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 источника энергии низкопотенциального тепла отходов деятельности человека.
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 с, по меньшей мере, одним теплообменником 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 ею 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 повышении коэффициента полезного действия устройства за
счет повышения и стабилизации температуры низкопотенциального энергоносителя.
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 с, по меньшей мере, одним теплообменником и насос для циркуляции низкопотенциального теплоносителя, теплообменник выполнен в виде трубчатого кожуха с двумя боковыми стенками, а каждая боковая стенка выполнена с отверстием для пропуска коллектора сточных вод.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что теплообменник выполнен с дополнительным кожухом, который образует канал для размещения коллектора сточных вод. Такой вариант конструктивного выполнения устройства обеспечивает повышение надежности работы устройства за счет снижения вероятности утечек низкопотенциального энергоносителя из системы сбора и утилизации тепла.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что теплообменник выполнен со спиральными элементами, что позволяет увеличить интенсивность процесса теплообмена между сточными водами 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 сточными водами и низкопотенциальным теплоносителем.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что теплообменник выполнен с отклоняющими лопатками, которые расположены на внутренней поверхности
стенки кожуха, что позволяет увеличить интенсивность процесса теплообмена между сточными водами 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 - один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника.
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. Система сбора и утилизации тепла содержит, по меньшей мере, один теплообменники 7 и соединенный с полостью теплообменника 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 теплообменником 7 и испарителем 6 теплового насоса 1. В качестве низкопотенциального теплоносителя может быть использована, например, вода с антифризными добавками этиленгликоля - тосол. Теплообменник 7 выполнен в виде трубчатого кожуха 11 с двумя боковыми стенками 12. Каждая боковая стенка 12 выполнена с отверстием 13 для пропуска коллектора 14 сточных вод. Предпочтительно, центры отверстий 13 для пропуска коллектора 14 сточных вод находятся на одной оси, являющейся продольной осью 15
симметрии коллектора 14 сточных вод. Трубчатый кожух 11 и боковые стенки 12 могут быть выполнены из металла или из пластической массы и соединены между собой с помощью разъемного или неразъемного соединения. Между торцами боковых стенок 12 теплообменника 7 и наружной поверхностью коллектора 14 сточных вод могут быть установлены уплотнительные элементы (на чертежах не изображены), которые предназначены для герметизации внутренней полости теплообменника 7. Один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника 7 предполагает выполнение его составным - из двух частей (фиг.3), которые соединены между собой посредством разъемного соединения, что обеспечивает упрощение монтажа теплообменника 7 на коллекторе 14 сточных вод. Для исключения утечек низкопотенциального теплоносителя между соединительными поверхностями частей теплообменника 7 могут быть установлены уплотнительные элементы (на чертежах не изображены). 8 трубопроводе 4 для подачи горячей воды может быть установлен водоаккумулятор 16 с пиковым электроподогревателем 17.
Один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника 7 предполагает, что он может быть выполнен с дополнительным кожухом 18 (фиг.5), который образует канал для размещения коллектора 14 сточных вод. Дополнительный кожух 18 установлен коаксиально трубчатому кожуху 11 и соединен с боковыми стенками 12 с помощью разъемного или неразъемного соединения. Следует отметить, что выполнение теплообменника 7 с дополнительным кожухом 18 несколько ухудшает процесс передачи тепла от сточных вод к низкопотенциальному энергоносителю, но при этом появляется возможность практически исключить утечки низкопотенциального энергоносителя из полости теплообменника 7.
При одном из вариантов конструктивного выполнения теплообменника 7, последний может быть выполнен со спиральными элементами 19 (фиг.4), которые расположены в его полости на пути перемещения низкопотенциального теплоносителя.
Указанные спиральные элементы 19 могут быть расположены по всей длине трубчатого кожуха 11 или на отдельных его участках и образуют каналы для прохода низкопотенциального энергоносителя по определенной траектории, например, винтовой. Спиральные элементы 19 могут быть закреплены на внутренней поверхности трубчатого кожуха 11 или на наружной поверхности дополнительного кожуха 18 с помощью разъемного или неразъемного соединения.
Один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника 7 со спиральными элементами 19 предусматривает выполнение его с наружной поверхностью волнистой формы (на чертежах не изображено), то есть в поперечном сечении спиральный элемент 19 имеет криволинейную форму, например, синусоидальную форму.
Один из вариантов конструктивного выполнения теплообменника 7 предусматривает выполнение его с отклоняющими лопатками 20 (фиг.5), которые расположены в полости теплообменника 7. Отклоняющие лопатки 20 могут быть соединены с трубчатым кожухом 11 и/или с дополнительным кожухом 18 посредством разъемного или неразъемного соединения. Ориентация отклоняющих лопаток 20 относительно продольной оси симметрии теплообменника 7 может быть одинаковой, то есть все отклоняющие лопатки 20 могут быть расположены под одинаковым углом к продольной оси симметрии теплообменника 7. Ориентация отклоняющих лопаток 20 относительно продольной оси симметрии теплообменника 7 может быть различной, то есть отклоняющие лопатки 20 могут быть расположены под различными углами к продольной оси симметрии теплообменника 7. При этом отклоняющие лопатки 20 обеспечивают перемещение потока низкопотенциального энергоносителя в полости теплообменника 7 по определенной траектории, например, винтовой.
Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей работает следующим образом.
При прокладке нового коллектора 14 сточных вод теплообменник 7 монтируют на нем, пропуская коллектор 14 через отверстия 13 в его боковых стенках 12. Герметизируют поверхности взаимодействия торцов боковых стенок 12 теплообменника 7 с наружной поверхностью коллектора 14 и соединяют полость теплообменника 7 с трубопроводом 8 для отвода низкопотенциального теплоносителя и с трубопроводом 9 для подачи низкопотенциального теплоносителя. Затем осуществляют засыпку грунтом коллектора 14 с установленным на нем теплообменником 7. Количество теплообменников 7, устанавливаемых на коллекторе 14 сточных вод, определяют расчетным путем с учетом потребляемой мощности сети 3 теплоснабжения, климатических условий и прочих условий.
При монтаже теплообменников 7 на уже действующем коллекторе 14 сточных вод предварительно освобождают от грунта участок коллектора 14 сточных вод, на котором предполагается установка теплообменников 7. Затем монтируют теплообменник 7 на коллекторе 14 сточных вод описанным выше образом и после этого осуществляют обратную засыпку грунтом вскрытого участка коллектора 14 сточных вод.
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 полость теплообменника 7 и возвращается по 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 сточных вод, протекающих по коллектору 14.
При циркуляции низкопотенциального теплоносителя в системе сбора и утилизации тепла низкопотенциальный теплоноситель проходит через теплообменник 7, что сопровождается отбором тепла из сточных вод через стенки коллектора 14. 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 17, который расположен в водоаккумуляторе 16.
При прохождении низкопотенциального теплоносителя по полости теплообменника 7 спиральные элементы 19 организуют направленное движение потока низкопотенциального энергоносителя по винтовой траектории, что способствует более эффективному отбору тепла сточных вод от поверхности стенок коллектора 14 за
счет увеличения времени взаимодействия низкопотенциального энергоносителя со стенками коллектора 14 сточных вод.
Расположенные в полости теплообменника 7 отклоняющие лопатки 20 обеспечивают направленное перемещение потока низкопотенциального энергоносителя и дополнительно турбулизируют поток, что также способствует более эффективному отбору тепла сточных вод от поверхности стенок коллектора 14.