ОТОПИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
HEATING SYSTEM

Настоящее изобретение относится к замкнутой отопительной системе, содержащей, по меньшей мере один замкнутый контур циркуляции текучей среды, по меньшей мере одно устройство, принимающее тепловую энергию, и по меньшей мере одно устройство, отдающее тепловую энергию. Кроме того, изобретение относится к локальной коммунальной сети теплоснабжения и/или к сети централизованного теплоснабжения.
Сети централизованного теплоснабжения, предназначенные для отопления домов и других зданий, хорошо известны, в частности, в определенных странах. В сетях централизованного теплоснабжения, теплоноситель (обычно воду и/или водяной пар с некоторыми добавками) нагревают в центральном пункте. Оттуда теплоноситель распределяют по трубам, а иногда и через промежуточные теплообменники или смешивающие контуры во множество зданий. В зданиях, теплоноситель используют в общих целях отопления. Теплоноситель используют для отопления помещений в здании (например, путем подогрева пола или посредством нагревательных радиаторов), а также, например, для нагрева водопроводной воды.
Централизованное отопление сети централизованного теплоснабжения может обеспечить повышенную эффективность. В частности, может быть использовано отходящее тепло от промышленных предприятий и/или электростанций. Это позволяет снизить потребление первичной энергии.
Наличие разнообразного отопительного оборудования в существующих зданиях приводит к необходимости обеспечения относительно высокой температуры теплоносителя в точке его передачи к подключенному зданию. Например, требуется, чтобы температура водопроводной воды составляла по меньшей мере от примерно 45°C до 60°C. Для того чтобы нагреть водопроводную воду до указанной температуры, температура теплоносителя должна быть выше. Таким образом, температура теплоносителя в точке его передачи к подключенному зданию должна быть по меньшей мере 60°C.
Однако такая высокая температура может привести к высоким тепловым потерям в системе труб. Чем выше температура, тем больше потери тепловой энергии при ее транспортировке от системы централизованного отопления к подключенному зданию. В этой связи возникает необходимость в наличии сложной системы теплоизоляции, что увеличивает затраты на монтаж системы централизованного теплоснабжения.
Кроме того, в случае длинных труб до удаленных зданий температура в трубах может упасть ниже приемлемой рабочей температуры. В результате, требуется приложить значительные усилия для того, чтобы модернизировать удаленные участки системы централизованного теплоснабжения. Температура в трубах также может упасть ниже приемлемой рабочей температуры, когда тепло по ним поступает в здания с небольшой тепловой нагрузкой.
В патентном документе US 4187982 раскрыта отопительная система, содержащая множество тепловых аккумуляторов. В известной отопительной системе тепловая энергия от удаленной тепловой сети сохраняется в часы наименьшей нагрузки, а в период наибольшей нагрузки указанная накопленная энергия расходуется. Хотя данная система позволяет решить некоторые проблемы, необходимость в обеспечении высокой температуры теплоносителя в точке его передачи от удаленной тепловой сети по-прежнему сохраняется.
Техническое решение, раскрытое в патентном документе US 6913076 B1, предназначено для повторного использования отходящего тепла, выделяемого на промышленных предприятиях. Тепло получают из потока отработанной жидкости посредством теплового насоса и направляют в теплообменник, в котором температура входящего потока жидкости повышается. В отличие от US 6913076 B1, для того чтобы обеспечить эффективность сетей централизованного теплоснабжения, требуется замкнутый контур циркуляции текучей среды.
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в создании отопительной системы, которую можно эффективно использовать применительно к сетям централизованного теплоснабжения.
В результате, предложена замкнутая отопительная система, содержащая по меньшей мере один замкнутый контур циркуляции текучей среды, по меньшей мере одно устройство, принимающее тепловую энергию, и по меньшей мере одно устройство, отдающее тепловую энергию, причем предусмотрено по меньшей мере одно активное устройство, передающее тепловую энергию, которое передает тепловую энергию от по меньшей мере одной первой части контура циркуляции текучей среды к по меньшей мере одной второй части контура циркуляции текучей среды. Хотя может показаться, что передавать тепловую энергию в замкнутом контуре циркуляции текучей среды от одной точки к другой затруднительно, это позволит решить множество проблем, связанных с использованием систем централизованного теплоснабжения. В частности, это позволит уменьшить температуру (преднамеренно или непреднамеренно), которую следует обеспечить в точке передачи теплоносителя от удаленной части системы централизованного теплоснабжения к подключенному зданию. Несмотря на снижение температуры на входе, высокую температуру теплоносителя, необходимую для некоторых видов нагревательного оборудования, по-прежнему можно обеспечить. То есть можно, например, гарантировать достаточно горячую водопроводную воду. Следует понимать, что оборудование, требующее на входе высокой температуры (например, выше 40°C, 50°C, 60°C, 70°C или 80°C), как правило, расходует только часть общей потребляемой тепловой энергии. Большая часть потребляемой тепловой энергии обычно используется для отопления помещений. Однако, нагревательные приборы для отопления помещений (например, нагревательные радиаторы и, в частности, системы напольного отопления), могут работать эффективно при гораздо более низких температурах. В точке передачи достаточной может оказаться, например, температура теплоносителя в 40°C, 45°C, 50°C, 55°C, 60°C, 65°C, 70°C или 75°C. Таким образом, настоящее изобретение позволяет обеспечить более низкую температуру теплоносителя в точке передачи. Такая пониженная температура теплоносителя в точке передачи может быть обеспечена, по существу, постоянно. Это позволит уменьшить степень теплоизоляции сети централизованного теплоснабжения. Кроме того, к существующей сети централизованного теплоснабжения могут быть добавлены дополнительные потребители, при этом нет необходимости в предварительной подгонке существующей сети. Однако, также возможен вариант, когда пониженная температура теплоносителя будет обеспечена только по мере необходимости. Благодаря этому можно преодолевать периоды максимальной нагрузки без каких-либо заметных потерь в качестве предоставляемых отопительных услуг. Под "активным устройством, передающим тепловую энергию", как правило, понимают устройство, выполненное с возможностью передачи тепловой энергии в направлении, противоположном нормальному направлению тепловой диффузии, по меньшей мере время от времени. Под "устройством, принимающим тепловую энергию", как правило, понимают устройство, способное принимать тепловую энергию, по меньшей мере время от времени. Это может быть простой теплообменник. В принципе, это может быть нагревательное устройство, типа электрического нагревателя или масляного нагревателя. Под "устройством, отдающим тепловую энергию", как правило, понимают устройство, способное отдавать тепловую энергию, по меньшей мере время от времени. Это может быть простой теплообменник, нагревательный радиатор, система напольного отопления и другое подобное устройство.
Замкнутая отопительная система предпочтительно спроектирована таким образом, что внутри указанного замкнутого контура циркуляции текучей среды обеспечено наличие по меньшей мере одного теплоносителя, причем по меньшей мере один теплоноситель предпочтительно имеет повышенный коэффициент удельной теплоемкости. Таким образом, предложенную замкнутую отопительную систему можно использовать применительно к уже существующим сетям централизованного теплоснабжения. Следовательно, значительно повышается степень применимости предложенной системы. Кроме того, благодаря тому, что используются уже имеющиеся теплоносители, можно применять теплоносители, широкодоступные на рынке. При использовании теплоносителей, имеющих повышенную удельную теплоемкость, можно значительно увеличить мощность передачи теплоты всей системы. В частности, в качестве теплоносителя можно использовать воду. Разумеется, в воду можно добавлять различные добавки для реализации различных технических функций, таких как предотвращение коррозии и прочее. Помимо того, что вода имеет высокий коэффициент удельной теплоемкости, она широкодоступна и относительно экономична.
Кроме того, замкнутая отопительная система предпочтительно спроектирована таким образом, что указанное активное устройство, передающее тепловую энергию, по меньшей мере частично передает тепловую энергию от резервуара с низкотемпературной энергией к резервуару с высокотемпературной энергией. Понятие "частично" относится не только к ситуации, когда устройство, передающее тепловую энергию, передает только часть тепловой энергии, но дополнительно и/или в качестве альтернативы к ситуации, когда указанная передача происходит лишь по мере необходимости. Резервуар с высокотемпературной энергией представляет собой, в частности, тепловой резервуар, термически соединенный с устройством, требующим высокой температуры (на входе). Указанным устройством, требующим высокой температуры на входе, может быть, например, система генерации горячей воды. Однако, возможны также другие устройства.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одно из указанных активных устройств, передающих тепловую энергию, выполнено в виде теплового насоса и/или в виде элемента Пельтье и/или в виде адсорбционной машины. Тепловой насос может, в частности, иметь компоновку, в которой хладагент движется в замкнутом контуре хладагента, причем хладагент претерпевает одно или несколько фазовых превращений. Тепловые насосы указанной конструкции широкодоступны на рынке по сравнительно низким ценам. В частности, поскольку активное устройство, передающее тепловую энергию, передает только относительно небольшое количество тепловой энергии, его можно выполнить сравнительно небольшого размера. Например, активное устройство, передающее тепловую энергию, мощность передачи теплоты которого составляет примерно 1/2 кВт или 1 кВт, как правило, отличается достаточно большими размерами. При использовании теплового насоса стандартной конструкции, компрессор может иметь мощность, например, лишь в 50 Вт, 60 Вт, 70 Вт, 80 Вт, 90 Вт или 100 Вт. Кроме того, возможны другие варианты исполнения активного устройства, передающего тепловую энергию, которые отличаются определенными преимуществами. Например, элементы Пельтье, как правило, не содержат подвижных частей, в результате, они имеют особо длительный срок службы. Кроме того, данные устройства, как правило, бесшумны. С другой стороны, целесообразным может оказаться использование адсорбционных машин. Например, они могут работать с пламенем или другим источником тепла.
По меньшей мере одно из указанных устройств, принимающих тепловую энергию, предпочтительно выполнено в виде части сети централизованного теплоснабжения, в частности в виде теплообменника, подключенного с первой стороны к указанной сети централизованного теплоснабжения, а со второй стороны - к указанному контуру циркуляции текучей среды. В результате, тепловая энергия от сети централизованного теплоснабжения может быть использована в замкнутой отопительной системе, при этом соответствующие теплоносители не должны быть общими. Следовательно, можно использовать теплоносители с оптимальными характеристиками, в том числе эквивалентные теплоносители, содержащие различные добавки. Это позволяет еще больше повысить эффективность задействованных систем. Очевидно, что, используя тепловую энергию сети централизованного теплоснабжения, можно добиться традиционных преимуществ систем централизованного теплоснабжения.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одно из указанных устройств, принимающих тепловую энергию, выполнено в виде внешнего источника тепловой энергии, в частности в виде теплового коллектора и/или в виде внешнего нагревателя. Благодаря этому, тепловую энергию можно подавать в замкнутую отопительную систему без забора тепловой энергии из сети централизованного теплоснабжения. Это может быть целесообразным по ряду причин. Например, можно преодолеть максимальную нагрузку сети централизованного теплоснабжения, в которой единица тепловой энергии является очень дорогой. Кроме того, в дополнении к тепловой энергии, обеспечиваемой сетью централизованного теплоснабжения, можно использовать экономичный и/или экологически безопасный источник энергии (который может быть доступен не все время). Указанный внешний источник тепловой энергии, в принципе, может снабжать тепловой энергией любую часть замкнутой отопительной системы. На практике внешний источник тепловой энергии предпочтительно располагают в той части замкнутого контура циркуляции текучей среды, в которой он по своим технологическим параметрам наилучшим образом согласуется с соответствующей частью замкнутого контура циркуляции текучей среды замкнутой отопительной системы. Таким образом, внешний источник тепловой энергии, на выходе обеспечивающий высокую температуру, как правило, помещают в высокотемпературной части контура циркуляции текучей среды (например, нагреватель горячей водопроводной воды). Очевидно, что соответствующий внешний источник тепловой энергии можно подключать к различным частям замкнутого контура циркуляции текучей среды. В частности, это применимо к внешним источникам тепловой энергии, обеспечивающим различную выходную температуру с течением времени (что, например, справедливо для тепловых коллекторов). Это можно реализовать за счет переключаемых клапанов.
Кроме того, можно предусмотреть множество замкнутых отопительных систем, соединенных по текучей среде и образующих, в частности, локальную коммунальную сеть теплоснабжения. Таким образом, можно сократить число точек передачи тепловой энергии в сети централизованного теплоснабжения. Отдельные узлы замкнутых отопительных систем могут быть соединены друг с другом по текучей среде или могут быть термически связаны друг с другом (то есть, с разделом текучей среды). Очевидно, что также возможны гибридные компоновки. За счет соединения отдельных узлов локальной коммунальной сети теплоснабжения (термически или по текучей среде), можно даже обеспечить передачу тепловой энергии от одного узла к другому. Например, если только часть зданий, образующих локальную коммунальную сеть теплоснабжения, имеют тепловые коллекторы, то тепловую энергию, накопленную указанными тепловыми коллекторами, могут использовать здания, не оснащенные тепловыми коллекторами. В результате, можно размещать тепловые коллекторы в солнечных местах и за счет этого получать оптимальный режим работы локальной коммунальной сети теплоснабжения при низких капитальных вложениях.
Предпочтительно в замкнутой отопительной системе указанная вторая часть контура циркуляции текучей среды выполнена с возможностью подачи тепловой энергии в систему горячего водоснабжения. Таким образом, можно использовать повышенную температуру, обеспечиваемую активным устройством, передающим тепловую энергию. Как было отмечено выше, для того чтобы обеспечить нагрев водопроводной воды, необходима относительно высокая температура примерно в 45°C или 60°C (или даже выше). В результате, активное устройство, передающее тепловую энергию, может быть использовано для оказания услуг, требующих такой повышенной температуры.
Указанная первая часть контура циркуляции текучей среды может быть соединена по текучей среде с прямым трубопроводом контура циркуляции текучей среды. К "прямому трубопроводу", в частности, относится трубопровод, по которому движется теплоноситель, непосредственно поступающий из по меньшей мере одного устройства, принимающего тепловую энергию, в частности из точки передачи тепловой энергии между удаленной частью системы централизованного теплоснабжения и замкнутым контуром циркуляции текучей среды (например, из теплообменника, соединяющего обе части термически). Таким образом, наиболее высокая температура, которая может быть легко обеспечена для резервуара с низкотемпературной энергией активного устройства, передающего тепловую энергию, используется в качестве входной температуры для резервуара с низкотемпературной энергией. Это позволяет свести к минимуму работу, выполняемую активным устройством, передающим тепловую энергию. Это, в свою очередь, позволяет повысить эффективность замкнутой отопительной системы. Благодаря этому, можно, в частности, снизить потребление электрической энергии, а также изготовить активное устройство, передающее тепловую энергию, меньших размеров.
Кроме того, в предлагаемой замкнутой отопительной системе обратный поток теплоносителя в указанной первой части контура циркуляции текучей среды может быть по меньшей мере частично соединен с обратным трубопроводом контура циркуляции текучей среды и/или с потребителем тепла, предпочтительно с системой отопления помещения, в частности с системой напольного отопления. Следует понимать, что температура теплоносителя, выходящего из указанной первой части контура циркуляции текучей среды, уменьшается на величину, зависящую от рабочей нагрузки активного устройства, передающего тепловую энергию. Предпочтительно, обратный поток теплоносителя в зависимости от его температуры направляют в соответствующее устройство. Если, например, температура теплоносителя очень низкая, то лучше всего возвратить его напрямую в обратный трубопровод для повторного нагрева теплом, поступающим из сети централизованного теплоснабжения. Если температура обратного теплоносителя по-прежнему относительно высокая (например, 25°C, 30°C или 35°C), то оставшуюся тепловую энергию теплоносителя можно использовать, например, для подогрева пола. Для переключения между различными режимами можно использовать переключаемые клапаны. Очевидно, что возможны и другие способы переключения. Например, можно увеличивать поток теплоносителя в периоды высокой нагрузки активного устройства, передающего тепловую энергию, и, тем самым, увеличивать выходную температуру первой части контура циркуляции текучей среды.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один из указанных источников тепловой энергии, в частности по меньшей мере один из указанных тепловых коллекторов, по меньшей мере частично термически соединен с указанной второй частью замкнутой отопительной системы и/или с системой горячего водоснабжения и/или с локальной коммунальной сетью теплоснабжения и/или с сетью централизованного теплоснабжения. Таким образом, можно особенно эффективно использовать тепловую энергию, выделяемую данными источниками тепловой энергии. Это возможно благодаря тому, что указанные источники тепловой энергии, как правило, имеют на выходе повышенную или даже высокую температуру. Такую высокую температуру (например, выше 55°C или 60°C) обычно могут непосредственно использовать потребители тепла, требующие на входе повышенной температуры, например, водонагреватели, обеспечивающие горячую водопроводную воду. За счет (по меньшей мере, частично) тепловой энергии, выделяемой указанными источниками тепловой энергии, на указанное активное устройство, передающее тепловую энергию, должно быть передано меньше тепловой энергии. Это позволяет сэкономить энергию, например электрическую энергию, необходимую для приведения в действие теплового насоса. Однако, тепловую энергию, выделяемую указанными источниками тепловой энергии, можно также использовать для распределения по сети централизованного теплоснабжения и/или по локальной коммунальной сети теплоснабжения. То есть, можно нагреть одно здание, используя тепловую энергию, вырабатываемую в другом здании. В частности, это применимо в отношении тепловых коллекторов, поскольку, например, некоторые люди предпочитают иметь тепловые коллекторы, а другие - нет. Это связано с тем, что тепловые коллекторы эффективны в определенных местах и целесообразны по той или иной причине, что, например, может быть определено эстетикой здания. При распределении тепловой энергии по сети, тепловые коллекторы можно расположить в наиболее подходящих местах, это позволяет снизить капитальные вложения и/или повысить эффективность сети.
Кроме того, указанную замкнутую отопительную систему можно выполнить с возможностью функционирования при пониженной температуре теплоносителя, в частности, в прямом трубопроводе и/или в обратном трубопроводе. Как было упомянуто выше, это позволяет уменьшить потери энергии в удаленной части сети централизованного теплоснабжения и/или увеличить количество подключенных зданий, даже без расширения сети централизованного теплоснабжения. В частности, температуру в прямом трубопроводе можно выбрать на уровне 35°C, 40°C, 45°C или 50°C.
Кроме того, в настоящем изобретении предложена локальная коммунальная сеть теплоснабжения и/или сеть централизованного теплоснабжения, которая содержит по меньшей мере одну замкнутую отопительную систему, раскрытую выше.
Настоящее изобретение и его преимущества станут более очевидными при изучении нижеследующего описания предпочтительных вариантов его осуществления, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
на фиг.1 схематично показана часть отопительной системы в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.2 схематично показана часть отопительной системы согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фиг.3 схематично изображена часть отопительной системы в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
на фиг.4 схематично показан возможный вариант выполнения теплового насоса;
на фиг.5 представлен смешивающий контур;
на фиг.6 проиллюстрировано прямое подключение.
Для того чтобы упростить последующее объяснение изобретения, на чертежах указаны значения температур. Данные значения приведены лишь в качестве примеров возможных температур и/или температурных диапазонов, и ни в каком случае не ограничивают настоящее изобретение.
На фиг.1 изображен первый вариант отопительной системы 1, в которой используют тепловую энергию сети 3 централизованного теплоснабжения. Под отопительной системой следует понимать всю систему, включающую в себя котельную, любые подстанции и здания, подключенные к системе. Для простоты на чертежах изображена только часть предлагаемой системы. Отопительная система 1 изображена схематично.
Отопительная система 1 снабжает здание 2 тепловой энергией несколькими способами.
Прежде всего, отопительная система 1 подводит тепло для отопления помещений внутри здания 2. Для этого, в примере, изображенном на фиг.1, предусмотрены две различные отопительные системы. Во-первых, тепловую энергию подают на нагревательные радиаторы 5 (на фиг.1 изображен только один нагревательный радиатор 5). Во-вторых, отопительная система 1 также обслуживает систему 6 напольного отопления. И нагревательные радиаторы 5, и система 6 напольного отопления могут быть расположены в одном помещении. Однако, как правило, в одних помещениях предусматривают нагревательные радиаторы 5, а в других помещениях - систему 6 напольного отопления.
Кроме того, отопительная система 1 снабжает тепловой энергией систему 7 горячего водоснабжения. Система 7 горячего водоснабжения предназначена для обеспечения горячей водопроводной воды 8, которую используют в различных целях, например, в процессе принятия душа, ванны, для мытья рук, в посудомоечных машинах, стиральных машинах и в различных других целях. В проиллюстрированном варианте, система 7 горячего водоснабжения содержит тепловой аккумулятор 9 и установку 10 пресной воды. Тепловой аккумулятор 9 и установка 10 пресной воды термически соединены посредством теплообменника 11. Хотя данный вариант компоновки из-за наличия теплообменника 11 характеризуется некоторыми тепловыми потерями, он обладает существенным преимуществом с точки зрения гигиенических требований. Это имеет особое значение, если горячую воду будут использовать для принятия душа, питья, чистки зубов и в других целях. Благодаря тому, что установка 10 пресной воды выполнена отдельно, холодная водопроводная вода 12 нагревается в теплообменнике 11 и сразу после этого подается, например, через водопроводный кран 8.
Как показано на фиг.1, отопительная система 1 здания 2 не соединена с сетью 3 централизованного теплоснабжения ни напрямую, ни в отдельности. Вместо этого сеть 3 централизованного теплоснабжения термически соединена с локальной сетью 4 теплоснабжения посредством теплообменника 13, расположенного в точке передачи, или посредством смешивающего контура, как изображено на фиг.5. В качестве альтернативы, локальная сеть 4 теплоснабжения может быть напрямую подключена к сети централизованного теплоснабжения, как показано на фиг.6. В локальной сети 4 теплоснабжения несколько зданий 2, каждое из которых имеет отопительную систему 1, взаимосвязаны и образуют малую локальную сеть 4 теплоснабжения, которая снабжает тепловой энергией группу зданий 2, например, квартал, улицу и так далее. В локальной сети 4 теплоснабжения, несколько отопительных систем 1 могут быть подсоединены напрямую (обеспечивая обмен текучей средой, как изображено на фиг.1), или могут быть соединены только термически посредством теплообменников.
Как показано на фиг.1, в сети 3 централизованного теплоснабжения температура теплоносителя в прямом трубопроводе, поступающего в теплообменник 13, расположенный в точке передачи, составляет 80°C. Температура теплоносителя в обратном трубопроводе сети 3 централизованного теплоснабжения находится, как правило, в диапазоне от 20°C до 35°C. Довольно низкая температура в обратном трубопроводе является результатом использования настоящего изобретения. В настоящее время температура в прямом трубопроводе составляет примерно 60-110°C, а температура в обратном трубопроводе - примерно 30-50°C.
С помощью локальной сети 4 теплоснабжения к сети 3 централизованного теплоснабжения подключено относительно много зданий 2. В примере, изображенном на фиг.1, число зданий 2 превышает обычно допустимое количество зданий 2, подсоединяемых к сети 3 централизованного теплоснабжения рассматриваемой конфигурации и/или к теплообменнику 13, расположенному в точке передачи. Подобная ситуация может легко возникнуть в развивающихся жилых районах и/или когда тепловая нагрузка особенно высока (что может произойти, например, в утренние часы, когда необходимо повысить температуру в зданиях 2 с ночной до дневной температуры).
Даже в случае высокой тепловой нагрузки в локальной сети 4 теплоснабжения, в указанной сети 4 можно поддерживать низкую температуру. В приведенном примере, температура теплоносителя, выходящего из теплообменника 13, расположенного в точке передачи, через прямой трубопровод 14, находится на уровне всего 40°C. Температура теплоносителя, возвращающегося в теплообменник 13, расположенный в точке передачи, через обратный трубопровод 15 отопительной системы 1, находится в диапазоне от примерно 10°C до примерно 30°C.
В связи с тем, что температура в прямом трубопроводе 14 довольно низкая, не во все нагревательные приборы 5, 8 можно подавать теплоноситель, выходящий непосредственно из прямого трубопровода 14. В изображенном здесь примере система 6 напольного отопления может непосредственно работать с теплоносителем, поступающим из прямого трубопровода 14 при температуре 40°C. Однако, для систем 6 напольного отопления температура даже в 40°C может оказаться слишком высокой. В результате, предусматривают смешивающий контур 16, который доводит до требуемых условий теплоноситель, поступающий в систему 6 напольного отопления через подающий трубопровод 19. Смешивающий контур 16, как таковой, хорошо известен из уровня техники. По существу, предусмотрено несколько клапанов 17, 17a, 17b, температурный датчик 48 и насос 18, которые обеспечивают смешивание теплого и холодного теплоносителя таким образом, что температура теплоносителя, подводимого в систему 6 напольного отопления через подающий трубопровод 19, находится на допустимом уровне. Следует отметить, что в примере, изображенном на фиг.1, с горячим теплоносителем, выходящим из теплообменника 13, расположенного в точке передачи, смешивают не только теплоноситель, возвращающийся из системы 6 напольного отопления через обратный трубопровод 20 (следовательно, имеющий более низкую температуру), но также теплоноситель, поступающий из соединительного трубопровода 21. Температура теплоносителя в соединительном трубопроводе 21 находится обычно в диапазоне между (несколько выше) температурой в прямом трубопроводе 14 локальной сети теплоснабжения и (несколько ниже) температурой теплоносителя, возвращающегося из системы напольного отопления. Место стыка соединительного трубопровода 21 со смешивающим контуром расположено таким образом, что вода со средней температурой из соединительного трубопровода 21 имеет более высокий приоритет, чем вода из обратного трубопровода 20. В результате, удается сэкономить поток воды из прямого трубопровода 14 локальной сети теплоснабжения и понизить температуру теплоносителя в обратном трубопроводе 15. Соединительный трубопровод 21 соединен с низкотемпературной частью 22 теплового насоса 23. Подробное описание данных элементов приведено ниже.
Однако, в остальные нагревательные приборы отопительной системы 1 теплоноситель следует подавать при более высокой температуре. К таким нагревательным приборам относятся, например, стандартные нагревательные радиаторы 5 и/или система 7 горячего водоснабжения для подачи горячей водопроводной воды 8.
Температурный уровень меняется. В частности, в холодную погоду существует потребность в более высокой температуре теплоносителя в радиаторах, в то время как в относительно теплую погоду температура в радиаторах может быть на уровне 40°C. Для того чтобы обеспечить эффективность подобных систем, уровень температуры теплоносителя в подающем трубопроводе 25 должен находиться в диапазоне по меньшей мере от 50°C до 55°C (или выше). В противном случае, горячая водопроводная вода, выходящая из водопроводного крана 8, будет, например, слишком холодной.
Фактически, именно по этой причине известные из уровня техники системы централизованного теплоснабжения требуют на входе температуру примерно в 60°C или выше. Обеспечение на входе высокой температуры также связано с тем, что высокие температуры снижают риск биологического загрязнения, например, бактериями, такими как легионелла.
Однако в проиллюстрированной отопительной системе 1 низкая температура теплоносителя в прямом трубопроводе 14 (отходящем непосредственно от теплообменника 13, расположенного в точке передачи) больше не является проблемой, поскольку в отопительной системе 1 предусмотрен тепловой насос 23. Тепловой насос 23 содержит низкотемпературную часть 22 и высокотемпературную часть 24 (см. также фиг.4). В низкотемпературную часть 22 теплового насоса 23 подают тепловую энергию, поступающую из теплообменника 13, расположенного в точке передачи. Тепловая энергия теплоносителя передается в испаритель 26 контура 27 хладагента теплового насоса 23 (по сравнению с фиг.4). В испарителе 26 теплового насоса 23 тепло поглощается испаряющимся хладагентом. Хладагент сжимается в компрессоре 28 и попадает в конденсатор 29 контура 27 хладагента. В конденсаторе 29 теплового насоса 23 тепло передается через теплообменник той части теплоносителя, которая выходит из теплообменника 13, расположенного в точке передачи, через прямой трубопровод 14. В данной части насоса, относительно низкая температура теплоносителя в 40°C повышается до допустимого уровня примерно от 50°C до 55°C. Эта часть насоса образует высокотемпературную часть 24 теплового насоса 23.
Из высокотемпературной части 24 теплового насоса 23 хладагент направляют через дроссель 33 обратно в испаритель 26. В дросселе 33 давление снижается, что приводит к падению температуры хладагента. В результате, хладагент получает возможность поглощать тепловую энергию теплоносителя, протекающего через низкотемпературную часть 22 насоса. Поскольку теплоноситель, выходящий из низкотемпературной части 23 насоса через соединительный трубопровод 21, имеет пониженную температуру за счет действия на него теплового насоса 23, указанный теплоноситель можно использовать в смешивающем контуре 16 системы 6 напольного отопления. Однако если температура теплоносителя такова, что он не пригоден для использования в смешивающем контуре, его можно возвратить, частично или в полном объеме, непосредственно в обратный трубопровод 15, ведущий к теплообменнику 13, расположенному в точке передачи, путем открытия клапана 17a и закрытия клапана 17b.
Теплоноситель, выходящий из высокотемпературной части 24 теплового насоса 23 по трубопроводу 30 для горячей текучей среды, можно использовать для подогрева бака-накопителя 32 тепла теплового аккумулятора 9 и/или для подачи различным потребителям тепла, таким как система 7 горячего водоснабжения или нагревательные радиаторы 5. Для того чтобы еще больше повысить качество обслуживания отопительной системы 1, можно предусмотреть дополнительные нагреватели 31. В рассматриваемом примере, дополнительный нагреватель 31 расположен внутри бака-накопителя 32 тепла теплового аккумулятора 9.
Теплоноситель в радиаторы 5 также может поступать из прямого трубопровода 14, причем данный процесс контролируется клапанами 53 и 54. Некоторые радиаторы могут работать при температуре в 40°C в течение большей части года. Только зимой, когда повышается тепловая нагрузка, необходимо обеспечить более высокую температуру теплоносителя в радиаторах 14.
Следует обратить внимание на то, что основным потребителем тепла отопительной системы 1 является система 6 напольного отопления. Нагревательные приборы, которые требуют на входе высокой температуры (например, система 7 горячего водоснабжения), расходуют, как правило, незначительную часть общей тепловой нагрузки. Это связано с тем, что обычно такие приборы используются по мере необходимости. Таким образом, тепловой насос 23 можно выполнить с относительно низкой мощностью передачи теплоты. В примере, изображенном на фиг.1, электрическая мощность теплового насоса 23 составляет примерно 70 Вт. Это соответствует мощности передачи теплоты примерно в 0,5 кВт. Из этого следует, что в рассматриваемой отопительной системе можно использовать тепловой насос 23, размеры которого соответствуют размерам стандартного компрессора холодильника. В случае если мощность теплового насоса 23 выше, можно предусмотреть дополнительный нагреватель 31, например, для обеспечения недостающей тепловой мощности.
Следует отметить, что подача в нагревательные радиаторы 5 высокотемпературного теплоносителя, нагретого посредством теплового насоса 23, энергетически уступает процессу подачи низкотемпературного теплоносителя в систему 6 напольного отопления. Однако в некоторых случаях от нагревательных радиаторов 5 невозможно отказаться. Например, при реконструкции дома может возникнуть ситуация, когда установка системы 6 напольного отопления во всех помещениях существующего здания невозможна.
Очевидно, что описанную отопительную систему 1 можно успешно применять, когда температура теплоносителя в прямом трубопроводе 14 локальной сети теплоснабжения настолько высока, что нет необходимости задействовать тепловой насос. В этом случае тепловой насос 23 можно выключить. В результате, теплоноситель, выходящий из теплообменника 13, расположенного в точке передачи, через прямой трубопровод 14, оказывается в некотором смысле термически связанным напрямую с тепловым аккумулятором 9 и/или нагревательными радиаторами 5. Описанная здесь отопительная система 1 может быть использована в качестве резервной, например, когда сеть централизованного теплоснабжения или локальная сеть теплоснабжения работает при низкой температуре по причине дорогостоящего топлива при максимальной нагрузке, такого как нефть или газ.
На фиг.2 показана отопительная система 34 здания 2 в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Тепловую энергию в отопительную систему 34 подают, по существу, через сеть 3 централизованного теплоснабжения. Как и в варианте, изображенном на фиг.1, отопительная система 34 здания 2 соединена по текучей среде с отопительной системой 34 другого здания 2 через локальную сеть 4 теплоснабжения.
Отопительная система 34 по своей компоновке подобна отопительной системе 1, представленной на фиг.1. В данной отопительной системе 34 в тепловом аккумуляторе 35 не предусмотрено нагревательных радиаторов 5. Тем не менее, специалисту в данной области техники очевидно, что указанные нагревательные радиаторы 5 можно легко подсоединить к прямому трубопроводу 14.
По сравнению с отопительной системой 1, представленной на фиг.1, тепловой аккумулятор 35 отопительной системы 34 имеет иную компоновку, при этом особое внимание уделено тому, чтобы обеспечить более низкую температуру обратного теплоносителя. Это реализовано за счет использования в тепловом аккумуляторе 35 теплообменника 36 предварительного нагрева. Пресная вода, поступающая из трубопровода 12 для холодной водопроводной воды и имеющая температуру примерно от 10°C до 20°C, сначала проходит через указанный теплообменник 36 предварительного нагрева. Здесь она нагревается до промежуточной температуры примерно в 35°C за счет теплоносителя, проходящего через обратный трубопровод 14 из теплообменника 13, расположенного в точке передачи. Нагревание осуществляется посредством теплообменника 36 предварительного нагрева, в результате, локальная сеть 4 теплоснабжения и тепловой аккумулятор 35 не имеют соединения по текучей среде. Как показано на фиг.2, можно даже предусмотреть трубопровод 37 с теплоносителем промежуточной температуры, который предназначен для снабжения теплообменника 36 предварительного нагрева. Здесь, для начального нагрева пресной холодной водопроводной воды 12 используют обратный теплоноситель, выходящий из обратного трубопровода 20 системы 6 напольного отопления и имеющий температуру примерно от 20°C до 30°C.
Очевидно, что, если температура воды в баке 49 для горячей водопроводной воды очень низкая (в частности, ниже 35°C-40°C), то для ее нагревания (по меньшей мере, частично) в теплообменнике 36 предварительного нагрева, обеспечивают ее циркуляцию в тепловом аккумуляторе 35 посредством насоса 18. В определенный момент, циркулирующая вода будет термически отсоединена от теплообменника 36 предварительного нагрева, что может быть реализовано путем закрытия прямого трубопровода 46 теплообменника 36 предварительного нагрева и/или посредством обводного трубопровода 47 теплообменника 36 предварительного нагрева со стороны теплового аккумулятора 35 за счет переключения соответствующего трехходового клапана 55. Далее, происходит включение теплового насоса 23. Благодаря этому отопительная система 34 повышает температуру в тепловом аккумуляторе 35 до температуры, например, в 60°C, что превышает температуру теплоносителя, поступающего через прямой трубопровод 14 из теплообменника 13, расположенного в точке передачи.
Очевидно, что включить тепловой насос 23 можно даже в том случае, если температура в тепловом аккумуляторе 35 по-прежнему ниже температуры теплоносителя в прямом трубопроводе 14. При этом эффективность отопительной системы 34 может быть немного ниже, но нагревание теплового аккумулятора 35 происходит быстрее.
Как показано на фиг.2, за счет использования теплообменника 36 предварительного нагрева можно снизить потребление электроэнергии тепловым насосом 23. Кроме того, на фиг.2 тепловой аккумулятор 35 соединен по текучей среде с водопроводным краном 8. Для специалиста в данной области техники очевидно, что также возможен вариант, когда водопроводный кран 8 не имеет соединения по текучей среде с тепловым аккумулятором 35.
На фиг.3 схематично изображена отопительная система 38 здания 2 согласно другому возможному варианту осуществления настоящего изобретения. Как и в предыдущих вариантах, отопительная система 38 получает тепловую энергию от сети 3 централизованного теплоснабжения через теплообменник 13, расположенный в точке передачи. Несколько зданий 2, каждое из которых оснащено отопительной системой 38, соединены друг с другом и образуют локальную сеть 4 теплоснабжения. Изображенная здесь отопительная система 38 сходна с отопительной системой 34, представленной на фиг.2. Однако отопительная система 38 содержит аккумулятор 39 солнечной энергии. Аккумулятор 39 солнечной энергии содержит тепловой коллектор 40, выполненный с возможностью нагревания теплоносителя за счет поступающего солнечного излучения.
Как видно на фиг.3, тепловой коллектор 40 образует часть контура 41 циркуляции текучей среды аккумулятора 39 солнечной энергии. Контур 41 циркуляции текучей среды посредством трехходового клапана 42 можно переключить по различным схемам. В одной из возможных схем, после нагревания в тепловом коллекторе 40 теплоноситель в контуре 41 циркуляции текучей среды проходит через нагревательный элемент 43 бака 49 для горячей водопроводной воды теплового аккумулятора 35. Обратный клапан 45 предотвращает движение потока текучей среды в обратном направлении, когда насос 50 отключен. Поскольку работающий тепловой коллектор 40 имеет на выходе температуру примерно от 50°C до 80°C, его можно использовать для непосредственного нагревания воды в баке 49 для горячей водопроводной воды. Таким образом, тепловой насос 23 может работать на более низком уровне или даже может быть отключен, что позволяет сэкономить электроэнергию.
В другой из возможных схем, контур 41 циркуляции текучей среды может пойти "в обход" бака 49 для горячей водопроводной воды. В этом случае, тепловая энергия, генерируемая тепловым коллектором 40 (и не использованная отопительной системой 38 здания 2), может быть выведена в локальную сеть 4 теплоснабжения посредством общего теплообменника 44. Таким образом, тепловую энергию, накопленную тепловым коллектором 40, можно использовать и в других зданиях 2 через локальную сеть 4 теплоснабжения.
На фиг.5 изображен вариант подключения локальной сети 4 теплоснабжения к сети 3 централизованного теплоснабжения. В данном варианте изобретения предусмотрен насос 51, который в случае, когда клапан 52 находится в открытом состоянии, обеспечивает забор теплоносителя из обратного трубопровода 15 и его смешивание с теплоносителем, поступающим из котельной по подающему трубопроводу. Регулируя клапан 52, можно обеспечить необходимую температуру теплоносителя в прямом трубопроводе 14, а также ее постоянство.
На фиг.6 показан вариант подключения локальной сети 4 теплоснабжения к сети 3 централизованного теплоснабжения. В данном варианте изобретения подключение является прямым, при этом не предусмотрены средства для регулирования потока или температуры.
1. отопительная система
2. здание
3. сеть централизованного теплоснабжения
4. локальная сеть теплоснабжения
5. нагревательный радиатор
6. система напольного отопления
7. система горячего водоснабжения
8. водопроводная вода
9. тепловой аккумулятор
10. пресная вода
11. теплообменник
12. холодная водопроводная вода
13. теплообменник, расположенный в точке передачи
14. прямой трубопровод
15. обратный трубопровод
16. смешивающий контур
17. клапан 17а. клапан 176.клапан
18. насос
19. подающий трубопровод
20. обратный трубопровод
21. соединительный трубопровод
22. низкотемпературная часть
23. тепловой насос
24. высокотемпературная часть
25. подающий трубопровод
26. испаритель
27. контур хладагента
28. компрессор
29. конденсатор
30. трубопровод для горячей текучей среды
31. дополнительный нагреватель
32. бак-накопитель тепла
33. дроссель
34. отопительная система
35. тепловой аккумулятор
36. теплообменник предварительного нагрева
37. трубопровод с теплоносителем промежуточной температуры
38. отопительная система
39. аккумулятор солнечной энергии
40. тепловой коллектор
41. контур циркуляции текучей среды
42. трехходовый клапан
43. нагревательный элемент
44. общий теплообменник
45. обратный клапан
46. прямой трубопровод
47. обводной трубопровод
48. температурный датчик
49. бак для горячей водопроводной воды
50. насос
51. насос
52. клапан
53. клапан
54. клапан
55. трехходовый клапан