СИСТЕМА И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ ЦИСТЕРНА ДЛЯ СЕТИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭНЕРГИИ
SYSTEM AND DISTRIBUTING TANK FOR LOW-TEMPERATURE ENERGY NETWORK

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к использованию низкотемпературной энергии, такой как геотермальное тепло, и в частности к системам для переноса тепла с помощью теплообменника, такого как тепловой насос или подобного устройства, от грунта или воды посредством текучей среды.
[0002] В настоящее время практически известно использование низкотемпературной энергии, получаемой из грунта, скальной породы или воды для обогрева зданий и производства технической воды посредством насоса и системы аккумулирования тепла. Принцип работы такой геотермальной тепловой системы соответствует обратному принципу работы холодильника: система охлаждает почву и нагревает, например, водяной аккумулятор. Часто на одну единицу использованной электрической энергии получают от 2 до 3 единиц количества тепла. Эффективность значительно выше, чем при нагревании непосредственно при помощи электрической энергии. Характеристика потребления энергии на отопление весьма существенна при холодных погодных условиях. Экономичность использования геотермального тепла постоянно возрастает по мере роста цен на нефть и электроэнергию.
[0003] Такого рода системы низкотемпературной энергии могут быть также использованы для охлаждения помещений, например, посредством циркуляции текучей среды от почвы посредством охладителя, расположенного в потоке приточного воздуха.
[0004] При известном способе извлечения тепла используется система труб, расположенная горизонтально на глубине от 1 до 1,2 метра. Однако такая система труб требует большой площади, поэтому она может быть использована только на больших пространствах. Контур аккумулирования тепла может располагаться в земном грунте или воде. Размещение горизонтальной системы труб в грунте требует прокладки канав под трубы на всей площади контура аккумулирования тепла. Петли труб контура должны быть расположены на расстоянии, по крайней мере, 1,5 м друг от друга, так, чтобы соседние петли взаимно не мешали извлечению тепла. Расположение горизонтальной трубы, например, в парке затруднительно без повреждения корней растений и деревьев.
[0005] Другим известным способом извлечения тепла является тепловая скважина. В этом случае система труб помещена в скважину, пробуренную в скале. Тепловая скважина, т.е. буровая скважина обычно буриться вертикально. По сравнению с горизонтальной системой труб для буровой скважины требуется очень малая площадь. Однако над скалистой породой может располагаться многометровый слой пустой наносной породы. Эта бесполезная часть должна иметь защитную трубу, что увеличивает затраты. Таким образом, почва, имеющая толстый слой наносной породы ограничивает локализацию тепловой скважины. Тепловая отдача тепловой скважины обычно больше, чем в системе горизонтальных труб. Тепловая отдача тепловой скважины частично зависит от потока подземных вод. Однако невозможно оценить поток подземных вод без проведения дорогих бурильных работ.
[0006] Третьим известным способом извлечения тепла является установка системы труб для извлечения тепла на дне озера или другого водоема, когда тепло передается от водного и донного осадного слоя текучему раствору. Трубу можно поместить в воду в грунте, но в этом случае необходимо иметь отдельные каналы для подающих и обратных труб. Достаточно просто устанавливать системы труб на дне водоема. Однако труба, наполненная раствором, легче воды, вследствие чего она имеет тенденцию к всплытию. Всплывшие участки трубы могут вызвать воздушные пробки, препятствующие циркуляции. Поэтому труба должна быть закреплена на дне существенным числом якорей. Система труб, размещенная на дне, также может быть повреждена. Якорь судна или другого объекта может зацепиться за трубу и оторвать ее. Под водой подающие и обратные трубы должны быть врыты в дно, чтобы лед не повредил систему труб.
[0007] Выбор из этих трех вариантов зависит от географического положения, вида поверхности и почвы местности, которая будет использована. Раньше низкотемпературные сети проектировались для их использования таким образом, чтобы несколько домов совместно использовали одну большую систему труб для извлечения тепла. Однако для соединения нескольких свойств в таких системах требуется соответствующее расширение контура аккумулирования тепла.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Целью настоящего изобретения является создание системы для сети низкотемпературной энергии и распределительной цистерны для указанной системы, с помощью которых могут быть решены вышеуказанные проблемы. Цель данного изобретения достигается посредством системы и распределительной цистерны, которые охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
[0009] Настоящее изобретение основано на взаимном соединении распределительных цистерн сети низкотемпературной энергии и при необходимости на дополнительном соединении подземных контуров и обогревательных контуров через теплообменник с распределительными цистернами. Для каждого места подземные контуры могут быть выполнены подходящим образом. Соответственно, подземный контур может быть также расположен на дне водоема. Кроме этого эта система может быть расширяемым или, наоборот, обогревающие контуры или подземные контуры могут быть демонтированы, либо перекрыты без ограничения функционирования остальных секций системы.
[0010] Целью данного изобретения является создание системы сети низкотемпературной энергии.
[0011] Другой целью данного изобретения является создание распределительной цистерны для сети низкотемпературной энергии.
[0012] В соответствии с вариантом воплощения для осуществления одной из целей данного изобретения система содержит контур коллектора, заполненный первым рабочим раствором, контур теплопереноса, заполненный вторым рабочим раствором и теплообменник, выполненный с возможностью переноса тепла между растворами контуров, причем контуры коллектора соединены с теплообменником через два распределительных резервуара, при этом первый распределительный резервуар изолирован и выполнен с возможностью принимать и переносить нагретую текучую среду, а второй распределительный резервуар соединен с каждым распределительным резервуаром, являющимся конечным элементом сети низкотемпературной энергии. Здесь конечный распределительный резервуар относится к резервуару, с которого начинается или заканчивается сеть. Сеть, в соответствии с настоящим изобретением, не ограничивается формой и трассой сети. Указанная сеть может быть выполнена в виде контура, когда сеть начинается и заканчивается в одном и том же конечном распределительном резервуаре. Также такая сеть может иметь форму звезды, содержащей несколько конечных распределительных резервуаров. Преимуществом данного изобретения является то, что сеть может быть наращена без ограничений. Например, наращивание сети может быть осуществлено посредством основного трубопровода, а распределительные резервуары присоединены к любому распределительному резервуару сети в виде контура. В этом случае распределительные резервуары, отделенные от контура, служат в качестве конечного распределительного резервуара.
[0013] В соответствии с одним вариантом воплощения первый и второй распределительные резервуары взаимно связаны в распределительной цистерне. Распределительные резервуары в распределительной цистерне размещены так, что между распределительными резервуарами выполнена изолирующая стенка для снижения теплопередачи между резервуарами.
[0014] Распределительные резервуары соединены с первой основной трубой переноса рабочего раствора, охлажденного в теплообменнике, таком как геотермальный насос или подобном устройстве, и со второй основной трубой переноса рабочего раствора, нагретого в подземном контуре. Первая основная труба может иметь изоляцию, тем самым позволяя основным трубам размещаться близко друг к другу без существенного теплообмена между ними. Толщина изоляции первой основной трубы может быть увеличена или уменьшена в зависимости от глубины установки основных труб или расстояния между ними. Предпочтительно, чтобы основные трубы были размещены в той же траншее одна поверх другой, что исключает необходимость прокладки отдельных траншей. Глубина размещения основных труб может меняться, но может составлять, например, от 1 до 2 метров, позволяя неизолированной трубе получать тепло от грунта.
[0015] Вторая основная труба не имеет изоляции с тем, чтобы тепловая энергия могла передаваться к текучей среде в трубе от грунта снаружи трубы. Таким образом, основные трубы также служат частью контуров коллектора, которые могут быть использованы как для нагревания, так и для охлаждения помещений.
[0016] В соответствии с одним вариантом воплощения данного изобретения каждый подземный контур, соединенный с распределительной цистерной снабжен измерительными и регулирующими средствами, которые позволяют проводить измерения тепла, произведенного каждым контуром коллектора, и скорость потока в каждом контуре коллектора регулируется отдельно с помощью регулирующих средств для достижения соответствия с требованиями теплообменников. Это позволяет использовать систему управления для электрического управления регулирующими средствами распределительной цистерны. Соединение регулирующих средств и измерительных средств распределительной цистерны с системой управления может осуществляться не только посредством проводного соединения, но также и беспроводным соединением передачи данных. Беспроводное соединение с системой управления может облегчать создание системы, имея в виду, например, ее расширение.
[0017] Система управления делает возможным ограничение потока различных контуров коллектора так, чтобы рабочая жидкость поступала в теплообменник от наиболее эффективного контура или контуров коллектора. Другими словами система управления используется для регулирования скорости потоков контуров коллектора таким образом, чтобы позволить температуре рабочей жидкости установится на уровне, при котором эффективность работы теплообменников максимально высока. В этом случае один из теплообменников может использовать другие контуры коллектора, дополнительно соединенные с системой вместо "своего" контура коллектора.
[0018] Отдельные контуры коллектора не могут обладать всеми свойствами. В предлагаемом изобретении контуры с желательными свойствами могут быть соединены с системой через теплообменники. Измерительное устройство, соединенное с теплообменниками, может использоваться как счетчик для выставления счетов. Явным преимуществом данного изобретения является то, что контуры коллектора могут быть реализованы посредством теплообменников без использования насоса. Когда теплообменники закрыты, поток останавливается, и температура текучей среды устанавливается в соответствии с температурой окружающего грунта или воды. Однако возможно создать большие системы с дополнительным использованием, например, насоса.
[0019] Следовательно, необходимо отметить, что сеть может быть оборудована распределительными цистернами без единого подземного контура. Такая ситуация пожжет возникнуть, например, в случае многоэтажного дома, где несколько указанных контуров отопления соединены с распределительной цистерной, и подземные контуры проложены в близь лежащих территориях или, например, под парком.
[0020] Однако, по крайней мере, один подземный контур соединен с каждой распределительной цистерной сети низкотемпературной энергии для того, чтобы рабочий раствор перемещался из основной трубы в другую трубу без непосредственного смешивания охлажденной и нагретой жидкостей. Подземный контур может быть выполнен в зависимости от расположения распределительной цистерны. Например, подземный контур может быть горизонтальным, вертикальным или идущим наклонно вниз контуром, при этом иметь внутреннюю и внешнюю трубу, термическую скважину, пробуренную в скальной породе или сеть трубопроводов, размещенную в водоеме. Один или более подземных контуров могут быть помещены в распределительной цистерне в соответствии с их расположением и видом грунта.
[0021] В соответствии с другой целью настоящего изобретения распределительная цистерна сети низкотемпературной энергии содержит два резервуара, т.е. первый резервуар и второй резервуар, причем первый резервуар предназначен для приема и передачи нагретой рабочей жидкости, а второй резервуар предназначен для приема и передачи охлажденной рабочей жидкости. Оба резервуара снабжены средствами для приема основных труб соответственно в первом и втором пространстве и средствами для приема подземных контуров и/или сетей трубопроводов теплообменника для приема сети трубопроводов соответственно в первое и второе пространство. Количество подземных контуров и/или средств для приема могут изменяться. Распределительная цистерна может быть выполнена с возможностью соединения в заводских условиях и, поэтому, целесообразно изготовить лишние точки соединения для возможного расширения сети или ее изменения.
[0022] Изолирующая стенка отделяет первый резервуар от второго резервуара. Изолирующая стенка служит для минимизации теплопередачи между холодной жидкостью и жидкостью нагретой в подземном контуре, чтобы первый и второй резервуары распределительной цистерны предпочтительно имеют объем для хранения жидкость в резервуаре. Распределительные резервуары уравнивают потоки в сети трубопроводов и обеспечивают непрерывное регулирование потока в каждой трубе, выходящей из распределительного резервуара.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0023] Изобретение будет более подробно описано ниже на примерах со ссылками на приложенные чертежи, где
Фиг.1 - схематический вариант воплощения системы согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 - второй вариант воплощения системы согласно настоящему изобретению;
Фиг.3 - третий вариант воплощения системы согласно настоящему изобретению;
Фиг.4 - вид спереди распределительной цистерны одного варианта воплощения согласно настоящему изобретению;
Фиг.5 - вид спереди распределительной цистерны второго варианта воплощения согласно настоящему изобретению;
Фиг.6 - вид сверху распределительной цистерны второго варианта воплощения согласно настоящему изобретению;
Фиг.7 - вид торцевой части трубы, которая соединяется с распределительной цистерной варианта воплощения согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0024] Фиг.1 иллюстрирует вариант воплощения системы согласно настоящему изобретению, в котором труба 1а, состоящая из внутренней и наружной труб, расположена наклонно ниже уровня земной поверхности, вторая труба коллектора 1b представляет собой трубу, образующую единый контур. Теплообменник 3 использует низкотемпературную энергию, аккумулированную в сети трубопроводов 1а и 1b, и передает ее в дом 2 по переходной трубе 41, там, где она циркулирует в нагревающем контуре 7 и возвращается по переходной трубе 42 к сети трубопроводов 1а и 1b. Количество, длина, наклон и т.д. труб 1а, 1b могут изменяться в соответствии с энергетическими требованиями и/или свойствами грунта.
[0025] Теплообменник 3 может быть, например, геотермальным насосом. Теплообменник 3 соединен с контурами 1а и 1b коллектора через распределительные цистерны 80. Контуры 7 коллектора соединены с теплообменником 3 через два распределительных резервуара 82, 81. Первый распределительный резервуар 81 изолирован и предназначен для приема и передачи нагретой рабочей жидкости, второй распределительный резервуар 82 предназначен для приема и передачи охлажденной рабочей жидкости. Один контур 1а, 1b коллектора для соединения первого распределительного резервуара 81 и второго распределительного резервуара 82 соединен с каждым распределительным резервуаром, завершающим сеть низкотемпературной энергии. Таким образом, рабочий раствор может быть перемещен от основной трубы до другой без прямого смешивания охлажденной и нагретой жидкости. На фиг.1 показаны только две распределительные цистерны 80, но совершенно очевидно, что система может содержать множество распределительных цистерн 80. При этом распределительные цистерны, не имеющие контуров коллектора, могут быть расположены между конечными распределительными цистернами 80 системы, эти цистерны соединены не только посредством основных труб 100, 200, но также переходных труб 41, 42 с теплообменниками системы. Подходящий способ соединения также предусматривает непосредственное соединение (не показано), например, переходной трубы одного дома 2 с основными трубами 100, 200.
[0026] На фиг.2 показан второй вариант воплощения системы, согласно настоящему изобретению. Теплообменники 3 двух домов 2 соединены с распределительной цистерной 80, расположенной слева, теплообменник 3 одного дома 2 соединен с распределительной цистерной, расположенной справа. Поток в трубах коллектора, соединенных с распределительными цистернами 80, регулируется системой управления 50. В случае нагрева, когда, например, теплообменник 3 включается, а рабочая жидкость в контуре 1b коллектора теплее, чем жидкость в контуре 1а коллектора, система управления способна ограничить поток в контуре 1а коллектора и увеличить поток в контуре 1b так, чтобы теплообменник смог принять рабочую жидкость, нагретую настолько насколько это необходимо в эксплутационном смысле. В случае охлаждения ситуация, естественно, обратная.
[0027] Система управления 50 содержит заранее заданные данные для каждого подсоединенного контура коллектора и способна использовать эти данные для ограничения или увеличения потока в каждом контуре коллектора для достижения желаемой температуры. Кроме этого температуру рабочей жидкости, возвращающейся из трубы коллектора, измеряют измерительными средствами, в ответ на это система управления реагирует и осуществляет регулирование. Например, система управления может обладать информацией о длине основных труб, что позволяет также принимать в расчет изменение температуры, происходящей в основной трубе.
[0028] На фиг.3 показан третий вариант воплощения системы согласно настоящему изобретению, в котором система управления 50 соединена с одной распределительной цистерной посредством проводного соединения, а с другой - распределительной цистерной 80 посредством беспроводного соединения. В случае беспроводного соединения, система управления 50 и распределительная цистерна оборудуются подходящими средствами приема сигнала 51а и 51b. Система управления 50 предпочтительно соединяют с информационной сетью, такой как Интернет. Это позволяет проводить дистанционный мониторинг и управление системой.
[0029] На фиг.4 показан четвертый вариант воплощения системы согласно настоящему изобретению. Распределительный бак 80 содержит первый резервуар 81 и второй резервуар 82, причем первый резервуар 81 предназначен для приема и передачи нагретой рабочей жидкости, а второй распределительный резервуар 82 предназначен для приема и передачи охлажденной рабочей жидкости. Резервуары содержат приемные средства основной трубы 110, 120 для приема основных труб 100, 200 соответственно в первом 81 и втором 82 резервуарах соответственно. В этом варианте воплощения приемные средства основной трубы 110, 120 представляют собой части труб, которые выступают из распределительного резервуара 80 и с которыми могут быть соединены основные трубы 100, 200 необходимым образом, например, путем сварки. На чертеже также показаны приемные средства 11, 12 системы труб подземных контуров и/или теплообменника для приема системы труб в первом 81 и втором 82 пространстве, соответственно. На чертеже показана только одна пара каждого приемного средства, но очевидно, что их число может меняться.
[0030] Когда приемные средства 11, 12, 110, 120 выполняются так, что их концы закрыты перед их установкой, а их число может быть большим, имея в виду возможное расширение системы. В этом случае предпочтительно зарезервировать, по крайней мере, одну дополнительную пару приемных средств 110, 120 основной трубы в каждой распределительной цистерне. Первый резервуар 81 и второй резервуар 82 распределительной цистерны 80 разделены изолирующей стенкой 86. На чертежах показан вариант воплощения, где распределительная цистерна имеет круглую форму на виде сверху, при этом распределительные резервуары имеют полукруглую форму. Однако очевидно, что как распределительная цистерна, так и резервуары могут иметь разнообразную форму. Например, распределительные резервуары могут быть размещены один поверх другого, и при этом иметь цилиндрическую форму. Также возможно разместить распределительные резервуары отдельно, например, в больших системах с большим количеством присоединяемых труб.
[0031] На фиг.5 показан вид спереди второго варианта воплощения распределительной цистерны согласно настоящему изобретению. Распределительная цистерна 80 содержит измерительные средства 83 и регулирующие средства 85. В этом варианте воплощения измерительные средства 83 размещены в приемных средствах 11 системы труб подземных контуров, а регулирующие средства 85 в приемных средствах 12 системы труб подземных контуров. Однако размещение измерительных средств 83 и регулирующих средств 85 может быть другим, например, они могут располагаться в одном и том же месте. Две стрелки показывают направление передачи тепла от почвы ко второму неизолированному распределительному резервуару 82. Система может также включать средства отключения (не показаны), при помощи которых одна или более секций сети могут быть отключены, например, на период ремонта или расширения сети.
[0032] На фиг.6 показан вид сверху второго варианта воплощения распределительной цистерны согласно настоящему изобретению. Изолирующая стенка 86 размещена между первым распределительным резервуаром 81 и вторым распределительным резервуаром 82.
[0033] На фиг.7 показан частичный вид варианта воплощения торцевой части трубы 1a (показана на фиг.1-3), которая соединяется с распределительной цистерной согласно данному изобретению. Рабочая жидкость протекает через закрытую часть 60 в трубе 1 к распределительной цистерне. Закрытая часть 60 содержит внутреннюю соединительную манжету 61, которая соединяется внутри трубы 1 с внутренней трубой 10 и внешнюю соединительную манжету 62, через которую рабочая жидкость во внешней трубе 20 может быть отведена в отдельную трубу. Закрытая часть 60 может быть соединена с трубами, которые соединяются с распределительной цистерной известными способами, например, сваркой.
[0034] Для специалиста в этой области очевидно, что по мере развития технологического прогресса основная идея настоящего изобретения может быть воплощена различными путями. Данное изобретение и варианты его воплощения не ограничиваются вышеприведенными примерами, но могут меняться в объеме притязаний по формуле изобретения.