СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ ЖИЛОГО ДОМА
HEATING SYSTEM OF DOMESTIC BUILDING

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для автономного отопления зданий индивидуального пользования (коттеджей, отдельно стоящих жилых домов).
Многолетние попытки создания так называемого «солнечного дома» для зоны умеренного климата до сих пор нельзя считать успешными. Причина заключается в географических особенностях зоны умеренного климата. На зимние месяцы, когда жилое пространство здания нуждается в отоплении, приходится минимальная продолжительность светового дня и минимальная интенсивность солнечного излучения.
Традиционные солнечные отопительные системы с приемниками солнечного излучения, устанавливаемые, как правило, на крыше, не способны в зимний период обеспечивать приемлемую температуру жилых помещений. Попытки создания аккумулирующей системы, запасающей летнее тепло, также нельзя считать успешными ввиду чрезвычайной громоздкости и дороговизны подобных систем.
За последние годы значительно увеличилось количество систем, использующих для тепло- и холодоснабжения зданий низкопотенциальное тепло земли посредством тепловых насосов.
В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться подземные воды или воды близлежащего водоема.
Преимуществом указанной системы является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах электроэнергии. Однако скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Недостатками системы являются также ее дороговизна и техническая сложность.
Известны отопительные системы, в которых в качестве источника тепла для теплового насоса используют теплую воду, запасаемую в баке.
Недостатком такой системы является малая тепловая емкость водяного бака, так как для аккумулирования тепла используют только процесс нагрева и охлаждения воды.
Известны системы отопления, в которых тепло запасают в теплоаккумуляторах скрытой теплоты. Принцип аккумулирования тепла состоит в том, что материал накапливает значительное количество тепловой энергии при переходе из твердого состояния в жидкое (в период плавления) и отдает накопленное тепло при затвердевании. В процессе фазового превращения вещества его температура не меняется, но выделяется так называемая скрытая теплота фазового перехода, количество которой достаточно велико. Например, для изменения температуры 1 кг воды на 1°С требуется 4,2 кДж. Однако для того, чтобы растаял 1 кг льда, требуется уже 334 кДж.
Для существующих систем отопления температура таяния льда слишком мала для аккумулирования полезного тепла, и поэтому в качестве рабочего тела используют эвтектические соли, имеющие более высокие температуры плавления.
В настоящее время на практике используют 2 вида веществ для теплоаккумуляторов скрытой теплоты: хлорид кальция и сульфат кальция (глауберова соль).
Хлорид кальция имеет точку плавления 29°С, тепловой эффект фазового перехода из твердого в жидкое состояние составляет 175,85 кДж/кг. Глауберова соль плавится при температуре 32,2°С и в процессе плавления аккумулирует 244 кДж/кг. Применение таких солей приводит к существенному уменьшению объемов теплоаккумулирующих отсеков.
Недостатками таких отопительных систем являются их сложность и дороговизна, а также необходимость в системах нагрева.
Известна также (RU, патент 2162990) автономная система отопления для зданий индивидуального пользования, содержащая теплогенераторную установку с регулятором расхода жидкости, турбину, соединенную валом с электрогенератором, насос и батареи отопления, соединенные гидравлически.
Недостатком известной автономной системы следует признать ее относительно высокую стоимость и достаточно дорогостоящую эксплуатацию.
Известна («Основы современной энергетики. Курс лекций менеджеров энергетических компаний», в 2 частях под общей редакцией Аметистова Е.В., М., издание МЭИ, 2002, часть 1 «Современная теплотехника», А.Д.Трухний, А.А.Макаров, В.В.Клименов, с.96-98) отопительная теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), содержащая парогенераторную установку, турбину, соединенную валом с электрогенератором, подогреватель, два насоса, батареи отопления, соединенные гидравлически, вход парогенераторной установки соединен с входом турбины, выход турбины соединен с входом подогревателя, выход которого соединен через первый насос с входом парогенераторной установки, выход батареи отопления соединен через второй насос с входом теплообменника подогревателя.
Известная отопительная теплоцентраль имеет большую мощность парогенераторной установки, выполненной в виде энергетического парового котла высокого давления (более 2 бар) и высокой температуры (более 120°С) и традиционной турбиной с противодавлением на выходе 2 бар и температурой отработанного пара 120°С. Отработанный пар используется для отопления большого числа городских домов.
Такая отопительная теплоэлектроцентраль не может быть использована для зданий индивидуального пользования (коттеджей), так как в них необходимо для обеспечения безопасной эксплуатации использовать пар с низкими давлениями менее 2 бар и температурой менее 120°С.
Известна (RU, патент 2320891) система автономного жизнеобеспечения (САЖ) в условиях низких широт, содержащая систему автономного питания, включающую ветрогенераторную установку для выработки электроэнергии, связанную с потребителями электрической энергии; автоматическую систему управления (АСУ) САЖ, аккумулятор электрической энергии, связанный с ветрогенераторной установкой и потребителями электрической энергии, преобразователь электрической энергии, накопитель горячей воды, связанный с потребителями, тепловой насос с выносными конденсаторами и выносными испарителями, циркуляционный насос, датчики температуры воздуха и воды, причем система автономного питания дополнительно включает фотоэлектрические панели, электрически связанные с указанным аккумулятором электрической энергии, а САЖ дополнительно содержит систему очистки бытовых стоков, а также снабжена системой климат-контроля, включающей приточный вентилятор, установленный в воздуховоде наружного воздуха, рекуператор для теплообмена между поступающим наружным и удаляемым из помещения воздухом, контур охлаждения подаваемого воздуха, хладоаккумулятор, причем выносной испаритель указанного теплового насоса и один теплообменник контура охлаждения размещены внутри хладоаккумулятора, а второй теплообменник указанного контура охлаждения размещен внутри воздуховода подаваемого в помещение воздуха; системой водоснабжения, включающей накопитель пресной воды, связанный с потребителями, водопровод природной воды, снабженный нагнетательным насосом и нагревателем природной воды, солнечную опреснительную установку и электрический дистиллятор, подключенные к водопроводу параллельно после нагревателя, при этом указанная солнечная опреснительная установка и указанный дистиллятор сообщаются с указанным накопителем пресной воды, а нагреватель природной воды выполнен в виде части конденсатора теплового насоса; системой горячего водоснабжения, включающей нагревательный контур с нагревателем, выполненным в виде части конденсатора теплового насоса, сообщающийся с накопителем горячей воды, в свою очередь сообщающимся с накопителем пресной воды через насосную станцию.
Недостатком известной установки следует признать ее высокую стоимость и техническую сложность.
Известна (RU, патент 2324119) автономная система отопления и горячего водоснабжения для зданий индивидуального пользования, содержащая парогенераторную установку, турбину, соединенную валом с электрогенератором, подогреватель, два насоса, батареи отопления, соединенные гидравлически, выход парогенераторной установки соединен с входом турбины, выход турбины соединен с входом подогревателя, выход которого соединен с входом первого насоса, а его выход с парогенераторной установкой, выход батарей отопления соединен через второй насос с входом теплообменника подогревателя, причем парогенераторная установка выполнена из водогрейного котла для квартирного отопления, не менее чем двух последовательно установленных емкостей и проходящего через них теплообменника, вход которого соединен с выходом водогрейного котла, соединение выхода первого насоса с парогенераторной установкой выполнено с каждой из емкостей парогенераторной установки через поплавковые клапаны, установленные в каждой из емкостей, турбина выполнена в виде цилиндрического ротора с внутренней осевой полостью с равномерно расположенными по окружности сквозными прорезями и подводящими к внутренней поверхности ротора не менее чем двумя неподвижными каналами, а также корпуса с выходом для рабочего тела, охватывающего цилиндрический ротор, выход парогенераторной установки выполнен в виде отдельных трубопроводов, каждый из которых соединен с соответствующим неподвижным каналом, причем соединение выхода парогенераторной установки с входом турбины выполнено соединением каждого отдельного трубопровода турбины с отдельным дроссельным клапаном, а автономная система снабжена бойлером с теплообменником, выход которого соединен с входом батарей отопления, а вход - с выходом теплообменника подогревателя, третьим насосом, вход которого соединен с выходом теплообменника, проходящего через емкости парогенераторной установки, а выход - с входом водогрейного котла.
Вода из батарей отопления поступает в теплообменник подогревателя, где вода нагревается при конденсации отработанного пара, одновременно нагретая вода проходит через второй теплообменник бойлера, обеспечивая обогрев и горячее водоснабжение. Вода поступает из теплообменника парогенераторной установки, проходящего через последовательно установленные емкости в водогрейный котел, обеспечивая замкнутый цикл.
Выполнение парогенераторной установки с не менее чем двумя последовательно установленными емкостями с соединением каждой емкости с различными температурами и давлениями насыщенного пара паропроводами с соответствующими неподвижными каналами и сквозными прорезями турбины увеличивает коэффициент полезного действия преобразования тепловой энергии, получаемой от водогрейного котла, в механическую энергию турбины соответственно, мощность турбины будет увеличиваться при переходе от одной емкости к не менее чем двумя емкостям, обеспечивая малые потери преобразования тепловой энергии в механическую энергию турбины.
Автономная система может быть снабжена дополнительным теплообменником, вход и выход которого соединены через вентили соответственно с входом и выходом батарей отопления, что обеспечивает большую мощность, получаемую от турбины и электрогенератора и больший коэффициент полезного действия преобразования тепловой энергии в электрическую энергию за счет охлаждения воды до более низкой температуры в дополнительном теплообменнике.
Указанная автономная система может быть использована в качестве ближайшего аналога.
Недостатком известной установки следует признать ее высокую стоимость и техническую сложность.
Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в разработке системы отопления, позволяющей получать тепло для отопления дома за счет энергии, выделяющейся при замерзании воды.
Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в обеспечении тепловой энергией отдельно стоящего здания путем работы теплового насоса за счет тепла, выделяющегося при фазовом переходе вода-лед.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную систему отопления жилого дома. Разработанная система отопления жилого дома содержит расположенный в подвале дома бассейн, в котором находится система вода-лед-вода, тепловой насос, расположенный с возможностью охлаждения воздуха в воздушном слое, расположенном над верхним слоем воды и нагревом воздуха в отапливаемом помещении, водяной насос, установленный с возможностью перекачивания воды из нижнего слоя в верхний слой, вентилятор, установленный с возможностью откачивания воздуха через вытяжную трубу из указанного воздушного слоя в атмосферу вне дома, при этом указанный воздушный слой дополнительно сообщен с атмосферой.
Действие разработанной системы основано на использовании работы теплового насоса.
Бытовой тепловой насос, как и бытовой холодильник, содержит испаритель, компрессор, конденсатор и дросселирующее устройство. Фреон подбирают такой, чтобы мог закипать даже при минусовой температуре. Поэтому, даже когда совсем холодную воду прогоняют насосом через каналы испарителя, жидкий фреон все равно испаряется. Далее пар втягивается в компрессор, где сжимается. При этом его температура сильно увеличивается (до 90-100°С). Затем горячий и сжатый фреон направляется в теплообменник конденсатора, охлаждаемый водой или воздухом. На холодных поверхностях пар конденсируется, превращаясь в жидкость, а его тепло передается охлаждающей среде. Воду используют в системе отопления или горячего водоснабжения, а фреон, теперь снова жидкий, направляется на дросселирующий вентиль, проходя через который, он теряет давление и температуру, а затем опять возвращается в испаритель. Цикл завершен и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор. Описанная схема работы относится к агрегатам так называемого парокомпрессионного цикла. Помимо этих машин существуют также насосы абсорбционные, термоэлектрические, эжекторные. В бытовых установках используют в основном парокомпрессионные машины.
В дальнейшем сущность изобретения будет рассмотрена с использованием графического материала. На чертеже приняты следующие обозначения: бассейн 1, нижний слой воды 2, верхний слой воды 3, тепловой насос 4, водяной насос 5, вентилятор 6, вытяжная труба 7, приточное отверстие 8, слой льда 9.
Установка работает следующим образом. Тепловой насос 4 засасывает воздух из воздушного слоя с температурой около 0°С над бассейном 1, передает тепло забранного воздуха в отапливаемое помещение и возвращает охлажденный до отрицательной температуры (-5°С) воздух к поверхности верхнего слоя воды 3. При контакте воды и воздуха с температурой -5°С вода замерзает, а воздух нагревается до -1÷0°С. Убыль воды в верхнем слое 3 восполняется насосом 5 из нижнего слоя воды 2. При положительной температуре наружного воздуха включается вентилятор 6, который подает воздух в вытяжную трубу 7. За счет контакта теплого воздуха лед 9 тает, и происходит восполнение воды в бассейне 1. Приток теплого воздуха происходит через приточное отверстие 8.
2
2
Для средней полосы России реально построить дом с годовым расходом тепла около 50 кВт·ч/м (утеплитель - минеральная вата, окна - стеклопакеты), то есть для дома площадью 100 м для отопления необходимо 5000 кВт·ч тепловой энергии в год.
Удельное тепловыделение при фазовом переходе вода-лед:
λ=334 кДж/кг = 0.093 кВт×час/кг
На год необходим запас воды:
М=5000:0.093=53760 кг
3
или 54 м
Для здания размерами 10×10 м средняя глубина бассейна, расположенного под зданием, составит один метр.
3
1. В теплое время года лед необходимо растопить за счет притока теплого воздуха. При разности температур между наружным воздухом и льдом Δt=10°С, производительности вентилятора D=1 м/сек (G=1.3 кг/сек), теплоемкости воздуха С=1 кДж/кг×град лед массой М=53760 кг растает за время
τ=(M×λ)/(C×G×Δt)=53760×334/(1×1.3×10)=1381218 сек = 16 суток
Мощность вентилятора при данной производительности составляет 0.2 кВт.