Система солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения
SOLAR HEATING AND HOT WATER SYSTEM

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может найти применение в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения на основе использования солнечной энергии.
Известна система солнечного теплоснабжения здания (авторское свидетельство SU №1183790, публ. 07.10.1985, МПК F24J 2/42), содержащая солнечный коллектор, по меньшей мере два параллельно подключенных к нему теплообменника, сообщенных с баками-аккумуляторами, один из которых подключен к трубопроводу горячего водоснабжения, а другой - к трубопроводу воздушного отопления, сообщенному также с последовательно установленными тепловым дублером и воздухонагревателем с прямым и обратным трубопроводами, второй бак-аккумулятор выполнен по меньшей мере двухсекционным, одна из его секций подключена к теплообменнику, другая сообщена с тепловым дублером, обратный трубопровод воздухонагревателя параллельно подключен к обеим секциям, которые дополнительно соединены между собой.
Недостатками настоящего технического решения являются относительно низкая эффективность работы теплообменников, подключенных к солнечному коллектору, а также необходимость применения циркуляционного насоса в гидравлическом контуре солнечного коллектора.
Известна система солнечного теплоснабжения с регулируемой поглощательной способностью (патент RU №2723263, публ. 09.06.2020, МПК F24S 90/00), включающая солнечный коллектор с жидким теплоносителем, содержащим дисперсную фазу с высокими светопоглощающими свойствами, регулирующий ее концентрацию модуль с подводящими и отводящими патрубками, рекуперативный теплообменник и насос, связанные системой трубопроводов в первичный циркуляционный контур, модуль, регулирующий концентрацию дисперсной фазы в теплоносителе, выполнен с возможностью разделения последнего на два потока: один с максимальной, другой с минимальной концентрацией упомянутой дисперсной фазы, при воздействии центробежных или инерционных, или гравитационных сил, электростатического воздействия, под воздействием разности давления либо комбинации этих сил, снабжен двумя соответствующими выходными патрубками с автоматически управляемыми регулирующими клапанами либо автоматически управляемым трехходовым краном, а также системой автоматического регулирования проходного сечения выходных патрубков и скорости потоков разделенного теплоносителя, включающей датчик температуры.
Недостатками данного технического решения являются относительно низкая эффективность работы рекуперативного теплообменника, а также склонность к образованию застойных зон в гидравлическим контуре системы солнечного теплоснабжения с повышенной концентрацией дисперсной фазы от возможного оседания растворенных в теплоносителе частиц.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является система солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения (Алхасов А.Б. Возобновляемая энергетика. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: ФИЗМАТЛИТ, 2012. - 256 с. - ISBN 978-5-9221-1244-4. - С.138), включающая первый гидравлический контур, состоящий из солнечного коллектора и греющего контура теплообменника «жидкость-жидкость», которые связаны подающим и обратным трубопроводами этого контура с установленным на нем первым циркуляционным насосом, второй гидравлический контур, состоящий из нагреваемого контура теплообменника «жидкость-жидкость» и греющего контура бака-аккумулятора, которые связаны подающим трубопроводом этого контура и обратным трубопроводом этого контура с установленным на нем вторым циркуляционным насосом, третий гидравлический контур, состоящий из нагреваемого контура бака-аккумулятора и греющего контура теплообменника «жидкость-воздух», которые связаны подающим трубопроводом этого контура и обратным трубопроводом этого контура с установленным на нем третьим циркуляционным насосом, контур воздушного отопления, состоящий из нагреваемого контура теплообменника «жидкость-воздух» и потребителя тепловой энергии и горячего водоснабжения, которые связаны посредством подающего воздуховода и обратного воздуховода с установленным на нем вентилятором, на входе которого подключен воздуховод подачи холодного воздуха, а также содержащая трубопровод подачи холодной воды, трубопровод подачи горячей воды, циркуляционный насос системы горячего водоснабжения, дублер системы горячего водоснабжения и дублер системы отопления, причем первый гидравлический контур и второй гидравлический контур связаны посредством теплообменника «жидкость-жидкость», второй гидравлический контур и третий гидравлический контур связаны посредством бака-аккумулятора, трубопровод подачи холодной воды и трубопровод подачи горячей воды подключены к нагреваемому контуру бака-аккумулятора, циркуляционный насос системы горячего водоснабжения и дублер системы горячего водоснабжения установлены последовательно в трубопровод подачи горячей воды на входе потребителя тепловой энергии и горячего водоснабжения, в воздушном контуре отопления которого установлен дублер системы отопления.
Недостатками настоящего технического решения являются относительно низкая эффективность работы теплообменника «жидкость-жидкость» при необходимости использования первого циркуляционного насоса в гидравлическом контуре солнечного коллектора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является интенсификация теплообменных процессов на отдельных участках гидравлических контуров системы солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения без использования циркуляционного насоса в контуре солнечного коллектора.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы системы солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения и упрощении конструкции.
Это достигается тем, что известная система солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения, содержащая первый гидравлический контур, состоящий из солнечного коллектора и греющего контура теплообменника «жидкость-жидкость», которые связаны подающим и обратным трубопроводами этого контура, второй гидравлический контур, состоящий из нагреваемого контура теплообменника «жидкость-жидкость» и греющего контура бака-аккумулятора, которые связаны подающим трубопроводом этого контура и обратным трубопроводом этого контура с установленным на нем первым циркуляционным насосом, третий гидравлический контур, состоящий из нагреваемого контура бака-аккумулятора и греющего контура теплообменника «жидкость-воздух», которые связаны подающим трубопроводом этого контура и обратным трубопроводом этого контура с установленным на нем вторым циркуляционным насосом, контур воздушного отопления, состоящий из нагреваемого контура теплообменника «жидкость-воздух» и потребителя тепловой энергии и горячего водоснабжения, которые связаны посредством подающего воздуховода и обратного воздуховода с установленным на нем вентилятором, на входе которого подключен воздуховод подачи холодного воздуха, а также включающая трубопровод подачи холодной воды, трубопровод подачи горячей воды, циркуляционный насос системы горячего водоснабжения, дублер системы горячего водоснабжения и дублер системы отопления, при этом первый гидравлический контур и второй гидравлический контур связаны посредством теплообменника «жидкость-жидкость», второй гидравлический контур и третий гидравлический контур связаны посредством бака-аккумулятора, трубопровод подачи холодной воды и трубопровод подачи горячей воды подключены к нагреваемому контуру бака-аккумулятора, циркуляционный насос системы горячего водоснабжения и дублер системы горячего водоснабжения установлены последовательно в трубопроводе подачи горячей воды на входе потребителя тепловой энергии и горячего водоснабжения, в контуре воздушного отопления которого установлен дублер системы отопления, снабжена ударным узлом, импульсным нагнетателем с полым корпусом и установленной внутри него эластичной диафрагмой, разделяющей его на верхнюю полость и нижнюю полость с подключенными к ней обратным клапаном входа и обратным клапаном выхода, а также двумя гидравлическими аккумуляторами, причем ударный узел установлен в подающем трубопроводе второго гидравлического контура, импульсный нагнетатель верхней полостью полого корпуса подключен к выходу первого циркуляционного насоса, нижней полостью полого корпуса обратными клапанами входа и выхода включен последовательно в обратном трубопроводе первого гидравлического контура, первый гидравлический аккумулятор установлен в первом гидравлическом контуре, а второй гидравлический аккумулятор подключен к выходу первого циркуляционного насоса.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена система солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения.
Система солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения содержит первый гидравлический контур 1, состоящий из солнечного коллектора 2 и греющего контура 3 теплообменника «жидкость-жидкость» 4, которые связаны подающим 5 и обратным 6 трубопроводами этого контура.
Система солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения также содержит второй гидравлический контур 7, состоящий из нагреваемого контура 8 теплообменника «жидкость-жидкость» 4 и греющего контура 9 бака-аккумулятора 10, которые связаны подающим трубопроводом 11 этого контура и обратным трубопроводом 12 этого контура с установленным на нем первым циркуляционным насосом 13.
Система также содержит третий гидравлический контур 14, состоящий из нагреваемого контура 15 бака-аккумулятора 10 и греющего контура 16 теплообменника «жидкость-воздух» 17, которые связаны подающим трубопроводом 18 этого контура и обратным трубопроводом 19 этого контура с установленным на нем вторым циркуляционным насосом 20.
Система также содержит контур воздушного отопления 21, состоящий из нагреваемого контура 22 теплообменника «жидкость-воздух» 17 и потребителя 23 тепловой энергии и горячего водоснабжения, которые связаны посредством подающего воздуховода 24 и обратного воздуховода 25 с установленным на нем вентилятором 26, на входе которого подключен воздуховод подачи холодного воздуха 27.
Система также включает трубопровод подачи холодной воды 28, трубопровод подачи горячей воды 29, циркуляционный насос системы горячего водоснабжения 30, дублер системы горячего водоснабжения 31 и дублер системы отопления 32.
Первый гидравлический контур 1 и второй гидравлический контур 7 связаны посредством теплообменника «жидкость-жидкость» 4, второй гидравлический контур 7 и третий гидравлический контур 14 связаны посредством бака-аккумулятора 10.
Трубопровод подачи холодной воды 28 и трубопровод подачи горячей воды 29 подключены к нагреваемому контуру 15 бака-аккумулятора 10.
Циркуляционный насос системы горячего водоснабжения 30 и дублер системы горячего водоснабжения 31 установлены последовательно в трубопровод подачи горячей воды 29 на входе потребителя 23 тепловой энергии и горячего водоснабжения, в контуре воздушного отопления 21 которого установлен дублер системы отопления 32.
В подающем трубопроводе 11 второго гидравлического контура 7 установлен ударный узел 33.
Первый гидравлический контур 1 и второй гидравлический контур 7 также связаны через импульсный нагнетатель 34 с полым корпусом 35, внутри которого расположена эластичная диафрагма 36, разделяющая его на верхнюю полость 37 и нижнюю полость 38 с подключенными к ней обратным клапаном входа 39 и обратным клапаном выхода 40.
Импульсный нагнетатель 34 верхней полостью 37 полого корпуса 35 подключен к выходу первого циркуляционного насоса 13 второго гидравлического контура 7, нижней полостью 38 полого корпуса 35 обратными клапанами входа 39 и выхода 40 включен последовательно в обратный трубопровод 6 первого гидравлического контура 1.
В подающем трубопроводе 5 первого гидравлического контура 1 установлен первый гидравлический аккумулятор 41. К выходу первого циркуляционного насоса 13 подключен второй гидравлический аккумулятор 42.
Система солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения работает следующим образом.
Сначала обеспечивают заполнение первого 1 и второго 7 гидравлических контуров до полного удаления из них воздуха жидким теплоносителем, в качестве которого может быть использован антифриз и/или наножидкость. Третий гидравлический контур 14 заполняют водой из трубопровода подачи холодной воды 28 до полного удаления из него воздуха.
На начальном этапе теплоноситель первого гидравлического контура 1, нагреваясь в солнечном коллекторе 2, поступает в греющий контур 3 теплообменника «жидкость-жидкость» 4 под действием гравитационной циркуляции по подающему трубопроводу 5 этого контура, где его теплота передается в нагреваемый контур 8 теплоносителю второго гидравлического контура 7, циркулирующему в нем также пока под действием гравитационной циркуляции, и возвращается в солнечный коллектор 2 по обратному трубопроводу 6 первого гидравлического контура 1. Таким образом, нагретый теплоноситель второго гидравлического контура 7 по подающему трубопроводу 11 поступает в греющий контур 9 бака-аккумулятора 10, где его теплота передается в нагреваемый контур 15 бака-аккумулятора 10 нагреваемой воде, и возвращается в нагреваемый контур 8 теплообменника «жидкость-жидкость» 4 по обратному трубопроводу 12 второго гидравлического контура 7.
Из нагреваемого контура 15 бака-аккумулятора 10 нагретая вода поступает в трубопровод подачи горячей воды 29 под действием напора холодной воды в трубопроводе подачи холодной воды 28 и/или под действием циркуляционного насоса системы горячего водоснабжения 30, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере системы горячего водоснабжения 31 и поступает в систему горячего водоснабжения (на схеме не указана) потребителя 23 тепловой энергии и горячего водоснабжения.
Для отопления потребителя 23 тепловой энергии и горячего водоснабжения вода из нагреваемого контура 15 бака-аккумулятора 10 подается вторым циркуляционным насосом 20 по подающему трубопроводу 18 третьего гидравлического контура 14 в греющий контур 16 теплообменника «жидкость-воздух» 17, где отдает свое тепло воздуху в нагреваемом контуре 22 теплообменника «жидкость-воздух» 17, и возвращается в нагреваемый контур 15 бака-аккумулятора 10 по обратному трубопроводу 19 третьего гидравлического контура 14.
Нагретый в теплообменнике «жидкость-воздух» 17 воздух с помощью вентилятора 26 на обратном воздуховоде 25 нагнетается по подающему воздуховоду 24 в систему воздушного отопления (на схеме не указана) потребителя 23 тепловой энергии и горячего водоснабжения и возвращается в нагреваемый контур 22 теплообменника «жидкость-воздух» 17 по обратному воздуховоду 25 контура воздушного отопления 21. При необходимости регулирования (как правило, снижения) температуры воздуха, подаваемого в теплообменник «жидкость-воздух» 17 обеспечивают требуемую частичную подачу холодного воздуха по воздуховоду подачи холодного воздуха 27. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечным коллектором 2, в работу включается дублер системы отопления 32. Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения в каждом конкретном случае определяется климатическими факторами, назначением объекта, режимами теплопотребления и горячего водоснабжения, экономическими показателями.
При включении в работу первого циркуляционного насоса 13 второго гидравлического контура 7 в нем осуществляется принудительная циркуляция теплоносителя. Далее запускается в работу ударный узел 33, который обеспечивает перекрытие проходного сечения подающего трубопровода 11 второго гидравлического контура 7.
В момент его закрытия возникает гидравлический удар, положительная волна которого при распространении от ударного узла 33 к первому циркуляционному насосу 13 обеспечивает перемещение эластичной диафрагмы 36 полого корпуса 35 импульсного нагнетателя 34 из верхней полости 37 в нижнюю полость 38 при вытеснении из нее теплоносителя первого гидравлического контура 1 через обратный клапан выхода 40 в первый гидравлический аккумулятор 41.
При отрицательной волне гидравлического удара во втором гидравлическом контуре 7, которая возникает в момент отражения положительной волны от второго гидравлического аккумулятора 42 и поглощения ее энергии в импульсном нагнетателе 34, проходное сечение ударного узла 33 открывается. В этот момент циркуляция теплоносителя во втором гидравлическом контуре 7 под действием первого циркуляционного насоса 13 возобновляется, а первый гидравлический аккумулятор 41 под действием сжатого в нем воздуха обеспечивает вытеснение из него теплоносителя первого гидравлического контура 1 при перемещении эластичной диафрагмы 36 полого корпуса 35 импульсного нагнетателя 34 из нижней полости 38 в верхнюю полость 37 при заполнении нижней полости 38 теплоносителем первого гидравлического контура 1 через обратный клапан входа 39.
При последующем закрытии проходного сечения ударного узла 33 процесс работы системы солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения возобновляется в описанной выше последовательности и происходит до тех пор, пока работает первый циркуляционный насос 13.
Таким образом, в первом гидравлическом контуре 1 обеспечивается пульсирующая принудительная циркуляция содержащегося в нем теплоносителя только от импульсного нагнетателя 34, а во втором гидравлическом контуре 7 обеспечивается импульсная циркуляция содержащегося в нем теплоносителя, создаваемая в тандеме с первым циркуляционным насосом 13 и ударным узлом 33. Такая пульсирующая циркуляция греющего теплоносителя и импульсная циркуляция нагреваемого теплоносителя в теплообменнике «жидкость-жидкость» 4 относительно разграничивающей их поверхности теплообмена способствует интенсификации теплообменных процессов в нем, а также снижению вероятности образования застойных зон с дисперсными включениями наночастиц, которые добавляют в теплоносители первого 1 и второго 7 гидравлических контуров для улучшения их теплофизических свойств.
Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить эффективность работы и упростить конструкцию системы солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения за счет:
- интенсификации теплообменных процессов в теплообменнике «жидкость-жидкость» от импульсной циркуляции греющего теплоносителя и пульсирующей циркуляции нагреваемого теплоносителя;
- исключения необходимости использования циркуляционного насоса в контуре солнечного коллектора для организации принудительной циркуляции теплоносителя в его контуре;
- снижения вероятности образования застойных зон дисперсных включений (наночастиц) теплоносителей в гидравлических контурах теплообменника «жидкость-жидкость».