Способ поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях и устройство для его реализации

Изобретение относится к области отопительной техники и систем охлаждения помещений и может быть использовано для поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях как в зимний, так и в летний период. Технический результат: исключение или уменьшение принудительной циркуляции воздуха по помещению, увеличение доли лучистой составляющей обогрева или охлаждения и предотвращение уменьшения относительной влажности воздуха в помещении при его охлаждении. Способ поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях посредством циркуляции воздуха, продуваемого воздуходувным устройством через теплообменник, внутри которого циркулирует нагретое или охлажденное рабочее тело, и подаваемого по воздуховодам в обогреваемое/охлаждаемое помещение. Циркулирующий воздух насыщают мелкодисперсной жидкостью или ее парами. Подачу воздуха осуществляют в греющие/охлаждающие панели с теплопроводящими стенками, образующие совместно с воздуховодами, теплообменником и воздуходувным устройством замкнутую циркуляционную систему. Мелкодисперсную жидкость и сконденсированные пары перемещают по узким каналам панелей при помощи скоростного напора циркулирующего воздуха. Также описано устройство для поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области отопительной техники и систем охлаждения помещений и может быть использовано для поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях как в зимний, так и в летний период.

Известен способ поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях и устройство "высоконапорный канальный кондиционер с функцией обогрева" для его реализации. Устройство состоит из внешнего блока инверторной холодильной системы, вырабатывающего теплоту или холод, и внутреннего блока инверторной холодильной системы, содержащего внутренний теплообменник, обдуваемый высоконапорным вентилятором.

Во внутренний теплообменник внутреннего блока устройства поступает нагретое или охлажденное рабочее тело из внешнего блока устройства. Воздух из помещения при помощи высоконапорного вентилятора всасывается во внутренний блок устройства, проходит через внутренний теплообменник, в котором нагревается или охлаждается, и по системе распределенных трубопроводов поступает обратно в помещение.

Недостатком данного устройства являются ощутимые потоки нагретого или охлажденного воздуха, циркулирующие по помещению при его работе, отрицательно сказывающиеся на микроклимате помещения, а также то обстоятельство, что при работе устройства в режиме охлаждения помещения на поверхностях внутреннего теплообменника происходит конденсация влаги, содержащейся в атмосфере помещения. Данное обстоятельство приводит к росту непроизводительных затрат энергии на охлаждение помещения и отрицательно сказывается на влажности воздуха в помещении.

Недостатками данного способа также является низкая доля лучистой составляющей нагрева или охлаждения людей, находящихся внутри помещений. ("Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (теоретические основы создания микроклимата в помещении). - Полушкин В.И. и др. СПб: Профессия, 2002.).

Целью изобретения является уменьшение или исключение принудительной циркуляции воздуха по помещению и предотвращение конденсации влаги из воздуха помещения на охлаждаемых поверхностях, а также увеличение доли лучистой составляющей отопления или охлаждения.

Поставленная цель достигается тем, что теплота или холод от циркулирующего воздуха передаются в объем помещения опосредованно, путем теплопередачи через наружные поверхности греющих/охлаждающих панелей, внутри которых циркулирует греющий/охлаждающий воздух.

Предпочтительно циркулирующий воздух увлажняют при помощи одного или нескольких туманообразующих устройств.

При работе устройства в режиме обогрева циркулирующий воздух предпочтительно увлажняют при помощи парогенератора.

Предпочтительно внутри устройства поддерживают разрежение.

Греющие/охлаждающие панели предпочтительно устанавливают вдоль потолка, стен или пола помещения вплотную или на небольшом расстоянии от них.

Предпочтительно осуществляют принудительный обдув стороны греющей/охлаждающей панели, обращенной к потолку, стенам или полу, с выводом нагретого/охлажденного воздуха в помещение через проемы, расположенные вдоль краев панелей.

Греющие/охлаждающие панели предпочтительно состоят из двух плоских или гофрированных, герметично соединенных друг с другом по краям поверхностей, между которыми располагаются перегородки, препятствующие смыканию поверхностей друг с другом под действием атмосферного давления и разделяющие внутренний объем панелей на полые ячейки, по которым осуществляется перемещение циркулирующего воздуха.

Предпочтительно поперечное сечение внутренних ячеек греющих/охлаждающих панелей плавно или ступенчато уменьшается согласно направлению движения циркулирующего воздуха.

Предпочтительно теплопередающие характеристики поверхностей греющих/охлаждающих панелей плавно или ступенчато увеличиваются согласно направлению движения циркулирующего воздуха.

Воздуховоды, подводящие циркулирующий воздух от внутреннего блока к греющим/охлаждающим панелям и отводящие его обратно, предпочтительно выполнены в виде двух плоских, герметично соединенных друг с другом по краям поверхностей, между которыми располагаются перегородки, препятствующие смыканию поверхностей друг с другом под действием атмосферного давления и разделяющие внутренний объем воздуховодов на полые продольные ячейки, по которым осуществляется перемещение циркулирующего воздуха.

Проемы, соединяющие продольные ячейки воздуховодов и продольные ячейки греющих/охлаждающих панелей, предпочтительно располагают вдоль диагонали площадки пересечения панели с воздуховодом.

Панели и воздуховоды предпочтительно устанавливают на некотором расстоянии друг от друга.

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.

Способ позволит осуществить передачу теплоты или холода от инверторной холодильной системы воздуху помещения при помощи греющих/охлаждающих панелей, установленных на потолке, на полу или вдоль стен помещения.

Применение греющих/охлаждающих панелей позволит увеличить долю лучистой составляющей при обогреве/охлаждении людей, находящихся внутри помещения.

Способ позволит уменьшить или исключить принудительную циркуляцию воздуха внутри помещения.

Способ позволит избежать понижения относительной влажности воздуха внутри помещения при работе устройства в режиме охлаждения.

Увлажнение циркулирующего воздуха при помощи туманообразователей или парогенератора позволит увеличить относительное теплосодержание циркулирующего воздуха. Увеличение теплосодержания циркулирующего увлажненного воздуха позволит при сохранении требуемой холодовой или тепловой производительности устройства либо уменьшить объемную скорость циркулирующего воздушного потока, либо уменьшить разницу температур между воздухом, входящим и выходящим из греющих/охлаждающих панелей.

Понижение давления внутри устройства с соответствующим снижением плотности циркулирующего воздуха позволит существенно увеличить его объемную скорость при сохранении или снижении энергетических затрат на работу воздуходувного устройства.

Пониженное давление воздуха позволит повысить скорость достижения термодинамического равновесия в процессах испарения и конденсации жидкости, циркулирующей по системе вместе с воздушным потоком.

Высокоскоростное перемещение циркулирующего воздушного потока по узким каналам панелей и воздуховодов позволит перемещать сконденсированные капли жидкости вместе с воздушным потоком, в том числе и против действия силы тяжести.

Применение в качестве рабочей жидкости водноспиртового раствора позволит повысить относительное теплосодержание циркулирующего воздуха.

Увеличение скорости воздушного потока, перемещающегося по конечному участку канала греющей/охлаждающей панели, по сравнению с начальным участком, позволит увеличить коэффициент теплопередачи между перемещающимся воздухом и стенкой канала и в значительной степени уравнять тепловые потоки, передаваемые стенкам начального и конечного участкам канала от остывающего/нагревающегося по мере продвижения по каналу воздуха.

Повышение теплопередающих характеристик стенок греющих/охлаждающих панелей согласно направлению движения циркулирующего воздуха позволит в значительной степени уравнять теплообменные потоки воздуху помещений или теплоизлучающие потоки стенам помещений, идущие от начальных и конечных зон греющих/охлаждающих панелей.

Применение воздуха с небольшим содержанием аэрозольной и капельной жидкости в качестве теплоносителя замкнутой теплопередающей системы позволит существенно уменьшить вклад массы теплоносителя в общую массу греющих/охлаждающих панелей по сравнению с традиционными системами циркуляционного жидкостного отопления/охлаждения с аналогичными площадями теплоотдающих/тепловоспринимающих поверхностей.

Значительные теплоотдающие/тепловоспринимающие поверхности греющих/охлаждающих панелей, размещенных на полу или на потолке помещения, позволят достичь значительных мощностей обогрева/охлаждения помещений при небольшой температуре греющих/охлаждающих панелей и соответственно при малой разнице температур между циркулирующим рабочим телом и воздухом помещения. Также существенно увеличится вклад лучистой составляющей при обогреве/охлаждении помещения и находящихся в нем людей.

Малая разница температур позволит повысить экономичность системы обогрева/охлаждения помещений и достичь высоких характеристик микроклимата внутри помещений.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показан вариант конструкции устройства для поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях, содержащего панели, размещенные вдоль потолка помещения, вид сбоку; на фиг.2 то же, вид с торца. На фиг.3 показана циркуляция потоков наружного воздуха, передающих теплоту/холод в объем помещения от верхней стороны панелей. На фиг.4 показана схема внутренних воздушных потоков, циркулирующих в устройстве, вид сверху. На фиг.5 изображен в увеличенном виде поперечный разрез греющей/охлаждающей панели в начальной зоне перемещения воздушного потока, на фиг.6 то же, в конечной зоне.

Конструкция устройства состоит из внутреннего блока 1 инверторной холодильной системы, содержащего теплообменник 2, внутренний высоконапорный вентилятор 3, туманообразующие устройства 4, 5, погруженные в рабочую жидкость 13 и внешний вентилятор 6, из воздуховодов 7 и греющих/охлаждающих панелей 8, содержащих каналы 9 и 10, соединенные друг с другом при помощи проемов 11, панели облицованы с нижней стороны теплозадерживающей пленкой 12.

Работа устройства осуществлена следующим образом.

Циркулирующий по внутренним полостям устройства воздух поступает во внутренний блок 1, проходит через теплообменник 2, в котором нагревается или охлаждается, и высоконапорным вентилятором 3 подается в воздуховод 7, по ячейкам 9 доходит до проемов 11, через которые поступает в ячейки 10 панелей 8. Далее воздух проходит по ячейкам 10 панелей 8, в которых соответственно охлаждается или нагревается, после чего через проемы 11 поступает в ячейки 9 воздуховодов 7, по которым возвращается в блок 1, замыкая цикл.

Стенки проемов 11, соединяющих панели 8 и воздуховоды 7, имеют определенную высоту для обеспечения зазора между воздуховодами и панелями. Зазор обеспечивает возможность воздухообмена между полостями, находящимися по разные стороны панелей.

При работе устройства в режиме обогрева туманообразующее ультразвуковое устройство 4, погруженное в жидкость 13, образует аэрозольную смесь, которая смачивает рабочие поверхности греющего теплообменника 2 и увлажняет проходящий через него циркулирующий воздух. При нагреве циркулирующего воздуха часть жидкости испаряется, поглощая значительное количество теплоты. Паросодержание нагретого воздуха увеличивается. Когда воздух достигает каналов теплоотдающих панелей, в которых происходит ее охлаждение, содержащиеся в воздухе водяные пары частично конденсируются, отдавая теплоту конденсации стенкам панелей. Тепловая энергия стенкам панелей также передается за счет частичного охлаждения проходящего по ее каналам воздуха. Сконденсированная жидкость увлекается скоростным потоком воздуха и вместе с ним возвращается в блок 1 к туманообразующему устройству 4.

При работе устройства в режиме охлаждения туманообразующее ультразвуковое устройство 5, погруженное в жидкость 13, образует аэрозольную смесь, которая достигает каналов 10 охлаждающих панелей 8. Аэрозольная смесь при своем движении смачивает внутренние поверхности каналов 10 панелей. При контакте с нагретыми поверхностями панелей смачивающая их жидкость испаряется, поглощая значительное количество теплоты и увеличивая паросодержание нагреваемого воздуха. При нагреве циркулирующего воздуха через неувлажненные стенки панелей жидкость, содержащаяся в каплях аэрозоля, также испаряется, поглощая значительное количество теплоты. Нагретый воздух с высоким паросодержанием поступает в блок 1. Проходя через охлаждающий теплообменник 2, воздух охлаждается, при этом происходит конденсация содержащихся в нем паров жидкости. Сконденсированная жидкость стекает в нижнюю часть блока 1 и возвращается к туманообразующему устройству 5.

В качестве рабочей жидкости используется дистиллированная вода. Для обеспечения более высокого паросодержания циркулирующего воздуха используют легкокипящую жидкость, например экологически и пожаробезопасный водно-спиртовой раствор.

Предпочтительно в рассмотренной системе поддерживают разрежение. При этом уменьшается доля теплоты, переносимой за счет нагрева неконденсирующихся газов, однако увеличивается доля теплоты, переносимой парами конденсирующейся жидкости. Увеличение данной доли осуществляется как за счет роста относительной влажности циркулирующей газовой смеси вследствие увеличения скорости испарения жидкости в разреженных газовых средах, так и за счет увеличения объемных скоростей разреженных воздушных потоков вследствие снижения их вязкости. Разрежение может поддерживаться при помощи компрессора или вакуумного насоса, установленного, например, во внешнем блоке инверторной холодильной системы. Данный компрессор может также обеспечивать работу эжекторного туманообразующего устройства. В этом случае осуществляют отбор воздуха из системы и обратную его подачу в эжекторное устройство. Эжекторное устройство также можно использовать для перемещения порций жидкости из одной зоны системы в другую, в том числе и против силы тяжести.

При отоплении помещений устройство может работать в следующем режиме. Жидкость 13 из внутреннего блока 1 подают во внешний парогенератор, работающий на газовом топливе или от электрообогревателя. Полученный в парогенераторе пар возвращают в циркулирующий воздух.

Теплообмен между греющими/охлаждающими панелями 8 и воздухом помещения осуществляется следующим образом.

С нижней стороны панелей теплообмен осуществляется непосредственно путем прямой теплопередачи и теплового излучения. Для теплообмена с верхней поверхностью панелей предусмотрен внешний вентилятор 6 внутреннего блока 1, который подает воздух из помещения в зазор между потолком и греющими/охлаждающими панелями (смотри фиг.3). Воздух проходит вдоль верхней поверхности панелей, нагреваясь или охлаждаясь в зависимости от режима работы устройства, и через проемы в панелях или через проемы между панелями и стенами помещения поступает в помещение. При этом верхняя зона стен также нагревается или охлаждается, обеспечивая увеличение вклада лучистого отопления или охлаждения помещений.

Один из способов увеличения мощности системы отопления/охлаждения заключается в увеличении разности температур между входящим в панели и выходящим из них теплоносителем (воздухом). Однако данный способ вступает в противоречие с санитарно-гигиеническими требованиями, требующими, чтобы разность температур между начальными участками теплообменной панели и конечными участками не превышала определенной величины. Для снижения разности температур между данными участками при сохранении высокой разницы температур между входящим и выходящим теплоносителем применена следующая конфигурация панелей: верхняя сторона ячеек постепенно углубляется по центру от начальной зоны ячейки к конечной (смотри фиг.5, 6). В зоне проемов 11, соединяющих ячейки 10 панелей с ячейками 9 воздуховодов, верхняя сторона ячеек для обеспечения герметичности проемов плоская.

Механизм действия рассмотрим на примере работы устройства в режиме охлаждения.

В начале движения теплоносителя (воздуха), когда его температура минимальна, сечение ячеек панели максимально. По мере продвижения теплоносителя по ячейке его температура повышается, однако уменьшается поперечное сечение ячеек панелей, вследствие чего скорость перемещения воздуха увеличивается, возрастает его турбулентность, вследствие чего увеличивается коэффициент передачи теплоты от стенок панели. Благодаря увеличению коэффициента теплопередачи эффективность теплопередачи от стенок панели теплоносителю увеличивается, что частично компенсирует падение мощности теплопередачи из-за роста температуры теплоносителя.

Различие в мощности передаваемого холода наружному воздуху от по-разному охлаждаемых изнутри стенок частично компенсируется изменением площади поверхности теплоотдачи и изменением коэффициента теплопроводности теплопередающих стенок соответствующих участков панелей.

Относительная мощность теплопередачи от наружного воздуха к менее холодным стенкам верхней поверхности конечного участка панели выше, чем относительная мощность теплопередачи от наружного воздуха к более холодным стенкам верхней поверхности начального участка панели благодаря большей площади теплоотдачи (большей суммарной поверхности панели).

Применить развитую поверхность для нижней стороны панели сложно по эстетическим причинам. Традиционно потолки имеют плоскую нижнюю поверхность. Для выравнивания рабочих температур и для предупреждения конденсации атмосферной влаги на холодных участках нижней стороны панелей предусмотрена теплозадерживающая пленка 12 с различающимися на разных участках теплопроводными характеристиками. Теплопроводящие характеристики пленки на более холодном начальном участке панели выше, чем теплопроводящие характеристики пленки на менее холодном конечном участке панели, что приводит к выравниванию температур на внешней поверхности пленки.

Для предупреждения конденсации атмосферной влаги из наружного воздуха, относительная влажность которого в течение суток постоянно изменяется, для панельных систем обычно предусматривают многоуровневую систему защиты и поддерживают температуру наиболее холодных участков панелей на несколько градусов выше точки росы, что существенно сказывается на холодовой производительности панельных систем охлаждения. В данном устройстве наиболее холодным наружным участком охлаждающей панели является верхняя поверхность начального участка панели. Если установить влажностный датчик, срабатывающий при незначительном переохлаждении данной зоны ниже точки росы, автоматизация данного устройства существенно упростится при поддержании предельного режима охлаждения. Сконденсированная на данном участке влага стекает под действием силы тяжести по углублениям в менее холодную конечную зону панели, где влага вновь испаряется в атмосферу помещения.

1. Способ поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях посредством циркуляции воздуха, продуваемого воздуходувным устройством через теплообменник, внутри которого циркулирует нагретое или охлажденное рабочее тело, и подаваемого по воздуховодам в обогреваемое/охлаждаемое помещение, отличающийся тем, что циркулирующий воздух насыщают мелкодисперсной жидкостью или ее парами, подачу воздуха осуществляют в греющие/охлаждающие панели с теплопроводящими стенками, образующие совместно с воздуховодами, теплообменником и воздуходувным устройством замкнутую циркуляционную систему; мелкодисперсную жидкость и сконденсированные пары перемещают по узким каналам панелей при помощи скоростного напора циркулирующего воздуха.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлажденный циркулирующий воздух насыщают мелкодисперсной жидкостью при помощи туманообразователей.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве туманообразователей применяют ультразвуковые генераторы и/или эжекторные распылительные устройства.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагретый циркулирующий воздух насыщают парами жидкости при помощи парогенератора.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве увлажняющей жидкости применяют дистиллированную воду или водно-спиртовой раствор.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутри замкнутой циркуляционной системы поддерживают разрежение.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость движения циркулирующего воздуха по каналам греющих/охлаждающих панелей увеличивают по мере продвижения по каналу путем уменьшения поперечного сечения канала.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что теплопередающие характеристики стенок каналов греющих/охлаждающих панелей плавно или ступенчато увеличивают согласно направлению движения циркулирующего воздуха.

9. Устройство для поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях, использующее способ по любому из пп.1-8, включающее теплообменник, внутри которого циркулирует нагретое или охлажденное рабочее тело, воздуходувное устройство и воздуховоды, подающие нагретый/охлажденный воздух в помещение, характеризующееся тем, что устройство содержит расположенные в помещении греющие/охлаждающие панели, образующие совместно с воздуховодами, теплообменником и воздуходувным устройством замкнутую систему, и состоящие из двух плоских или гофрированных, герметично соединенных друг с другом по краям поверхностей, между которыми располагаются перегородки, препятствующие смыканию поверхностей друг с другом под действием атмосферного давления и разделяющие внутренний объем панелей на полые ячейки, по которым осуществляется перемещение циркулирующего воздуха.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что теплообменник входит в состав инверторной холодильной системы с возможностью обогрева.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что устройство содержит одно или несколько туманообразующих устройств, размещенных перед нагреваемой зоной, и выполненных с возможностью насыщения мелкодисперсной жидкостью воздуха, поступающего в охлаждающие (тепловоспринимающие) панели или в греющий теплообменник.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что устройство содержит парогенератор, выполненный с возможностью насыщения парами жидкости воздуха, поступающего в греющие панели.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что устройство содержит компрессор или вакуумный насос, поддерживающий разрежение внутри устройства.

14. Устройство по п.9, отличающееся тем, что поперечное сечение внутренних ячеек греющих/охлаждающих панелей плавно или ступенчато уменьшается согласно направлению движения циркулирующего воздуха.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что верхняя сторона ячеек постепенно углубляется по центру от начальной зоны ячейки к конечной, согласно направлению движения циркулирующего воздуха, с выравниванием верхней стороны по краям панелей.

16. Устройство по п.9, отличающееся тем, что теплопередающие характеристики поверхностей греющих/охлаждающих панелей плавно или ступенчато увеличиваются согласно направлению движения циркулирующего воздуха.

17. Устройство по п.9, отличающееся тем, что воздуховоды, соединяющие греющие/охлаждающие панели с воздуходувным устройством и теплообменником, выполнены в виде двух плоских, герметично соединенных друг с другом по краям поверхностей, между которыми располагаются перегородки, препятствующие смыканию поверхностей друг с другом под действием атмосферного давления и разделяющие внутренний объем воздуховодов на полые продольные ячейки, по которым осуществляется перемещение циркулирующего воздуха.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что проемы, соединяющие продольные ячейки воздуховодов и продольные ячейки панелей, расположены вдоль диагонали площадки пересечения панели с воздуховодом и имеют ширину и высоту, обеспечивающую наличие местных зазоров между панелями и воздуховодами.