КАСКАДНАЯ ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АККУМУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована при проектировании объектов индивидуального и промышленного домостроения, таких как жилые коттеджные комплексы и индустриальные технопарки.
Известна теплонасосная установка с использованием теплоты наружного воздуха и водоема (патент RU №159834 U1, F25B 30/06, опубл. 20.02.2016), которая включает в себя парокомпрессионный тепловой насос с контуром низкотемпературного теплоносителя, в который входят теплообменник-испаритель, теплоноситель-фреон, циркуляционный насос и теплообменник, вода-теплоноситель, располагаемый в водоеме, а также, по меньшей мере, один теплообменник воздух-теплоноситель, снабженный вентилятором, и, по меньшей мере, один клапан перенаправления потока теплоносителя, включенные в контур низкотемпературного теплоносителя.
Недостатками данной теплонасосной установки с использованием теплоты наружного воздуха и водоема являются:
- относительно низкий коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую;
- высокие эксплуатационные затраты.
- длительный срок окупаемости.
Наиболее близким аналогом является высокоэффективный компактный аккумулятор теплоты (патент RU №164694 U1, F24H 7/02, опубл. 10.09.2016), состоящий из корпуса, низкотемпературной и высокотемпературной камер, имеющих собственные развитые поверхности теплообмена, соединенные между собой трехходовым клапаном, причем развитые поверхности теплообмена завернуты в спираль Архимеда и погружены в энергоемкие аккумулирующие вещества, обладающие разной температурой фазового перехода.
Недостатками данного высокоэффективного компактного аккумулятора теплоты является:
- невозможность самостоятельно обеспечивать отопление и горячее водоснабжение без дополнительных теплогенераторов;
- отсутствие теплообменника, к которому может быть подключен солнечный коллектор;
отсутствие возможности трансформирования теплоты для обеспечения нужд отопления и горячего водоснабжения.
Задача полезной модели состоит в разработке каскадной теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты, обладающей высокой эффективностью работы и предназначенной для применения в жилых коттеджных комплексах и индустриальных технопарках, способной вырабатывать тепловую энергию для отопления и горячего водоснабжения, в том числе от солнечного коллектора через теплообменник солнечного коллектора.
Технический результат полезной модели заключается в разработке каскадной теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты с высоким коэффициентом преобразования, а также со сниженными эксплуатационными затратами и коротким сроком окупаемости за счет применения солнечного коллектора и возможности использования дешевых ночных тарифов.
Технический результат достигается с помощью каскадной теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты, состоящей из корпуса, теплообменников отопления и горячего водоснабжения, аккумулятора теплоты, объединяющего низкотемпературную камеру и высокотемпературную камеру, заполненные энергоемкими аккумулирующими веществами, обладающими разной температурой фазового перехода, низкотемпературная камера содержит теплообменник, выполненный с возможностью связи с солнечным коллектором, конденсатор первого каскада, соединенный с испарителем первого каскада через расширительный клапан и компрессор первого каскада с низкотемпературным источником тепла и сообщена с высокотемпературной камерой вторым каскадом посредством испарителя и конденсатора второго каскада через компрессор и расширительный клапан второго каскада, при этом низкотемпературная и высокотемпературная камеры выполнены как приемники теплоты с промежуточной ее аккумуляцией и как источники теплоты для соответствующих каскадов, обеспечивающие необходимый коэффициент теплового преобразования установки.
На фигуре представлена принципиальная схема каскадной теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты, состоящей из корпуса 1 теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты, внутри которого, находится аккумулятор теплоты 2, объединяющий две зоны каскадной теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты. Низкотемпературная камера 3 аккумулятора теплоты 2 состоит из конденсатора первого каскада 4, испарителя второго каскада 5, теплообменника 6 системы отопления 7 и теплообменника 8 системы солнечных коллекторов 9, причем низкотемпературная камера 3 аккумулятора теплоты 2 заполнена энергоемким аккумулирующим веществом (например, глауберова соль), обладающим меньшей температурой фазового перехода, чем вещество высокотемпературной камеры 10 аккумулятора теплоты 2. Высокотемпературная камера 10 аккумулятора теплоты 2 состоит из конденсатора второго каскада 11 и теплообменника 12 системы горячего водоснабжения 13, причем высокотемпературная камера 10 аккумулятора теплоты 2 заполнена энергоемким аккумулирующим веществом (например, парафином), обладающим большей температурой фазового перехода, чем вещество низкотемпературной камеры 3 аккумулятора теплоты 2. При этом в корпусе 1 теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты конденсатор первого каскада 4 аккумулятора теплоты 2 медной трубкой соединен с испарителем первого каскада 14 через расширительный клапан первого каскада 15 и компрессор первого каскада 16 в первый каскад теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты, который в свою очередь связан с низкопотенциальным источником 17. Низкотемпературная камера 3 аккумулятора теплоты 2 с высокотемпературной камерой 10 аккумулятора теплоты 2 соединена через медную трубку вторым каскадом теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты посредством испарителя второго каскада 5 и конденсатора второго каскада 11 через компрессор второго каскада 18 и расширительный клапан второго каскада 19.
Принцип работы каскадной теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты.
Теплоноситель нагревается от температуры грунта на несколько градусов (2-6)°С циркулируя по грунтовому контуру (на фиг. не обозначен) низкопотенциального источника 17, проходит через испаритель первого каскада 14, отдавая отобранное тепло первому каскаду теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты. В свою очередь теплоноситель первого каскада теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты компрессором первого каскада 16 сжимается до высоких давлений (например, до 7,93 бар) и температур (например, до 35°С). Затем теплоноситель поступает в конденсатор первого каскада 4, где происходит теплообмен между теплоносителем первого каскада и энергоемким аккумулирующим веществом (например, глауберова соль), находящимся в низкотемпературной камере 3 аккумулятора теплоты 2. Теплоноситель первого каскада, отдавая тепло энергоемкому аккумулирующему веществу
(например, глауберовой соли) низкотемпературной камеры 3 аккумулятора теплоты 2, охлаждается, однако давление теплоносителя первого каскада, тем не менее, все еще остается высоким. При прохождении через расширительный клапан первого каскада 15 давление теплоносителя первого каскада понижается (например, до 5,3 бар), далее теплоноситель первого каскада попадает в испаритель первого каскада 14, цикл первого каскада замыкается. Теплоноситель системы отопления 7 нагретый до 30°С за счет теплоты энергоемкого аккумулирующего вещества (например, глауберова соль) низкотемпературной камеры 3 аккумулятора теплоты 2 поступает в систему отопления 7 через теплообменник 6 системы отопления 7.
Теплоноситель второго каскада проходя через испаритель второго каскада 5 нагревается до температуры около 25-30°С за счет теплоты энергоемкого аккумулирующего вещества (например, глауберовой соли) низкотемпературной камеры 3 аккумулятора теплоты 2, а затем компрессором второго каскада 18 теплоноситель второго каскада сжимается с повышением давления (например, до 15,8 бар) и температуры (например, до 60°С) поступает в конденсатор второго каскада 11. В конденсаторе второго каскада 11 теплоноситель второго каскада отдает свое тепло энергоемкому аккумулирующему веществу (например, парафину), находящемуся в высокотемпературной камере 10 аккумулятора теплоты 2. Далее теплоноситель второго каскада продолжает свое движение через расширительный клапан второго каскада 19 снова в испаритель второго каскада 5, замыкая цикл второго каскада. Теплоноситель системы горячего водоснабжения 13 (например, водопроводная вода) нагревается до температуры 55°С путем теплообмена между теплообменником 12 системы горячего водоснабжения 13 и энергоемким аккумулирующем веществом (например, парафином) в высокотемпературной камере 10 аккумулятора теплоты 2. При наличии высокой солнечной активности возможна зарядка аккумулятора теплоты 2 от системы солнечных коллекторов 9, которая передает солнечную тепловую энергию через теплообменник 8 энергоемкому аккумулирующему веществу (например, глауберовой соли) низкотемпературной камеры 3 аккумулятора теплоты 2.
Таким образом, в едином компактном корпусе 1 теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты совмещен первый каскад (более мощный) теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты, включающий конденсатор первого каскада 4, испаритель первого каскада 14, расширительный клапан первого каскада 15 и компрессор первого каскада 16, и дополнительный - второй каскад теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты, состоящий из испарителя второго каскада 5, конденсатора второго каскада 11, компрессора второго каскада 18 и расширительного клапана второго каскада 19. Также предусмотрено применение аккумулятора теплоты 2, выступающего как источник и приемник теплоты для соответствующих каскадов и дополнительно имеется возможность использования системы солнечных коллекторов 9. Первый каскад теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты, несущий отопительную нагрузку работает в низкотемпературном режиме (до 35°С), что обеспечивает высокий коэффициент преобразования установки. Второй каскад теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты, предусмотренный для ГВС поднимает потенциал воды до 55°С, однако не с 0°С, как в традиционных тепловых насосах, а с 25°С и выше. При этом работа компрессора второго каскада 18 сокращается почти в два раза, ввиду чего коэффициент преобразования теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты остается высоким. Использование солнечной энергии в теплонасосной установке с промежуточной аккумуляцией теплоты позволяет повысить коэффициент преобразования каскадной теплонасосной установки с промежуточной аккумуляцией теплоты. Также использование каскадности контуров позволяет выделить температурные потенциалы для отопления и горячего водоснабжения. Система аккумуляции теплоты в каскадной теплонасосной установке с промежуточной аккумуляцией теплоты дает существенное снижение габаритов, а также сглаживает режимы потребления, поступления и отведения тепловой энергии, что обеспечивает более надежную и эффективную работу системы.