УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБЕРЕЖЕНИЯ ТЕПЛА И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА В ЖИЛЫХ ЗДАНИЯХ
DEVICE FOR HEAT SAVING AND AIR CONDITIONING IN RESIDENTIAL BUILDINGS

Изобретение предназначено для применения в энергосберегающих системах вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха в жилых зданиях.
Известна «Энергосберегающая система вентиляции и кондиционирования воздуха», включающая приточно-вытяжной агрегат, в котором по ходу приточного наружного воздуха установлены воздушные клапаны, фильтр, пластинчатый рекуперативный теплоутилизатор, соединенный с приточным воздуховодом с отводами, а по ходу вытяжного воздуха установлены фильтр, тот же теплоутилизатор, вентилятор для выброса вытяжного воздуха в атмосферу, отличающаяся тем, что в потоке вытяжного воздуха перед теплоутилизатором установлен электрический воздухонагреватель, включаемый в электрическую сеть от импульса датчиков, контролирующих образование наледей на поверхности пластинчатых каналов в зоне, где происходит конденсация влаги при охлаждении и осушении вытяжного воздуха, в потоке же приточного воздуха за теплоутилизатором установлен датчик контроля температуры приточного воздуха, имеющего импульсную связь с многостворчатым воздушным клапаном обводного канала, приточные воздуховоды присоединены к доводчикам эжекционным, установленным под окнами обслуживаемых помещений, установленных под окнами помещений, и их теплообменники соединены с источниками централизованного или локального снабжения теплом и холодом, а на соединяющих трубопроводах смонтированы автоматические клапаны, связанные с датчиками контроля температуры воздуха в помещении [1].
Основными причинами прекращения действия патента №2244882 явились конструктивные затруднения в его реализации в существующих зданиях, наличие в системе двух вентиляторов - приточного и вытяжного, немалый расход электроэнергии на оттаивание наледи на теплоутилизаторе, а летом в охладитель наружного воздуха приточно-вытяжного агрегата и в теплообменники под окнами по теплосетям надо подавать холодную воду, что малореально.
Известна «Установка утилизации тепла вытяжного воздуха», содержащая теплоизвлекающий теплообменник с поддоном для сбора конденсата в вытяжном агрегате, и теплоотдающий теплообменник в приточном агрегате, теплообменники соединены трубопроводами, по которым от работы насоса циркулирует антифриз, в агрегатах установлены воздушные клапаны с электроприводами, два вентилятора, воздушные фильтры, отличающаяся тем, что установлен подогреватель, в котором отепленный в теплоотдающем теплообменнике антифриз разогревается до уровня, задаваемого автоматическим устройством, контролирующим температуру нагрева приточного наружного воздуха в теплоотдающем теплообменнике, а также установлены датчики контроля намерзания конденсата, которые имеют импульсную связь с вентиляторами и с подогревателем антифриза, и установленный в помещении регулятор температуры, который управляет работой насоса [2].
Основными причинами прекращения действия патента №2281437 явились конструктивные затруднения в его реализации в существующих зданиях, наличие в системе двух вентиляторов - приточного и вытяжного, немалый расход теплоэнергии на оттаивание наледи в теплоотдающем теплообменнике, а летом использовать установку в качестве кондиционера невозможно.
Известен «Способ регулирования теплообмена в системе вентиляции офисных и жилых помещений», по которому воздух периодически подают из помещения на улицу и с улицы в помещение через устройство, в которое помещены теплоаккумулирующая насадка и слой сорбента, способного поглощать и отдавать пары воды в проходящий через него воздух, регулируя тем самым его влажность [3]. Устройство представляет собой трубу, один конец которой выходит в помещение, а другой - на улицу, в которую помещен реверсивный вентилятор, теплоаккумулирующая насадка и слой сорбента. В описании патента №2277205 отмечено, что около 50-70% от общих затрат тепла на обогрев жилых помещений теряется в системе вентиляции. Однако по санитарным нормам и правилам устройство постоянной вытяжной вентиляции необходимо из санитарных узлов и кухонь жилых квартир, через которую и теряется столько тепла. Устройство реально применять в офисных, но не в жилых помещениях.
Известен «Способ регенерации энергии» в установках техники кондиционирования и вентиляции, содержащих устройство для направления объемного потока приточного воздуха, устройство для направления объемного потока отработанного воздуха и систему регенерации тепла, включающий в себя следующие этапы: обмен тепловой энергии в выходящем из системы регенерации тепла в объемном потоке отработанного воздуха посредством связанного с тепловым насосом первого теплообменника; передачу обмененной тепловой энергии посредством теплового насоса и связанного с тепловым насосом второго теплообменника накопительному контуру, который для передачи тепловой энергии связан с теплообменником и содержит аккумулятор энергии; передачу переданной накопительному контуру тепловой энергии посредством третьего теплообменника выходящему из системы регенерации тепла объемному потоку приточного воздуха с целью охлаждения или нагрева объемного потока приточного воздуха; регулирование доли переданной тепловой энергии в теплообменнике, приданной объемному потоку приточного воздуха, с помощью управления количеством циркулирующей жидкости, содержащейся в накопительном контуре, протекающей через аккумулятор энергии и теплообменник [4].
Технический результат - повышение коэффициента возврата тепла, и способ реально внедрить во вновь спроектированных производственных зданиях, хотя схема устройства довольно сложна из-за наличия одного или двух контуров аккумулирования тепла. Внедрение данного способа регенерации тепла в жилых зданиях с централизованной системой отопления весьма затруднительно, поскольку в жилых зданиях, как правило, не предусмотрена приточная система вентиляции.
В описании изобретении отмечено, что за счет использования теплового насоса и необходимого для работы теплового насоса расхода электроэнергии можно передавать наружному воздуху больше энергии, чем можно отобрать у вытяжного воздуха, и если у известных систем регенерации тепла достигается максимальный коэффициент возврата тепла 0,8, то при использовании теплового насоса - 1,23, и в большинстве случаев нет необходимости в подогреве приточного воздуха дополнительным нагревателем.
Цель изобретения - создать несложное устройство для сбережения тепла в жилых зданиях за счет уменьшения потерь тепла в вытяжной системе вентиляции.
Цель достигается применением в жилом здании обратимого теплового насоса, который зимой утилизирует тепло отработанного воздуха и передает его приточному воздуху, а летом охлаждает приточный воздух, с разработкой принципиальной схемы приточной системы вентиляции в жилых зданиях.
Устройство содержит установленные на чердаке у вытяжного вентиляционного стояка теплообменник с поддоном для сбора и трубкой для слива конденсата, тепловой насос, вентилятор которого соединен через фильтр со стояком приточной вентиляции с разводкой приточного воздуха по спальням квартир отводами с глушителями, регуляторы температуры и счетчик тепла, установленные в цокольном или на первом этаже в стояках системы отопления, и регулятор предельной температуры воздуха, установленный в квартире на верхнем этаже.
На фиг.1 изображен поперечный разрез основных существующих типов жилых зданий, на фиг.2 изображен план современной четырехкомнатной квартиры в девятиэтажном доме, а на фиг.3 - план трехкомнатной квартиры в пятиэтажном доме.
Теплообменник 1 представляет собой, например, калорифер, установленный наклонно и вплотную к кирпичному стояку 2 вытяжных поквартирных вентиляционных каналов 3. Снизу и сверху теплообменника 1 в стояке 2 к каждому каналу 3 пробиваются отверстия 4, оборудованные заслонками 5. Сами поквартирные вентиляционные каналы 3 на высоте теплообменника 1 оснащаются заслонками 6. Под теплообменником 1 устанавливается поддон 7 для сбора конденсата и трубка 8 слива конденсата в канализационный стояк 9. Трубка 8 прокладывается в слое потолочной теплоизоляции 10. Теплообменник 1 обкладывается разборными теплоизолирующими щитами 11, образуя камеру.
Система приточной вентиляции состоит из стояка 12, который в каждой квартире на уровне пола имеет отводы 13, как правило, по спальням. Отводы 13 прокладываются под радиаторами 14 центрального отопления и имеют отверстия с глушителями шума 15. Живое сечение стояка по этажам должно быть не меньше суммарного сечения отверстий нижерасположенных глушителей. На чердаке около стояка приточной вентиляции устанавливается тепловой насос, в наиболее рациональном виде состоящий из герметичного компрессора 16, конденсатора 17 с вентилятором 18, сблокированных в компрессорно-конденсаторный агрегат, и теплообменника 1 в роли внешнего испарителя. Теплообменник 1 соединяется с компрессором 16 трубопроводами 19 через терморегулирующий вентиль ТРВ 20. К рабочей поверхности теплообменника 1 крепится термобаллон 21 аварийного датчика 22 контроля намерзания льда. Конденсатор 17 соединяется со стояком 12 через фильтр воздуха 23, например, кассетного типа.
В квартире на верхнем этаже устанавливается регулятор предельной температуры 24, например датчик температуры трехконтактный биметаллический ДТКБ. В цокольном или на первом этаже в подающем стояке 25 воды отопления в радиатор 14 устанавливается регулятор температуры 26, например, прямого действия РТПД. Там же устанавливается суммирующий теплосчетчик от всех стояков отопления данных квартир (не показан).
Данные устройства для сбережения тепла устанавливаются в жилом здании в количествах, равных числу квартир на одном этаже.
Устройство для сбережения тепла в жилых зданиях работает следующим образом. Теплоизбытки в существующих квартирах образуются и кислород воздуха расходуется при работе кухонных плит 27, прочей домашней техники и от проживающих людей, плюс теплоотдача от радиаторов отопления 14. В вытяжных стояках 2 образуется естественная тяга из-за разности температур и плотности воздуха наружного и внутриквартирного, при этом теряется около 50-70% от общих затрат тепла на обогрев жилых помещений [3].
Для рекуперации тепла из отработанного воздуха заслонки 5 отверстий 4 открываются, а заслонки 6 вытяжных поквартирных каналов 3 закрываются, и воздух будет проходить через теплообменник 1. При работающем компрессоре 16 во внешнем испарителе-теплообменнике 1 хладагент кипит и забирает при этом тепло отработанного воздуха, а сам отработанный воздух при охлаждении осушается, и на поверхности теплообменника 1 выделяется конденсат.Конденсат стекает по оребрению трубок наклоненного теплообменника 1 в поддон 7, и далее по трубке 8 в канализационный стояк 9. Трубка 8 защищена от замерзания зимой потолочной теплоизоляции 10.
Известно, что при конденсации 1 л воды из паров выделяется 595 ккал тепла. Количество паров влаги, выделяемых одним человеком при легкой работе и температуре воздуха в помещении 20°С, равно 225 г/чел·ч [5, с.42], а при конденсации этих паров влаги можно уловить 134 ккал/ч тепла, или 0,156 кВт. Тепловую мощность системы отопления 5-этажного жилого дома, где проживает 200 чел., можно определить из [6, с.396]. При наружной температуре 0°С она равна 355 кВт, а при - 10°С - 438 кВт, при - 20°С - 520 кВт, при - 30°С - 604 кВт. При утилизации тепла от конденсации паров влаги от 200 чел. можно уменьшить на 31,2 кВт, или соответственно на 8,8, 7,1, 6 и 5,2% мощность системы отопления. Эта скрытая теплота составляет при легкой работе 40% от полного тепловыделения людей [5, с.42]. При утилизации полного тепловыделения 200 человек можно уменьшить на 78 кВт, или соответственно на 22, 17,8, 15 и 13% мощность системы отопления. При утилизации тепловыделений от людей, от кухонных плит 26, от прочей домашней техники и от системы отопления можно сэкономить не менее 50% общих затрат тепла на обогрев жилых помещений, что подтверждает [3].
Компрессор 16 качает пары хладагента из испарителя-теплообменника 1 в конденсатор 17, где под давлением и с высокой температурой хладагент конденсируется. Жидкий хладагент поступает обратно в испаритель-теплообменник 1 через терморегулирующий вентиль ТРВ 20, который сбрасывает давление в системе, и хладагент переходит в режим кипения, при этом термобаллон ТРВ 28, установленный на выходе газового трубопровода 19 из теплообменника 1, контролирует его температуру, а сам ТРВ автоматически регулирует количество прохода хладагента.
Вентилятор 18 продувает наружный воздух через конденсатор 17, охлаждает хладагент, и нагретый воздух через фильтр 23 нагнетается в стояк приточной вентиляции 12 и далее по отводам 13 через глушители шума 15 равномерно в спальни 29 всех данных квартир. Поступивший воздух подогревается до комфортной температуры 20°С радиаторами 14 системы отопления. Скорость прохода теплоносителя через радиаторы 14 регулируют терморегуляторы 26, настроенные на комфортную температуру в квартире на первом этаже, обычно наиболее холодном. Межкомнатные двери 30 должны быть оснащены вверху и внизу вентиляционными отверстиями, чтобы воздух циркулировал по всей квартире, включая общую комнату 31, и поступал в конечном счете на кухню 32, в вытяжной стояк 3.
Терморегулятор 24 контролирует верхний предел комфортной температуры в квартире на последнем этаже, отключая компрессор 16, уже после отключения радиаторов отопления терморегулятором 26. После кратковременного охлаждения воздуха в квартирах терморегулятор 24 обратно включает в работу компрессор 16.
Форточки 33 в квартирах даже в переходные периоды открывать нет необходимости, поскольку температура и качество воздуха в квартирах будут комфортны.
Терморегулирующий вентиль 20 должен быть настроен на минимальную положительную температуру теплообменника 1, чтобы от отработанного воздуха отбиралось больше тепла, но при этом на теплообменнике не образовывалась наледь. Образование льда контролирует аварийный датчик 22, который выключает компрессорно-конденсаторный агрегат теплового насоса.
Суммирующий теплосчетчик подсчитывает количество теплоэнергии, расходуемой системой отопления данных квартир, расположенных друг над другом. Поскольку ожидается экономия теплоэнергии не менее 50%, сами жильцы могут быть заинтересованы в частном финансировании работ по установке устройства для сбережения тепла в своих квартирах, когда в общем тепловом узле жилого дома устанавливается общедомовой счетчик тепла, а расчеты за отопление будут переведены с жилой площади на натуральный расход теплоэнергии. Затраты окупятся за 1-2 года.
С целью повышения комфорта в летний период для обеспеченных жильцов существующих зданий или при новом строительстве элитных жилых домов можно устанавливать известные обратимые тепловые насосы, которые в летний период работают в реверсивном режиме, подавая в приточные стояки охлажденный воздух. В обратимых тепловых насосах испаритель переводится в роль конденсатора, отдавая тепло уходящему отработанному воздуху, а конденсатор переводится в роль испарителя, охлаждая приточный наружный воздух.
Источники информации
1. Энергосберегающая система вентиляции и кондиционирования воздуха. RU 2244882 С1, кл. F24F 5/00, F24F 11/00, опубл. 20.01.2005.
2. Установка утилизации тепла вытяжного воздуха. RU 2281437 С2, кл. F24F 3/147, опубл. 10.08.2006.
3. Способ регулирования теплообмена в системе вентиляции офисных и жилых помещений и устройство для реализации этого способа. RU 2277205 С1, кл. F24F 3/147. опубл. 27.05.2006.
4. Способ и устройство для регенерации энергии. RU 2362946 С2, кл. F24F 12/00, опубл. 27. 07.2009.
5. В.Ф.Дроздов. Отопление и вентиляция. Ч.2. Вентиляция. М.: Высшая школа, 1984.
6. Б.Х.Драганов и др. Теплотехника и применение тепла в сельском хозяйстве. М.: Агропромиздат, 1990.