СПОСОБ КАСКАДНОГО ТЕПЛОНАСОСНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
METHOD OF CASCADE HEAT PUMP HEAT SUPPLY

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для энергетически и экологически эффективного теплохладоснабжения зданий и сооружений различного назначения.
Известен способ теплоснабжения с помощью тепловых насосов использующий низкопотенциальное тепло грунта в комбинации со сбросным теплом вентиляционных выбросов здания. Теплонасосная система, реализующая этот способ, включает систему сбора низкопотенциального тепла грунта и систему утилизации вторичного тепла вентиляционных выбросов, обеспечивает здание горячей водой. (Статья «Энергоэффективный жилой дом в Москве» журнал «Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика» АВОК №4, 1999 г.
Наиболее близким к предлагаемому способу способом-прототипом является способ описанный в Патенте РФ Васильева Г.П. на изобретение RU №2364795 С2 «Теплонасосная система теплоснабжения многоэтажных зданий». Теплонасосная система теплоснабжения, реализующая этот способ включает систему сбора низкопотенциального тепла грунта и систему утилизации вторичного тепла вентиляционных выбросов и/или систему утилизации сбросного тепла канализационных стоков.
Недостатком способа-прототипа является его низкая энергетическая эффективность, связанная с необходимостью работы теплонасосного оборудования в режимах, одновременно обеспечивающих, с одной стороны, отбор тепловой энергии от источника с наиболее низким температурным потенциалом, а с другой стороны, - необходимость выработки тепловой энергии с температурным потенциалом, достаточным для обеспечения теплом потребителя с наиболее высоким температурным потенциалом. Это приводит к перерасходу энергии, затрачиваемой на привод теплонасосного оборудования.
Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения энергетической эффективности теплонасосного теплоснабжения. Решение этой задачи достигается за счет того, что в способе теплонасосного теплоснабжения, включающем преобразование низкопотенциальной тепловой энергии с помощью теплонасосного оборудования, преобразование энергии осуществляют в теплонасосном оборудовании, адаптирующемся к температурному режиму используемого источника низкопотенциальной тепловой энергии и реализующем двухступенчатый или одноступенчатый термодинамический цикл преобразования энергии в зависимости от требований к температурному потенциалу вырабатываемой тепловой энергии, при этом выработку тепловой энергии повышенного температурного потенциала, например, для нужд горячего водоснабжения, осуществляют в приоритетном порядке в двухступенчатом режиме, после чего в одноступенчатом режиме осуществляют выработку тепловой энергии для остальных инженерных систем здания, включая, например, системы вентиляции и низкотемпературного отопления.
При этом теплонасосное оборудование для реализации предлагаемого способа теплонасосного теплоснабжения, включающее два и более компрессоров и теплообменное оборудование, выполнено с возможностью работы компрессоров и теплообменного оборудования как в параллельном одноступенчатом режиме, так и в последовательном - в двухступенчатом режиме, при этом теплонасосное оборудование дополнительно оснащено устройством, измеряющим и контролирующим разницу температурных потенциалов теплоты, вырабатываемой теплонасосным оборудованием и поступающей от источника низкопотенциальной тепловой энергии, и автоматически переводящим теплонасосное оборудование в двухступенчатый режим работы при превышении указанной разностью температурных потенциалов максимально возможного значения разности температур, допустимого для используемого холодильного агента, и автоматически переводящим установку обратно в одноступенчатый режим при снижении контролируемой разности температур до рабочего диапазона холодильного агента.
При этом теплонасосное оборудование для реализации предлагаемого способа теплонасосного теплоснабжения, включающее два и более компрессоров и теплообменное оборудование, включает два и более гидравлически не связанных холодильных контура, а при работе в двухступенчатом режиме конденсатор первой ступени является испарителем второй ступени, при этом независимые холодильные контуры выполнены с возможностью использования разных холодильных агентов.
При этом в предлагаемом способе теплонасосного теплоснабжения в двухступенчатом режиме управление режимом первой ступени обеспечивается по инверторной технологии, согласовывающей по критерию равенства теплопроизводительность первой ступени и холодопроизводительность второй.
Предлагаемый способ теплонасосного теплоснабжения позволяет в значительной мере повысить энергетическую эффективность теплоснабжения за счет рациональной адаптации режимов эксплуатации теплонасосного оборудования к требуемым температурным потенциалам и графикам энергетических нагрузок и к температурным потенциалам используемых источников тепла низкого потенциала.
(7) Сущность предлагаемого способа теплонасосного теплоснабжения поясняется схемой, представленной на Фиг. 1.
Теплонасосное оборудование для реализации предлагаемого каскадного способа теплонасосного теплоснабжения включает испаритель 1, компрессор первой ступени 2, промежуточный теплообменник 3, терморегулирующий вентиль 4, компрессор второй ступени 5, конденсатор 6, трехходовой электромагнитный вентиль 7, обратный клапан 8, контроллер 9 и датчики температуры 10.
Теплонасосное оборудование, реализующее предлагаемый способ теплонасосного теплоснабжения, работает следующим образом.
При необходимости выработки тепловой энергии с высокой температурой, например, для нужд горячего водоснабжения (60-70°С), теплонасосное оборудование работает в последовательном двухступенчатом режиме, при котором тепловая энергия, извлеченная из источника тепла низкого потенциала в испарителе 1, передается холодильному агенту, который при этом вскипает, пары холодильного агента первой ступени всасываются компрессором первой ступени 2, где сжимаются и нагнетаются в промежуточный теплообменник 3, в котором они конденсируются и через терморегулирующий вентиль 4 дросселируются обратно в испаритель 1. В промежуточном теплообменнике 3 при конденсации паров холодильного агента первой ступени тепловая энергия передается холодильному агенту второй ступени, который при этом кипит, а его пары всасываются компрессором второй ступени 5, где сжимаются и нагнетаются в конденсатор 6, в котором конденсируются и через терморегулирующий вентиль 4 дросселируются обратно в промежуточный теплообменник 3. После удовлетворения потребностей объекта теплоснабжения в тепловой энергии высокой температуры, например, нагрева горячей воды в достаточном количестве теплонасосное оборудование по команде контроллера 9 переводится в одноступенчатый режим, в котором оба парокомпрессионных контура работают параллельно и осуществляют дальнейшую выработку тепловой энергии для остальных низкотемпературных инженерных систем здания, включая, например, системы вентиляции и низкотемпературного отопления (40-45°С). После получения от контроллера 9 нового сигнала о возникновении потребности в тепловой энергии при высокой температуре, например для нужд горячего водоснабжения, циклы повторяются.
Кроме того, как в параллельном одноступенчатом режиме, так и в последовательном двухступенчатом режиме, устройство, например контроллер 9, контролирует разницу температур вырабатываемой теплонасосным оборудованием теплоты и поступающей от источника низкопотенциальной тепловой энергии и, при превышении указанной разностью температур максимально возможного значения разности температур, допустимого для используемых холодильных агентов, автоматически переводит теплонасосное оборудование в двухступенчатый режим работы и автоматически переводит теплонасосное оборудование обратно в одноступенчатый режим при снижении контролируемой разности температур до значения, соответствующего рабочему диапазону используемых холодильных агентов.
При работе в двухступенчатом режиме промежуточный теплообменник 3 выполняет функции конденсатора первой ступени и испарителя второй ступени, а в гидравлически независимых холодильных контурах возможно использование разных холодильных агентов.
При этом в двухступенчатом режиме управление режимом первой ступени обеспечивается по инверторной технологии, согласовывающей по критерию равенства теплопроизводительности первой ступени холодопроизводительности второй.
Предлагаемый способ теплонасосного теплоснабжения позволяет повысить энергетическую эффективность теплонасосного теплоснабжения за счет адаптации оборудования к температурным режимам источников тепла низкого потенциала и температурным режимам и графикам тепловых нагрузок на теплонасосное оборудование. При реализации предлагаемого способа теплонасосное оборудование будет работать в менее эффективном двухступенчатом режиме только то время, которое необходимо для удовлетворения потребности в высокопотенциальном тепле, например приготовления достаточного количества горячей воды. Все остальное время теплонасосное оборудование будет работать в одноступенчатом режиме с более высокой энергетической эффективностью. В итоге, в годовом цикле будет обеспечиваться существенная экономия энергии. Кроме того, предлагаемый способ позволяет теплонасосному оборудованию при необходимости, например, в наиболее холодную пятидневку года, при максимальных нагрузках на теплонасосную систему теплоснабжения переключаться в двухступенчатый режим и обеспечивать возможность работы системы при более низких температурах источников тепла низкого потенциала, например грунта, или тепла вентвыбросов. При снижении тепловых нагрузок на систему теплоснабжения теплонасосное оборудование автоматически вернется в одноступенчатый режим. Этот факт, в свою очередь, позволит снизить капитальные вложения в системы сбора низкопотенциального тепла.