КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к системам отопления и горячего водоснабжения для жилых и других зданий, в частности, к системам комбинированного теплоснабжения, использующим солнечные и теплонасосные водонагревательные установки.
Известна система для снабжения потребителей тепловой энергией, которая содержит солнечные коллекторы и тепловой насос с циркуляционными контурами теплоносителя, замкнутыми на распределители, соединенные подающими трубопроводами со множеством потребителей тепловой энергии различного температурного уровня [патент US 5788149, опубл. 04.08.1998]. Контур теплового насоса оборудован грунтовым резервуаром и соединен через коллекторные сборники с обратными трубопроводами от потребителей тепловой энергии. Контур теплового насоса также соединен с дополнительными распределителями, которые в свою очередь соединены подающими трубопроводами с потребителями тепловой энергии. На всех распределителях установлены электромеханические регулирующие средства, предназначенные для выборочного подключения или отключения того или иного потребителя, и температурные сенсоры, расположенные на разных участках трубопроводов и подключенные к центральному контрольному аппарату, при помощи которого с использованием программных средств, контролируется работа распределителей и коллекторных сборников. Нагретый в контурах солнечных батарей теплоноситель по внутренним подающим трубопроводам поступает на распределители, откуда при помощи электро-механических регулирующих средств распределяется по подающим трубопроводам между потребителями тепловой энергии различных температурных уровней. Отдав тепло потребителям, низкотемпературный теплоноситель возвращается по обратным трубопроводам на коллекторные сборники, откуда поступает на тепловой насос, где температура теплоносителя снова повышается до заданного уровня и теплоноситель через дополнительно установленные распределители поступает по подающим трубопроводам к потребителям тепловой энергии. Недостатками известной системы являются ее громоздкая компоновочная схема обеспечения потребителей тепловой энергией на разных температурных уровнях, большая материалоемкость трубопроводных контуров и высокие затраты на обеспечение электро-механических регулирующих средств электрической энергией, трудоемкость в изготовлении и сложность в управлении, что снижает надежность и эффективность работы системы.
Также, известна отопительная система с регулированным сочетанием солнечных коллекторов и теплового насоса, оборудованных циркуляционными контурами теплоносителя и средствами регулирования [патент DE 19714679, опубл. 08.10.1998]. Циркуляционный контур солнечных батарей замыкается на буферную накопительную емкость, относительно которой циркуляция теплоносителя в контуре обеспечивается циркуляционным насосом. В свою очередь, циркуляционный контур теплового насоса соединен через трехходовой переключательный клапан с баком нагретой воды и теплообменником, соединенным с потребителем тепловой энергии. Буферная накопительная емкость контура солнечных коллекторов и тепловой насос через трехходовые переключательные клапаны соединены с грунтовым коллектором. При разнице между начальной температурой теплоносителя в контуре солнечных коллекторов и рабочей температурой в баке нагретой воды, превышающей заданные пределы, к нагреву теплоносителя в системе подключается тепловой насос. Недостатком известной отопительной системы является несовершенство ее компоновочной схемы, так как контур солнечных коллекторов не замыкается на потребителя тепловой энергии, а последовательно соединен с контуром теплового насоса, что ставит работу солнечных коллекторов в зависимость от состояния и надежности оборудования циркуляционного контура теплового насоса, сложность в регулировании совместной работы контуров, что снижает надежность и эффективность работы системы.
В качестве прототипа принята комбинированная система теплоснабжения, содержащая совмещенные солнечную и теплонасосную водонагревательные установки с циркуляционными контурами теплоносителя, оборудованными системой электронного регулирования и замкнутыми на общий бак-аккумулятор тепла [Тепловые насосы. Схемы применения в жилых зданиях для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования и вентиляции. ООО «Экодом», г.Смоленск, 2005. www.eco-home.ru/Heat_pumps.doc]. Бак-аккумулятор тепла оборудован резервным пиковым подогревателем и подключен к контуру системы отопления и горячего водоснабжения, где контур теплонасосной водонагревательной установки соединен с баком-аккумулятором тепла через трехходовой переключающий клапан, а также соединен с источником тепловой энергии Земли, выполненным в виде грунтового зонда или грунтового коллектора. В зимний период система электронного регулирования измеряет температуру в баке-аккумуляторе и температуру в контуре солнечной водонагревательной установки, при заданной разнице температур подается сигнал на циркуляционный насос в контуре солнечной водонагревательной установке, и тот начинает осуществлять циркуляцию, за счет которой происходит перенос тепла от солнечной водонагревательной установки в бак-аккумулятор. Если потребление нагретого теплоносителя увеличивается, например, горячей воды, а интенсивности солнечной радиации недостаточно для того, чтобы восполнить потери, в работу включается теплонасосная установка, и уже два этих преобразователя тепловой энергии начинают работать, если же не хватает их теплопреобразующей мощности при совместной работе, то, для поднятия температуры теплоносителя до заданного уровня, в баке-аккумуляторе и на подающем трубопроводе горячего водоснабжения имеются электрические подогреватели в виде электрических котлов. В часы неблагоприятных погодных условий, когда солнечная водонагревательная установка не работает, то в нагреве участвуют только теплонасосная установка и электрические подогреватели, которые включаются при необходимости. В летний период, когда отопления зданий не требуется, а потребность в горячей воде остается, трехходовой переключающий клапан переключается в рециркуляции теплоносителя от бака-аккумулятора к теплонасосной установке таким образом, чтобы миновать отопительный контур, а оставить только контур горячего водоснабжения, при этом режим работы является таким же, как и в зимний период, т.е., если есть солнце, то греется солнцем, не хватает солнца, то дополнительно включается теплонасосная установка, если не хватает их совместной работы, то включается электрический доводчик. Недостатками известной системы являются малая эффективность нагревания теплоносителя в баке-аккумуляторе контуром солнечной водонагревательной установкой, несовершенная конструкция бака-аккумулятора тепла, в котором существует опасность попадания токсичного антифриза в потребляемую горячую воду, недостаточно полный учет расходуемого и потребленного тепла циркуляционных контурах, отсутствие возможности накапливания избыточной тепловой энергии, вырабатываемой солнечной водонагревательной установкой, в грунтовом коллекторе в летний период времени и использования его в качестве источника тепловой энергии для работы теплового насоса в пасмурные часы дня и в осенне-зимний период, неэффективное управление и регулирование циркуляционными контурами, в том числе и в ручном режиме, отсутствие интерфейса на контроллере теплонасосной установки и специального программного обеспечения на компьютера для обработки полученных данных с выводом на монитор, что снижает надежность и эффективность работы системы.
Технической задачей, для решения которой предлагается полезная модель, является повышение надежности и эффективности работы комбинированной системы теплоснабжения, совершенствование процессов контроля и управления циркуляционными контурами и расположенным в них оборудованием, оптимизации распределения тепловой нагрузки между циркуляционными контурами системы, расширение ее функциональных возможностей по используемому теплоносителю и повышение экономичности за счет более полного использования источников низкопотенциального тепла.
Данная задача решается предлагаемой комбинированной системой теплоснабжения, содержащей солнечную и теплонасосную водонагревательные установки с циркуляционными контурами теплоносителя, оборудованными средствами автоматического управления и замкнутыми на общий бак-аккумулятор тепла, совмещенный с подогревателем и подключенный к контуру системы отопления и горячего водоснабжения, при этом контур одной из водонагревательных установок соединен с баком-аккумулятором тепла через трехходовой переключающий клапан, а контур теплонасосной установки соединен с контуром источника тепловой энергии Земли. Новым является то, что контур солнечной водонагревательной установки дополнительно соединен через теплообменник с контуром теплонасосной установки и контуром источника тепловой энергии Земли, где контур теплонасосной установки дополнительно оборудован гидробуферной емкостью для смешивания низкотемпературного теплоносителя, поступающего из контура солнечной водонагревательной установки и/или контура источника тепловой энергии Земли. Теплообменник может быть выполнен пластинчатым, что позволит передавать из контура солнечной водонагревательной установки тепловую энергию с требуемыми температурными параметрами. Система будет долговечнее, если циркуляционные контуры будут выполнены из медных трубопроводов. Контуры могут быть оборудованы циркуляционными насосами, обеспечивающими циркуляцию воды и антифриза в трубопроводах системы. Регулировать работу системы надежнее, если контур солнечной водонагревательной установки будет соединен с баком-аккумулятором тепла через трехходовой переключательный клапан. Бак-аккумулятор тепла может быть оборудован внутренней и наружной стенками, в вентилируемом пространстве между которыми может быть расположен спирально плотно навитый на внутреннюю стенку трубопровод участка циркуляционного контура солнечной водонагревательной установки, что поможет одновременно повысить температуру нагрева бака-аккумулятора контуром солнечной водонагревательной установки и устранить опасность попадания токсичного антифриза из ее контура в потребляемую горячую воду. Накопленная тепловая энергия будет сохраняться продолжительное время, если на наружной стенке бака-аккумулятора будет выполнена теплоизоляция. При необходимости, работой циркуляционных контуров и теплового оборудования можно управлять в ручном режиме. Информация о работе системы будет точнее и достовернее, если средства автоматического управления будут снабжены тепловычислителями для получения данных о расходе теплоносителя и его температурных параметрах в подающих и обратных трубопроводах циркуляционных контуров. Тепловычислители могут быть электрически связаны с главным контроллером, соединенным с персональным компьютером при помощи интерфейса, что позволит оперативнее передавать и обрабатывать полученные данные. Информация будет востребована, если обработка полученных данных будет выполняться на компьютере при помощи программного обеспечения по заданному алгоритму. Обработанные данные могут фиксироваться процессором и для наглядности могут выводиться на монитор компьютера. Оптимально, если нагрев бака-аккумулятора будет осуществляться циркуляционными контурами солнечной и теплонасосной водонагревательными установками раздельно. При раздельном нагреве бака-аккумулятора солнечной и теплонасосной водонагревательными установками их работа может осуществляться поочередно. Эффективнее, если нагрев бака-аккумулятора будет осуществляться циркуляционными контурами солнечной и теплонасосной водонагревательными установками совместно. При совместном нагреве бака-аккумулятора солнечной и теплонасосной водонагревательными установками их работа может осуществляться одновременно. Нагрев бака-аккумулятора происходит быстрее, если при одновременной работе тепловая энергия от солнечной и теплонасосной водонагревательных установок будет напрямую поступать в бак-аккумулятор (прямой нагрев). Также, при одновременной работе низкопотенциальная тепловая энергия от солнечной водонагревательной установки может поступать на теплонасосную водонагревательную установку, на которой может вырабатываться тепловая энергия, поступающая для нагрева бака-аккумулятора (косвенный нагрев). Совместная и раздельная работа установок будет изучена лучше, если система будет выполнена в виде научно-исследовательского стенда для проведения лабораторных исследований по использованию солнечной энергии и низкопотенциальной энергии грунтовой воды в качестве нетрадиционных источников теплоты. Предпочтительно, если источником тепловой энергии Земли будут являться грунтовые скважины, что позволит сделать систему компактнее. Избыток тепловой энергии, вырабатываемой солнечной водонагревательной установкой, может накапливаться в грунтовых скважинах.
Полезная модель поясняется графическими материалами. На фиг. показана принципиальная схема комбинированной системы теплоснабжения.
Полезная модель поясняется примером конкретного выполнения.
Предлагаемая комбинированная система теплоснабжения содержит нагревательные средства двух видов: солнечную водонагревательную установку 1, состоящую из солнечных коллекторов, установленных на кровле здания, и теплонасосную водонагревательные установку 2, состоящую из теплового насоса, установленного в подвальном помещении здания. Установки оборудованы циркуляционными контурами теплоносителя, где подающие и обратные трубопроводы выполнены из медных труб. Для обеспечения надежной работы контуров, трубопроводы оборудованы циркуляционными насосами, обеспечивающими циркуляцию воды и антифриза в соответствующих контурах системы. Контуры солнечной и теплонасосной водонагревательной установок 1 и 2 замкнуты на общий бак-аккумулятор тепла 3, совмещенный с электрическим подогревателем 4 и подключенный к контуру системы отопления и горячего водоснабжения 5, при этом контур солнечной водонагревательной установки 1 соединен с баком-аккумулятором тепла 3 через трехходовой переключающий клапан 6, а контур теплонасосной установки 1 соединен с контуром грунтовых скважин 7. Контур солнечной водонагревательной установки 1 дополнительно соединен через пластинчатый теплообменник 8 с контуром теплонасосной установки 2 и контуром грунтовых скважин 7, где контур теплонасосной установки 1 дополнительно оборудован гидробуферной емкостью 9 для смешивания низкотемпературного теплоносителя, поступающего из контура солнечной водонагревательной установки 1 и/или контура грунтовых скважин 7. Бак-аккумулятор тепла 3 оборудован внутренней и наружной стенками, между которыми расположен спиральный плотно навитый на внутреннюю стенку трубопровод 10 участка циркуляционного контура солнечной водонагревательной установки 1. На наружной стенке бака-аккумулятора тепла 3 выполнена защитная термостойкая теплоизоляция требуемой толщины. Циркуляционные контуры выполнены с возможностью управления в автоматическом и/или ручном режиме. Система отопления оборудована средствами автоматического управления, выполненными в виде ультразвуковых расходомеров воды и датчиков температур на базе термопреобразователей сопротивления, установленных на подающих и обратных трубопроводов циркуляционных контуров и электрически связанных с тепловычислителями 11, которые получают данные о расходе теплоносителя и его температурных параметрах. Тепловычислители 11 электрически связаны с главным контроллером 12, соединенным с персональным компьютером (не показан), расположенным в помещении, при помощи интерфейса. Обработка полученных данных выполняется на компьютере при помощи программного обеспечения по заданному алгоритму. Обработанные данные фиксируются процессором и выводятся на монитор компьютера. Нагрев бака-аккумулятора тепла 3 может осуществляться циркуляционными контурами солнечной и теплонасосной водонагревательными установками 1 и 2 раздельно, при этом их работа осуществляется поочередно. В процессе нагревания бака-аккумулятора тепла 3 основным является контур солнечной водонагревательной установки 1. Датчиком температур определяется температура нагрева бака-аккумулятора тепла 3 при прямом нагреве от контура солнечной водонагревательной установки 1 в период высокой солнечной активности, которая не должна превышать 55°С. В случае, если температура бака-аккумулятора достигла температуры 55°С, а активность солнечного излучения не уменьшается, то трехходовой клапан 6 переключает контур солнечной водонагревательной установки 1 и через пластинчатый теплообменник 8 начинает передавать избыточную тепловую энергию в контур грунтовых скважин 7. При отсутствии солнечного излучения, в процессе нагревания бака-аккумулятора тепла 3 участвует только теплонасосная установка 2, которая извлекает низкотемпературный теплоноситель из контура грунтовых скважин 7, усредняет его температуру смешиванием в гидробуферной емкости 9, а затем повышает до уровня, достаточного для нагрева бака-аккумулятора тепла 3. Нагрев бака-аккумулятора тепла 3 также может осуществляться циркуляционными контурами солнечной и теплонасосной водонагревательными установками 1 и 2 совместно, при этом их работа осуществляется одновременно. Когда эффективность излучения солнца падает, например, в вечерние, утренние часы дня или в зимний и осенне-весенний период года, но температура в контуре солнечной водонагревательной установки 1 достигает +25-+20°С, то этого достаточно, чтобы использовать ее теплоноситель, как низкотемпературную среду для работы теплонасосной установки 2. Трехходовой клапан 6 переключает контур солнечной водонагревательной установки 1, и через пластинчатый теплообменник 8 и гидробуферную емкость 9 низкотемпературный теплоноситель поступает в контур теплонасосной установки 2, которая начинает извлекать тепловую энергию из контура солнечной водонагревательной установки 1, повышая температуру теплоносителя до уровня, достаточного для нагрева бака-аккумулятора тепла 3. Если расход нагретого теплоносителя увеличивается, а мощности теплонасосной установки 2 недостаточно, то к процессу нагревания теплоносителя подключается электрический подогреватель 4, встроенный в бак-аккумулятор тепла 3, который повышает температуру теплоносителя в баке-аккумуляторе тепла 3 до заданного уровня. Предлагаемая комбинированная система теплоснабжения также может использоваться в качестве научно-исследовательского стенда для проведения лабораторных исследований по использованию солнечной энергии и низкопотенциальной энергии грунтовой воды в качестве нетрадиционных источников теплоты.