СИСТЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
ENERGY STORAGE SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к системе аккумулирования энергии. В частности, настоящее изобретение относится к системам аккумулирования тепловой энергии, предназначенной для использования совместно с котлом, например, водогрейным котлом бытового назначения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Комбинирование аккумулирования энергии или комбинированные котлы, объединяют в одно устройство центральное отопление и горячее водоснабжение для бытовых нужд.
Устройство аккумулирующего типа включает в себя накопитель для воды вместимостью, в пределах 42-54 литра. Это соответствует средней энергоемкости приблизительно 2,70 кВт⋅ч на объем загрузки устройства. В таблице ниже даны примеры таких котлов комбинированного аккумулирования энергии и их основные характеристики.
Расход горячей воды, указанный в таблице выше, основан на повышении температуры на 35 градусов по Кельвину, т.е. на номинальной температуре потока горячей воды 45°С.
Расход в таких устройствах составляет от 14,0 до 17,5 литров в минуту.
Емкость накопителя горячей воды в таких устройствах комбинированных котлов служит преимущественно для повышения их эффективности (коэффициента полезного действия) и удовлетворения запросов потребителей при их использовании. Это достигается благодаря снижению энергетических потерь за счет сокращения цикла котла, который включается на высокой мощности даже при небольшом отборе воды. Потери воды и энергии сокращаются, поскольку горячая вода сразу подается из емкости для горячей воды в отличие от обычного комбинированного котла, в котором для подачи воды пригодной для использования температуры свыше 40°С требуется задержка приблизительно 15 секунд. Обычный комбинированный котел не содержит средство накопления воды, а нагревает воду по мере ее прохождения через котел. В некоторых случаях обычный комбинированный котел включает в себя средство поддержания высокой температуры для немедленной подачи горячей воды, однако известно, что из-за этого свойства потери тепловой энергии достигают 900 кВт⋅ч в год.
Комбинированные котлы содержат много подвижных элементов, что может привести к поломке, и поэтому их можно считать менее надежными, чем системные, отопительные и другие котлы, обычно имеющие бак-накопитель воды.
Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованной системы обогрева на основе котла.
Другой целью является создание системы аккумулирования энергии, которая является усовершенствованной альтернативой обычным средствам аккумулирования энергии, используемым в котлах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предлагается система аккумулирования энергии, предназначенная для использования совместно с котлом, содержащая:
множество блоков аккумулирования тепловой энергии, причем каждый блок аккумулирования тепловой энергии содержит фазоизменяющий материал, имеющий заданную температуру фазового перехода;
устройство отбора энергии, выполненное с возможностью рекуперации неиспользованной энергии котла, причем устройство отбора энергии способно осуществлять отбор неиспользованной энергии котла и подавать такую энергию по меньшей мере в один из блоков аккумулирования тепловой энергии; и
регулятор, предназначенный в рабочем состоянии для включения устройства отбора энергии при работе котла.
Система, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, способна аккумулировать энергию для нагрева относительно небольшого объема воды за счет использования фазоизменяющего материала, имеющего соответствующую температуру фазового перехода.
Температура фазового перехода может быть одинаковой для всех блоков аккумулирования. Как альтернатива, по меньшей мере один блок аккумулирования может функционировать с температурой фазового перехода ниже, чем температура фазового перехода остальных блоков аккумулирования.
Каждый блок аккумулирования тепловой энергии может быть соединен с одним или более соседними блоками аккумулирования тепловой энергии посредством патрубков передачи тепловой энергии.
Устройство отбора энергии может содержать насос. Насос может включать в себя мини-насос подачи питьевой воды. Как вариант, насос может включать в себя тепловой микро-насос.
Насос может быть выполнен с возможностью рекуперации отходящего тепла дымовых газов, вырабатываемых при работе котла. Регулятор может активировать насос при зажигании котла, например, если это требуется для горячей воды.
Система аккумулирования энергии способна рекуперировать тепло, поступающее от котла, в частности, от котлов с низкой эффективностью, такое тепло как отходящее тепло дымовых газов и от теплообменника котла во время работы насоса в период перегрузки в конце цикла горения. В настоящем изобретении предлагается средство для эффективной рекуперации дымовых газов и тепла, и рекуперации в конце цикла горения, которое может быть встроено в емкость для горячей воды. Поэтому, устройство согласно вариантам осуществления настоящего изобретения повысит степень рекуперации энергии по сравнению с имеющейся на сегодняшний день технологией.
Система может содержать патрубок подвода холодной воды. Холодная вода может подаваться из водопроводной сети.
Система может содержать термостатический смесительный клапан, причем смесительный клапан смешивает холодную воду, поступающую из магистрали, нагреваемой системой аккумулирования энергии, что позволяет управлять температурой питьевой воды на выходе. Такой термостатический клапан может быть выполнен с возможностью регулирования температуры воды на выходе в пределах приблизительно 47°С.
Расход воды в системе аккумулирования энергии согласно вариантам осуществления настоящего изобретения может составлять по меньшей мере 15,5 литров в минуту.
Фазоизменяющий материал может иметь температуру фазового перехода приблизительно 58°С. Фазоизменяющий материал может иметь температуру фазового перехода в пределах 50-55°С.
По меньшей мере один блок аккумулирования может содержать фазоизменяющий материал, имеющий температуру фазового перехода приблизительно 28°С. Преимущество использования фазоизменяющего материала с пониженной температурой 28°С заключается в том, что позволяет системе рекуперации тепла работать при более низкой температуре в течение более длительного периода времени, увеличивая тем самым количество рекуперированной энергии.
Система аккумулирования энергии согласно вариантам осуществления настоящего изобретения позволяет сократить цикл работы котла. Специалистам в данной области техники очевидно, что в бытовых условиях основной отбор горячей воды, например, для мытья рук, непродолжителен, и поэтому может приводить к неэкономному потреблению энергии.
Согласно второму аспекту изобретения, предлагается котел в сочетании с системой аккумулирования энергии по первому аспекту изобретения.
Соответствующий котел, предназначенный для использования с системой аккумулирования энергии согласно настоящему изобретению, может представлять собой системный котел. Как вариант, котел, предназначенный для использования с системой аккумулирования энергии, может представлять собой комбинированный котел, в котором система аккумулирования энергии согласно первому аспекту изобретения установлена снаружи котла. Котел может быть, но не ограничиваться, например, котлом, работающим на газе или котлом, работающим на жидком топливе.
Сочетание соответствующего котла и наружной системы аккумулирования энергии согласно настоящему изобретению может обеспечить систему, сравнимую с аккумулирующим комбинированным котлом, однако при меньших затратах на разработку и сертификацию.
Система аккумулирования энергии, используемая в сочетании с системным котлом, обладает преимуществом по сравнению с известными системными котлами, поскольку в ней не требуется аккумулирующий резервуар, который обычно устанавливается в проветриваемом кухонном шкафу или аналогичном месте. Таким образом уменьшается площадь, необходимая для накопителя воды.
Система аккумулирования энергии, используемая снаружи в сочетании с комбинированным котлом, обладает преимуществом по сравнению с известными комбинированными котлами, поскольку наружная система аккумулирования энергии по существу предотвращает задержку при необходимости подачи горячей воды. Кроме того, система аккумулирования энергии, использованная снаружи в сочетании с комбинированным котлом снижает требования к аккумулирующей емкости и также уменьшает количество рабочих частей внутри котла, которые могут привести к поломкам.
Объем питьевой воды в системе аккумулирования энергии будет значительно меньше 15 литров. Как таковое, устройство можно использовать без предохранительных механизмов и испытаний, характерных для закрытых (невентилируемых) аккумулирующих емкостей (40-80 литров), используемых в комбинированных котлах.
Обычные накопительные комбинированные котлы, как правило, требуют = питьевую воду, которую необходимо пастеризовать, поскольку его объем в резервуаре превышает установленный уровень, что увеличивает время застоя воды. По существу, если уменьшить объем питьевой воды в системе и поддерживать его на максимальном уровне около 10 литров, а затем нагревать воду, как только возникает необходимость, то можно не пастеризовать воду, например, нагревом до температуры свыше 60°С, чтобы предотвратить появление легионеллы.
Системный котел с системой аккумулирования энергии обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия котла по сравнению с известными системными и накопительными комбинированными котлами. Средние температуры в контуре циркуляции котла, как правило, ниже.
Сочетание системного котла с системой аккумулирования энергии согласно настоящему изобретению сокращает потери воды и энергии, поскольку, благодаря системе аккумулирования энергии, горячая вода подается из бака незамедлительно.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже следует описание вариантов осуществления изобретения только как примеры осуществления, проиллюстрированных сопровождающими чертежами, на которых:
фиг. 1 представляет схематический вид устройства аккумулирующего котла, содержащего систему аккумулирования энергии согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет схематический вид устройства аккумулирующего котла, содержащего систему аккумулирования энергии согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; и
фиг. 3 представляет схему размещения системы аккумулирования энергии согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1 показана система 10 аккумулирования энергии согласно одному варианту осуществления в сочетании с системным котлом 20, образующая комбинированный котел 100 с наружным аккумулированием энергии.
Система 10 аккумулирования энергии содержит ряд блоков 101, 102, 103, 104 аккумулирования, служащих для отбора и аккумулирования тепловой энергии, которая обычно рассеивается с отработанными дымовыми газами. Система 10 аккумулирования энергии регенерирует тепло от теплообменника 201, расположенного между котлом 20 и дымоходом 202.
Каждый блок 101, 102, 103, 104 аккумулирования содержит фазоизменяющий материал. Первый блок аккумулирования представляет собой батарею рекуперации отходящего тепла и содержит фазоизменяющий материал с температурой плавления 28°С и теплоаккумулирующей способностью 1,5 кВт⋅ч.
Каждый из остальных блоков 102, 103, 104 аккумулирования содержит фазоизменяющий материал с температурой плавления 58°С и теплоаккумулирующей способностью от 2,0 до 10,0 кВт⋅ч.
В варианте осуществления, показанном на фиг 1, насос 105 осуществляет передачу неиспользованной тепловой энергии от теплообменника 201 дымохода в блок 101 аккумулирования для рекуперации отходящего тепла. Регулятор 106 при работе включает насос 105, когда котел 20 зажигается при необходимости отбора горячей воды, например, при открытии крана. Это позволяет рекуперировать тепловую энергию отработанных/дымовых газов.
На фиг. 2 показана структурная схема котла 20 и системы 10 аккумулирования энергии, аналогичная схеме на фиг. 1. Соответственно, используются те же ссылочные позиции. Разница между схемами на фиг. 1 и фиг. 2 заключается в наличии теплового микро-насоса 115, расположенного в цепи регенерации отходящего тепла между теплообменником 201 дымохода и блоком 101 аккумулирования, отходящего тепла, как показано на фиг. 2. Водо-водяной тепловой микро-насос 115, как правило, способен отбирать из газов, выходящих через дымоход 202 котла, большее количество энергии, чем мини-насос 105 питьевой воды, показанный на фиг. 1. Кроме этого, микро-насос 115 может накапливать отведенную тепловую энергию при более высокой температуре, чем мини-насос на фиг. 1.
В проиллюстрированных примерах котел 20 представляет собой обычный системный котел, которому в сочетании с системой 10 аккумулирования энергии не требуется бак-накопитель для горячей воды.
Сочетание системного котла 20 и системы 10 аккумулирования энергии позволяет создать систему обогрева с более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с аналогичным накопительным комбинированным котлом.
Котел 20 представляет собой типичный системный котел, который не является частью настоящего изобретения. Ниже дается описание основных элементов котла 20, связанных с системой аккумулирования энергии. Специалистам в данной области техники очевидно, что совместно с системой согласно вариантам осуществления настоящего изобретения могут использоваться котлы других типов, включая, например, котел, работающий на газе или котел, работающий на жидком топливе.
На фиг. 1 и фиг. 2 котел 20 содержит гидроблок 207. Котел 20 реагирует на открытие крана горячей воды и зажигается, и горячая вода подается в кран через трехлинейный распределитель, расположенный в гидроблоке 207. В проиллюстрированном примере выходной поток в гидроблоке 207 направляется через систему 10 аккумулирования энергии. Таким образом, нагрузка на котел 20 снижается, поскольку тепло дымовых газов 201 рекуперируется и используется системой 10 аккумулирования энергии для нагрева запасов воды в системе 10 аккумулирования энергии. В результате, как только возникает потребность в горячей воде, система согласно вариантам осуществления настоящего изобретения подает горячую воду сразу после открытия крана.
Горячие отработанные/дымовые газы, как правило, выбрасываются в атмосферу через дымоход 202, после того как тепло от сгорания газов в топочной камере 208 переносится с газами котла в водяной теплообменник. В проиллюстрированном примере теплообменник 201 расположен между топочной камерой 208 и дымоходом 202 и вместе с системой 10 аккумулирования энергии рекуперирует тепло отработанных газов, как описано ниже.
Дымовые газы обычно являются агрессивными, особенно при температуре ниже точки росы, и поэтому наиболее подходящим для рекуперации отходящего тепла может оказаться специальный газо-водяной теплообменник 201 из нержавеющей стали. Для обеспечения простого, гибкого и рентабельного устройства используется контур накачки, с помощью которого тепло передается от теплообменника 201 к блоку 101 регенерации отходящего тепла.
Система 100, содержащая котел 20 и систему 10 аккумулирования энергии, включает в себя устройство 209 выпуска горячей воды, магистрали 210 подачи холодной воды, устройство 211 выпуска конденсата, устройство 212 вывода горячей воды центрального отопления и обратную линию 213 центрального отопления.
Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения в системе 10 аккумулирования энергии находится менее 15 литров питьевой воды. Такой объем воды не требует пастеризации, т.е. нагрева до температуры свыше 60°С, чтобы предотвратить появление легионеллы. Однако, если пастеризация питьевой воды, хозяйственно-бытовой горячей воды требуется, например, согласно установленным нормам, то показанный на фиг. 1 блок 101 аккумулирования можно периодически нагревать до высокой температуры, например, раз в неделю.
В известных накопительных комбинированных котлах вода обычно нагревается приблизительно до 65°С, что позволяет повысить вместимость и снизить риск появления легионеллы. Средняя энергоемкость резервуара в накопительном комбинированном котле составляет 2,7 кВт⋅ч, что соответствует примерно 25 литрам питьевой воды. Как правило, такой объем воды требует пастеризации и, следовательно, нагрева до температуры свыше 60°С.
При нормальной работе котла 20, в конце цикла нагрева насос котла обычно продолжает работать еще 5-10 минут, что позволяет предотвратить перегрев котла. Энергия в котле при перегрузке, как правило, рассеивается по радиаторам центрального отопления либо через кожух котла. При выполнении котла 20 и системы 10 аккумулирования энергии согласно вариантам осуществления настоящего изобретения система 10 аккумулирования энергии способна использовать период перегрузки котла 20, рекуперируя вырабатываемую при этом энергию, поскольку разделение потока в блоках 101, 102, 103, 104 аккумулирования можно регулировать.
Температура потока из аналогичного комбинированного котла составляет приблизительно 45°С. Чтобы достичь такой же температуры потока из котла 20 и системы 10 аккумулирования энергии, показанных на фиг. 1 и фиг. 2, используется фазоизменяющий материал с температурой плавления или фазового перехода 50-55°С. В системе 10 аккумулирования энергии также дополнительно используется термостатический смесительный клапан 110, что позволяет поддерживать температуру горячей воды в устройстве 209 выпуска горячей воды на уровне около 47°С.
Система аккумулирования энергии выполнена таким образом, чтобы минимизировать пространство, необходимое для ее установки/размещения. Например, как показано на фиг. 3, система 10 аккумулирования энергии может устанавливаться рядом с котлом 20, например, позади или снизу 300 котла 20. В другом варианте система 10 аккумулирования энергии может размещаться на удалении от котла 20, причем они соединяются с помощью трубы или труб. Например, котел 20 может крепиться к стене или в кухонном шкафу, а система 10 аккумулирования энергии может быть скрыта в пустом пространстве, например, над стенным шкафом 310, в нише 320 за напольным шкафом или в пространстве 330 между шкафом и стеной.
В описанных и проиллюстрированных вариантах осуществления система 10 аккумулирования энергии содержит четыре блока аккумулирования 101, 102, 103, 104. Однако, специалистам в данной области техники очевидно, что такое количество блоков аккумулирования /батарей дано исключительно в качестве примера, равно как и температура плавления фазоизменяющего материала в каждом блоке аккумулирования. По существу, может использоваться меньшее или большее количество накопителей, а также более низкая или более высокая температура фазового перехода.
Система, содержащая фазоизменяющий материал, способна накапливать и высвобождать энергию, когда тепло поглощается или высвобождается при изменении физического состояния материала от твердого к жидкому или от жидкого к твердому.
Система описана в сочетании с системным котлом. Однако, специалистам в данной области техники очевидно, что данную систему можно применять с другими типами котлов для повышения работоспособности системы и сокращения потерь тепла, в том числе, например, с котлами, работающими на газе и котлами, работающими на жидком топливе.
Выше дано описание конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, однако, специалистам в данной области техники очевидно, что в пределах объема настоящего изобретения в них допустимы изменения.