ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОТЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА И ВОДОЕМА

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, предназначена для преобразования низкопотенциальной теплоты водоемов и атмосферного воздуха в полезную высокопотенциальную теплоту и может применяться для круглогодичного теплоснабжения и кондиционирования зданий.
Известна теплонасосная установка с использованием теплоты атмосферного воздуха, содержащая парокомпрессионный тепловой насос, испаритель которого представляет собой теплообменник воздух-фреон, обдуваемый наружным воздухом (Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982. - С. 98-99). Такая установка производит полезную высокопотенциальную теплоту, а передача низкопотенциальной теплоты происходит через теплообменную поверхность испарителя непосредственно от воздуха к фреону.
Основным недостатком известной теплонасосной установки является значительное снижение производительности и эффективности при понижении температуры окружающего воздуха ниже -5…-10°C, а также при обледенении испарителя и в следствие процесса борьбы с обледенением (дефростацией).
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототипом) является теплонасосная установка с использованием теплоты водоема, содержащая парокомпрессионный тепловой насос с контуром низкотемпературного теплоносителя, в который входят испаритель теплового насоса (теплообменник теплоноситель-фреон), циркуляционный насос и теплообменник вода-теплоноситель, располагаемый в водоеме (Kiran Tota-Maharaj, Piotr Grabowiecki, Akintunde Babatunde, Prasad Devi Tumula. Constructed wetlands incorporating surface water heat pumps (SWHPs) for concentrated urban stormwater runoff treatment and reuse // Proceedings of Sixteenth International Water Technology Conference (IWTC 16 2012, Istanbul, Turkey)).
Такая установка производит полезную высокопотенциальную теплоту, а передача низкопотенциальной теплоты от водоема к испарителю теплового насоса обеспечивается промежуточным теплоносителем.
Основным недостатком прототипа является зависимость от параметров имеющегося водоема и ограниченность сезонной выработки высокопотенциальной теплоты в случае с непроточным водоемом малого размера.
Задачей полезной модели является совмещение в теплонасосной установке возможностей отбора низкопотенциальной теплоты как от водоема, так и от атмосферного воздуха.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является сокращение потребностей в объеме водного источника низкопотенциальной теплоты, увеличение коэффициента сезонной производительности теплового насоса, повышение стабильности выработки высокопотенциальной теплоты.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой теплонасосной установке с использованием теплоты наружного воздуха и водоема, содержащей парокомпрессионный тепловой насос с контуром низкотемпературного теплоносителя, в который входят теплообменник-испаритель теплоноситель-фреон, циркуляционный насос и теплообменник вода-теплоноситель, располагаемый в водоеме, имеются один теплообменник воздух-теплоноситель, снабженный вентилятором, и, по меньшей мере, один клапан для перенаправления потока теплоносителя, включенные в контур низкотемпературного теплоносителя.
Теплонасосная установка снабжена электрическим нагревателем низкотемпературного теплоносителя, включенным в контур по ходу течения теплоносителя перед теплообменником воздух-теплоноситель.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1-2.
На Фиг. 1 представлена схема установки с двумя клапанами перенаправления потока теплоносителя и дополнительным электрическим нагревателем низкотемпературного теплоносителя.
На Фиг. 2 представлена схема установки с одним многоходовым клапаном перенаправления потока теплоносителя и дополнительным электрическим нагревателем низкотемпературного теплоносителя.
Теплонасосная установка с использованием теплоты наружного воздуха и водоема содержит парокомпрессионный тепловой насос 1, испаритель которого представляет собой теплообменник теплоноситель-фреон 2, который вместе с циркуляционным насосом 3, теплообменником вода-теплоноситель 4, расположенным в водоеме, теплообменником воздух-теплоноситель (воздушным теплообменником) 5, обдуваемым вентилятором 6, и управляемым клапаном (клапанами) 7 соединены в контур отбора низкопотенциальной теплоты. Теплонасосная установка может быть снабжена электрическим нагревателем 8, включенным в низкотемпературный контур по ходу течения теплоносителя перед теплообменником воздух-теплоноситель.
Работает предлагаемая теплонасосная установка следующим образом.
В холодный период года в зависимости от температуры окружающего воздуха и других параметров в качестве источника низкопотенциальной теплоты для работы теплового насоса 1 выступает либо водоем, либо наружный воздух.
В первом случае теплоноситель, циркуляция которого в низкотемпературном контуре осуществляется посредством циркуляционного насоса 3, направляется клапаном (клапанами) 7 в теплообменник вода-теплоноситель 4, расположенный в водоеме, после прохождения которого теплоноситель, нагретый до температуры, близкой к температуре воды в водоеме, поступает непосредственно в теплообменник теплоноситель-фреон 2, где охлаждается, отдавая теплоту испаряющемуся фреону. Тепловой насос 1 преобразует полученную низкопотенциальную теплоту водоема в полезную высокопотенциальную теплоту.
В случае использования наружного воздуха в качестве источника низкопотенциальной теплоты, что целесообразно при благоприятных для этого атмосферных условиях, клапан (клапаны) 7 устанавливается в положение, при котором теплоноситель, минуя теплообменник вода-теплоноситель 4, направляется в обдуваемый вентилятором 6 теплообменник воздух-теплоноситель 5, в котором теплоноситель нагревается до температуры, близкой к температуре наружного воздуха, после чего поступает в теплообменник теплоноситель-фреон 2 и отдает теплоту испаряющемуся фреону.
Отбор теплоты от окружающего воздуха в холодный период года, как правило, сопровождается обледенением соответствующего воздушного теплообменника. Борьба с наледью, заключающаяся в периодическом нагревании теплообменника выше 0°C, может обеспечиваться за счет теплоты водоема без прекращения выработки тепловым насосом 1 высокопотенциальной теплоты. Для этого на период оттаивания теплообменника воздух-теплоноситель 5 теплонасосная установка переходит на использование теплоты водоема, при этом клапан (клапаны) 7 устанавливаются в такое положение, что теплоноситель, нагретый в теплообменнике вода-теплоноситель 4, перед поступлением в теплообменник теплоноситель-фреон 2 частично или в полном объеме проходит через теплообменник воздух-теплоноситель 5, нагревая его и расплавляя наледь. Вентилятор 6 в это время находиться в выключенном состоянии. По окончании оттаивания теплонасосная установка путем переключения клапана (клапанов) 7 возвращается в режим отбора теплоты от окружающего воздуха.
В случае оснащения теплонасосной установки дополнительным электрическим нагревателем 8, включенным в низкотемпературный контур по ходу течения теплоносителя перед теплообменником воздух-теплоноситель 5, данный нагреватель, включаемый на период оттаивания, позволяет интенсифицировать процесс дефростации, так как теплоноситель, нагретый предварительно в теплообменнике вода-теплоноситель 4, дополнительно подогревается перед поступлением в теплообменник воздух-теплоноситель 5.
Улучшение параметров выработки высокопотенциальной теплоты достигается за счет того, что водоем, как источник низкопотенциальной теплоты, используется тогда, когда атмосферные условия, такие как температура и влажность наружного воздуха, являются неблагоприятными для работы теплового насоса в режиме отбора теплоты от воздуха. Таким образом, существенно сокращается потребность в объеме водного источника теплоты, становиться возможным использовать малые непроточные водоемы, объем воды в которых недостаточен, чтобы служить единственным источником низкопотенциальной теплоты для работы теплового насоса и обеспечивать обогрев объекта теплонасосной установкой по схеме прототипа на протяжении всего холодного периода года. Кроме того, становится более перспективным вариант сооружения малого искусственного водоема в качестве сезонного аккумулятора теплоты для теплонасосной установки в случае отсутствия водоемов поблизости от объекта.
С другой стороны, по сравнению с распространенной схемой теплонасосной установки, использующей теплоту окружающего воздуха, предлагаемая схема позволяет увеличить коэффициент сезонной производительности теплового насоса и повысить стабильность выработки высокопотенциальной теплоты. При температурах окружающего воздуха ниже -5…-10°C коэффициент преобразования и теплопроизводительность воздушных тепловых насосов существенно снижаются и при определенной температуре воздуха теплопроизводительность теплового насоса становятся недостаточной для полного покрытия потребностей обогреваемого объекта в теплоте. Полезная модель позволяет в периоды с низкой температурой окружающего воздуха использовать низкопотенциальную теплоту водоема вместо теплоты воздуха. Также целесообразным может быть использование теплоты водоема при высокой относительной влажности атмосферного воздуха и температуре около 0°C, когда происходит интенсивное обледенение теплообменника воздух-теплоноситель 5 и, как следствие, снижается эффективность выработки высокопотенциальной теплоты.
Увеличение коэффициента сезонной производительности теплового насоса и повышение стабильность выработки высокопотенциальной теплоты происходит также благодаря возможности борьбы с обледенением теплообменника воздух-теплоноситель 5 за счет теплоты водоема и без прекращения выработки высокопотенциальной теплоты, в отличие от распространенных воздушных тепловых насосов, борьба с обледенением в которых, как правило, осуществляется за счет временного переключения теплового насоса в реверсивный режим.
Условия, при которых целесообразно переходить с одного на другой источник низкопотенциальной теплоты, зависят от размеров конкретного водоема, ожидаемой потребности обогреваемого объекта в тепловой энергии на протяжении холодного периода года, климатических условий в данной местности и других характеристик. При оптимальном расчете условий перехода ресурс водоема как источника теплоты не должен полностью исчерпываться раньше окончания холодного периода года. Дополнительным фактором, влияющим на предпочтительность того или иного источника низкопотенциальной теплоты в конкретный момент времени, может быть стоимость электроэнергии в данное время суток. Так при низкой стоимости электроэнергии в ночное время суток может быть предпочтительнее отбирать теплоту от наружного воздуха с низкой температурой в целях экономии теплового ресурса водоема, несмотря на более высокие при этом затраты электроэнергии.
Предлагаемая теплонасосная установка в случае использования теплового насоса 1 реверсивного типа позволяет охлаждать объект в теплое время года, сбрасывая отведенную теплоту в водоем. Более низкая температура водоема по сравнению с температурой окружающего воздуха позволяет затрачивать меньше электроэнергии на охлаждение объекта. При этом также происходит аккумулирование низкопотенциальной теплоты в водоеме. Возможен также принудительный нагрев водоема в целях аккумулирования теплоты за счет теплоты окружающего воздуха. Данный режим реализуется включением циркуляции теплоносителя в низкотемпературном контуре с последовательным прохождение им теплообменников воздух-теплоноситель 5 и вода-теплоноситель 4 без отбора теплоты в тепловом насосе 1.
Указанный технический результат может быть достигнут при наличии в контуре как одного четырехходового, так и множества более простых (трехходовых, запорных) клапанов для перенаправления потока. Так, функцию четырехходового клапана могут выполнять два трехходовых или, по меньшей мере, четыре запорных клапана.
Список литературы
1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982. - 224 с., ил.;
2. Kiran Tota-Maharaj, Piotr Grabowiecki, Akintunde Babatunde, Prasad Devi Tumula. Constructed wetlands incorporating surface water heat pumps (SWHPs) for concentrated urban stormwater runoff treatment and reuse // Proceedings of Sixteenth International Water Technology Conference (IWTC 16 2012, Istanbul, Turkey).