ТЕПЛОНАСОСНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

Теплонасосная система теплохладоснабжения (ТСТ) относится к областям энергетики и строительства и предназначена для экономичной и экологичной системы отопления (СО), горячего водоснабжения (ГВС) и кондиционирования (охлаждения и увлажнения) воздуха различных зданий и сооружений в условиях наличия в качестве источника низкопотенциального тепла только грунта под зданием и электрической энергии только для привода теплового насоса (ТН), вентилятора и в случае необходимости циркуляционного насоса CО, но не для нагревательных приборов.
Известно изобретение по патенту РФ №2412401 - система отопления жилого дома, содержащая тепловой насос типа «воздух-воздух» и расположенный в подвале дома бассейн с водой и льдом в равновесном состоянии. Технический результат изобретения - обеспечение тепловой энергией здания за счет выделения тепла при фазовом переходе вода-лед. Недостатками этого решения являются малоэффективный теплообмен в воздушных теплообменниках и стабильно нулевая температура холодного аккумулятора, в то время как чем меньше разность верхней и нижней температур цикла ТН, тем выше его эффективность, для чего и делаются устройства накопления низкопотенциального тепла с целью повышения температуры холодного аккумулятора.
Известна также система автономного теплоснабжения и холодоснабжения зданий и сооружений по патенту РФ №2382281, содержащая ТН типа «вода-вода» и реверсируемый ТН типа «воздух-вода», систему утилизации тепла вентилируемого воздуха с рекуператорами «воздух-воздух» и «вода-воздух», с использованием радиаторов системы отопления и для охлаждения, а также систему восстановления теплового режима низкопотенциального источника - скважин с теплообменниками, включающую солнечные коллекторы. Недостатками системы являются: отсутствие аккумулирующих емкостей, а значит, нестабильность режимов, отсутствие утилизации тепла канализационных стоков и чрезвычайная сложность установки (50 позиций на принципиальной схеме, причем, только циркуляционных насосов 7 штук), что означает ее высокую стоимость как сооружения, так и эксплуатации, необходимость квалифицированного обслуживания.
Наиболее близким по набору признаков и технической сущности к предлагаемой полезной модели является изобретение по патенту РФ №2364795 - теплонасосная система теплоснабжения многоэтажных зданий, включает расположенные в каждой зоне по этажам теплонасосное оборудование, систему сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев Земли, системы утилизации вторичных тепловых ресурсов в виде сбросного тепла вентиляционных выбросов из верхней зоны и канализационных стоков, системы теплоснабжения и горячего водоснабжения, охлаждающие приборы системы кондиционирования и тепловые аккумуляторы. Недостатками этого технического решения являются усложнение эксплуатации и перерасход электроэнергии из-за реверсирования нескольких ТН для кондиционирования воздуха летом.
Задача, на решение которой направлена полезная модель - создание устройства, обеспечивающего повышение эффективности и надежности, простоту обслуживания, в т.ч. непрофессиональным потребителем, а также снижение стоимости ТСТ.
Для решения этой задачи предложена теплонасосная система теплохладоснабжения здания, включающая тепловой насос, тепловые аккумуляторы, систему отопления и горячего водоснабжения, систему кондиционирования и вентиляции и систему утилизации вторичных тепловых ресурсов в виде сбросного тепла вентиляционных выбросов и канализационных стоков. Причем система отопления (СО) и горячего водоснабжения (ГВС) содержит тепловой насос с испарителем, установленным в аккумуляторе холодной воды, представляющем собой металлическую нержавеющую емкость уплощенной формы без крышки, днищем контактирующую с грунтом в подвальном помещении здания, и с конденсатором, размещенным в аккумуляторе горячей воды. К аккумулятору горячей воды подключена напорная линия водопровода и линия подачи горячей воды на ГВС, а также прямая и обратная трубы СО с отсечными кранами, клапанами-регуляторами температуры перед каждым радиатором в помещениях здания, а также с воздухоотводчиком в верхней точке СО. Аккумулятор холодной воды оснащен автоматическим клапаном-регулятором уровня прямого действия, который соединен с напорной линией водопровода, и автоматическим клапаном-регулятором температуры прямого действия, который соединен с линией сброса воды из аккумулятора холодной воды. Система кондиционирования воздуха и вентиляции содержит воздуховоды, объединенные в первый коллектор, сообщающийся нижним концом с помещением, где находится аккумулятор холодной воды и второй коллектор, также сообщающийся нижним концом с помещением с аккумулятором холодной воды, а верхним подключенный к реверсивному вентилятору, связанному с наружным воздухом. К системе кондиционирования воздуха также относится линия дополнительного охлаждения помещений, ведущая воду из аккумулятора холодной воды в обратную линию СО, а из прямой линии СО снова в аккумулятор холодной воды, также данная линия содержит циркуляционный насос и не менее двух кранов. Система утилизации вторичных тепловых ресурсов в виде тепла вентиляционных выбросов включает систему вентиляции и аккумулятор холодной воды, а для утилизации тепла канализационных стоков содержит сборный стояк сточных вод здания, соединенный с герметичным коробом, приваренным к стенкам аккумулятора холодной воды. В свою очередь к выходу короба примыкает труба, ведущая в ближайший колодец системы канализации, причем, поперечные сечения короба и трубы исполнены в несколько раз большими, чем необходимо для вывода жидких стоков для возможности свободной циркуляции в коробе влажного и теплого воздуха из системы канализации.
Технический результат полезной модели заключается в том, что уменьшается число элементов схемы, не требуется установки нескольких ТН и их реверсирования, нет громоздких трубчатых теплообменников, контуров теплообмена с подпочвенной водой и грунтом, нескольких циркуляционных насосов, сложной электронной автоматики и пр.
Тепловая эффективность ТСТ повышается благодаря комплексу известных по отдельности признаков, сочетаемых в устройстве:
- испаритель и конденсатор ТН расположены в емкостных теплообменниках
- аккумуляторах холодной и горячей воды достаточно большого объема, чтобы максимально скомпенсировать переменность режимов и обеспечить наиболее экономичный режим работы ТН;
- системы отопления и ГВС для повышения надежности подключены к одному теплоизолированному аккумулятору горячей воды, круглогодично обогревающему ванную комнату (и, возможно, бассейн);
- аккумулятор холодной воды, поступающей от собственной скважины или от водопроводной сети, расположен в подвальном помещении ниже уровня промерзания грунта и имеет уплощенную форму для большей площади теплоотдачи от грунта - к воде и от прокачиваемого системой вытяжной вентиляции через подвал воздуха - к воде для утилизации его тепла зимой перед сбросом наружу;
- кондиционирование (охлаждение и увлажнение в летнее время) подаваемого снаружи вентилятором воздуха происходит тоже от контакта с аккумулятором холодной воды, но с обратным движением воздуха по тому же пути благодаря реверсированию вращения осевого вентилятора и обращению системы вентиляции из вытяжной в приточную;
- дополнительное охлаждение здания и подогрев аккумулятора холодной воды летом в случае необходимости может идти за счет прокачки холодной воды из него через СО и обратно вспомогательным циркуляционным насосом;
- система утилизации тепла канализационных стоков содержит приварной герметичный короб из нержавеющей стали, опоясывающий стенки аккумулятора холодной воды, при этом теплый воздух, свободно поступающий из ближайшего колодца системы канализации, наравне с собственными стоками здания отдает через стенку аккумулятора холодной воды свое тепло воде, причем, значительное количество тепла передается за счет конденсации насыщенного водяного пара, содержащегося в этом воздухе, поэтому его объем уменьшается, и возникает непрерывное поступление теплого и влажного воздуха из нижерасположенной системы канализации к стенкам аккумулятора холодной воды;
- если зимой при пиковых нагрузках аккумулятор холодной воды переохладится несмотря на перечисленные притоки тепла, простейший автоматический механический клапан-регулятор температуры прямого действия, как термостат в автомобиле, открывает линию слива охлажденной воды самотеком во вторую (сбросную) скважину, либо в ливневую канализацию, а автоматический механический клапан-регулятор уровня в аккумуляторе холодной воды, подобный тому, какой действует в бачке унитаза, открывает напорную линию для поступления более теплой воды из первой (напорной) скважины или из водопровода.
Объем аккумулятора холодной воды, как и его температура, чем больше, тем лучше, т.к. тогда стабильность температурного режима ТН устойчивее, а энергетическая эффективность выше.
Оценка минимального объема аккумулятора холодной воды.
3
Примем габариты двухэтажного жилого дома: длина 10 м, ширина 7 м, высота 6 м, тогда его объем 420 куб. м, расчетная тепловая мощность СО при морозе (-30)°C - 8400 ккал/час или ~10 кВт. Если с такой максимальной тепловой мощностью отбирать тепло у аккумулятора холодной воды с начальной температурой воды 12°C до температуры 0°C в течение суток без подвода тепла извне, необходим объем воды около 16 м, что помещается с запасом в уплощенном баке с габаритами 6*6*0,5 м, т.е. в пределах подвального этажа этого дома. При средней тепловой нагрузке отопительного сезона, которая как минимум вдвое меньше расчетной - т.е. максимальной, и с учетом поступления тепла от электроприводов ТН и вентилятора, от непрерывной утилизации тепла воздуха при вентиляции, от жидких стоков, от теплого влажного воздуха из системы канализации и поступления тепла грунта, к тому же запасаемого в зоне контакта с аккумулятором холодной воды в летнее время, переохлаждение его ниже 0°C маловероятно, т.е. сливать переохлажденную воду, заменяя ее более теплой, практически не придется.
Сущность полезной модели поясняется иллюстрацией, где на фиг.1 показан разрез здания и основные элементы ТСТ.
Теплонасосная система теплохладоснабжения зданий содержит три блока: систему отопления и горячего водоснабжения; систему вентиляции и кондиционирования воздуха; систему утилизации вторичных тепловых ресурсов в виде сбросного тепла вентиляционных выбросов и канализационных стоков.
Как показано на фиг.1, система отопления (СО) и горячего водоснабжения (ГВС) содержит тепловой насос 1 (ТН) с испарителем 2 в аккумуляторе холодной воды 3, представляющем собой металлическую нержавеющую емкость уплощенной формы без крышки, расположенную в подвальном помещении здания ниже уровня промерзания грунта зимой и днищем плотно контактирующую с увлажненным грунтом. Конденсатор 4, размещен в аккумуляторе горячей воды 5, к которому подключена напорная линия водопровода 6 и линия 7 подачи горячей воды на ГВС, а также прямая 8 и обратная 9 трубы СО с отсечными кранами 10 и клапанами-регуляторами прямого действия 11, установленными перед каждым радиатором в помещениях здания, регулирующими температуру в помещениях, а также с воздухоотводчиком 12. Аккумулятор холодной воды 3 оснащен двумя нормально закрытыми автоматическими клапанами прямого действия: автоматическим клапаном 13 - регулятором уровня, который соединен с напорной линией водопровода, а также автоматическим клапаном 14 - регулятором температуры. Автоматический клапан 13 соединен с напорной линией водопровода 6, а автоматический клапан 14, аналогичный автомобильному термостату, соединен с трубой сброса, ведущей либо в безнапорную скважину собственной системы водоснабжения, либо в ливневую канализацию.
Система кондиционирования воздуха и вентиляции содержит воздуховоды 15 из помещений, объединенные в первый коллектор 16, сообщающийся нижним концом с помещением, где находится аккумулятор холодной воды 3, и второй коллектор 17, также сообщающийся нижним концом с тем же помещением, а верхним подключенный к реверсивному вентилятору 18, связанному с наружным воздухом.
Система утилизации вторичных тепловых ресурсов в виде сбросного тепла вентиляционных выбросов включает всю вышеописанную систему вентиляции и сам аккумулятор холодной воды 3; а для утилизации тепла канализационных стоков содержит сборный стояк здания 19, соединенный с герметичным коробом 20, приваренным к стенкам аккумулятора холодной воды 3, причем, к выходу короба 20 примыкает труба 21, ведущая в ближайший колодец системы канализации (условно не показан на рисунке). Поперечные сечения короба 20 и трубы 21 выбраны в несколько раз большими, чем необходимо для вывода жидких стоков для возможности свободной циркуляции в коробе 20 влажного и теплого воздуха из системы канализации.
К системе кондиционирования воздуха относится также линия дополнительного охлаждения помещений 22, ведущая из аккумулятора холодной воды 3 в обратную линию 9 СО, а из прямой линии 8 снова в аккумулятор холодной воды 3. Данная линия содержит циркуляционный насос 23 и краны 24.
Работа ТСТ осуществляется следующим образом.
Источники низкопотенциального тепла для ТН 1 - тепло грунта, воздуха из системы вентиляции, собственной сточной воды и воздуха из канализационной системы.
Через открытую поверхность воды круглогодично подводится тепло воздуха из системы вентиляции, которая в основное время работает как вытяжная, а летом за счет реверсирования вентилятора 18 становится приточной и выполняет еще и кондиционирование - охлаждение и увлажнение - воздуха перед подачей в помещения.
Через стенку аккумулятора холодной воды 3 подводится тепло и от собственных канализационных стоков здания, и от воздуха и водяного пара из системы канализации.
Тепло циркуляционной воды из СО при открывании кранов 24 на линии 22 и включении насоса 23 в жаркую погоду поступает непосредственно в водяной объем аккумулятора холодной воды 3. Зимой в случае аварии и отключения ТН линия 22 служит для циркуляции воды в СО и предотвращения ее замерзания до исправления неполадок.
При работе ТН 1 испаритель 2 отбирает тепло у воды в аккумуляторе холодной воды 3, понижая ее температуру. В случае охлаждения всего объема воды ниже заданной температуры +2°C открывается автоматический клапан 14, сливающий охлажденную воду во вторую, безнапорную скважину собственного водопровода или в ливневую канализацию. Падение уровня воды в емкости вызывает срабатывание автоматического клапана 13, который связан с линией 6 подачи воды от первой (напорной) скважины или от водопровода. Такое устройство аккумулятора холодной воды 3 повышает надежность ТСТ, снижает расход энергии на циркуляцию «холодного» теплоносителя и капитальные затраты строительства (отсутствуют контуры циркуляции и теплообменники в скважинах подачи и отвода подземных вод).
Аккумулирование тепла высокого потенциала происходит в водоподогревателе емкостного типа - аккумуляторе горячей воды 5, в данном примере находящемся под избыточным давлением водопроводной сети, в который тепло передается от конденсатора 4 работающего ТН 1.
Возможен вариант исполнения аккумулятора горячей воды 5 под меньшим давлением, зависящем лишь от высоты конвективной системы отопления, заполняемой и пополняемой периодически, - но с размещенным в аккумуляторе горячей воды 5 змеевиком для проточного подогрева воды, находящейся под давлением водопровода и не смешивающейся с водой системы отопления.
Во время отопительного сезона основной потребитель тепла - СО с естественной (конвективной), как в рассматриваемом примере, циркуляцией (циркуляция может быть принудительной). Заполнение системы водой и сброс выделяющегося при нагреве воды воздуха происходит благодаря действию воздухоотводчика 12, установленного в верхней точке СО и выполняющего выпуск воздуха из СО, но не выпускающего воды. Потребление воды ГВС из линии 7 (в данном примере эта вода общая с сетевой водой системы отопления) вызывает приток холодной воды из водопровода по линии 6 и снижение температуры в аккумуляторе горячей воды 5, регулирование которой происходит за счет автоматического включения/выключения электропривода (на рис. не показан) в ТН 1. Регулирование температуры в помещениях обеспечивают автоматические клапаны 11 перед радиаторами, задатчики которых устанавливают на нужную температуру в помещениях.
Такое исполнение аккумулятора горячей воды 5 для СО и ГВС повышает экономичность теплоснабжения и снижает стоимость оборудования.
Система утилизации вторичных тепловых ресурсов в виде сбросного тепла вентиляционных выбросов работает при включенной вытяжной вентиляции: воздух от верхней части каждого помещения по каналам 15 идет в первый коллектор 16, который подводит удаляемый воздух к открытому сверху аккумулятору холодной воды 3, где воздух отдает тепло непосредственно воде, растекаясь по всей ее поверхности. Второй коллектор 17 забирает охлажденный воздух из помещения, где установлен аккумулятор холодной воды 3, подводит его к вентилятору 18, и он сбрасывается в атмосферу. Такое исполнение системы обеспечивает достаточно интенсивный теплообмен и не требует установки дорогостоящих теплообменников.
Эта же система в летнее время может служить кондиционером-охладителем воздуха, при этом вентилятор 18 должен быть осевой и реверсивный. Обращение тока воздуха вспять означает, что вентиляция становится приточной, она охлаждает и увлажняет воздух при прохождении над холодной водой аккумулятора холодной воды 3, а затем подает в жилые помещения. Одновременно охлаждение наружного воздуха подогревает воду в аккумуляторе холодной воды 3, т.е. увеличивает эффективность ТСТ.
Дополнительным устройством кондиционирования служит в жаркую погоду линия прокачки 22 вспомогательным насосом 23 через трубы 9 и 8 и всю СО холодной воды из аккумулятора холодной воды 3 с возвратом в него же. В таком режиме закрыты отсечные краны 10 и открыты краны 24, а клапаны-регуляторы прямого действия 11 перед радиаторами настроены на максимальную температуру, т.е. открыты полностью. Одновременно с охлаждением помещений происходит накопление тепла в аккумуляторе холодной воды 3, следовательно, это устройство дает рост эффективности ТСТ. Линия 22 используется только в режиме охлаждения воздуха в здании, либо в аварийной ситуации для предотвращения замерзания СО.
Утилизация тепла канализационных стоков, собранных в стояк 19, происходит по мере их продвижения в приварном герметичном коробе 20 из нержавеющей стали, опоясывающем все стенки аккумулятора холодной воды 3. К выходу короба 20 крепится труба 21, ведущая в колодец системы канализации. Проходные сечения короба 20 и трубы 21 взяты с большим запасом, поэтому теплый воздух из системы канализации свободно поднимается в короб и наряду с жидкими фракциями отдает свое тепло через стенки аккумулятора 3 холодной воде. Значительное количество тепла передается за счет конденсации на стенках аккумулятора холодной воды 3 насыщенного водяного пара, содержащегося в воздухе системы канализации. Охлажденный и осушенный воздух имеет меньший объем и большую плотность, поэтому стекает обратно в систему канализации, а на его место приходит подогретый и влажный - возникает эффект «тепловой трубы».
Такое исполнение системы утилизации тепла жидких стоков утилизирует больше сбросного тепла, чем в известных стандартных аналогах благодаря вовлечению в циркуляцию влажного воздуха из нижерасположенной системы канализации, т.е. практически неограниченного источника тепла. При этом не требуется установки и обслуживания дорогостоящих теплообменников, а значит, снижается стоимость строительства и упрощается эксплуатация ТСТ.