунтового теплообмінника, На фігурі 3 представлено поперечний розріз розподільного елемента повітря, На фігурі 7 представлено поперечний розріз колектора, коли елемент має форму сектора кола, а площиною потоку технологічного повітря є фундаментна плита, На фігурі 8 представлено розподільний елемент повітря в аксонометрії, На фігурі 4 представлено закріплення основи елемента в направляючій, На фігурі 5 представлено поперечний розріз змонтованого елемента, На фігурі 6 представлено зовнішній вигляд елемента, вмонтованого в площині потоку повітря. Ґрунтовий теплообмінник, відповідно до винаходу, розміщається у викопаній у ґрунті траншеї на оптимальній технологічній глибині, переважно вище рівня ґрунтових вод. Як видно з фіг. 1, відповідно ущільнений основний ґрунт 1 утворює поверхню 2 підкладки, що є підставою теплообмінника. 95059 6 Поверхня 2 підкладки виконується горизонтально або під невеликим кутом до горизонтальної площини у відповідному напрямку. Напрямок нахилу поверхні 2 щодо поверхні вихідного ґрунту 1 залежить від взаємного розташування елементів і всієї конфігурації теплообмінника. На поверхні 2 накладено шар гравію 4 без попереднього ущільнення. Фракційний розмір гравію в підкладці 4 збільшується в напрямку від поверхні 2 і становить від 5 до 20 мм. Замість гравійної підкладки 4 можна також використовувати підкладку з битого каменю 5 або щебеню. Товщина шару гравійної підкладки 4 або битого каменю 5 становить 20-60 см, що відповідає розрахунковій продуктивності теплообмінника, відповідно до винаходу. Вільний простір у гравійній підкладці 4 або в підкладці з битого каменю 5 варто заповнити промитим піском 6. Пісок 6 заповнює вільний простір між шматками гравію або каменю і збільшує теплопровідність підкладки. Виконана в такий спосіб підкладка має високе значення коефіцієнта теплопровідності і низький опір потоку повітря. На сформованій в такий спосіб підкладці укладається стабілізуюча сітка 7, виконана з термопластичної пластмаси. Форма і розмір вічок сітки 7 залежить від матеріалу підкладки. Доцільно, щоб розмір вічок сітки був менше розміру шматків підкладки, на якій вона накладена. Рекомендований розмір вічок сітки становить 10 мм. У свою чергу на сітці 7 вільно укладається конструкційна сітка 8 з розміром вічок 20-70 мм, що приймає на себе навантаження іншої частини теплообмінника і шару землі 18 на ґрунт 1. Основним елементом теплообмінника є циркуляційний канал 9, висота якого постійна і обумовлена продуктивністю теплообмінника. З однієї сторони канал 9 обмежений сіткою 8, а з другої сторони - несучою плитою 14. Несуча плита 14 розміщена на сітці 8 за допомогою дистанційного елементу 11. Дистанційний елемент 11 з'єднано із сіткою 8 шляхом, наприклад, зварювання під тиском пластичних елементів. Несуча плита 14 має відповідну робочу довжину, а для формування модуля теплообмінника несучі плити можуть заходити одна на одну за допомогою так званої закладки 14.1. Для даного розміру модуля і даних технологічних параметрів теплообмінника (наприклад швидкості потоку повітря 1,0-3,0 м/с) канал 9 має, наприклад, висоту від 20 до 40 мм. Плита 14 є основним і повторювальним модулем теплообмінника. Зразкові розміри плити 14 становлять 1,9 х 1,9 і для забезпечення витрати 3 повітря 400 м /год у теплообміннику необхідно встановити 9 таких плит. Дистанційні елементи 11 у поперечному перерізі мають форму довільних геометричних фігур. Найбільш доцільної є форма трапеції, у якій нижня підстава - більш коротка сторона 12 невід'ємно з'єднана із сіткою 8, утворюючи несучу тверду просторову конструкцію із плитою 14. Кількість елементів 11 і місце їх закріплення на плиті 14, а також розміри елемента 11 залежать від параметрів навантаження на теплообмінник. На кінцях плити 14 і сітки 7 закріплені швелерні коробки, у яких розміщена підстава роз 7 подільного елемента повітря 13, усередині якого розміщена труба 16 для підводу повітря в канал 9. На виконаний у такий спосіб теплообмінник накладається відповідний шар ґрунту 18, а на нього - технологічний ізоляційний шар 19 з метою забезпечення ізотермічної області 8 - 12 °С. Шар 19 доцільно виконати з пінополістиролу, а на ньому розмістити плівку 20, виконану із пластмаси. Шар 19 і плівка 20 виконують роль ізолятора для запобігання перепаду температур. Повітрозабірник 21 виступає над поверхнею ділянки і оснащений фільтром 23, переважно тканинним, призначеним для очищення повітря від пилу і алергенів. Повітрозабірник 21 і вентиляційний канал 22 оснащені датчиками температури 24, витрати повітря 25 і вологості 26. Зовнішнє повітря забирається повітрозабірником 21, оснащеним тканинним повітряним фільтром мінімум класу EU3. Потім повітря надходить в елемент 13, виконаний у даному прикладі у вигляді півкола, що утворює звід для минаючого повітря. У нижній частині повітря безпосередньо контактує із шаром гравійної підкладки 4 або битого каменю 5, покритим піском 6. У каналі 9 здійснюється основний тепловологообмін між минаючим повітрям і гравієм і/або каменем 5, покритими піском 6. У свою чергу, повітря надходить у збірний канал 17 і потім у вентиляційну систему будинку. Швидкість повітря, що проходить через сегмент теплообмінника, становить 1,0-3,0 м/с. Число сегментів для кожного конкретного теплообмінника вибирається залежно від продуктивності теплообмінника. Загальну витрату вентиляційного повітря 3 необхідно розділити на 20-40 м на один сегмент із розрахунку 24 годинного режиму роботи в добу 3 або розділити на 40-100 м на один сегмент із розрахунку 24 годинного режиму роботи в добу теплообмінника. Наприклад, для витрати повітря 400 3 м /год необхідно використовувати 9 сегментів. Проведені дослідження і випробування підтвердили високу ефективність теплообмінника, відповідно до винаходу. Так, наприклад, при розміщенні теплообмінника на глибині порядку 6-7 м, повітря, що проходить, нагрівається на 2-6 °С і його вологість за рахунок контакту із ґрунтом підвищується до 80-92 % при зовнішній температурі 20 °С. Після нагрівання в будинку до 20 °С повітря має вологість порядку 30-35 %. У той же час у літній період повітря охолоджується, наприклад з 34 °С до температури 15-17 °С, а його вологість збільшується з 55 % до 98-100 %. Повітря, що надходить у будинок з температурою 26 °С має вологість 55 %. Конденсат, що утворюється в процесі охолодження, попадає безпосередньо в ґрунт або відводиться меліораційними трубами 3 з поверхні підкладки 2 і шару 19. Максимальний об'єм конденсату, отриманий у процесі досліджень, стано2 вив 0,8 л/м поверхні сегмента. При 24-годинній роботі об'єм конденсату становить 6-10 л. Колектор технологічного повітря, представлений на фіг. 2, складається із двох основних частин, зв'язаних між собою технологічно, а саме - з фундаментної плити 10 і «верхнього» замикаючого теплообмінного елементу 13 у вигляді розподільного елементу повітря 13. 95059 8 Залежно від використовуваного конструкційного матеріалу, а саме - металу або неметалічного матеріалу, і залежно від розмірів колектора елемент 13 має різну форму, які показано на поперечному розрізі на фіг. 3. Доцільно виконати елемент 13 із пластмаси, зокрема поліпропілену або термопластичної пластмаси. У такий спосіб у поперечному перерізі він має вигляд відрізка довільної кривизни 13.1 або форму фрагмента довільної геометричної фігури 13,2. З боку входу повітря D він обмежений точкою підтримки А, а із протилежної сторони - точкою опори В. Наприклад, довільні криві 13.1 - це частина кола 13.1.1 або частина еліпса 13.1.2, а відрізки геометричної фігури - це частина прямокутника 13.2.1 або частина трикутника 13.2.2. Площина потоку технологічного повітря D позначена буквою С. Площина С утворена стабілізуючою сіткою 7, закріпленою на конструкційній сітці 8. У випадку різних технологій обробки повітря ту ж саму площину С утворює фундаментна плита 10 у вигляді залізобетонної або бетонної плити з наскрізними отворами 10.1. Технологічна конструкція площини С залежить від принципу роботи колектора і технологічних параметрів технологічного повітря D. В оптимальному рішенні відповідно до приклада елемент 13 у поперечному перерізі має форму сектора кола 13.1.1., взаємне розташування точок А і В може бути різним, як представлено на фіг. 7. Як видно з фігури, точка А може бути розташована вище площини С, точка А1 - у площині С, точка В1 розташована вище площини С, а точка В2 - у площині С, а точка В3 - на відповідній конструкції, закріпленій нижче площини С. На фіг. 6 надано приклад виконання теплообмінника, відповідно до винаходу, за яким точка А1 розташована в площині С. Виходячи із цього необхідно, щоб в елементі 13 з боку входу повітря D були виконані замкнуті канали 27 і/або відкриті канали 28 для потоку заданого об'єму повітря D. На фіг. 5 надана конфігурація внутрішньої поверхні 29 елементу 13, що покрита оболонкою антистатичного 30 і/або антибактеріального 31 матеріалу. Відповідно до технологічних вимог до технологічного повітря D, згідно із діючими нормами, в елементі 13 повинне бути розміщена в певному порядку певна кількість технологічних датчиків температури 24, тиску, вологості і витрат технологічного повітря D. На фіг. 8 надано зволожувач повітря 32, розміщений по поздовжній осі елемента 13 у площині С, а уздовж нього розміщені джерело ультрафіолетового випромінювання 33 і дозатор мікроелементів йоду 34. Навантаження від шару ґрунту 18 сприймається елементом 13, у зв'язку із чим розроблено один з декількох варіантів конструкції кріплення двох підстав елемента 13 у швелерній коробці 15. Швелерна коробка 15, як показано на фіг. 4, має розпірно-ущільнювальні елементи 15.1, які допускають контрольоване переміщення основи 35 під дією навантаження, зберігаючи при цьому водонепроникність і постійну жорсткість елементу 13. Залежно від положення точок А і В коробка 15 може бути безпосередньо закріплена на дистанційній опорі 36, виконаній, переважно, у формі тавра і/або ін 9 шої несучої конструкції, наприклад залізобетонної опори для точок В. Як було вказано вище, на фіг. 2 надано поперечний розріз фрагмента ґрунтового теплообмінника, з якого виходить технологічне повітря, що подається споживачеві через колектор технологічного повітря, відповідно до винаходу. На основному ґрунті 1 покладено шар товщиною 3-10 см і гравійна підкладка товщиною 3-10 см, на якій розміщені конструкційна сітка 8 і стабілізуюча сітка 7, що утворює площину С. Несуча плита 14 розміщається на опорі - дистанційному елементі 11, за допомогою якого, як зазначено при описі фіг. 1, утворюється циркуляційний канал 9 технологічного повітря D висотою порядку 2-5 см. Плита 14, яка виконана, переважно, з поліпропілену, переносить навантаження від швелерної коробки 15, що виконує роль напрямної, через дистанційну опору 36 на основний ґрунт 1. Опора 36 у поперечному розрізі має форму тавра, але виходячи з вимог міцності вона може мати різні форми, наприклад замкнутих профілів. В конструкції колектора, описаній як приклад виконання, елемент 13 має форму сектора кола 13.1.1. діаметром 30-80 см, а його модульна довжина становить переважно 100 95059 10 см. Над елементом 13 розташований шар ґрунту 18 товщиною понад 15 см і закритий ізоляційний шаром 19, виконаним з пінополістиролу, який забезпечує ізотермічну характеристику ґрунту. Використання запропонованого ґрунтового теплообмінника в установках кондиціонування повітря в Польщі і аналогічних сферах забезпечує позитивний ефект як у літній, так і в зимовий періоди. Він дозволяє практично використовувати холод ґрунту для зниження температури повітря в літній період до значення, що забезпечує можливість зволоження повітря, що надходить в будинок. У період опалювального сезону свіже повітря попередньо нагрівається в теплообміннику і зволожується завдяки безпосередньому контакту повітря із ґрунтом. Використання в теплообміннику пластмаси забезпечує оптимальне формування потоку повітря. Плити теплообмінника і сітки виконані з термопластичної пластмаси з додаванням антибактеріального засобу на основі оксидів срібла і/або золота. Крім зниження витрат на обігрів, використання ґрунтового теплообмінника дозволяє оптимізувати мікроклімат вентильованого об'єкта, тому що він запобігає надмірному осушенню повітря в зимовий період. 11 95059 12 13 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 95059 Підписне 14 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601