УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к системам автономного энергообеспечения помещений в зданиях жилого, культурно-образовательного, торгово-административного, промышленного и другого назначения, как в новом строительстве, так и в реконструируемом фонде с использованием в качестве возобновляемого природного источника энергии низкопотенциального тепла верхних слоев Земли.
Известно устройство для энергообеспечения помещений с использованием в качестве возобновляемого природного источника энергии низкопотенциального тепла верхних слоев Земли, которое содержит подключенную к сети теплоснабжения помещений через конденсаторы тепловых насосов систему сбора и утилизации тепла грунта с установленными в скважинах теплообменниками. В теплообменниках происходит передача тепла от окружающего грунта теплоносителю, в результате чего подогретый теплоноситель подают к испарителю теплового насоса (см., например, Васильев Г.П., Крундышев Н.С. «Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области», журнал «АВОК», 2002, №5, с.22-24).
К недостаткам известного устройства можно отнести тот факт, что при сборе тепла грунта с помощью теплообменников происходит охлаждение скважин, в которых размещены теплообменники. Указанное охлаждение грунта накапливается за отопительный сезон, а также от сезона к сезону, что вызывает снижение температуры циркулирующего через теплообменники теплоносителя. Как следствие указанного явления происходит увеличение количества энергии, потребляемой приводом теплового насоса, и повышение расходов на эксплуатацию и стоимость тепловой энергии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей, включающее тепловой насос, сообщенную с конденсатором теплового насоса сеть теплоснабжения, соединенную с испарителем теплового насоса систему сбора и утилизации тепла грунта с трубчатыми теплообменниками и насос для циркуляции низкопотенциального теплоносителя (см., например, патент Российской Федерации №2292000, кл. F24D 3/08, опубл. 20.01.2007).
Известное устройство частично устраняет недостатки описанного выше аналога. К недостаткам известного устройства можно отнести тот факт, что в межотопительные периоды происходит неполное естественное восстановление температуры грунта, уровень которого определяется интенсивностью и продолжительностью солнечного излучения. При этом следует отметить, что уровень восстановления температуры грунта может меняться из года в год, а дефицит температуры грунта относительно начальной его величины - накапливаться с каждым отопительным сезоном. Кроме того, расположение теплообменников в скважинах усиливает уровень охлаждения грунта при сборе его тепла, поскольку скважины, в которых расположены теплообменники, оказывают влияние друг на друга. Указанное обстоятельство снижает эффективность теплообеспечения помещений.
Полезная модель направлена на решение задачи по созданию такого устройства для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей, которое обеспечивало бы повышение эффективности теплообеспечения при одновременном снижении количества энергии, потребляемой приводом теплового насоса, и снижении расходов на эксплуатацию и стоимость тепловой энергии. Технический результат, который может быть получен при реализации полезной модели, заключается в снижении дефицита температуры грунта относительно его начальной величины за счет снижения теплового взаимовлияния теплообменников.
Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей, которое включает тепловой насос, сообщенную с конденсатором теплового насоса сеть теплоснабжения, соединенную с испарителем теплового насоса систему сбора и утилизации тепла грунта с трубчатыми теплообменниками и насос для циркуляции низкопотенциального теплоносителя, система сбора и утилизации тепла грунта имеет форму конуса вращения, вершина которого ориентирована по направлению к тепловому насосу, при этом продольные оси симметрии теплообменников расположены по образующим конуса вращения, определяющего форму системы сбора и утилизации тепла грунта, и равномерно по периметру его основания.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что каждый теплообменник выполнен в виде двух коаксиально расположенных труб, при этом внутренняя труба образует канал для подвода низкопотенциального теплоносителя, а кольцевой зазор между трубами образует канал для отвода низкопотенциального теплоносителя. Такой вариант конструктивного выполнения устройства обеспечивает улучшение процесса теплообмена между грунтом и низкопотенциальным теплоносителем.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что каждый теплообменник выполнен со спиральными элементами, которые расположены в канале для отвода низкопотенциального теплоносителя, что позволяет увеличить интенсивность процесса теплообмена между грунтом и низкопотенциальным теплоносителем за счет турбулизации потока низкопотенциального теплоносителя.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что спиральный элемент имеет наружную поверхность волнистой формы. Такой вариант конструктивного выполнения устройства обеспечивает интенсификацию процесса теплообмена между грунтом и низкопотенциальным теплоносителем.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что каждый теплообменник выполнен с продольными ребрами, которые расположены на внешней поверхности наружной трубы, что позволяет ускорить процесс теплообмена между грунтом и низкопотенциальным теплоносителем за счет увеличения площади теплопередающей поверхности.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что каждый теплообменник выполнен с ребрами, которые расположены в канале для отвода низкопотенциального теплоносителя. При таком варианте конструктивного выполнения устройства появляется возможность ускорения процесс теплообмена между грунтом и низкопотенциальным теплоносителем за счет увеличения площади теплопередающей поверхности.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что ребра выполнены с отверстиями, что позволяет обеспечить турбулентное движение потока низкопотенциального теплоносителя и, следовательно, интенсифицировать процесс теплообмена между грунтом и низкопотенциальным теплоносителем.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что каждый теплообменник выполнен с отклоняющими лопатками, которые расположены в канале для отвода низкопотенциального теплоносителя, что позволяет увеличить интенсивность процесса теплообмена между грунтом и низкопотенциальным теплоносителем за счет турбулизации потока низкопотенциального теплоносителя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей; на фиг.2 - один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника; на фиг.3 - один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника; на фиг.4 - - один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника и на фиг.5 - разрез по А-А на фиг.3.
Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей содержит тепловой насос 1. С конденсатором 2 теплового насоса 1 сообщена сеть 3 теплоснабжения (на чертежах изображена условно) с трубопроводом 4 для подачи горячей воды и с трубопроводом 5 для отвода горячей воды. С испарителем 6 теплового насоса 1 соединена система сбора и утилизации тепла грунта. Система сбора и утилизации тепла грунта содержит трубчатые теплообменники 7 и соединенный с теплообменниками 7 трубопровод 8 для отвода низкопотенциального теплоносителя и трубопровод 9 для подачи низкопотенциального теплоносителя. Устройство содержит насос 10 для циркуляции низкопотенциального теплоносителя в замкнутом контуре, образованным теплообменниками 7 и испарителем 6 теплового насоса 1. В качестве низкопотенциального теплоносителя может быть использована, например, вода с антифризными добавками этиленгликоля - тосол. Система сбора и утилизации тепла грунта имеет форму конуса 11 вращения, вершина которого ориентирована по направлению к тепловому насосу 1. Продольные оси 12 симметрии теплообменников 7 расположены по образующим конуса 11 вращения, который определяет форму системы сбора и утилизации тепла грунта. При этом продольные оси 12 симметрии теплообменников 7 расположены равномерно по периметру основания конуса 11 вращения, определяющего форму системы сбора и утилизации тепла грунта. В трубопроводе 4 для подачи горячей воды может быть установлен водоаккумулятор 13 с пиковым электроподогревателем 14.
Каждый теплообменник 7 может быть выполнен, например, в U-образной трубки (на чертежах не изображено) или спиралеобразной трубки, выполненных из пластической массы. Наиболее предпочтительным является такой вариант конструктивного выполнения теплообменника 7, при котором он выполнен в виде двух коаксиально расположенных труб 15 и 16 (фиг.2, 3, 4 и 5). Внутренняя труба 15 образует канал 17 для подвода низкопотенциального теплоносителя, который сообщен с
трубопроводом 9 для подачи низкопотенциального теплоносителя. Кольцевой зазор между внутренней трубой 15 и наружной трубой 16 образует канал 18 для отвода низкопотенциального теплоносителя, который сообщен с трубопроводом 8 для отвода низкопотенциального теплоносителя. Для этого наружная труба 16 на свободном конце снабжена заглушкой 19.
При таком варианте конструктивного выполнения теплообменника 7, он может быть выполнен со спиральными элементами 20 (фиг.2), которые расположены в канале 18 для отвода низкопотенциального теплоносителя. Указанные спиральные элементы 20 могут быть расположены по всей длине канала 18 для отвода низкопотенциального теплоносителя или на отдельных его участках. Спиральные элементы 20 могут быть закреплены на внутренней поверхности наружной трубы 16 или на наружной поверхности внутренней трубы 15 с помощью разъемного или неразъемного соединения.
Один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника 7 со спиральными элементами 20 предусматривает выполнение его с наружной поверхностью волнистой формы (на чертежах не изображено), то есть в поперечном сечении спиральный элемент 20 имеет криволинейную форму, например, синусоидальную форму.
Каждый теплообменник 7 может быть выполнен с продольными ребрами 21 (фиг.3 и 5), которые расположены на внешней поверхности наружной трубы 16. Указанные продольные ребра 21 могут быть расположены по всей длине теплообменника 7 или на отдельных его участках и соединены с наружной трубой 16 посредством разъемного или неразъемного соединения. Если используется несколько продольных ребер 21, то предпочтительно расположить их равномерно по периметру наружной трубы 16.
Один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника 7 предусматривает выполнение его с ребрами 22 (фиг.3 и 5), которые расположены в канале 18 для отвода низкопотенциального теплоносителя. Ребра 22 могут быть расположены по всей длине канала 18 для отвода низкопотенциального теплоносителя или на отдельных его участках и соединены с наружной трубой 16 и/или с внутренней трубой 15 посредством разъемного или неразъемного соединения. При использовании нескольких ребер 22 наиболее целесообразно расположить их равномерно по периметру соответствующей трубы 15 или 16.
При варианте выполнении теплообменника 7 с ребрами 22 целесообразно выполнить указанные ребра 22 или, по меньшей мере, часть ребер 22 с отверстиями 23 (фиг.3).
Один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника 7 предусматривает выполнение его с отклоняющими лопатками 24 (фиг.4), которые расположены в канале 18 для отвода низкопотенциального теплоносителя. Отклоняющие лопатки 24 могут быть соединены с наружной трубой 16 и/или с внутренней трубой 15 посредством разъемного или неразъемного соединения. Ориентация отклоняющих лопаток 24 относительно продольной оси 12 симметрии теплообменника 7 может быть одинаковой, то есть все отклоняющие лопатки 24 могут быть расположены под одинаковым углом к продольной оси 12 симметрии. Ориентация отклоняющих лопаток 24 относительно продольной оси 12 симметрии теплообменника 7 может быть различной, то есть отклоняющие лопатки 24 могут быть расположены под различными углами к продольной оси 12 симметрии теплообменника 7.
Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей работает следующим образом.
Предварительно с помощью бурового станка (на чертежах не изображен) пробуривают необходимое количество скважин (на чертежах не показаны). Количество
скважин определяют расчетным путем с учетом потребляемой мощности сети 3 теплоснабжения, климатических условий и физических характеристик грунта. Скважины бурят на глубину не более 20 метров. Скважины бурят из одной точки под одинаковым углом к вертикальной оси, поворачивая буровой станок вокруг вертикальной оси на одинаковый угол. В пробуренных скважинах размещают трубчатые теплообменники 7, которые после соединения образуют систему сбора и утилизации тепла грунта. Система сбора и утилизации тепла грунта имеет форму конуса 11 вращения, вершина которого ориентирована по направлению к тепловому насосу 1. При этом продольные оси 12 симметрии теплообменников 7 расположены по образующим указанного конуса 11 вращения и равномерно по периметру его основания. Следует отметить, что указанная форма системы сбора и утилизации тепла грунта практически исключает взаимовлияние трубчатых теплообменников 7 при сборе тепла грунта, а также повышает эффективность сбора тепла за счет компактного расположения трубчатых теплообменников 7 в наиболее теплопродуктивном поверхностном слое земли (приблизительно 12 метров).
С началом отопительного сезона с помощью насоса 10 для циркуляции низкопотенциального теплоносителя запускают в работу контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя. Для этого, используя соответствующие перемычки (на чертежах не изображены), низкопотенциальный теплоноситель с помощью насоса 10 для циркуляции низкопотенциального теплоносителя подают на вход испарителя 6 теплового насоса 1. Далее через испаритель 6 теплового насоса 1 низкопотенциальный теплоноситель по трубопроводу 9 для подачи низкопотенциального теплоносителя поступает в канал 17 для подвода низкопотенциального теплоносителя каждого трубчатого теплообменника 7 и возвращается по каналу 18 для отвода низкопотенциального теплоносителя соответствующего трубчатого теплообменника 7 и трубопроводу 8 для отвода низкопотенциального теплоносителя на вход насоса 10 для
циркуляции низкопотенциального теплоносителя. Таким образом, обеспечивается циркуляция низкопотенциального теплоносителя в системе сбора и утилизации тепла грунта.
При циркуляции низкопотенциального теплоносителя в системе сбора и утилизации тепла грунта низкопотенциальный теплоноситель проходит через трубчатые теплообменники 7 в скважинах, что сопровождается отбором тепла из окружающего грунта через стенки наружной трубы 16 трубчатого теплообменника 7. Нагретый таким образом низкопотенциальный теплоноситель подают в испаритель 6 теплового насоса 1, где происходит утилизация тепла (теплосъем) за счет взаимодействия низкопотенциального теплоносителя с циркулирующим в контуре теплового насоса 1 низкокипящим хладагентом, с испарением и образованием паров. Термотрансформация переданного низкопотенциальным теплоносителем тепла до более высокого температурного уровня происходит путем сжатия паров компрессором. В результате этого пары низкокипящего хладагента нагреваются и передают тепло через конденсатор 2 теплового насоса 1 подогреваемой воде. При этом следует отметить, что на работу компрессора теплового насоса 1 затрачивают энергию, например, электрическую энергию. Воду, подаваемую в конденсатор 2 теплового насоса 1 от сети 3 теплоснабжения по трубопроводу 5 для отвода горячей воды, нагревают с помощью теплового насоса 1 до некоторой температуры, определяемой техническими характеристиками теплового насоса 1, и затем по трубопроводу 4 для подачи горячей воды возвращают в сеть 3 теплоснабжения. В случае необходимости в самые холодные периоды отопительного сезона для пикового подогрева воды, поступающей по трубопроводу 4 для подачи горячей воды в сеть 3 теплоснабжения, включают пиковый электроподогреватель 14, который расположен в водоаккумуляторе 13.
При прохождении низкопотенциального теплоносителя по каналу 18 для отвода низкопотенциального теплоносителя спиральные элементы 20 оказывают
сопротивление потоку, сообщая ему турбулентное движение, что способствует более эффективному отбору тепла грунта от внутренней поверхности стенок наружной трубы 16 трубчатого теплообменника 7.
Расположенные на наружной поверхности стенок наружной трубы 16 трубчатого теплообменника 7 продольные ребра 21 увеличивают теплопередающую поверхность трубчатого теплообменника 7, что увеличивает эффективность отбора тепла из окружающего грунта.
Расположенные в канале 18 для отвода низкопотенциального теплоносителя ребра 22, отверстия 23 в ребрах 22 и отклоняющие лопатки 24 также обеспечивают турбулентный характер движения потока низкопотенциального теплоносителя по указанному каналу 18, что способствует более эффективному отбору тепла грунта от внутренней поверхности стенок наружной трубы 16 трубчатого теплообменника 7.