АВТОНОМНАЯ ОТОПИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Автономная отопительная система относится к теплотехнике, в частности, к системам теплоснабжения, и может быть использована для отопления и горячего водоснабжения индивидуальных жилых домов, производственных, административных и социально-бытовых сооружений.
Известна система автономного обогрева помещений, включающая контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с грунтовыми теплообменниками, входы которых связаны с выходом испарителя теплового насоса, а выходы - через устройство переключения с его входом (см. патент на полезную модель №140455 «Система автономного обогрева помещений», опубл. 10.05.2014, бюлл. №13).
Недостатками такой системы являются:
1. Наличие в конструкции устройства переключения движущихся элементов, подвергающихся износу и требующих смазки.
2. Зависимость работоспособности устройства переключения от положения в пространстве (наклона относительно земной поверхности).
3. Чувствительность к вибрациям.
4. Зависимость работоспособности устройства переключения от температуры окружающей среды, так как последняя влияет на давление газа внутри полых цилиндров и на вязкость смазки в узлах трения.
5. Сложность регулировки устройства переключения и установки температуры срабатывания.
6. Материалоемкость и громоздкость конструкции.
7. Невозможность реализации принципа подключения грунтовых теплообменников ко входу испарителя теплового насоса при трех и большем количестве грунтовых теплообменников.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является исключение движущихся элементов, устранение зависимости работоспособности устройства переключения от положения в пространстве, от вибраций и от температуры окружающей среды, упрощение регулировки устройства переключения и установки температуры срабатывания, а также уменьшение материалоемкости и громоздкости конструкции, обеспечение возможности реализации принципа поочередного подключения грунтовых теплообменников ко входу испарителя теплового насоса при трех и большем количестве грунтовых теплообменников.
Такой технический результат достигается тем, что автономная отопительная система, включающая контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с грунтовыми теплообменниками, входы которых связаны с выходом испарителя теплового насоса, а выходы - через устройство переключения с его входом, систему отопления, содержащую конденсатор теплового насоса, соединенный трубопроводом с отопительными приборами, дополнительно снабжена датчиками температуры, установленными в грунтовых теплообменниках, а устройство переключения содержит электромагнитные клапаны, компараторы, инверторы, кольцевой счетчик, логические элементы «И» и усилители, при этом входы устройства переключения подключены внутри него через электромагнитные клапаны к выходу, датчики температуры соединены с прямыми входами компараторов, выходы которых подключены к прямым входам инверторов и к первым входам логических элементов «И», выходы инверторов соединены между собой и связаны со входом кольцевого счетчика, выходы которого подключены ко вторым входам логических элементов «И», выходы которых через усилители подключены к управляющим входам электромагнитных клапанов.
На фиг. 1 представлена функциональная схема автономной отопительной системы. В качестве примера на фиг.1 изображена и далее рассмотрена автономная отопительная система с тремя грунтовыми теплообменниками.
Автономная отопительная система включает контур 1 циркуляции низкотемпературного теплоносителя и грунтовые теплообменники 2, 3 и 4. Грунтовые теплообменники 2, 3 и 4 представляют собой полые емкости, выполненные из материала с высокой теплопроводностью (например, из стали, алюминиия и пр.) имеющие большие поверхности соприкосновения с внешней средой (например, оребренные или гофрированные радиаторы), заполненные жидким теплоносителем (например, водой или низкозамерзающей жидкостью). Грунтовые теплообменники 2, 3 и 4 расположены в грунте на глубине 0,8…2,0 м и на расстоянии 5…25 м друг от друга. Входы грунтовых теплообменников 2, 3 и 4 объединены между собой и связаны с выходом испарителя 5 теплового насоса. Выходы грунтовых теплообменников 2, 3 и 4 через устройство 6 переключения соединены со входом испарителя 5 теплового насоса.
Система 7 отопления состоит из конденсатора 8 теплового насоса, соединенного трубопроводом 9 с отопительными приборами 10.
В грунтовых теплообменниках 2, 3 и 4 установлены датчики 11, 12 и 13 температуры. В качестве датчиков 11, 12 и 13 температуры можно использовать, например, полупроводниковые или металлические терморезисторы, рабочий диапазон температур которых совпадает с температурой внутри контура 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя. Датчики 11, 12 и 13 температуры соединены с прямыми входами компараторов 14, 15 и 16 соответственно. Компараторы 14, 15 и 16 представляют собой, например, комбинированные устройства, содержащие мостовые измерительные схемы с источниками питания на прямых входах, настроечные (уставочные) резисторы с источниками питания на инверсных входах и дифференциальные усилители.
Выходы компараторов 14, 15 и 16 подключены ко входам инверторов 17, 18 и 19 и к первым входам логических элементов «И» 20, 21 и 22 соответственно.
Выходы инверторов 17, 18 и 19 соединены между собой и связаны со входом кольцевого счетчика 23. В качестве кольцевого счетчика 23 может быть использован, например, трехфазный триггер. Выходы кольцевого счетчика 23 через усилители 24, 25 и 26 подключены к управляющим входам электромагнитных клапанов 27, 28 и 29 соответственно. В качестве электромагнитных клапанов 27, 28 и 29 могут быть использованы, например, пружинные электромагнитные устройства с двумя устойчивыми состояниями («открыто-закрыто»), установленные на выходах грунтовых теплообменников 2, 3 и 4 соответственно.
Автономная отопительная система работает следующим образом.
Устройство переключения 6 контролирует температуру низкопотенциального теплоносителя в грунтовых теплообменниках 2, 3 и 4 и управляет процессом отбора теплоты от каждого из них в контуре 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя.
При включении автономной отопительной системы происходит измерение температуры в грунтовых теплообменниках 2, 3 и 4 посредством датчиков 11, 12 и 13 температуры. Сигналы с датчиков 11, 12 и 13 температуры подаются на прямые входы компараторов 14, 15 и 16. На инверсных входах компараторов 14, 15 и 16 формируются сигналы, определяемые порогом срабатывания и заданные оператором. На выходах компараторов 14, 15 и 16 появляются логические единицы только в том случае, если значение температуры теплоносителя окажутся большими или равными установленных значений.(если сигналы на прямых входах компараторов 14, 15 и 16 будут большими или равными сигналов на инверсных входах). Так будет только в том случае, если температуры низкопотенциального теплоносителя внутри грунтовых теплообменников не опустится ниже предельного уровня.
Таким образом, при допустимой температуре низкопотенциального теплоносителя на выходах компараторов 14, 15 и 16 будут присутствовать логические единицы, которые поступят на входы инверторов 17, 18 и 19 и обусловят отсутствие сигналов на их выходах. В то же время сигналы с выходов компараторов 14, 15 и 16 поступят на первые входы логических элементов «И» 20, 21 и 22. На вторые входы логических элементов «И» 20,21 и 22 сигнал поступает не одновременно. Наличие сигнала на вторых входах логических элементов «И» 20, 21 и 22 определяется положением кольцевого счетчика 23. При подаче питания кольцевой счетчик 23 оказывается в первом устойчивом состоянии, характеризующимся наличием логической единицы на его первом выходе. Этот сигнал подается на второй вход логического элемента «И» 20, и при наличии сигнала на его первом входе (при допустимой температуре низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 2) логический элемент «И» 20 срабатывает, и на его выходе появляется сигнал. Этот сигнал усиливается усилителем 24 и подается на управляющий вход электромагнитного клапана 27. Электромагнитный клапан 27 открывается и низкопотенциальный теплоноситель из грунтового теплообменника 2 поступает на вход испарителя 5 теплового насоса, отдает свою тепловую энергию и возвращается в грунтовый теплообменник 2 через выход испарителя теплового насоса 5. В конденсаторе 8 теплового насоса происходит увеличение температуры теплоносителя системы 7 отопления, который подается посредством трубопровода 9 к отопительным приборам 10. Поскольку на втором и третьем выходах кольцевого счетчика 23 в это время сигналы будут отсутствовать, логические элементы «И» 21 и 22 не сработают, на их выходах, а также на выходах усилителей 25 и 26 сигналов не будет, электромагнитные клапаны 28 и 29 окажутся закрытыми, препятствуя движению низкопотенциального теплоносителя от грунтовых теплообменников 3 и 4.
По мере отбора тепловой энергии от грунтового теплообменника 2 температура низкопотенциального теплоносителя в нем будет уменьшаться. При значительном снижении этой температуры логическая единица на выходе компаратора 14 пропадает. Это вызывает появление сигнала на выходе инвертора 17 и одновременное исчезновение сигнала на первом входе логического элемента «И» 20. Появившийся на входе компаратора 23 сигнал переводит его во второе устойчивое состояние, характеризующееся отсутствием сигнала на его первом и третьем выходе и наличием сигнала на втором выходе. Сигналы на выходе логического элемента «И» 20 и усилителя 24 пропадают, и в то же время сигнал со второго выхода кольцевого счетчика 23 подается на второй вход логического элемента «И» 21, который сработает, если на его первом входе окажется сигнал о допустимой температуре низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 3. На выходе усилителя 25 появится сигнал, который поступит на управляющий вход электромагнитного клапана 28. Электромагнитный клапан 28 откроется и на вход испарителя теплового насоса 5 начнет подаваться низкопотенциальный теплоноситель от грунтового теплообменника 3.
Аналогично после отбора тепловой энергии от грунтового теплообменника 3 и снижения в нем температуры низкопотенциального теплоносителя, произойдет исчезновение сигнала на выходе компаратора 15 и на первом входе логического элемента «И» 21. Одновременно появится сигнал на выходе инвертора 18 и кольцевой счетчик 23 переключится в третье устойчивое состояние. При этом на третьем выходе кольцевого счетчика 23 появится сигнал, который будет подан на второй вход логического элемента «И» 22. Логический элемент «И» 22 может сработать при допустимом значении температуры низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 4, что должно сопровождаться появлением сигнала на выходе компаратора 16 и исчезновением сигнала на выходе инвертора 19. При срабатывании логического элемента «И» 22 сигнал с его выхода будет усилен усилителем 26. Это состояние будет характеризоваться появлением сигнала на управляющем входе электромагнитного клапана 29. Электромагнитный клапан 29 откроется и обеспечит подачу на вход испарителя теплового насоса 5 низкопотенциального теплоносителя от грунтового теплообменника 4.
Далее очередность работы автономной отопительной системы повторяется.
Таким образом, предложенная полезная модель позволит реализовать принцип поочередного подключения ко входу испарителя теплового насоса практически любого количества грунтовых теплообменников при одновременном соблюдении условия равенства температуры низкопотенциального теплоносителя заданному значению.