Теплонасосная система отопления и горячего водоснабжения помещений
ROOMS HEATING AND HOT WATER SUPPLY HEAT PUMP SYSTEM

Изобретение относится к системам отопления с тепловыми насосами, использующим тепло низкотемпературных источников естественного или искусственного происхождения для получения воды, пригодной для автономного отопления и горячего водоснабжения в жилых домах.
При длительной эксплуатации автономных систем отопления и горячего водоснабжения с использованием тепловых насосов возникает проблема снижения эффективности работы теплонасосной установки (ТНУ) вследствие постепенного переохлаждения грунта в зоне теплообменника внешнего грунтового контура и снижения температуры теплоносителя на входе в испаритель теплового насоса.
Предложены различные технические решения, повышающие стабильность и эффективность работы ТНУ. В основном, такие решения связаны с усложнением схем ТНУ, что приводит к существенному удорожанию, снижению надежности и доступности таких систем теплоснабжения.
Известна геотермальная теплонасосная система (патент РФ №2591362) [1], содержащая теплонасосное оборудование и систему сбора низкопотенциальной теплоты грунта, состоящую из двух и более зон, параллельно подключенных к теплонасосному оборудованию, каждая из которых, в свою очередь, содержит один и более вертикальных герметичных грунтовых теплообменников коаксиального типа с внутренней трубой, покрытой теплоизолирующим слоем пористого материала с замкнутыми порами, имеющего эластичные свойства. Каждая из зон системы сбора имеет гидравлически обособленный циркуляционный контур, соединенный с содержащим запас теплоносителя баком через питательный насос с обратным клапаном и байпасной линией, содержащей электроуправляемый сбросной вентиль, причем в каждой зоне питательный насос и сбросной клапан для автоматического управления подключены к контроллеру, соединенному с датчиком температуры на выходе из соответствующей зоны термоскважин.
Обеспечение постоянной работы двух и более зон должно осуществляться посредством автоматического регулирования теплосъема в зависимости от теплового состояния соответствующих участков грунтового массива. Для этого необходимо автоматически регулировать расход теплоносителя через термоскважины различных зон, причем в качестве регулирующего органа предлагается использовать слой теплоизоляционного материала с закрытыми порами, нанесенный на внутреннюю трубу вертикального коаксиального грунтового теплообменника (термоскважины) и выполненный из эластичного материала.
Сложность структуры данной теплонасосной системы, необходимость обустройства значительного количества скважин требуют больших материальных затрат и сложных монтажных работ, снижают надежность функционирования системы. Кроме того, регулирование зазора для прохождения теплоносителя в трубе с помощью эластичного материала со свойством автоматического изменения объема приведет к отказам системы при эксплуатации по причине неизбежного изменения свойств и загрязнения такого эластичного материала.
Известна также система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии (патент РФ №2350847) [2]. Система включает компрессионный тепловой насос типа грунт-вода, внутренний контур теплового насоса с высокотемпературным теплоносителем, внешний контур теплового насоса с теплообменником с низкотемпературным теплоносителем, а также солнечный коллектор, емкость для горячего водоснабжения, блок управления тепловыми потоками системы, жидкостные насосы для перекачивания теплоносителей и воды горячего водоснабжения.
Повышение эффективности системы теплоснабжения достигается за счет использования солнечной энергии для догрева теплоносителя в контуре циркуляции низкопотенциального теплоносителя в отопительный период при низкой интенсивности солнечной радиации и восстановления температурного режима скважин в межотопительный период с одновременной выработкой тепла на горячее водоснабжение с помощью солнечных коллекторов и использованием потенциала охлажденных скважин на охлаждение помещений, а также обеспечение независимости системы отопления от централизованной системы электроснабжения.
Данная система предусматривает расположение внешнего грунтового контура в скважинах. Необходимость обустройства скважин приводит к значительному удорожанию системы с ТНУ, снижает ремонтопригодность теплообменника внешнего контура. Кроме того, малый объем низкотемпературного теплоносителя теплообменников в скважинах не позволит восстановить тепловой потенциал окружающего грунта за летний период, а это, в свою очередь, не позволит подключать дополнительные потребители тепловой энергии, например, обогрев теплиц и т.д., что снижает востребованность в таких системах.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является система автономного обогрева помещений (патент РФ на полезную модель №140455) [3]. Цель полезной модели - повышение эффективности отопительной системы путем снижения переохлаждения грунта в месте расположения грунтового теплообменника.
Система включает контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с грунтовым теплообменником, вход которого связан с выходом испарителя теплового насоса и систему отопления, содержащую конденсатор теплового насоса, соединенный трубопроводом с отопительными приборами, и дополнительно снабжена вторым грунтовым теплообменником и устройством переключения, включающим два полых цилиндра, установленных вертикально, с размещенными внутри них конусообразными клапанами, сужающиеся части которых соединены со штоками поршней, днища поршней размещены в герметичных сосудах с газом, расположенных в нижних частях полых цилиндров, соединенных с выходами грунтовых теплообменников, а над полыми цилиндрами расположено коромысло, ось которого находится посредине между полыми цилиндрами, при этом расширяющиеся части конусообразных клапанов посредством шарнирных связей соединены с плечами коромысла, на котором закреплена герметичная трубка с размещенным в ней шариком, причем верхние части полых цилиндров соединены трубопроводом со входом испарителя теплового насоса, а грунтовые теплообменники размещены на расстоянии 5…25 м друг от друга.
В данной полезной модели повышение эффективности работы ТНУ с горизонтальным внешним контуром и грунтовым теплообменником обеспечивается за счет добавления второго грунтового теплообменника. Но при этом вдвое увеличивается площадь земельного участка, требуемого для размещения грунтовых теплообменников. Соответственно, возрастают и объемы земляных работ, необходимых для обустройства двух горизонтальных грунтовых контуров. Все это приводит к росту стоимости и снижению доступности таких систем с ТНУ, особенно для индивидуальных потребителей в частных домах.
Кроме того, предполагается, что восстановление теплового баланса грунта в зоне теплообменника временно отключенного горизонтального грунтового внешнего контура будет происходить только за счет естественного притока тепла от окружающих слоев грунта. Однако естественное восстановление теплового баланса грунта без организованного подвода тепловой энергии извне - процесс весьма длительный, и грунт в зоне отключенного теплообменника, особенно в зимнее время, может не успеть прогреться к моменту необходимости подключения этого грунтового внешнего контура. В результате, эффективность работы ТНУ, даже при наличии двух горизонтальных грунтовых внешних контуров, будет постепенно снижаться.
Также использование в полезной модели достаточно сложного устройства для переключения системы с одного горизонтального грунтового внешнего контура на другой приведет к снижению надежности работы и усложнит эксплуатацию теплонасосной установки.
Задачей предложенного изобретения является повышение эффективности теплонасосной системы компрессионного типа, работающей по схеме грунт-вода для отопления помещений и горячего водоснабжения.
Это достигается за счет того, что теплонасосная установка содержит тепловой насос, включающий узел испарителя, узел конденсатора, компрессор и расширительный вентиль, а также внешний горизонтальный грунтовый контур с грунтовым теплообменником, внутренний контур с отопительными приборами и солнечный коллектор с теплообменником и баком для горячей воды, и отличается тем, что грунтовый теплообменник внешнего горизонтального грунтового контура выполнен в виде блока из коаксиально расположенных труб, по которым циркулируют жидкие теплоносители, причем внутренние трубы грунтового теплообменника подсоединены к узлу теплообменника солнечного коллектора, а наружные трубы грунтового теплообменника подсоединены к узлу испарителя теплового насоса.
Теплоносители в наружных и внутренних трубах грунтового теплообменника внешнего горизонтального грунтового контура могут двигаться в одном направлении. Также теплоносители в наружных и внутренних трубах грунтового теплообменника внешнего горизонтального грунтового контура могут двигаться в противоположных направлениях.
Площади проходных сечений внешних труб на участке подсоединения к блоку испарителя могут не превышать площадей кольцевых зазоров между наружными и внутренними трубами в грунтовом теплообменнике.
Скорости движения жидкого теплоносителя в грунтовом теплообменнике, а также на входе в узел испарителя и в соединяющих их трубопроводах могут быть одинаковы.
Скорость движения жидкого теплоносителя в узле теплообменника солнечного коллектора может регулироваться в зависимости от температуры жидкого теплоносителя.
При этом в качестве жидкого теплоносителя в узле испарителя может быть использован рассол, а в качестве жидкого теплоносителя в узле теплообменника солнечного коллектора может быть использован антифриз.
Содержание заявленной теплонасосной системы отопления и горячего водоснабжения (ГВС) иллюстрируется ниже приведенными фигурами: фиг. 1 - общая принципиальная схема системы отопления и ГВС, фиг. 2 - принципиальная схема внешнего грунтового контура с грунтовым теплообменником, фиг. 3 - поперечное сечение внешних и внутренних труб грунтового теплообменника, фиг. 4 - продольное сечение внешних и внутренних труб грунтового теплообменника.
Теплонасосная система отопления и ГВС состоит (фиг. 1, 2) из теплового насоса 1, внешнего грунтового контура с грунтовым теплообменником 2, внутреннего контура для отопления помещения с теплообменником в виде приборов отопления - батарей 3, солнечного коллектора с теплообменником 4, бака для горячей воды 5.
Грунтовый теплообменник 2 состоит из внешних труб 6, расположенных параллельно друг другу (фиг. 2) и внутренних труб 7, расположенных коаксиально по отношению к внешним трубам (фиг. 3, 4). Выходы внешних труб через общий коллектор соединены с входом в узел испарителя теплового насоса, а входы внешних труб через общий коллектор соединены с выходом из узла испарителя теплового насоса. Входы внутренних труб грунтового теплообменника через общий коллектор подсоединены к выходу узла теплообменника солнечного коллектора, а выходы внутренних труб грунтового теплообменника через коллектор подсоединены к входу узла теплообменника солнечного коллектора.
По внешним трубам 6 и по кольцевому зазору между трубами 6 и 7 (фиг. 4) движется низкотемпературный теплоноситель - рассол, а по внутренним трубам 7 движется низкотемпературный теплоноситель - антифриз.
Теплонасосная система работает следующим образом.
Горячее водоснабжение помещений осуществляется от бака 5, вода в котором нагревается как от теплообменника солнечного коллектора 4, так и за счет тепловой энергии теплового насоса 1.
Система отопления помещений снабжается тепловой энергией от теплового насоса 1.
Во внешних трубах 6 грунтового теплообменника 2 циркулирует низкотемпературный теплоноситель - рассол, который нагревается от грунта до температуры +5…10°C. Антифриз, нагретый в теплообменнике солнечного коллектора 4, подается во внутренние трубы 7 грунтового теплообменника и дополнительно нагревает рассол, находящийся в зазоре между внешними и внутренними трубами грунтового теплообменника 2. Нагретый рассол поступает в узел испарителя теплового насоса, где передает тепло хладагенту. Пары хладагента поступают в компрессор, где сжимаются и нагреваются, а затем поступают в узел конденсатора, где конденсируются, отдавая тепло в отопительный контур и в контур ГВС. Дополнительный подогрев рассола перед подачей его на вход узла испарителя стабильно повышает эффективность работы теплонасосной системы, позволяя получать температуру воды в отопительном контуре до +60…65°C. Охлажденный рассол с температурой 0…+5°C из узла испарителя теплового насоса возвращается по внешним трубам 6 в грунтовый теплообменник 2, где вновь нагревается от тепла грунта и от антифриза, циркулирующего во внутренних трубах 7 грунтового теплообменника.
В процессе работы теплонасосной системы грунт вокруг грунтового теплообменника постепенно остывает. Однако в грунт через стенки внешних труб 6 грунтового теплообменника передается часть тепловой энергии рассола, постоянно нагреваемого от горячего антифриза, циркулирующего по внутренним трубам 7 грунтового теплообменника, при этом происходит восстановление энергетического потенциала грунта, окружающего грунтовый теплообменник. В результате, удается поддерживать высокую эффективность ТНУ, даже при ее длительной эксплуатации.
В узле теплообменника солнечного коллектора установлен реверсивный жидкостный насос с регулируемой скоростью вращения (не показано).
Изменение направления движения антифриза по внутренним трубам 7 грунтового теплообменника относительно направления движения рассола по внешним трубам 6 дает возможность более эффективно управлять температурным режимом низкотемпературного теплоносителя - рассола. Кроме того, по сигналам от датчика температуры (не показано), установленного в узле теплообменнике солнечного коллектора, производится регулировка скорости вращения реверсивного жидкостного насоса. При этом изменяется скорость движения потока антифриза в теплообменнике солнечного коллектора и по внутренним трубам 7 грунтового теплообменника и, тем самым, регулируется объем тепловой энергии, передаваемой от теплоносителя - антифриза через стенки внутренних труб 7 теплоносителю - рассолу, циркулирующему в зазоре между внешними и внутренними трубами грунтового теплообменника. Регулировка скорости движения потока антифриза позволяет также предотвратить возможность перегрева и закипания антифриза в теплообменнике солнечного коллектора
Площади проходных сечений внешних труб 6 грунтового теплообменника на участке подсоединения к блоку испарителя площадей выбираются таким образом, чтобы они были равны или были меньше площадей кольцевых зазоров между наружными и внутренними трубами в грунтовом теплообменнике. Такие размеры проходных сечений внешних труб 6, а также поддержание одинаковых скоростей движения потока теплоносителя - рассола в грунтовом теплообменнике, на входе в узел испарителя теплового насоса и в соединяющих их трубопроводах позволят предотвратить возможность возникновения гидроударов в контуре в случае быстрой остановки теплового насоса.
Управление работой теплонасосной системы осуществляется контроллером (не показано).
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность работы ТНУ при ее длительной эксплуатации без необходимости периодического отключения внешнего грунтового контура для восстановления теплового потенциала грунта. В результате, повышается степень загрузки и сокращается время простоя агрегатов ТНУ.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2591362 от 20.07.2016. «Геотермальная теплонасосная система».
2. Патент РФ на изобретение №2350847 от 27.03.2009. «Система автономного теплоснабжения потребителей на основе установок с использованием низкопотенциальных геотермальных источников и возобновляемых источников энергии».
3. Патент РФ на полезную модель №140455 от 22.10. 2013. «Система автономного обогрева помещений».