Экологичный энергосберегающий комплекс системы кондиционирования

Предлагаемое изобретение относится к строительству и может быть использовано для предварительного подогрева и охлаждения приточного воздуха в системах вентиляции и кондиционирования в зимний и летний периоды, соответственно.

Известна энергоресурсосберегающая система кондиционирования, содержащая приточную (вентиляционную камеру), в которой помещены клапан, вентилятор, калорифер, камера орошения (центральный кондиционер), перед которой устроены каплеуловитель и теплообменник, соединенный с источником энергии из системы вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) [Патент РФ № 2302588 МПК F24 F5/00, 2007].

Недостатками известной системы кондиционирования являются необходимость наличия поблизости источника ВЭР и подводящих теплопроводов, невозможность использования существующей ВЭР в летнее время для охлаждения приточного воздуха и использования возобновляемых ресурсов, что снижает ее экологическую и экономическую эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является энергосберегающая система регулирования параметров приточного воздуха, включающая помещенный ниже уровня промерзания грунта пластинчатый теплообменник, состоящий из щелевых каналов, размещенных на некотором расстоянии друг от друга в грунте, с уклоном в сторону движения воздуха и соединенных своими кромками с одной стороны через щелевые отверстия с распределительным воздушным коробом, отверстие которого на уровне поверхности земли соединено с заборным колпаком, боковые стенки которого перфорированы вертикальными щелями, а с другой стороны кромки щелевых каналов соединены через щелевые отверстия с приемным воздушным коробом, отверстие которого на уровне поверхности земли соединено с воздушным колпаком, по центральной вертикальной оси которых установлена вертикальная труба, заполненная транспортным фитилем, нижняя кромка которой находится ниже уровня конденсата в пирамидальном днище воздушного короба, а верхняя кромка пропущена через отверстие крышки воздушного колпака и соединена с отверстием в пирамидальном днище влагоудаляющего колпака, причем на внутренней поверхности пирамидального днища влагоудаляющего колпака уложена решетка из полос фитиля, соединенных с транспортным фитилем, боковые стенки влагоудаляющего колпака перфорированы щелями, а боковая стенка воздушного колпака соединена через входной воздуховод с клапаном, калорифером, вентилятором, центральным кондиционером и магистральным воздуховодом, расположенными в вентиляционной камере здания [Патент РФ № 2552093 МПК F24 F5/00, 2015].

Основными недостатками известной энергосберегающей системы регулирования параметров приточного воздуха являются использование в качестве приточного воздуха уличного воздуха, загрязненного выхлопами автомобильного транспорта и выбросами промышленных предприятий, выбросы полученного из воздуха конденсата в атмосферу и невозможность использования горячей воды, поступающей в калорифер, для генерации электричества, что снижает экологическую и экономическую эффективность известного изобретения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение экологической и экономической эффективности экологичного энергосберегающего комплекса системы кондиционирования.

Технический результат достигается экологичным энергосберегающим комплексом системы кондиционирования, содержащим помещенный ниже уровня промерзания грунта теплообменник, состоящий из вертикальных щелевых, снабженных вертикальными ребрами теплообменных каналов, размещенных на некотором расстоянии друг от друга в грунте, с уклоном в сторону движения воздуха и соединенных своими кромками с одной стороны через прямоугольные щели с распределительным воздушным коробом, отверстие которого на уровне поверхности земли соединено с заборным колпаком, в нижней части которого устроен воздушный фильтр, заполненный адсорбентом – гранулированным доменным шлаком, а верхняя часть боковых стенок которого перфорирована щелями, с другой стороны кромки щелевых теплообменных каналов соединены через щелевые отверстия с приемным воздушным коробом, отверстие которого на уровне поверхности земли соединено с воздушным колпаком, по центральной вертикальной оси которого и приемного воздушного короба установлена вертикальная труба, заполненная транспортным фитилем, нижняя кромка которой находится ниже уровня конденсата в пирамидальном днище приемного воздушного короба, а верхняя кромка пропущена через отверстие крышки воздушного колпака и соединена с отверстием в пирамидальном днище влагоудаляющего колпака, а на внутренней поверхности вышеупомянутого пирамидального днища уложена решетка из полос фитиля, соединенного с транспортным фитилем, тыльная стенка влагоудаляющего колпака и боковая стенка воздушного колпака соединены через патрубок и входной воздуховод с клапаном, калорифером, вентилятором, центральным кондиционером и магистральным воздуховодом, расположенными в вентиляционной камере здания, причем калорифер выполнен пластинчатым, его вертикальные перегородки выполнены с зубчатыми пазами, обращенными в горячую (водную) сторону, в которые вставлены зубчатые ребра, состоящие из последовательно соединенных термоэмиссионных преобразователей, покрытых слоем диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, каждый термоэмиссионный преобразователь состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых соединены между собой контактными спаями, которые расположены вдоль длины зубчатых ребер в их зубьях в зонах нагрева и охлаждения (в зубчатых пазах и наружной кромки зубчатых ребер), контактные спаи каждого зубчатого ребра с торцов последовательно соединены между собой перемычками, образуя теплоэлектрические секции, размещенные на каждой вертикальной перегородке, которые, в свою очередь, через конденсаторы последовательно соединены между, образуя теплоэлектрический блок, размещенный на всех вертикальных перегородках, а свободные концы с клеммами теплоэлектрических секций теплоэлектрического блока соединены с токовыводами.

Предлагаемый экологичный энергосберегающий комплекс системы кондиционирования (ЭЭСКК) представлен на фиг. 1–10 (на фиг. 1–3 – общий вид ЭЭСКК и его разрезы, на фиг. 4, 5 – влагоудаляющий колпак, на фиг.6–8 – разрезы калорифера, на фиг.9–10 – электрогенерирующие узлы калорифера).

ЭЭСКК содержит помещенный ниже уровня промерзания грунта 1 теплообменник 2, состоящий из вертикальных щелевых, снабженных вертикальными ребрами 3 теплообменных каналов 4, размещенных на некотором расстоянии друг от друга в грунте 1, с уклоном в сторону движения воздуха и соединенных своими кромками с одной стороны через прямоугольные щели (на фиг. 1–10 не показаны) с распределительным воздушным коробом 5, представляющим собой прямоугольную вертикальную коробку 6 с пирамидальной крышкой 7, отверстие которой на уровне поверхности земли (на фиг. 1–10 не показано) соединено с заборным колпаком 8, в нижней части которого устроен воздушный фильтр 9, заполненный адсорбентом – гранулированным доменным шлаком 10, а верхняя часть боковых стенок которого перфорирована щелями 11, с другой стороны кромки щелевых теплообменных каналов 5 соединены через щелевые отверстия (на фиг. 1–10 не показаны) с приемным воздушным коробом 12, представляющим собой прямоугольную вертикальную коробку 13 с пирамидальной крышкой 14 и пирамидальным днищем 15, отверстие которой на уровне поверхности земли (на фиг. 1–10 не показано) соединено с воздушным колпаком 16, по центральной вертикальной оси которого и приемного воздушного короба 12 установлена вертикальная труба 17, заполненная транспортным фитилем 18, нижняя кромка которой находится ниже уровня конденсата в пирамидальном днище 15, а верхняя кромка пропущена через отверстие (на фиг. 1–10 не показано) крышки воздушного колпака 16 и соединена с отверстием (на фиг. 1–10 не показано) в пирамидальном днище влагоудаляющего колпака 19. На внутренней поверхности вышеупомянутого пирамидального днища уложена решетка из полос фитиля 20, соединенного с транспортным фитилем 18, тыльная стенки влагоудаляющего колпака 19 и боковая стенка воздушного колпака 16 соединены через патрубок 21 и входной воздуховод 22 с клапаном 23, калорифером 24, вентилятором 25, центральным кондиционером 26 и магистральным воздуховодом 27, расположенными в вентиляционной камере 28 здания 29, причем калорифер 24 выполнен пластинчатым, его вертикальные перегородки 30 выполнены с зубчатыми пазами 31, обращенными в горячую (водную) сторону, в которые вставлены зубчатые ребра 32, состояшие из последовательно соединенных термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 33, покрытых слоем диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 34, причем каждый ТЭП 33 состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых соединены между собой контактными спаями 35, которые расположены вдоль длины зубчатых ребер 32 в их зубьях 36 в зонах нагрева и охлаждения (в зубчатых пазах 31 и наружной кромки зубчатых ребер 32), контактные спаи 35 каждого зубчатого ребра 32 с торцов последовательно соединены между собой перемычками 37, образуя теплоэлектрические секции (ТЭС) 38, размещенные на каждой вертикальной перегородке 30, которые, в свою очередь, через конденсаторы 39 последовательно соединены между, образуя теплоэлектрический блок (ТЭБ) 40, размещенный на всех вертикальных перегородках 30, а свободные концы с клеммами 41 и 42 последовательно соединенных ТЭС 38 ТЭБ 40 присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами (на фиг. 1–10 не показаны).

В основу работы предлагаемой ЭЭСКК положены: особенности температурного профиля по глубине грунта (в зимнее время на большей части территории России температура грунта ниже уровня промерзания и выше нуля, летом – температура грунта значительно ниже температуры наружного воздуха), использование в конструкции системы принципов пластинчатого теплообменника, возможность транспортировки жидкости фитилем под воздействием капиллярных сил [В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. – Минск: Высш. школа, 1988, с. 106] и интенсификация процесса испарения жидкости с поверхности, покрытой решеткой из полос фитиля, которая предотвращает образование паровой пленки на теплообменной поверхности и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. – М.: 1990, с. 22]. В основу работы предлагаемого фильтра (поз. 8,9) положено высокое значение модуля основности гранул металлургической пемзы, которое придает им основные свойства [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А.С. и др. – М.: Стройизд.,1989, с. 423; Домокеев А.К. Строительные материалы. – М.: Высш. школа, 1989, с. 163], позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся подавляющее число вредных компонентов уличного воздуха (СО₂, СО, NO_х, SO_х и др.), а работа калорифера 24 основана на использовании эффекта термоэлектричества. Так как ТЭС 38 изготовлена в виде зигзагообразных рядов, состоящих из ТЭП 33, изготовленных из парных проволочных отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных (сваренных) на концах между собой, то при нагреве одних спаянных концов 35 горячей водой и охлаждении противоположных им спаянных концов 35, нагреваемым воздухом, на противоположных спаях 35 устанавливаются разные температуры, в зоне контакта (спае) металлов М1 и М2 происходит термическая эмиссия электронов, в результате чего в зигзагообразных рядах ТЭС 33 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. – М.: «Наука», 1970, с. 502–506].

Предлагаемая ЭЭСКК работает в двух режимах: летнем и зимнем. В летний период наружный воздух с температурой t_Л1 поступает через щели 11 в заборный колпак 8, в котором создается некоторое разрежение за счет работы вентилятора 25, проходит фильтр 9, заполненный гранулированным доменным шлаком, поглощающим вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся подавляющее число вредных компонентов уличного воздуха (СО₂, СО, NO_х, SO_х и др.), откуда, очищенный от вредных примесей, поступает в распределительный воздушный короб 5, из которого распределяется по щелевым, оребренным с наружной стороны, каналам 4 теплообменника 2 и перемещается по ним в приемный воздушный короб 12. В процессе движения воздуха по щелевым каналам 3 между ним и грунтом 1, имеющим более низкую температуру t_ГЛ, через стенки каналов 4 происходит теплообмен (скорость теплопередачи по сравнению с гладкими стенками при этом значительно увеличивается за счет наличия на стенках каналов 4 ребер 3), в результате чего температура воздуха уменьшается до t_Л2, а образующийся при этом водный конденсат стекает за счет уклона щелевых каналов 4 в поддон 15. Охлажденный и осушенный воздух собирается в приемном воздушном коробе 12 и через воздушный колпак 16, входной воздуховод 22 и клапан 23 поступает в вентиляционную камеру 28, где вентилятор 25 подает его в центральный кондиционер 26, минуя калорифер 24 (воздушный байпас на фиг. 1-10 не показан). В то же время осуществляется удаление водного конденсата из поддона 15 за счет капиллярных сил транспортным фитилем 18, откуда конденсат поступает в решетку из полос фитиль 20, размещенных на поверхности пирамидального днища влагоудаляющего колпака 19, с поверхности которого происходит испарение влаги за счет тепла наружного воздуха, обогревающего вышеупомянутое пирамидальное днище и за счет тяги, создаваемой вентилятором 25, уносящей пары влаги через патрубок 21 во входной воздуховод 22, где он смешивается с осушенным и охлажденным воздухом, в связи с чем предотвращается затопление конденсатом пирамидального поддона 15 и обеспечивается увлажнение приточного воздуха, поступающего в кондиционер 26 (при этом сокращается расход воды в камере орошения кондиционера 26). В центральном кондиционере 26 осуществляется доводка воздуха до требуемых параметров, после чего кондиционированный воздух поступает в магистральный воздуховод 27, по которому направляется к потребителям (на фиг. 1-10 не показаны).

В зимний период работы ЭСЭКК наружный воздух с низкой температурой t_З1 поступает через щели 11 в заборный колпак 8, в котором создается некоторое разрежение за счет работы вентилятора 21, проходит фильтр 9, заполненный гранулированным шлаком 10 (в зимнее время желательно осуществлять подогрев гранул шлака 10), поглощающим вещества, обладающими кислыми свойствами, к которым относятся подавляющее число вредных компонентов уличного воздуха (СО₂, СО, NO_х, SO_х и др.), откуда, очищенный от вредных примесей, поступает в распределительный воздушный короб 5 теплообменника 2, расположенного в своей рабочей части ниже глубины промерзания, из которого распределяется по его оребренным щелевым каналам 4 и перемещается по ним в приемный воздушный короб 12. В процессе движения воздуха по щелевым каналам 4 между ним и грунтом 1, имеющим более высокую температуру t_ГЗ, через стенки каналов 3 происходит теплообмен (скорость теплопередачи по сравнению с гладкими стенками при этом значительно увеличивается за счет наличия на стенках каналов 4 ребер 3 с гладкими стенками), в результате чего температура воздуха увеличивается до t_З2. Далее воздух собирается в приемном воздушном коробе 12 и через воздушный колпак 16, входной воздуховод 22 и клапан 23 поступает в калорифер 24, обогреваемый горячей водой с температурой 90°С, откуда вентилятор 25 подает его в кондиционер 26, где осуществляется доводка воздуха до требуемых параметров, после чего воздух поступает в магистральный воздуховод 27, по которому направляется к потребителям (на фиг. 1-10 не показаны). В зимний период работы ЭЭСКК, при нагревании наружного воздуха в щелевых каналах 4 водный конденсат не образуется и не скапливается в поддоне 15 приемного воздушного короба 12. Поэтому в зимний период работы ЭЭСКК предусматривается перекрытие патрубка 21 шибером (на фиг. 1-10 не показан).

Одновременно в калорифере 24 в результате процесса конвективной теплопередачи от горячей воды нагревается зона нагрева, состоящая из зубчатых пазов 31 в вертикальных перегородках 30 и помещенных туда кромок зубчатых ребер 32, покрытых из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 34, от которого основной поток тепла передается за счет теплопроводности двухслойным контактным спаям 35, выполненным из металлов М1и М2, плотно прижатых друг к другу, расположенных в зубьях 36 зубчатых ребер 32, конструкция которых позволяет увеличить количество воспринимаемого тепла за счет повышенной площади их контакта с зоной нагрева и высокой площади контакта слоев самих металлов М1 и М2, которые нагреваются при этом. Кроме того, процесс теплообмена от материала 34 к спаям металлов М1 и М2 ТЭП 33 интенсифицируется за счет передачи его теплопроводностью, скорость которой при высоком значении коэффициента теплопроводности значительно выше, чем скорость передачи тепла за счет конвекции [И.Н. Сушкин. Теплотехника. – М.: «Металлургия», 1973, с. 195–1981]. Одновременно осуществляется охлаждение контактных спаев 35, расположенных параллельно у кромки вертикальных зубчатых ребер 32 в холодной зоне, выполненных также из металлов М1и М2, за счет передачи тепла теплопроводностью через слой материала 35, а от него конвекцией к ядру потока нагреваемого воздуха. В результате этих процессов происходит нагрев контактных спаев 35, расположенных в зонах нагрева, охлаждение противоположных спаев 35 в холодной зоне нагреваемым воздухом и возникает значительная разность температур на противоположных спаях 35 каждого ТЭП 33, что создает эмиссию электронов во всех ТЭП 33 и, соответственно, возникновение в них термоэлектричества. Термоэлектричество каждой ТЭС 38 движется через последовательно соединенные конденсаторы 39, что существенно снижает потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 33. Полученное электричество блока 40 через клеммы 41 и 42 и токовыводы (на фиг. 1–10 не показаны) поступает в преобразователь, где создается требуемое напряжение и сила тока (на фиг. 1–10 не показаны) и подается потребителю (например, для привода оросительного насоса (на фиг. 1–10 не показан), освещения вентиляционной камеры 28, подогрева фильтра 9 и пр.).

Таким образом, предлагаемый экологичный энергосберегающий комплекс системы кондиционирования позволяет утилизовать низкопотенциальное тепло (возобновляемую энергию) грунта ниже уровня промерзания для предварительного подогрева приточного воздуха в зимний период и его охлаждения в летний период, использует в системе фильтр с новым типом адсорбента для очистки уличного воздуха от вредных компонентов (СО₂, СО, NO_х, SO_х и др.), оребренный пластинчатый теплообменник, интенсифицирующий процесс теплопередачи от грунта к воздуху, транспортировку конденсата фитилем за счет капиллярных сил, полученный из воздуха конденсат для увлажнения и охлаждения воздуха в камере орошения кондиционера, предотвращая его выбросы в атмосферу, тепло горячей воды, проступающей в калорифер для попутной генерации электричества, что увеличивает экологическую и экономическую эффективность изобретения,