МОДУЛЬНОЕ МУЛЬТИЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
MODULAR MULTIPLE-ENERGY THERMODYNAMIC DEVICE

Область техники
Изобретение касается системы или устройства модульной конструкции, содержащего, по меньшей мере, один модуль-генератор электрического тока и один или несколько модулей следующего типа: тепловые насосы, узел охлаждения, или смешанные модули типа тепловой насос/охлаждение, обеспечивающие одновременное производство теплой воды, например, для обогрева помещений, горячей воды, например водопроводной горячей воды, холодной воды, например, для кондиционирования, возможно, охлаждающей среды, как правило, для охлаждения, и, возможно, производство электричества.
Уровень техники
Известны системы, содержащие тепловые насосы, приводимые в действие тепловыми двигателями и использующие цикл охлаждения посредством компрессии пара. Такая система описана в патентной заявке ЕР 1 628 096 (LG Electronics Inc.). Эти системы уже много лет применяются в Японии для кондиционирования (охлаждения) летом и для отопления зимой зданий, таких как административные здания или гостиницы, и для одновременного производства водопроводной горячей воды. В своем большинстве эти системы являются так называемыми системами прямого расширения, то есть они напрямую направляют хладагент в индивидуальные внутренние установки. Как правило, это касается установок типа VRV (с переменным объемом хладагента) или DRV (с переменным расходом хладагента).
Такие системы позволяют производить горячую воду, например, водопроводную горячую воду, благодаря теплу, выделяемому тепловым двигателем во время его работы. Однако одним из основных недостатков этих систем является то, что тепловой насос не может нормально работать, отбирая калории из внешнего воздуха, когда наружная температура ниже примерно 10°С, так как это приводит к обледенению испарителя. На практике зимой тепло двигателя используют для обогрева испарителя, чтобы термодинамическая система могла продолжать работу с нормальной производительностью, когда наружная температура опускается ниже 10°С (примерно до -20°С), и в этом случае недостатком является то, что получаемая вода имеет не очень высокую температуру и общая производительность системы становится довольно низкой.
Кроме того, решение по документу ЕР 1 628 096 позволяет конечному пользователю получать воду только одной температуры, то есть температуры горячей водопроводной воды, и в том случае, когда система работает в режиме кондиционирования. В варианте система содержит несколько блоков, в частности внутренних блоков и наружных блоков, соединенных трубопроводами охлаждающей среды. В этом случае система тоже выдает воду только одной температуры, и речь идет о горячей водопроводной воде, получаемой при работе системы в режиме кондиционирования.
Для устранения этого недостатка в системе, описанной в документе ЕР 2 085 721 на имя заявителя, используют когенерирующий узел, соединенный с тепловым насосом, таким образом, чтобы пользователь одновременно мог получать воду с несколькими разными температурами. Однако описанная система предусмотрена для конкретных значений мощности охлаждения, нагрева и электрической мощности, предусмотренных для данного применения. Система спроектирована в виде единого и неделимого комплекса и поэтому не обеспечивает гибкости в проектировании или использовании, и ее размерные параметры должны быть модифицированы для каждого нового применения.
С другой стороны, существующие системы имеют значения мощности, ограниченные максимальными значениями порядка 75 кВт, так как они используют автомобильные двигатели ограниченной мощности и охлаждающие компоненты, не позволяющие работать на более высоких мощностях.
Другим недостатком существующих систем является то, что их размерность необходимо адаптировать к специфическим потребностям пользователя в воде с разными температурами. Однако эти потребности, как в целом, так и в своем распределении по различным температурам воды, могут меняться в зависимости от сезона, от образа жизни или от времени суток. С одной стороны, известным системам не хватает гибкости в использовании. С другой стороны, правильное определение их размерности в зависимости от нужд пользователя, как правило, требует индивидуального проектирования или, по крайней мере, возможности выбирать соответствующую систему из широкого диапазона продуктов разной размерности.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известных технических решений.
Объект изобретения
Первым объектом настоящего изобретения является система (1), обеспечивающая одновременное производство горячей воды с температурой Т2, теплой воды (14) с температурой Т1 и/или холодной воды (13) с температурой Т3 и электричества (20), а также, в случае необходимости, производство охлаждающей среды с температурой испарения Т4 и/или производство охлаждающей среды с температурой испарения Т5, при этом упомянутая система содержит, по меньшей мере, один узел-генератор тока, который содержит либо тепловой двигатель (2), соединенный с генератором (18) переменного тока, либо топливную батарею (22), при этом каждый из генераторов тока содержит также теплообменник (8), производящий горячую воду с температурой Т2, при этом упомянутая система (1) или узел-генератор тока факультативно содержит один или несколько генераторов тока, выбранных из группы, в которую входят тепловой двигатель (2), соединенный с генератором (18) переменного тока, топливная батарея (22), фотогальваническая солнечная панель (23) или ветроэнергетическая установка,
при этом упомянутая система (1) содержит также, по меньшей мере, один тепловой насос (3) или узел охлаждения и, в случае необходимости, электрический аккумулятор (19),
при этом упомянутый тепловой насос или упомянутый узел охлаждения работают (i) либо на принципе компрессии пара и в этом случае содержит, по меньшей мере, один компрессор (17) охлаждающей среды, первый теплообменник (11, 66), расположенный на всасывающем входе компрессора (17), когда система работает в режиме кондиционирования, детандер (10) и второй теплообменник (12), расположенный на нагнетающем выходе компрессора (17), когда система (1) работает в режиме кондиционирования, и, в случае необходимости, третий теплообменник (15), расположенный на нагнетающем выходе компрессора (17), когда система (1) работает в режиме кондиционирования и используется для нагрева теплой воды (14), (ii) либо на принципе абсорбции и содержит в этом случае абсорбер (28), циркуляционный насос (30), парогенератор (29), первый теплообменник (31), расположенный на входе упомянутого абсорбера (28), детандер (32) и второй теплообменник (33), расположенный на выходе упомянутого парогенератора (29),
при этом упомянутая система (1) отличается тем, что
(а) компрессор (17) или циркуляционный насос (30) приводятся в действие электрическим двигателем, который может получать питание от упомянутых генераторов тока, и тем, что
(b) упомянутая система (1) содержит, по меньшей мере, один модуль Рс, Ра, называемый «модулем теплового насоса» (36, 37), или, по меньшей мере, один модуль Pr, называемый «модулем охлаждения» (36А), или, по меньшей мере, один модуль Pm (36B), называемый «смешанным: тепловой насос и охлаждение», которые содержат, каждый:
(b1) если речь идет о компрессионном модуле теплового насоса Рс (36), - по меньшей мере, один узел теплового насоса, содержащий, по меньшей мере, один компрессор (17) охлаждающей среды, упомянутый первый теплообменник (11), упомянутый детандер (10), упомянутый второй теплообменник (12) и, в случае необходимости, упомянутый третий теплообменник (15);
(b2) если речь идет об абсорбционном модуле теплового насоса Ра (37, - абсорбер (28), упомянутый циркуляционный насос (30), упомянутый парогенератор (29), упомянутый первый теплообменник (31), упомянутый детандер (32) и упомянутый второй теплообменник (33);
(b3) если речь идет о модуле охлаждения Pr (36А), - по меньшей мере, один узел охлаждения, содержащий, по меньшей мере, один компрессор (17) охлаждающей среды, упомянутый детандер (10), упомянутый второй теплообменник (12) и, в случае необходимости, упомянутый третий теплообменник (15), а также трубопроводы (16а, 16b) охлаждающей среды, предназначенные для соединения с теплообменником (66) охлаждающей среды типа воздух-вода, внешним по отношению к модулю Pr (36А);
(b4) если речь идет о смешанном модуле Pm (36В), - два узла, из которых один типа теплового насоса и другой типа охлаждающего, при этом
- узел типа теплового насоса содержит, по меньшей мере, один компрессор (17) охлаждающей среды, упомянутый первый теплообменник (11), упомянутый детандер (10), упомянутый второй теплообменник (12) и, в случае необходимости, упомянутый третий теплообменник (15), и
- узел охлаждающего типа содержит, по меньшей мере, один компрессор (17) охлаждающей среды, упомянутый детандер (10), упомянутый второй теплообменник (12) и, в случае необходимости, упомянутый третий теплообменник (15), а также трубопроводы (16а, 16b) охлаждающей среды, предназначенные для соединения с теплообменником (66) охлаждающей среды типа воздух-вода, внешним по отношению к модулю Pm (36);
и тем, что упомянутый узел генератора заключен внутри модуля-генератора (G), при этом упомянутые модули (G, Pc, Pa, Pr, Pm) содержат, каждый, шасси и узел, образующий монтажный переход, выполненные таким образом, чтобы упомянутые модули (G, Pc, Pa, Pr, Pm) можно было соединять один за другим, формируя единый комплекс.
Под системой, обеспечивающей одновременное производство воды с несколькими температурами и, в случае необходимости, охлаждающей среды следует понимать систему, выполненную с возможностью производить и доставлять пользователю воду и, в случае необходимости, охлаждающую среду со специфическими температурами через соответствующие коллекторы, которые соединяют полученный таким образом единый комплекс с установкой пользователя.
Согласно изобретению число и тип модулей выбирают в зависимости от тепловой и/или охлаждающей и электрической мощности, необходимой для работы системы, чтобы адаптировать ее к данному применению, причем, начиная с момента ее проектирования. Такая модульная конструкция позволяет предусмотреть широкую гамму проектных решений системы за счет адаптации числа и типа модулей к каждому случаю использования. Кроме того, система обеспечивает также гибкость использования, так как она учитывает различные типы энергии, которые могут питать систему, а также различные потоки энергии, которые может производить система.
Система в соответствии с изобретением имеет модульную конструкцию и позволяет соединять вместе несколько сложных модулей, в частности когенеририрующих и термодинамических, упрощая переходы для получения единого или моноблочного комплекса, предпочтительно легко транспортируемого на грузовике. Таким образом, сложность конструкции сконцентрирована внутри модулей, а переходы между модулями максимально упрощены. Предпочтительно модули содержат шасси одинаковой высоты и ширины, чтобы их можно было соединять друг с другом через соответствующие механические средства соединения.
Это позволяет стандартизировать компоненты, снизить себестоимость компонентов за счет увеличения объемов производства, сократить время на разработку и упростить их производство.
Таким образом, систему определяют посредством оптимального выбора модулей, которые могут быть стандартизированы, в частности по своим внутренним функциям и по выбору переходов, чтобы получить систему, отвечающую нуждам конечного пользователя.
Система в соответствии с изобретением отвечает следующим потребностям применения:
1/Отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование коммерческих и жилых зданий:
Это предполагает самые разнообразные потребности в тепле в зависимости от размера зданий, от уровня их изоляции, от их типа (больницы, гостиницы, дома престарелых или административные здания) и от их местонахождения (север или юг Европы). Предпочтительной текучей средой является вода при температуре Т1 (отопление), Т2 (горячее водоснабжение) и Т3 (кондиционирование). В некоторых случаях в определенных частях здания могут одновременно возникать потребности в кондиционировании и в обогреве.
2/Отопление, горячее водоснабжение, кондиционирование и производство энергии для нужд охлаждения в супермаркетах
Кроме пунктов, рассмотренных в предыдущем параграфе, дополнительно рассматривается потребность в охлаждающей мощности в виде охлаждающей среды при температуре Т4 и Т5 в различной пропорции в зависимости от применения.
3/Отопление, производство электричества и, в случае необходимости, кондиционирование сельскохозяйственных теплиц:
В этом случае возникает большая потребность в отоплении горячей водой при температуре Т1 и Т2, при этом часто применяют природный газ с учетом его низкой стоимости. Возможный избыток электричества можно перепродавать.
4/Сельскохозяйственная установка по производству биогаза, работающая на биомассе:
В данном случае имеет место локальное производство первичной энергии для удовлетворения нужд в отоплении и в электричестве с перепродажей избытка последнего. Существует потребность в горячей воде с температурой Т1 и Т2. Избыток электричества можно перепродавать.
Далее следует описание различных модулей, используемых в системе, при этом значения мощностей, потребляемых системой, приведены в качестве примеров:
- Когенерирующий модуль (или модуль-генератор G), который обеспечивает генерирование тепловой мощности в виде горячей воды с температурой Т2 и электричества
Внутренние функции модуля:
Каждый двигатель представляет собой один или два двигателя с возможным выбором (не ограничительным) на 2 литра и 4,6 литра.
Электрическая мощность может использоваться на месте другими модулями или направляться наружу в электрическую сеть клиента.
Тепловая мощность передается через регулируемые вентили в центральные трубопроводы теплой воды Т1 или горячей воды Т2 в зависимости от соответствующих потребностей применения.
Двигатель на 2 литра: до 25 кВт электричества и одновременно до 35 кВт тепловой мощности при температуре Т2.
Двигатель на 4,6 литра: до 55 кВт электричества и одновременно 80 кВт тепловой мощности при температуре Т2.
Минимальная мощность: 1 двигатель на 2 литра: 25 кВт электричества и 35 кВт тепла.
Максимальная мощность: 2 двигателя на 4,6 литра: 110 кВт электричества и 160 кВт тепла.
- Реверсивный модуль теплового насоса (Рс), который обеспечивает производство теплой воды при температуре Т1 или холодной воды при температуре Т3 с использованием охлаждающего цикла с компрессией.
Внутренние функции модуля: Каждый модуль содержит два независимых узла охлаждения, подключенных к центральным водопроводам, и систему регулирования.
Каждый из двух узлов производит около 65 кВт холодной воды с температурой Т3 или около 80 кВт теплой воды с температурой Т1 (не одновременно).
Каждый модуль этого типа производит: около 130 кВт холодной воды с температурой Т3 или около 160 кВт теплой воды с температурой Т1 (не одновременно).
- Модуль тепловых насосов с факультативным теплообменником (Рс), который обеспечивает одновременное производство теплой воды с температурой Т1 и холодной воды с температурой Т3 с использованием цикла охлаждения с компрессией.
Внутренние функции:
Каждый модуль содержит два независимых узла охлаждения, соединенных с центральными водопроводами, и систему регулирования.
Каждый из двух узлов может производить около 65 кВт холодной воды с температурой Т3 или около 80 кВт теплой воды с температурой Т1, как реверсивный модуль теплового насоса, однако в случае необходимости, он может также производить эти две мощности одновременно.
Таким образом, каждый модуль этого типа может производить около 130 кВт холодной воды с температурой Т3 или около 160 кВт теплой воды с температурой Т1, как реверсивный модуль теплового насоса, но, в случае необходимости, он может также производить эти две мощности одновременно, то есть примерно 130 кВт мощности охлаждения в виде холодной воды с температурой Т3 и примерно 160кВт тепловой мощности в виде теплой воды с температурой Т1.
- Модуль охлаждения (Pr), который обеспечивает производство охлаждающей среды с температурой Т4 или Т5 с использованием цикла охлаждения с компрессией.
Внутренние функции:
Каждый модуль содержит два независимых узла охлаждения, соединенных с центральными трубопроводами охлаждающей среды, и систему регулирования.
Каждый из двух узлов может производить примерно 40 кВт мощности охлаждения в виде охлаждающей среды с температурой Т4 или примерно 20 кВт охлаждающей среды с температурой Т5.
Таким образом, каждый модуль этого типа может производить примерно 80 кВт мощности охлаждения в виде охлаждающей среды с температурой Т4 или примерно 40 кВт охлаждающей среды с температурой Т5.
- Реверсивный смешанный модуль теплового насоса/охлаждения (Pm):
Кроме того, каждый из 3-х вышеуказанных модулей (модули теплового насоса и модуль охлаждения) состоит из двух независимых узлов, выполняющих заданную функцию, и, таким образом, можно получать смешанные модули, содержащие, например, реверсивный узел теплового насоса и узел охлаждения (см. пример на фиг. 13).
Таким образом, обеспечивают производство теплой воды с температурой Т1 (примерно 80 кВт) или холодной воды с температурой Т3 (примерно 65 кВт) и одновременно производство охлаждающей среды с температурой Т4 (примерно 40 кВт) или с температурой Т5 (примерно 20 кВт).
- Абсорбционный модуль теплового насоса (Ра): Производство теплой воды с температурой Т1 с использованием абсорбционного цикла. Тепловая мощность составляет примерно 35 кВт.
Предпочтительно упомянутый узел, образующий монтажный переход, содержит: механический переход, электрический переход и гидравлический переход.
Система в соответствии с настоящим изобретением имеет модульную конструкцию и содержит, по меньшей мере, один модуль-генератор электрического тока и один или несколько так называемых «производственных» модулей, каждый из которых содержит один или два узла теплового насоса или охлаждения. Под системой модульной конструкции следует понимать систему, содержащую, по меньшей мере, два модуля, при этом каждый модуль содержит шасси, образующее держатель для компонентов, а также средства механического, электрического или гидравлического соединения со смежным модулем. Предпочтительно модули выполнены таким образом, чтобы после соединения они имели одинаковые габариты, по меньшей мере, по одному размеру (например, по ширине модуля) или, что более предпочтительно, по двум размерам (ширина и высота). Производственный модуль может содержать узел теплового насоса или узел охлаждения. В предпочтительном варианте изобретения производственный модуль может содержать два узла одного типа, например, два узла теплового насоса или два узла охлаждения на общем шасси. В другом предпочтительном варианте изобретения производственный модуль является смешанным модулем, то есть он содержит один узел теплового насоса и один узел охлаждения на общем шасси.
Переходы между модулями сведены к минимуму и представляют собой три типа:
- Механические переходы: модули имеют шасси одинаковой высоты и ширины для соединения друг с другом через соответствующие средства механического соединения.
- Электрические и электронные переходы: регулирование, предусмотренное для каждого модуля, позволяет ограничить электронные переходы (в основном шиной связи) и электрические переходы (в частности, силовые провода компрессоров).
- Гидравлические переходы, в частности для жидкости и охлаждающей среды: они находятся в одном и том же месте для всех модулей (предпочтительно в центральной части, как показано на чертежах). Они образуют путь прохождения и передачи тепловой энергии наружу от модульной системы в соответствии с изобретением.
После выполнения этих переходов устройство выглядит как единый блок или единый комплекс, который можно транспортировать, например, на грузовике.
Предпочтительно можно объединить до шести модулей, в том числе один или два когенерирующих модуля (по одному когенерирующему модулю на каждом конце установки).
При этом объединяют электрические и тепловые мощности различных модулей этого моноблочного комплекса. В плане производства тепловой энергии можно достичь показателя порядка мегаватта.
Получаемую электрическую энергию могут локально использовать модули или ее можно направлять наружу в сеть клиента в зависимости от соответствующих потребностей.
При этом регулирование комплекса должно способствовать общей энергетической оптимизации установки.
Таким образом, система, содержащая шесть вышеуказанных модулей, предпочтительно позволяет реализовать функции, соответствующие следующим применениям:
1/Отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование коммерческих и жилых зданий:
В зависимости от соответствующих потребностей в мощности, с одной стороны, для кондиционирования и отопления (в случае необходимости, одновременно в заданной пропорции), с другой стороны, для горячего водоснабжения и, наконец, в возможном возврате электричества можно конфигурировать один или два генерирующих модуля, связанных с модулями тепловых насосов, возможно разного типа. Это позволяет удовлетворять потребности при помощи одной установки.
2/Отопление, горячее водоснабжение, кондиционирование и производство энергии для нужд охлаждения в супермаркетах.
Удовлетворение многочисленных потребностей опирается на модули охлаждения.
При этом можно предусмотреть комплекс, состоящий из одного или двух когенерирующих модулей, связанных с одним или несколькими модулями охлаждения, которые, в свою очередь, дополнены модулями тепловых насосов. Комплекс обеспечивает адаптированное, логическое и моноблочное решение комплексной проблематики.
3/Отопление, производство электричества и, в случае необходимости, кондиционирование сельскохозяйственных теплиц:
Как правило, обеспечивают максимальную мощность когенерации, связанную с модулями тепловых насосов. Моноблочный комплекс позволяет избежать использования или возведения технического помещения.
4/Сельскохозяйственная установка по производству биогаза, работающая на биомассе:
Получаемые мощности первичной энергии связаны с размером конвертеров для получения метана, производящих биогаз из биомассы. Этот диапазон получаемой мощности вполне соответствует когенерирующим модулям системы в соответствии с настоящим изобретением.
Система 1 в соответствии с изобретением содержит также, по меньшей мере, один модуль охлаждения 36А и, в случае необходимости, электрический аккумулятор 19, при этом упомянутый модуль содержит, по меньшей мере, один узел охлаждения, работающий на принципе компрессии пара и содержащий, по меньшей мере, один компрессор 17 охлаждающей среды, детандер 10, теплообменник 12, установленный на выходе нагнетания компрессора 17, и, в случае необходимости, третий теплообменник 15, установленный на выходе нагнетания компрессора 17, если систему 1 используют также для нагрева теплой воды 14, при этом система содержит также трубопроводы охлаждающей среды, предназначенные для соединения с теплообменником 66 типа охлаждающая среда/воздух, находящимся снаружи модуля и даже, как правило, но не ограничительно снаружи системы, в частности при применении для охлаждения пищевых продуктов. Теплообменник 66 необходим для работы. Однако он физически не находится в модуле, содержащем компрессоры. Теплообменник 66 может находиться в специальном изотермическом модуле, являющемся частью системы с модульной конструкцией (например, выполняющей роль холодной камеры, внешней по отношению к зданию). Теплообменник 66 может также находиться на расстоянии от модульной системы в закрытой камере здания (например, при применении в супермаркете). В частности, согласно изобретению, в этом случае:
(а) компрессор 17 приводится в действие электрическим двигателем, который может питаться от одного из упомянутых генераторов тока, и
(b) упомянутая система 1 содержит, по меньшей мере, один модуль Pr, называемый «модулем охлаждения», содержащий, по меньшей мере, один компрессор 17 охлаждающей среды, упомянутый детандер 10, упомянутый теплообменник 12, в случае необходимости, упомянутый теплообменник 15 и трубопроводы охлаждающей среды (16а, 16b), предназначенные для соединения с теплообменником 66, который физически не находится в модуле, но необходим для его работы.
Генератор тока типа теплового двигателя может быть включен в модуль G, называемый модулем-генератором тока; этот модуль G может содержать один или несколько других генераторов тока, выбираемых среди тепловых двигателей и топливных батарей, или эти другие генераторы тока могут быть встроены во второй модуль-генератор тока. Предпочтительно модуль или модули-генераторы тока могут содержать соединения для подключения одного или нескольких внешних источников тока, таких как фотогальваническая солнечная панель 23, ветроэнергетическая установка или электрическая сеть. Упомянутые генераторы тока могут быть генераторами переменного тока или постоянного тока. В предпочтительном варианте выполнения первый генератор тока является тепловым двигателем 2, соединенным с генератором переменного тока 18. В этом случае переменный ток может питать упомянутый компрессор 17, работающий от переменного тока (при этом часть тока может подаваться в электрическую сеть, внешнюю по отношению к системе 1), или может быть преобразован в постоянный ток для питания упомянутого компрессора 17, работающего от постоянного тока, и/или для подзарядки электрического аккумулятора 19. Это же относится и к другим генераторам тока, если они производят переменный ток (таким как тепловой двигатель, ветроэнергетическая установка или турбина). Если один из других генераторов тока является генератором постоянного тока (например, топливная батарея 22 или фотогальваническая панель 23), этот постоянный ток может потребляться напрямую компрессором 17, если он работает от постоянного тока, и/или электрическим аккумулятором 19 либо может быть преобразован в переменный ток для использования компрессором 17, работающим от переменного тока, или может направляться в электрическую сеть, внешнюю по отношению к системе 1.
Предпочтительно в упомянутом тепловом насосе или узле охлаждения используют цикл охлаждения за счет компрессии пара.
Предпочтительно система в соответствии с изобретением выполнена с возможностью получения питания от внешней электрической сети для частичного или полного покрытия своих потребностей в электрической энергии и с возможностью направления в упомянутую внешнюю электрическую сеть, по меньшей мере, части электрической энергии, производимой упомянутой системой.
Вторым объектом настоящего изобретения является способ регулирования системы в соответствии с настоящим изобретением.
Описание фигур
Фиг. 1-19 иллюстрируют частные варианты выполнения изобретения.
Фиг. 1 - принципиальная схема системы в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда генератор переменного тока является тепловым двигателем, соединенным с генератором переменного тока, и тепловой насос использует цикл охлаждения за счет компрессии пара.
Фиг. 2 - принципиальная схема системы в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда генератор переменного тока является фотогальванической солнечной панелью или топливной батареей, соединенной с преобразователем постоянного тока в переменный ток, и тепловой насос использует цикл охлаждения за счет компрессии пара.
Фиг. 3 - энергетический КПД системы в соответствии с настоящим изобретением в случае теплового насоса в сравнении с КПД различных известных систем.
Фиг. 4 - принципиальная схема системы в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда генератор переменного тока является тепловым двигателем, соединенным с генератором переменного тока, и модуль охлаждения использует цикл охлаждения за счет компрессии пара.
Фиг. 5 - принципиальная схема системы в соответствии с настоящим изобретением согласно варианту изобретения, при этом система содержит несколько модулей-генераторов тока, соединенных с несколькими модулями тепловых насосов.
Фиг. 6 - принципиальная схема системы в соответствии с настоящим изобретением согласно варианту изобретения, при этом система содержит несколько модулей-генераторов тока, соединенных с одним модулем теплового насоса и с несколькими модулями охлаждения.
Фиг. 7 - принципиальная схема системы в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда генератор переменного тока является тепловым двигателем, соединенным с генератором переменного тока, и тепловой насос использует цикл охлаждения за счет абсорбции.
Фиг. 8а - вид сбоку, фиг. 8b - вид спереди и фиг. 8с - вид в разрезе по плоскости А-А фиг. 8b системы согласно другому варианту изобретения, когда система содержит модуль-генератор, соединенный с несколькими модулями тепловых насосов разных типов.
Фиг. 9а-9f - различные виды компрессионного модуля теплового насоса в соответствии с настоящим изобретением, содержащего два узла тепловых насосов, оборудованные факультативным теплообменником 15.
Фиг. 10а - вид сбоку, фиг. 10b - вид спереди и фиг. 10с - вид в разрезе по плоскости С-С на фиг. 10b абсорбционного модуля теплового насоса в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 11а - вид сбоку, фиг. 11b - вид спереди и на фиг. 11с - вид в разрезе по плоскости D-D фиг. 11b модуля-генератора в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 12а-12f - различные виды модуля охлаждения, содержащего два узла охлаждения.
Фиг. 13а-13f - различные виды смешанного модуля теплового насоса и охлаждения.
Фиг. 14а-14с - различные виды примера системы в соответствии с настоящим изобретением, содержащей модуль-генератор и смешанный модуль теплового насоса и охлаждения.
Фиг. 15 - пример системы, содержащей модуль-генератор, смешанный модуль теплового насоса и охлаждения и модуль типа модуля охлаждения, содержащий два узла охлаждения.
Фиг. 16 - пример системы, содержащей модуль-генератор, смешанный модуль теплового насоса и охлаждения и модуль типа модуля охлаждения, содержащий два узла охлаждения, и два изотермических модуля.
Фиг. 17 - принципиальная схема компрессионного узла теплового насоса, выполненного согласно первому варианту работы.
Фиг. 18 - принципиальная схема компрессионного узла теплового насоса, выполненного согласно второму варианту работы.
Фиг. 19 - принципиальная схема топливной батареи, оборудованной узлом риформинга или риформером, при этом упомянутая батарея входит в состав модуля-генератора.
Список обозначений
1 Система в соответствии с настоящим изобретением
2 Тепловой двигатель
3 Тепловой насос
4 Вход жидкого или газообразного топлива
5 Механическая энергия, производимая двигателем
6 Тепло, выделяемое генератором переменного тока во время работы
7 Потери энергии
8 Теплообменник для теплообмена между генератором переменного тока и горячей водой
9 Контур горячей воды
10 Детандер
10А Детандер А (факультативный контур с теплообменником 15)
10В Детандер В (факультативный контур с теплообменником 15)
10С Детандер С (факультативный контур с теплообменником 15)
11 Теплообменник вода/охлаждающая среда (испаритель в режиме кондиционирования)
12 Теплообменник воздух/охлаждающая среда (испаритель в режиме обогрева и конденсатор в режиме кондиционирования)
13 Водяной контур - контур холодной воды, когда тепловой насос работает в режиме кондиционирования
14 Контур теплой воды
15 Теплообменник охлаждающая среда/контур отбора воды
16 Контур охлаждающей среды
16а Всасывающий трубопровод охлаждающей среды
16b Трубопровод жидкой охлаждающей среды
17 Компрессор
18 Генератор переменного тока
19 Электрический аккумулятор
20 Электрическая энергия
21 Электрический вентилятор
22 Топливная батарея
22А Риформер
22В Активная зона батареи
22С Риформинговый реактор
22D Блок десульфурации
22С Блок WGS (water gas shift)
22F Горючая текучая среда (природный газ, биогаз и т.д.)
22G Водород
22Н Электричество
23 Фотогальваническая солнечная панель
24 Преобразователь постоянного тока в переменный
25 Солнечная энергия
26 Топливо (для топливной батареи)
27 Тепловой насос с абсорбционным циклом
28 Абсорбер
29 Генератор
30 Циркуляционный насос
31 Испаритель для адсорбционного цикла
32 Детандер для абсорбционного цикла
33 Конденсатор для абсорбционного цикла
34 Охлаждающая среда
35 Абсорбер
36 Компрессионный модуль теплового насоса
36А Модуль охлаждения
36В Смешанный модуль: тепловой насоса и охлаждение
36С Изотермический модуль
36D Узел теплового насоса
36Е Узел охлаждения
37 Абсорбционный модуль теплового насоса
38 Модуль-генератор тока
39а,b,c,d Коллекторы соединения теплообменников
40 Газовый трубопровод, соединяющий абсорбционные модули тепловых насосов
41 Силовой провод
42 Провод регулирования
44 Шасси модуля теплового насоса
46 4-ходовой вентиль
47 Компрессор охлаждения
48 Противоударный баллон для жидкости
50 Резервуар для жидкости
51 Абсорбер
52 Генератор
53 Пластинчатый теплообменник охлаждающая среда/вода с абсорбционным циклом
54 Пластинчатый теплообменник охлаждающая среда/воздух с абсорбционным циклом
55 Вход топлива
56 Узел теплового двигателя и его генератор переменного тока
57 Топливная батарея и ее инверторный блок
58 Подключение к внешним тепловым источникам
59 Теплообменник для теплообмена между генератором тока и горячей водой
60 Силовой шкаф общего регулирования системы
61 Силовое подключение для входа энергии от фотогальванической панели
62 Силовое подключение для входа от электрической сети
63 Силовое подключение для направления электрической энергии в сеть
64 Шасси модуля-генератора тока
65А,65В,65С,65D Двухходовые вентили охлаждения
66 Теплообменник охлаждающая среда/воздух
67 Обратный клапан на контуре охлаждающей среды
68 Блок регулирования
Рс Компрессионный модуль теплового насоса
Ра Абсорбционный модуль теплового насоса
Pr Модуль охлаждения
Pm Смешанный модуль: тепловой насос и охлаждение
G Модуль-генератор тока
Се1,Се2,Се3 Входной коллектор клиента
Cs1,Cs2,Cs3 Выходной коллектор клиента
Описание изобретения
Определения
В настоящем документе использованы следующие понятия:
• Термодинамическая система типа теплового насоса или охлаждения: Устройство, содержащее компрессор и несколько теплообменников, в которых циркулирует специальный жидкий теплоноситель, обычно называемый охлаждающей средой, при этом упомянутое устройство позволяет поглощать тепловую энергию с первой температурой и воспроизводить тепловую энергию с второй температурой, при этом вторая температура является более высокой, чем первая.
• Геотермический контур: Система трубопроводов, проходящая в грунте, как правило, в вертикальном или горизонтальном положении и предназначенная для теплообмена между системой обогрева или охлаждения и грунтом.
• Теплообменник: устройство, предназначенное для передачи тепла между несколькими контурами.
• Среда-теплоноситель: Теплоноситель, используемый для передачи тепла; классическими примерами являются хладагент, вода или смесь воды с этиленгликолем, называемая также охлаждающей смесью.
• Тепловой источник или просто источник: Условно термины «источник» и «тепловая нагрузка» относятся к режиму отопления. Источник является средой, из которой извлекают тепло в режиме отопления. Это извлечение тепла происходит с некоторыми физическими характеристиками, такими как тепловая инерция или собственная мощность, которые характеризуют источник. Можно отметить, что термин «источник» не применяют для режима охлаждения, в котором тепло из здания удаляют.
• Тепловая нагрузка или просто нагрузка: Нагрузка является средой, в которую направляют тепло в режиме отопления. Это направление тепла происходит с некоторыми физическими характеристиками, такими как тепловая инерция или собственная мощность, которые характеризуют нагрузку, и нагрузка является также средой, в которую удаляют тепло в режиме охлаждения.
• КПД или коэффициент полезного действия: КПД или коэффициент полезного действия системы в режиме отопления определяют как отношение получаемой нагревательной мощности к электрической мощности, потребляемой системой. В заявленной системе под «эквивалентным электрическим» КПД следует понимать КПД, который имела бы установка при использовании электричества вместо газа или биотоплива.
• Генератор переменного тока: Устройство, которое генерирует переменный ток либо напрямую, либо при помощи дополнительного преобразователя, который преобразует генерируемый постоянный ток в переменный ток.
• Тепловой двигатель: Двигатель, который за счет сжигания преобразует содержащуюся в топливе химическую энергию в механическую энергию.
• Двигатель внутреннего сгорания: Тепловой двигатель, в котором сжигание топлива с получением необходимой для работы энергии происходит внутри самого двигателя, как правило, в камере сгорания.
• Фотогальваническая солнечная панель: Электрический генератор постоянного тока, состоящий из набора фотогальванических элементов, соединенных между собой электрически.
• Тепловой солнечный датчик: Устройство, в котором температура твердой, жидкой или газообразной среды повышается за счет полного или частичного поглощения солнечного излучения.
• Топливная батарея: Устройство, производящее электричество за счет окисления топлива-восстановителя (например, водорода) на одном электроде в сочетании с восстановлением окислителя, такого как кислород воздуха, на другом электроде.
Подробное описание
Предпочтительно тепловой двигатель 2 системы в соответствии с настоящим изобретением является двигателем внутреннего сгорания и входит в состав модуля-генератора тока G. Предпочтительно он работает на природном газе. В зависимости от потребностей его можно также питать другим газообразным или жидким топливом, таким как бензин, мазут, керосин, спирт, биотопливо, такое как растительные масла, биоэтанол, биогаз.
Речь может также идти о других видах тепловых двигателей, таких как двигатели внешнего сгорания, например двигатели Стирлинга. Генератор переменного тока 18, соединенный с тепловым двигателем, тоже входит в состав генератора G.
Топливная батарея 22 системы в соответствии с настоящим изобретением может быть топливной батареей любого типа, известного специалисту, как правило, но не ограничительно работающей при температурах ниже 200°С, которые в некоторых случаях могут достигать значения от 800°С до 1000°С (например, в случае батареи типа «твердого оксида»), и питаемой соответствующим топливом, таким как водород, метан или другая углеводородная смесь, такая как бензин или мазут. Топливная батарея содержит, как минимум, одну активную зону 22В батареи, питаемую водородом (случай активных зон топливных батарей, использующих принцип протонных мембран) или несколькими вышеуказанными видами углеводородного топлива (случай высокотемпературных активных зон батареи типа твердого оксида). Если батарея основана на протонных мембранах и если водород напрямую не доступен, топливная батарея 22 содержит риформер 22А и активную зону 22В батареи. Риформер предназначен для извлечения водорода, необходимого для активной зоны батареи, из химически более сложного топлива, указанного выше, такого как природный газ, метан, биогаз или другая углеводородная смесь. Выделяемый водород поступает в активную зону батареи, работающей на протонных мембранах.
4
2
2
2
2
2
2
Далее со ссылками на фиг. 19 следует описание работы топливной батареи 22 с риформером 22А. Топливо 22F (которое может быть природным газом, биогазом и т.д.) претерпевает в риформере 22А ряд преобразований, предназначенных для извлечения из него водорода 22G, с ограничением уровня примесей (как правило, серы) и моноксида углерода. Для этого топливо проходит сначала через реактор риформинга, который после добавления воды выделяет из него водород. Например, в случае метана происходит реакция типа СН+2НО=СО+4Н. Блок 22D предназначен для снижения содержания серы, которая может повлиять на работу активной зоны 22В батареи. Блок 22Е осуществляет преобразование, называемое “water gas shift”, предназначенное для снижения содержания моноксида углерода смеси, который тоже может помешать работе активной зоны батареи. В этом блоке протекает химическая реакция типа: СО+НО=СО+Н.
Фотогальванические солнечные панели 23 системы в соответствии с настоящим изобретением могут быть панелями любого известного специалистам типа, в частности полупроводником фотогальванических элементов не ограничительно может быть аморфный, поликристаллический или монокристаллический кремний, органический полупроводниковый материал или их комбинация. Можно использовать несколько фотогальванических солнечных панелей.
В предпочтительных вариантах выполнения система в соответствии с настоящим изобретением может быть реверсивной, то есть может работать преимущественно в режиме нагрева с получением теплой воды при температуре Т1 («режим отопления») или преимущественно в режиме охлаждения с получением холодной воды при температуре Т3 («режим кондиционирования»). Для этого в контуре 16 охлаждающей среды устанавливают четырехходовой вентиль 46 инверсии цикла (фиг. 8с). Можно также применять нереверсивные системы, в частности, для некоторых применений охлаждения. Если система оборудована факультативным теплообменником 15, то можно одновременно получать теплую воду при температуре Т1 и холодную воду при температуре Т3 в различной пропорции для удовлетворения нужд использования. В этом случае четырехходовой вентиль 46 инверсии цикла заменяют четырьмя двухходовыми вентилями охлаждения 65А,В,С,D. При этом детандер 10 дополняют двумя дополнительными детандерами, в результате чего контур содержит три детандера: 10А, 10В, 10С.
В случае когда тепловой насос 3 является реверсивным, теплообменники 11 и 12 являются реверсивными теплообменниками. Следует отметить, что для детального описания работы заявленной системы нами выбран режим кондиционирования. Когда тепловой насос работает в режиме отопления, водяной контур 13 становится контуром теплой воды.
С другой стороны, теплообменник 11 предпочтительно является пластинчатым теплообменником.
Показанный на фиг. 1 тепловой насос 3 системы 1 в соответствии с настоящим изобретением является модулем Рс 36, который содержит:
- один или два замкнутых и герметичных контура, в которых циркулирует среда-теплоноситель, такая как охлаждающая среда 16,
- по меньшей мере, один компрессор 17 на контур, приводимый в действие электрическим двигателем,
- детандер 10,
- первый теплообменник 11, расположенный на всасывающем входе компрессора 17, когда система работает в режиме кондиционирования,
- второй теплообменник 12, расположенный на нагнетающем выходе компрессора 17, когда система работает в режиме кондиционирования,
- третий факультативный теплообменник 15, расположенный на нагнетающем выходе компрессора 17, когда система работает одновременно в режиме кондиционирования и отопления с отбором тепла.
Эти компоненты расположены внутри шасси, не показанного на фиг. 1.
Согласно изобретению компрессор 17 приводится в действие электрическим двигателем. Этот электрический двигатель может получать электрическое питание от первого генератора тока или от одного или нескольких других генераторов тока или от электрической сети в зависимости от выбора, определяемого выбранным способом общего регулирования системы. Можно использовать двигатель постоянного тока или переменного тока. Преимуществом использования электрического двигателя для обеспечения работы компрессора 17 (и, в частности, отказа от прямого (механического) приведения в действие компрессора 17 тепловым двигателем 2) является возможность использования герметичных компрессоров, что позволяет избежать рисков утечки, связанных с использованием открытых компрессоров. В частном варианте выполнения компрессор 17 приводится в действие электрическим двигателем, получающим электрическое питание от теплового двигателя 2, при этом необходимое электричество генерирует генератор 18 переменного тока, вращаемый упомянутым тепловым двигателем 2.
Из вышеуказанных соображений компрессор теплового насоса предпочтительно является герметичным компрессором. Под герметичным компрессором следует понимать компрессор, содержащий герметичный корпус, как правило, сварной стальной кожух, внутри которого находятся компрессионный блок для компрессии охлаждающей среды, и двигатель, приводящий в действие компрессионный блок. Вместе с тем, можно использовать полугерметичные компрессоры, в которых можно иметь доступ к некоторым внутренним узлам с целью обслуживания или возможного ремонта.
Тепловой насос 3 системы 1 в соответствии с настоящим изобретением может быть оборудован третьим теплообменником 15. Предпочтительно этот теплообменник (как и второй теплообменник 11) является пластинчатым теплообменником.
Тепловой насос 3 заявленной системы 1 позволяет использовать любые известные специалисту типы тепловых нагрузок для отопления и кондиционирования, таких как полы с обогревом/охлаждением, конвекционные вентиляторы. Нагрузки могут представлять собой также установки обработки воздуха для осушения бассейнов и для обработки свежего воздуха помещений или водяные контуры в промышленных процессах, требующих использования теплой воды и/или холодной воды.
В варианте выполнения тепловой насос 3 системы 1 в соответствии с настоящим изобретением может быть тепловым насосом типа воздух/вода, то есть тепловым насосом, использующим внешний воздух или отбираемый воздух в качестве источника тепла в режиме отопления, или тепловым насосом типа вода/вода, то есть тепловым насосом, использующим водяной контур в наружном грунте в качестве источника тепла в режиме отопления. Предпочтительным тепловым источником для теплового насоса 3 является геотермальный контур.
Теплообменники на источнике и на нагрузке адаптированы к типу теплового насоса и к типу применения согласно критериям, хорошо известным специалистам.
Показанный на фиг. 4 узел охлаждения в соответствии с настоящим изобретением является модулем Pr 36А, который содержит:
- по меньшей мере, один контур, в котором циркулирует среда-теплоноситель, такая как охлаждающая среда 16; контур является замкнутым и герметичным после конечной установки теплообменника 11 (на заводе или на месте использования),
- по меньшей мере, один компрессор 17, приводимый в действие электрическим двигателем,
- детандер 10,
- впускные трубопроводы охлаждающей среды 16а и жидкости 16b, предназначенные для соединения с одним теплообменником 66 на контур охлаждения, расположенным на всасывающем входе компрессора 17. Этот теплообменник не находится в модуле Pr 36A, содержащем компрессоры 17. Он может находиться в изотермическом модуле 36С, как показано на фиг. 16, или может находиться снаружи модульного комплекса в соответствии с настоящим изобретением (как правило, в здании, расположенном вблизи модульного комплекса). Этот теплообменник позволяет замкнуть контур и необходим для работы системы. Модуль может содержать два независимых контура охлаждения и, следовательно, два теплообменника 66. Каждый из этих теплообменников можно расположить в изотермическом модуле 36С или снаружи описанного выше модульного комплекса.
- второй теплообменник 12, расположенный на нагнетательном выходе компрессора 17.
Эти компоненты расположены внутри шасси, не показанного на фиг. 4.
Согласно изобретению компрессор 17 приводится в действие электрическим двигателем. Этот электрический двигатель может получать электрическое питание от первого генератора тока, и/или от одного или нескольких других генераторов тока, или от электрической сети в зависимости от выбора, определяемого выбранным способом общего регулирования системы. Можно использовать двигатель постоянного тока или переменного тока. Преимуществом использования электрического двигателя для обеспечения работы компрессора 17 (и, в частности, отказа от прямого (механического) приведения в действие компрессора 17 тепловым двигателем 2) является возможность использования герметичных компрессоров, что позволяет избежать рисков утечки, связанных с использованием открытых компрессоров. В частном варианте выполнения компрессор 17 приводится в действие электрическим двигателем, получающим электрическое питание от теплового двигателя 2, при этом необходимое электричество генерирует генератор 18 переменного тока, вращаемый упомянутым тепловым двигателем 2.
Из вышеуказанных соображений компрессор теплового насоса предпочтительно является герметичным компрессором. Под герметичным компрессором следует понимать компрессор, содержащий герметичный корпус, как правило, сварной стальной кожух, внутри которого находятся компрессионный блок для компрессии охлаждающей среды, и двигатель, который приводит в действие компрессионный блок. Вместе с тем, можно использовать полугерметичные компрессоры, в которых можно иметь доступ к некоторым внутренним узлам во время обслуживания или возможного ремонта.
Как правило, но не ограничительно, компрессор 17 потребляет электрическую мощность от 10 до 30 кВт в зависимости от моделей и условий работы компрессора (скорость вращения, давление всасывания и давление нагнетания). Мощность охлаждения будет меняться от 5 до 80 кВт в зависимости от условий работы. Вместе с тем, чтобы повысить мощность охлаждения, предпочтительно используют два соединенных параллельно компрессора 17, и в этом случае комплекс из двух компрессоров будет характеризоваться двойной мощностью охлаждения и двойной потребляемой электрической мощностью.
Узел охлаждения системы в соответствии с настоящим изобретением может быть оборудован третьим теплообменником 15. Предпочтительно этот теплообменник является пластинчатым теплообменником.
2
Предпочтительно в рамках настоящего изобретения охлаждающую среду выбирают из фторсодержащих углеводородов HFC (например, R134A, R407C, R404A & R410A), которые являются самыми распространенными. Можно также использовать углеводороды и, в частности, пропан в качестве охлаждающей среды. Можно также использовать СО.
Предпочтительной охлаждающей средой для системы в рамках настоящего изобретения является R134A или 410А в случае теплового насоса. Как правило, но не ограничительно в случае узла охлаждения, предпочтительной охлаждающей средой для системы в соответствии с настоящим изобретением является R404A. Однако настоящее изобретение не ограничено выбором одной из текучих сред, существующих на рынке, и можно предусмотреть другие среды.
Тепловой насос 3 системы 1 в соответствии с настоящим изобретением позволяет использовать все виды тепловых нагрузок, известных специалистам, для отопления и кондиционирования, таких как полы с подогревом и охлаждением, конвекционные вентиляторы. Нагрузки могут представлять собой также установки для обработки воздуха для осушения бассейнов и для обработки свежего воздуха помещений или водяные контуры в промышленных процессах, требующих использования теплой воды и/или холодной воды.
В варианте выполнения тепловой насос 3 системы 1 в соответствии с настоящим изобретением может быть тепловым насосом типа воздух/вода, то есть тепловым насосом, использующим внешний воздух или отбираемый воздух в качестве источника тепла в режиме отопления, или тепловым насосом типа вода/вода, то есть тепловым насосом, использующим водяной контур в наружном грунте в качестве источника тепла в режиме отопления. Предпочтительным тепловым источником для теплового насоса 3 является геотермальный контур.
Узел охлаждения 36А системы 1 в соответствии с настоящим изобретением содержит контур охлаждения воздух/воздух, то есть воздух охлаждают до так называемой температуры Т4 среднетемпературного охлаждения, как правило, позволяющей хранить свежие продукты питания (сыры, молоко и т.д.) или охлаждают до более низкой так называемой температуры Т5 низкотемпературного охлаждения, обычно позволяющей хранить замороженные продукты. Улавливаемое тепло обычно удаляют в наружный воздух через компрессор 17 и теплообменник 12, охлаждающая среда - воздух.
Теплообменники на источнике и на нагрузке адаптированы к узлу охлаждения и к типу применения в соответствии с критериями, известными специалистам.
Факультативно систему 36А можно оборудовать теплообменником 15, позволяющим получать теплую воду при температуре Т1.
В частном варианте выполнения, как показано на фиг. 7, система 1 содержит также тепловой насос модульной конструкции, использующий абсорбционный цикл 27, и, по меньшей мере, один электрический аккумулятор 19. Модуль Ра 37 упомянутого теплового насоса содержит абсорбер 28, генератор 29, циркуляционный насос 30, испаритель 31, расположенный на входе абсорбера, соответствующий детандер 32 и конденсатор 33, расположенный на выходе генератора, охлаждающую среду 34 и абсорбент 35. Эта система является вторым объектом настоящего изобретения. Тепловой насос, использующий абсорбционный цикл 27, основан на принципе понижения растворимости газа в охлаждающей жидкости при повышении температуры. Предпочтительно наиболее распространенными парами охлаждающая среда/абсорбент являются соответственно пара аммиак/вода и пара вода/бромид лития. Охлаждающая среда поглощается раствором deg C абсорбера 28, и раствор, обогащенный охлаждающей средой, направляют в генератор 29 при помощи циркуляционного насоса 30. Там раствор нагревается, что приводит к отделению охлаждающей среды и к повышению давления и температуры. Охлаждающая среда циркулирует в направлении конденсатора 33, где она конденсируется, выделяя тепло. Затем она проходит через систему 32 расширения и попадает в испаритель, где она испаряется, поглощая тепло. После этого она возвращается в абсорбер 28, и цикл возобновляется.
Сами по себе тепловые насосы, использующие абсорбционный цикл, известны. Их используют в меньшей степени, так как они являются более дорогими, чем тепловые насосы, использующие цикл охлаждения с механической компрессией пара. С другой стороны, тепловые насосы, использующие абсорбционный цикл, потребляют мало электрической мощности, в основном для вспомогательных компонентов и для регулирования. Основная часть энергии, необходимая для абсорбционного цикла, является тепловой, и ее обычно получают при сжигании минерального топлива в горелке. В заявленной системе тепловой насос, использующий абсорбционный цикл 27, может получать питание тепловой энергией от любого соответствующего источника, в частности от тепла, производимого одним из тепловых двигателей 2, топливной батареей 22 или тепловым солнечным датчиком.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения система 1 содержит модуль-генератор, соединенный с модулем теплового насоса, при этом упомянутая система одновременно обеспечивает:
- охлаждение воды при помощи теплового насоса 3 до температуры Т3,
- нагрев воды при помощи теплового насоса 3 до температуры Т1,
- производство горячей воды при температуре Т2 за счет отбора тепловой энергии, выделяемой генератором тока (который может быть тепловым двигателем 2, соединенным с генератором 18 переменного тока) во время работы,
- производство электричества.
Согласно этому варианту выполнения система 1 обеспечивает также производство только одного, или двух, или трех элементов, выбираемых среди холодной воды, теплой воды, горячей воды и электричества.
Холодная вода имеет температуру Т3, как правило, составляющую от -8 до +15°С (случай смеси воды с гликолем) или составляющую от 4 до 15°С (случай воды). Предпочтительно эта температура находится в пределах от 5 до 9°С.
Так называемая теплая вода, производимая тепловым насосом 3, имеет температуру Т1, обычно составляющую от 20 до 60°С и предпочтительно от 30 до 60°С.
Так называемая горячая вода (обычно водопроводная горячая вода) достигает температуры Т2>Т1, как правило составляющей от 40 до 75°С и предпочтительно от 55 до 75°С.
В другом варианте выполнения система 1 содержит модуль-генератор, соединенный с модулем охлаждения, при этом упомянутая система одновременно обеспечивает:
- получение охлаждающей среды в термодинамических условиях (температура испарения Т4 или Т5), что после подключения к теплообменнику 66 охлаждающая среда/воздух позволяет получить очень холодный воздух для целей охлаждения;
- в случае необходимости - нагрев воды до температуры Т1;
- производство горячей воды с температурой Т2 за счет отбора тепловой энергии, выделяемой генератором тока (который может быть тепловым двигателем 2, соединенным с генератором 18 переменного тока) во время работы;
- производство электричества.
Таким образом, система 1, содержащая один или несколько модулей теплового насоса и охлаждения в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивает:
- Производство элементов, выбираемых из холодной воды, теплой воды, горячей воды, охлаждающей среды в термодинамических условиях среднетемпературного охлаждения, охлаждающей среды в термодинамических условиях низкотемпературного охлаждения и электричества;
при этом
- Холодная вода имеет температуру Т3, как правило составляющую от -8 до +15°С (случай смеси воды с гликолем) или составляющую от 4 до 15°С (случай воды). Предпочтительно эта температура находится в пределах от 5 до 9°С;
- Так называемая теплая вода, производимая тепловым насосом 3, имеет температуру Т1, обычно составляющую от 20 до 60°С и предпочтительно от 30 до 60°С;
- Так называемая горячая вода (обычно водопроводная горячая вода) достигает температуры Т2>Т1, как правило составляющей от 40 до 75°С и предпочтительно от 55 до 75°С;
- Охлаждающая среда в термодинамических условиях среднетемпературного охлаждения имеет температуру испарения Т4, обычно составляющую от -15°С до 5°С и предпочтительно от -10°С до -5°С;
- Охлаждающая среда в термодинамических условиях низкотемпературного охлаждения имеет температуру испарения Т5, обычно составляющую от -40°С до -25°С и предпочтительно от -35°С до -30°С.
Когда генератор тока является тепловым двигателем, в случае необходимости, соединенным с генератором переменного тока, тепло отбирают одновременно из контура охлаждения теплового двигателя 2 и из выхлопных газов двигателя.
Когда генератор электрического тока является топливной батареей 22, в случае необходимости, соединенной с преобразователем постоянного тока в переменный ток, тепло отбирают из контура охлаждения топливной батареи 22, к которому, в случае необходимости, добавлен контур теплообмена на преобразователе тока.
Когда генератор электрического тока является фотогальванической солнечной панелью 23, в случае необходимости, соединенной с преобразователем постоянного тока в переменный ток, тепло предпочтительно отбирают при помощи контура теплообмена, находящегося на преобразователе тока. Это решение отличается более высокой производительностью, чем использование электрического резистора для нагрева воды.
Так называемую холодную воду получают при температуре Т3<N1, как правило, составляющей от -8 до +15°С (случай смеси воды с гликолем) или составляющей от 4 до 15°С (случай воды). Предпочтительно эта температура находится в пределах от 5 до 9°С.
В предпочтительном варианте выполнения Т1 составляет от 20°С до 60°С, T2>T1 составляет от 40°С до 75°С, и Т3<T1 составляет от -5°С до +15°С.
Т4<T3 составляет от -15 до 5°С.
Т5 составляет от -45°С до -25°С.
Кроме того, система 1 в соответствии с настоящим изобретением дополнительно оборудована системой регулирования, предпочтительно электронной системой (на фигурах не показана, предпочтительно находится в так называемом силовом шкафу регулирования, который предпочтительно находится в модуле-генераторе G 38). Эта система регулирования может работать с несколькими задаваемыми точками, что позволяет запускать работу системы в соответствии с настоящим изобретением в зависимости от потребностей в холодной воде при температуре Т3, и/или в теплой воде при температуре Т1, и/или в горячей воде при температуре Т2, или в охлаждающей среде при температурах Т4 или Т5 и принимать решение о возможном направлении части электрической энергии, генерируемой системой, во внешнюю электрическую сеть. Более подробно это будет описано ниже.
Как показано на фиг. 1, топливо в двигатель 2 поступает через вход 4.
Обычно примерно 32-37% энергии, получаемой двигателем в виде топлива, отбирают в виде механической энергии 5 для приведения в действие генератора 18 переменного тока и для производства электричества 20. Это позволяет питать компрессор 17 теплового насоса 3 производимым электричеством 20. Возможный избыток электричества, производимого генератором 18 переменного тока, в случае частичной нагрузки или при соответствующей предусмотренной для этого размерности можно использовать для подзарядки электрического аккумулятора 19 или направлять в сеть.
Кроме того, электричество, производимое генератором переменного тока, используют для работы электрических и/или электронных элементов системы в соответствии с настоящим изобретением, таких как электрические клапаны, один или несколько электрических вентиляторов 21, связанных с теплообменником 12, и электронная система регулирования. С другой стороны, часть электричества, производимого генератором переменного тока, можно использовать для питания приборов или электрических устройств, находящихся за пределами системы в соответствии с настоящим изобретением, например, таких как приборы освещения.
Обычно, когда генератор переменного тока является тепловым двигателем 2, примерно 40-60% энергии, получаемой упомянутым двигателем 2, отбирают в виде тепловой энергии 6 для нагрева теплой водопроводной воды. Остальная часть энергии (обычно от 3 до 25%) рассеивается в виде потерь 7.
Как показано на фиг. 1, если рассматривать режим кондиционирования, тепловой насос 3, компрессор 17 которого питают электричеством 20, производимым генератором переменного тока, выдает холодную воду 13 с КПД «кондиционирования», составляющим от 2,9 до 3,5. Система выдает также одновременно теплую воду 14 с КПД нагрева от 3 до 5.
Кроме того, когда генератор переменного тока является тепловым двигателем 2, на тепловом двигателе 2 установлен, по меньшей мере, один теплообменник 8, который позволяет отбирать тепло 6, выделяемое двигателем 2.
Предпочтительно, по меньшей мере, один теплообменник (не показан) устанавливают на контуре выхлопных газов двигателя и, по меньшей мере, один второй теплообменник устанавливают на жидкостном контуре охлаждения двигателя 2.
Согласно изобретению система 1 имеет модульную конструкцию и содержит, по меньшей мере, один модуль-генератор G 38 электрического тока и один или несколько (N) производственных модулей Р, каждый из которых содержит один или два узла теплового насоса 36D или охлаждения 36Е. Модуль-генератор электрического тока может содержать, по меньшей мере, один тепловой двигатель 2.
Согласно этому модульному варианту выполнения каждый из N модулей теплового насоса Рс и/или охлаждения Pr (то есть с компрессией пара) системы 1 в соответствии с настоящим изобретением содержит:
- замкнутый и герметичный контур, в котором циркулирует среда-теплоноситель, такая как охлаждающая среда 16,
- компрессор 17, приводимый в действие электрическим двигателем,
- детандер 10,
- в случае узлов теплового насоса Рс - первый теплообменник 11, предпочтительно пластинчатый теплообменник, расположенный на всасывающем входе компрессора 17, когда система работает в режиме кондиционирования,
- второй теплообменник 12, расположенный на нагнетающем выходе компрессора 17, когда система работает в режиме кондиционирования,
- в случае необходимости, третий теплообменник 15, предпочтительно пластинчатый теплообменник,
- в случае узлов охлаждения Pr - теплообменник 66, который можно установить в специальном изотермическом модуле, входящем в состав системы модульной конструкции, или который можно установить на расстоянии от системы модульной конструкции в закрытом помещении здания.
Эти компоненты установлены внутри шасси.
Предпочтительно модули теплового насоса Рс являются идентичными, в частности, что касается их основных компонентов и их размерности. Это позволяет производить их серийно. Это облегчает также их обслуживание и их ремонт, так как можно просто заменять неисправный модуль рабочим модулем и ремонтировать неисправный модуль, не отсоединяя его от системы 1.
Как правило, в рамках настоящего изобретения модуль теплового насоса Рс содержит два компрессионных узла теплового насоса 36D, или смешанный модуль Pm содержит узел теплового насоса 36D и узел охлаждения 36D, или модуль охлаждения 36А содержит два узла охлаждения 36Е. Эти модули выполнены в виде шасси, при этом через это шасси проходят коллекторные трубки, в случае необходимости, трубка подачи топлива, и электрические силовые провода и провода регулирования. Упомянутое шасси оборудуют также средствами соединения различных трубок и проводов с системой. Например, размеры такого шасси так называемого производственного модуля составляют: длина 1700 мм, ширина 2200 мм, высота 2420 мм.
Обычно в таком шасси устанавливают:
- по меньшей мере, один компрессор, предпочтительно переменной мощности,
- по меньшей мере, одну V-образную реверсивную батарею,
- по меньшей мере, один вентилятор,
- по меньшей мере, один пластинчатый теплообменник,
- вспомогательные компоненты установки теплового насоса или охлаждения известного типа, такие как четырехходовые вентили, двухходовые вентили охлаждения, а также один или несколько детандеров охлаждения,
- резервуар для охлаждающей жидкости.
Как правило, в рамках настоящего изобретения абсорбционный модуль теплового насоса Ра может быть выполнен в виде шасси, при этом через это шасси проходят коллекторные трубки, трубка подачи топлива и электрические силовые провода и провода регулирования. Упомянутое шасси оборудуют также средствами соединения различных трубок и проводов с системой. Обычно в упомянутом шасси устанавливают, по меньшей мере, один из следующих элементов:
- теплообменник охлаждающая среда/вода,
- генератор,
- абсорбер,
- пластинчатый теплообменник охлаждающая среда/вода,
- а также другие вспомогательные компоненты абсорбционного теплового насоса, такие как насос, детандеры.
Как правило, в рамках настоящего изобретения модуль-генератор тока G может быть выполнен в виде шасси, при этом через упомянутое шасси проходят трубка подачи топлива и силовые провода и провода регулирования. Упомянутое шасси оборудуют также средствами соединения различных трубок и проводов с системой. Обычно в упомянутом шасси устанавливают, по меньшей мере, один генератор тока типа теплового двигателя, соединенного со своим генератором переменного тока, или тепловую батарею, теплообменник для теплообмена между генератором или генераторами тока и горячей водой, силовой шкаф общего регулирования системы; факультативно в этом же шасси модуля-генератора тока можно установить другие источники тока, такие как топливная батарея и, в случае необходимости, ее генератор переменного тока, и даже другие внешние тепловые источники (такие как соединения с тепловыми солнечными датчиками). Например, но не ограничительно, размеры такого шасси модуля-генератора составляют: длина 2300 мм, ширина 2300 мм, высота 2420 мм.
Как правило, в рамках настоящего изобретения тепловой двигатель 2 предпочтительно является двигателем, адаптированным для работы на природном газе. Например, речь может идти о двигателе с рабочим объемом цилиндров от 2 литров до 4,6 литров обычного типа, который используют на некоторых автотранспортных средствах, работающих на бензине, или на промышленных транспортных средствах, работающих на дизельном топливе, но который адаптируют для работы на природном газе. В предпочтительном варианте выполнения модуля-генератора тока используют комбинацию из двух двигателей 2 с одинаковым или разным рабочим объемом в зависимости от потребностей пользователя.
Предпочтительно в системе 1 предусматривают, по меньшей мере, одно соединение для внешней среды-теплоносителя, которая передает тепловую энергию, например, от теплового солнечного датчика или от геотермального контура; предпочтительно это соединение осуществляют на уровне генерирования, так как это одновременно упрощает проектирование и регулирование системы 1.
Обычно в рамках настоящего изобретения предпочтительно используют только один генератор электрического тока, но это зависит от энергетической размерности системы. Можно использовать два генератора электрического тока, предпочтительно в одном модуле-генераторе G; предпочтительно одним из этих двух генераторов является тепловой двигатель 2. Можно использовать два тепловых двигателя 2 либо в одном модуле-генераторе тока, либо в двух отдельных модулях. Предпочтительно интегрировать их в один модуль, так как это обеспечивает совместное использование некоторых компонентов, таких как контуры смазки и/или охлаждения.
Применение двух тепловых двигателей 2 позволяет оптимизировать их использование в зависимости от потребностей в теплой воде, горячей воде, холодной воде и генерируемом электрическом токе. Например, если оба двигателя работают на бензине или на природном газе и потребность в производимой ими энергии является низкой, то предпочтительно использовать только один из двух двигателей с целью увеличения срока службы двигателей или оптимизации их КПД, тогда как в случае, когда оба тепловых двигателя 2 работают на газойле, предпочтительнее использовать оба с частичной нагрузкой, чем один с полной нагрузкой. Таким образом, наличие двух двигателей повышает гибкость использования системы 1 и, кроме того, обеспечивает избыточность в случае поломки двигателя. Разумеется, можно использовать и более двух двигателей.
В предпочтительном варианте выполнения используют двигатели обычного типа, разработанные для автомобилей серийного производства, так как это обеспечивает приемлемые цены и надежное обслуживание.
В частном варианте выполнения, который можно комбинировать со всеми другими вариантами выполнения, генераторы тока устанавливают в контакте с теплообменником, чтобы отбирать, по меньшей мере, часть тепловой энергии, в которую преобразуется часть электрической энергии, с учетом того, что энергетический КПД генератора переменного тока всегда ниже 100%. Этот теплообменник нагревает жидкость-теплоноситель, которую вводят в контур теплового насоса.
В одном модуле можно также комбинировать, с одной стороны, генератор, состоящий из теплового двигателя и генератора переменного тока, с другим генератором типа топливной батареи. За счет этого можно использовать особенности каждого из генераторов: низкая стоимость в случае тепловых двигателей, бесшумная работа и более высокий энергетический КПД для топливных батарей.
Наконец, когда стоимость топливных батарей будет ниже или для частных вариантов применения (промышленные объекты располагают неиспользуемыми запасами водорода), можно установить два генератора типа топливной батареи.
На фиг. 5 представлен частный вариант выполнения, содержащий два комплексных генерирующих узла, которые можно интегрировать в один модуль-генератор G и соединить с несколькими модулями Рс теплового насоса типа насоса с компрессией пара. Различные модули теплового насоса соединены между собой входными коллекторами потребителя Се1, Се2 и выходными коллекторами потребителя Cs1, Cs3. Входные Се2 и выходные Cs2 коллекторы потребителя предусмотрены на уровне контура горячей воды 9. На фиг. 8а-8с более наглядно показан пример выполнения системы, содержащей несколько компрессионных модулей теплового насоса 36, в данном случае три модуля, соединенных с абсорбционными модулями теплового насоса 37, которые, в свою очередь, соединены с модулем-генератором тока 38. Эти модули 36, 37, 38 отдельно показаны на фиг. 9а-9f, 10a,b,c и 11a,b,c. На фиг. 8а показан вид сбоку шасси 44 модуля теплового насоса 36 или 37, через которое проходят четыре коллектора 39а, 39b, 39c, 39d, при этом диаметр коллекторов можно адаптировать к значениям расхода воды, необходимым для данного применения, силовые провода 41 и провода 42 регулирования. Шасси 44 образует открытое с боков гнездо, чтобы через него могли проходить коллекторы текучей среды и электрические провода и даже, в случае необходимости, газопровод 40 (например, для соединения удаленного абсорбционного модуля 37 теплового насоса с модулем-генератором 39 с прохождением через компрессионный модуль 36 теплового насоса). Коллектор 39а является коллектором входа текучей среды, а коллектор 39b - коллектором выхода текучей среды. Два других коллектора, входной 39с и выходной 39d, предназначены для отбора тепла в режиме кондиционирования; в этом случае они соединены с факультативным третьим теплообменником 15, присутствующим в этом варианте в компрессионном модуле 36 теплового насоса и работающим на том же принципе, что и теплообменник 15 модуля Рс. В варианте в абсорбционном модуле 37 теплового насоса может также присутствовать третий теплообменник отбора тепла (не показан).
Как было указано выше, модуль-генератор 38 тоже выполнен в виде шасси 64, образуя открытое с боков гнездо, чтобы через него могли проходить коллекторы текучей среды и электрические провода.
Как более наглядно показано на фиг. 9а-9f и на фиг. 8b и 8с, компрессионный модуль теплового насоса 36 содержит внутри своего шасси 44 два узла теплового насоса, каждый из которых содержит вентилятор 21, теплообменник 12 охлаждающая среда/воздух, четырехходовой вентиль 46, компрессор 17 охлаждения, противоударный баллон 48 для жидкости, пластинчатый теплообменник 11 охлаждающая среда/вода, резервуар 50 для жидкости и факультативно пластинчатый теплообменник 15 отбора типа охлаждающая среда/вода. В рамках этого факультативного варианта четырехходовой вентиль заменен четырьмя двухходовыми вентилями охлаждения 65А, 65В, 65С, 65D (фиг. 9е), работа которых будет описана ниже. Как показано на фиг. 8а-8с, 6b и 6с, абсорбционный модуль 37 теплового насоса содержит внутри своего шасси 44 вентилятор 21, теплообменник 54, охлаждающая среда/воздух, абсорбер 51, генератор 52 и пластинчатый теплообменник 53, охлаждающая среда/вода. Эти модули работают по такому же принципу, что и описанные выше модули Рс и Ра.
Далее со ссылками на фиг. 17 и 18 следует более подробное описание принципа работы узла теплового насоса с компрессией пара, который образует модуль теплового насоса Рс 36.
На фиг. 17 схематично показан узел теплового насоса согласно первому варианту выполнения изобретения, в частности реверсивный тепловой насос с четырехходовым вентилем 46. Ниже следует описание его работы в режимах нагрева и охлаждения.
Когда узел теплового насоса, показанный на фиг. 17, работает в режиме нагрева, регулирование установки направлено на удовлетворение потребности в тепловой мощности за счет регулирования мощности компрессора охлаждения для поддержания температуры Т1 теплой воды. Таким образом, все наличное тепло направляют в воду отопительной сети через теплообменник 11. Четырехходовой вентиль 46 соединяет нагнетательный трубопровод компрессора с теплообменником 11. Детандер 10 регулирует расход охлаждающей среды для поддержания нагрева этой среды, когда она покидает теплообменник 12. Четырехходовой вентиль 46 соединяет теплообменник 12 с всасывающим трубопроводом компрессора 17. Контур регулирования регулирует температуру Т1 теплой воды, выходящей из теплообменника 11.
Когда узел теплового насоса, показанный на фиг. 17, работает в режиме охлаждения, регулирование установки направлено на удовлетворение потребности в мощности охлаждения за счет регулирования мощности компрессора охлаждения с целью поддержания температуры Т3 холодной воды. При этом все тепло удаляется в наружный воздух через теплообменник 12. Детандер 10 регулирует расход текучей среды, выходящей из теплообменника 11. Четырехходовой вентиль 46 соединяет нагнетательный трубопровод компрессора 17 с теплообменником 12. Детандер 10 регулирует расход охлаждающей среды для поддержания нагрева этой среды, когда она покидает теплообменник 11. Четырехходовой вентиль 46 соединяет теплообменник 11 с всасывающим трубопроводом компрессора 17. Контур регулирования регулирует температуру Т3 холодной воды, выходящей из теплообменника 11.
На фиг. 18 схематично показан узел теплового насоса согласно второму варианту выполнения изобретения, в частности реверсивного теплового насоса с теплообменником 15 отбора и четырьмя двухходовыми вентилями (или электромагнитными вентилями) охлаждения 65A, 65B, 65C, 65D. Далее следует описание его работы согласно шести возможным режимам работы.
Когда узел теплового насоса, показанный на фиг. 18, работает в режиме охлаждения, регулирование установки направлено на удовлетворение потребности в мощности охлаждения за счет регулирования мощности компрессора 17 охлаждения с целью поддержания температуры Т3 холодной воды. При этом все тепло удаляется в наружный воздух через теплообменник 12. Электромагнитный вентиль 65В открыт, все другие электромагнитные вентили закрыты. Детандер 10А регулирует расход охлаждающей среды для поддержания нагрева этой среды, когда она покидает теплообменник 11. Детандеры 10В и 10С закрыты. Контур регулирования регулирует температуру Т3 холодной воды, выходящей из теплообменника 11.
Когда узел теплового насоса, показанный на фиг. 18, работает в режиме охлаждения и отбора тепла, регулирование установки направлено на удовлетворение потребности в мощности охлаждения за счет регулирования мощности компрессора охлаждения с целью поддержания температуры Т3 холодной воды. Получаемое тепло направляют в контур отбора воды через теплообменник 15. Электромагнитный вентиль 65С открыт, при этом все другие электромагнитные вентили закрыты. Детандер 10В регулирует расход охлаждающей среды для поддержания нагрева этой среды, когда она покидает теплообменник 11. Детандеры 10А и 10С закрыты. Контур регулирования регулирует температуру Т3 холодной воды, выходящей из теплообменника 11.
Когда узел теплового насоса, показанный на фиг. 18, работает в режиме охлаждения, отбора тепла и удаления не используемого тепла, регулирование установки направлено на удовлетворение потребности в мощности охлаждения за счет регулирования мощности компрессора охлаждения с целью поддержания температуры Т3 холодной воды. Получаемое тепло направляют в контур отбора воды через теплообменник 15. Если количество получаемого тепла превышает потребности, избыток направляют в теплообменник 12. Электромагнитные вентили 65В и 65С открыты, все другие электромагнитные вентили закрыты. Детандеры 10А и 10В регулируют расход охлаждающей среды для поддержания нагрева этой среды, когда она покидает теплообменник 11. Детандер 10С закрыт. Работают два параллельных контура регулирования: первый - для температуры Т3 холодной воды, выходящей из теплообменника 11, и второй - для регулирования температуры Т1 теплой воды, выходящей из теплообменника 15.
Когда узел теплового насоса, показанный на фиг. 18, работает в режиме нагрева, регулирование установки направлено на удовлетворение потребности в тепловой мощности за счет регулирования компрессора охлаждения, чтобы соблюдать температуру Т1 теплой воды. Тепло, извлекаемое из воздуха при помощи теплообменника 12, направляют в контур отбора воды через теплообменник 15. Электромагнитные вентили 65А и 65С открыты, при этом все другие электромагнитные вентили закрыты. Детандер 10С регулирует расход охлаждающей среды для поддержания нагрева этой среды, когда она выходит из теплообменника 12. Детандеры 10А и 10В закрыты. Контур регулирования регулирует температуру Т1 теплой воды, выходящей из теплообменника 15.
Когда узел теплового насоса, показанный на фиг. 18, работает в режиме нагрева и отбора тепла, регулирование установки направлено на удовлетворение потребности в мощности охлаждения, чтобы соблюдать температуру Т3 холодной воды (теплообменник 11). Кроме того, регулирование установки должно удовлетворять потребности в тепловой мощности за счет регулирования мощности компрессора охлаждения, чтобы соблюдать температуру Т1 теплой воды (теплообменник 15). Дополнительную мощность отбирают из воздуха при помощи теплообменника 12. Электромагнитные вентили 65А и 65С открыты, при этом все другие электромагнитные вентили закрыты. Детандер 10С регулирует расход охлаждающей среды для поддержания нагрева этой среды, когда она выходит из теплообменника 12. Детандер 10В регулирует расход охлаждающей среды для поддержания нагрева этой среды, когда она выходит из теплообменника 11. Детандер 10А закрыт. Работают два параллельных контура регулирования: первый - для регулирования температуры Т1 теплой воды, выходящей из теплообменника 15, и второй - для температуры Т3 холодной воды, выходящей из теплообменника 11.
Когда узел теплового насоса, показанный на фиг. 18, работает в режиме оттаивания, установка будет извлекать тепло на уровне контура отбора при помощи теплообменника 15. Это тепло направляют в теплообменник 12 для его оттаивания. Электромагнитные вентили 65В и 65D открыты, при этом все остальные электромагнитные вентили закрыты. Детандер 10С контролирует нагрев охлаждающей среды, выходящей из теплообменника 15, при этом все другие детандеры закрыты. Регулирование установки запускает режим оттаивания и останавливает его на основании данных, поступающих от датчиков давления и температуры контура.
Как показано на фиг. 11а, 11b и 8b, 8c, модуль-генератор тока 38 содержит шасси 64, оборудованное топливным входом 55, сообщающимся с трубкой 40 модуля 37. Шасси 64 содержит, по меньшей мере, один генератор тока, который может быть тепловым двигателем с его генератором тока 56 или топливной батареей с ее инвертором 57. Может быть также предусмотрено соединение внешних тепловых источников для тепловых солнечных датчиков или других источников теплой воды. Предусмотрен также теплообменник 59 для теплообмена между генератором тока и горячей водой. Шасси 64 содержит также силовой шкаф общего регулирования системы 60, при этом упомянутый шкаф оборудован соединениями с силовой проводкой 61 для подвода энергии от фотогальванической панели, с проводкой 52 для подвода внешней электрической энергии и с силовой проводкой 63 для отвода электрической энергии во внешнюю электрическую сеть. В варианте проводка 63' может соединять шкаф 60 с подводом от вспомогательного источника энергии, такого как ветроэнергетическая установка, турбина и т.д.
На фиг. 6 показан другой частный вариант выполнения, содержащий два модуля-генератора G 38, соединенных с модулем теплового насоса Рс 36, работающего с компрессией пара, и с несколькими модулями охлаждения Pr 36А. Различные модули Pr охлаждения соединены между собой и соединены с модулем теплового насоса Рс через входные коллекторы Се3 потребителя и через выходные коллекторы Cs3 потребителя. Баланса расходов воды в модульных теплообменниках достигают в этом случае за счет использования балансировочных вентилей системы.
На фиг. 12а-12f более наглядно представлен пример выполнения модуля охлаждения 36А, содержащего два узла 36Е охлаждения на общем шасси. В частности, на фиг. 12f в увеличенном виде показаны входные и выходные трубки соединения с контуром 13 холодной воды, входные и выходные трубки соединения с контуром 14 теплой воды, а также четыре трубопровода охлаждающей среды, в том числе два всасывающих трубопровода 16а и два трубопровода 16b для жидкости, соединяющих два узла 36Е охлаждения с находящимся на расстоянии теплообменником 66 охлаждающая среда/воздух, который является внешним по отношению к модулю 36А. На фиг. 12а и 12b показан вид спереди и сзади модуля охлаждения 36Е, на фиг. 12b показан вид сбоку модуля охлаждения 36А, содержащего два узла охлаждения 36Е, на фиг. 12d показан вид в перспективе модуля охлаждения 36А, и на фиг. 12е показан вид в разрезе модуля 36А по плоскости D-D на фиг. 12b. Как показано на фигурах, модуль охлаждения 36А, содержащий два узла охлаждения 36Е, имеет общую симметрию в вертикальном направлении, что позволяет расположить все компоненты обоих узлов охлаждения на общем шасси модуля.
На фиг. 13а-13f показан пример выполнения смешанного модуля 36В, содержащего узел охлаждения 36Е и узел теплового насоса 36D на общем шасси. В частности, на фиг. 13f в увеличенном виде показаны входные и выходные трубки соединения с контуром 13 холодной воды, входные и выходные трубки соединения с контуром 14 теплой воды, а также два трубопровода охлаждающей среды, в том числе всасывающий трубопровод 16а и трубопровод 16b для жидкости, соединяющих узлы 36Е охлаждения с находящимся на расстоянии теплообменником 66 охлаждающая среда/воздух, который является внешним по отношению к модулю 36А. На фиг. 13а и 13b показан вид спереди и сзади смешанного модуля 36В, на фиг. 13b показан вид сбоку смешанного модуля 36В, на фиг. 13d показан вид в перспективе смешанного модуля 36В, и на фиг. 13е показан вид в разрезе по плоскости Е-Е на фиг. 13b.
На фиг. 14а-14с показан пример выполнения системы в соответствии с настоящим изобретением, содержащей модуль-генератор 38, соединенный со смешанным модулем 36В, содержащим узел охлаждения 36Е и узел теплового насоса 36D на общем шасси. На фиг. 14а показан вид сбоку комплекса, на фиг. 14B комплекс показан спереди, и на фиг. 14с показан в перспективе комплекс модуля-генератора 48 и смешанного модуля 36В.
На фиг. 15 спереди показан пример выполнения системы в соответствии с настоящим изобретением, содержащей модуль-генератор 38, соединенный с компрессионным модулем 36 теплового насоса и с модулем 36А охлаждения.
На фиг. 16 показан пример выполнения системы в соответствии с настоящим изобретением, содержащей модуль-генератор 38, соединенный с компрессионным модулем 36 теплового насоса, с модулем 36А охлаждения, соединенным с первым изотермическим модулем 36С, содержащим испаритель 66, и с вторым изотермическим модулем, содержащим испаритель 66.
По сравнению с известными системами система в соответствии с настоящим изобретением имеет следующие преимущества:
- Мультиэнергетическое питание или несколько источников энергии, как правило, электричество/природный газ или мазут,
- Работа до температуры -20°С с хорошим КПД,
- Общий КПД по первичной энергии превышает 1,5 даже при низкой наружной температуре.
- Интеграция функций внутри одного модульного комплекса для вариантов применения с одновременным снабжением текучими средами (водой или охлаждающей средой) при температурах от -45°С до +75°С.
Как показано на фиг. 3, система в соответствии с настоящим изобретением имеет КПД, превышающий КПД известных, даже самых современных систем, таких как газовый конденсационный котел.
Этого высокого КПД достигают за счет отбора тепла внутри системы:
С одной стороны, отбор в узлах тепловых насосов при помощи третьего теплообменника 15, установленного на контуре охлаждающей среды.
С другой стороны, отбор тепла в генераторах тока типа теплового двигателя или топливной батареи.
Этого высокого КПД достигают также за счет выбора эффективных компонентов: например, теплообменников соответствующей размерности, тепловых двигателей с оптимизированной степенью компрессии для используемого топлива, современных вентиляторов с переменной скоростью, оборудованных двигателями с электронным переключением.
Благодаря модульной конструкции системы в соответствии с настоящим изобретением обычно получают общую мощность от 60 до 900 кВт, соблюдая геометрические размеры стандартного европейского грузовика (максимальная длина нагрузки: 13 метров).
Кроме того, описанные в изобретении признаки можно вполне реализовать при значениях мощности в диапазоне от 20 до 150 кВт при размерах, обеспечивающих прохождение в дверь, то есть при ширине 890 мм и высоте 1800 мм. Описанные признаки включают в себя возможность одновременного получения воды при 3 разных температурах Т1, Т2 и Т3, а также охлаждающей среды при температуре Т4 и Т5.
В частном варианте выполнения модуль теплового насоса компрессией пара содержит два узла теплового насоса, каждый из которых содержит компрессор (как правило, спиральный компрессор, называемый также компрессором Scroll), вентилятор, V-образный реверсивный теплообменник воздух/охлаждающая среда (называемый «батареей») и два пластинчатых теплообменника вода/охлаждающая среда (из который один является факультативным для контура отбора тепла). Этот вариант выполнения проиллюстрирован примерами ниже.
В варианте вода/воздух модуль теплового насоса может работать только в режиме отопления или только к режиме кондиционирования с возможным отбором на независимом контуре. Так, зимой воздушная батарея находится в режиме испарителя, тогда как пластинчатый теплообменник работает в режиме конденсатора. Для производства теплой воды при температуре Т1, в случае необходимости, дополнительное тепло можно получать из тепла, отбираемого из контура охлаждения теплового двигателя или из его выхлопных дымовых газов.
Можно также отбирать тепло из двигателя при очень высокой температуре Т2. Летом воздушная батарея работает в режиме конденсатора, тогда как пластинчатый теплообменник работает в режиме испарителя. Это позволяет получать холодную воду, а также дает возможность получать горячую воду при температуре Т2 на независимом контуре, благодаря отбору из контура охлаждения теплового двигателя или из его выхлопных дымовых газов.
Только в варианте отопления модуль теплового насоса частично нагревает воду, и отбор тепла из контура охлаждения двигателя сгорания или из его выхлопных дымовых газов позволяет получать дополнительное тепло, например, для получения воды обычно при температуре 45°С.
В варианте кондиционирования модуль теплового насоса охлаждает воду, например, до температуры 7°С, тогда как независимо можно получать теплую или горячую воду за счет отбора тепла, выделяемого модулем-генератором электрической энергии (тепловой двигатель), в зависимости от нужд потребителя.
В варианте вода/вода система может одновременно производить теплую воду для отопления и холодную воду для кондиционирования как летом, так и зимой. При этом больше не используют батареи на внешнем воздухе, а только реверсивные пластинчатые теплообменники: один работает в режиме конденсатора для производства теплой воды, другой работает в режиме испарителя для производства холодной воды. Отбор тепла на модуле-генераторе электрической энергии используют для получения дополнительного тепла при производстве теплой и даже горячей воды (водопроводная вода).
В предпочтительном варианте выполнения, который можно применять со всеми другими вариантами выполнения и их версиями, системой 1 управляют при помощи, по меньшей мере, одной ЭВМ, содержащей, по меньшей мере, один микропроцессор и, по меньшей мере, один интерфейс ввода данных. Данные вводят в микропроцессор упомянутой ЭВМ через упомянутый интерфейс ввода данных.
Изобретение касается также способа регулирования системы 1 в соответствии с настоящим изобретением. Далее следует описание этого способа регулирования.
базовой величиной
На первом этапе (а) в упомянутый микропроцессор вводят, по меньшей мере, одну величину, называемую «». Эти базовые величины обычно вводят в микропроцессор либо во время его первоначального программирования на заводе, либо во время запуска системы 1 на месте пользователя (настройка параметров регулирования для данной установки), либо их вводит пользователь в ходе использования системы 1 (установка параметров первого уровня для учета базовых изменений, например тарифов на энергию).
Эти базовые величины касаются технических характеристик модулей и их компонентов и расходных частей.
Их выбирают из группы, в которую входят:
- (da1) унитарная стоимость топлива каждого теплового двигателя 2, топливной батареи 22 и абсорбционного теплового насоса, используемого в системе 1;
- (da2) энергетическое содержание каждого вида топлива;
2
- (da3) влияние СО каждого топлива на единицу массы;
2
- (da4) энергетический КПД каждого теплового двигателя 2 в зависимости от его нагрузки и скорости вращения, что позволяет определить количество выбрасываемого СО на единицу механической мощности, производимой этим тепловым двигателем 2;
- (da5) номинальная мощность при полной нагрузке каждого теплового двигателя 2 в зависимости от скорости его вращения;
2
- (da6) процент тепловой мощности, отбираемой на контуре охлаждения двигателя и процент тепловой мощности, отбираемой из выхлопных газов, что позволяет определить количество выбрасываемого СО на единицу механической мощности, производимой этим тепловым двигателем 2;
- (da7) унитарная стоимость электрической энергии, поступающей из внешней сети (одномоментная стоимость, ее изменение в зависимости от времени и ее изменение в зависимости от требуемого уровня мощности);
- (da8) срок службы каждого генератора (в основном теплового двигателя 2 и топливной батареи 22) в зависимости от его нагрузки;
- (da9) стоимость обслуживания каждого генератора (в основном теплового двигателя 2 и топливной батареи 22) в зависимости от числа наработанных часов;
- (da10) стоимость демонтажа и замены каждого генератора (в основном теплового двигателя 2 и топливной батареи 22);
- (da11) срок службы, стоимость обслуживания, стоимость демонтажа каждого типа теплового насоса (использующего цикл компрессии пара или абсорбционный цикл);
- (da12) КПД генератора переменного тока в зависимости от производимой им электрической мощности, что позволяет определить необходимую механическую мощность теплового двигателя 2 для данной электрической мощности;
- (da13) КПД топливной батареи 22 в зависимости от ее нагрузки, когда она не оборудована риформером (типичный, но не исключительный случай батареи типа РЕМ - Proton Exchange Membrane, питаемой водородом) или КПД топливной батареи в зависимости от ее нагрузки, когда она оборудована риформером (типичный случай батареи РЕМ, питаемой топливом, отличным от водорода);
- (da14) КПД инвертора топливной батареи 22 или фотогальванических панелей 23 при их наличии;
- (da15) электрическое потребление и расход текучей среды (обычно гликоля) циркуляционного насоса солнечных датчиков;
- (da16) унитарная отпускная стоимость электрической энергии, поставляемой во внешнюю сеть (одномоментная стоимость, ее изменение в зависимости от времени и ее изменение в зависимости от требуемого уровня мощности).
В предпочтительном варианте выполнения для каждого типа насоса вводят таблицы характеристик, содержащие получаемую мощность охлаждения, получаемую тепловую мощность, потребляемую электрическую мощность, количество расходуемого топлива при его наличии (случай абсорбционного теплового насоса) в пределах рабочего диапазона. Эти таблицы характеристик по сути составляют по температурам воды каждого контура (Т1, Т2 и Т3, Т4 и Т5), по расходу текучей среды соответствующих теплообменников и по входной температуре окружающего воздуха. Способ регулирования может предусматривать блокировку любой работы с одним или несколькими из этих параметров, выходящими за пределы определенного рабочего диапазона.
В предпочтительном варианте выполнения для каждого компрессора, используемого в тепловых насосах компрессией пара, в качестве дополнительного контроля вводят следующие базовые величины:
- таблицы характеристик, дающих получаемую мощность охлаждения,
- получаемую тепловую мощность,
- потребляемую электрическую мощность в зависимости от давления всасывания и давления нагнетания компрессора для данной охлаждающей среды.
Эти величины допускают перекрывание вышеуказанных таблиц характеристик. Их можно также использовать в качестве базовых величин для определения - для системы в комплексе - значений получаемой мощности охлаждения и тепловой мощности, а также электрической мощности, потребляемой тепловыми насосами с компрессией пара. Для каждого компрессора эти величины включают в себя уровень объемного расхода (обычно выражаемого в процентах), при котором он работает (обычно от 10% до 100%).
одномоментной величиной
На втором этапе (b) вводят, по меньшей мере, одну величину, называемую «». Эти одномоментные величины обычно вводят в микропроцессор во время его работы при помощи измерительные приборов, входящих в состав различных компонентов системы 1, или при помощи устройства, внешнего относительно системы 1 (например, посредством электрического контакта типа «стирания пикового дня электрической сети», через сеть Ethernet и т.д.), передающего некоторые из этих величин в установку.
Эту, по меньшей мере, одну одномоментную величину выбирают из группы, в которую входят:
- (db1) одномоментная электрическая мощность, производимая каждым присутствующим генератором тока: генератором 18 переменного тока, топливной батареей 22, фотогальванической панелью 23;
- (db2) режим вращения каждого теплового двигателя 2;
- (db3) одномоментное потребление топлива установкой (тепловой двигатель и абсорбционный тепловой насос);
- (db4) температура текучей среды при отборе тепловой энергии из теплового двигателя 2 (в частности тепловой энергии, содержащейся в контуре охлаждения и в выхлопных газах);
- (db5) одномоментная электрическая мощность, потребляемая системой 1 из сети и определяемая путем прямого измерения;
- (db6) одномоментная электрическая мощность, поставляемая в сеть системой 1 и определяемая путем прямого измерения;
- (db7) ток, напряжение или одномоментная электрическая мощность, производимая фотогальванической солнечной панелью 23 (если эта панель присутствует);
- (db8) одномоментная температура Т1;
- (db9) одномоментная температура Т2;
- (db10) одномоментная температура Т3;
- (db11) одномоментная температура Т4;
- (db12) одномоментная температура Т5;
- (db13) температура окружающего воздуха;
- (db14) число часов работы каждого генератора электрического тока (в основном теплового двигателя 2 и топливной батареи 22);
- (db15) число часов работы каждого контура топливного насоса установки (компрессионного типа или абсорбционного типа).
Если выбирают одну из одномоментных температур Т1, Т2 или Т3 (величины db8, db9, db10), то предпочтительно выбирать все три.
искомой величиной
На третьем этапе (с) определяют, по меньшей мере, одну величину, называемую «», с которой связывают значение, называемое «искомым значением», при этом упомянутую искомую величину выбирают из группы, в которую входят:
- (dc1) температура Т1 и ее изменение в зависимости от параметров, таких как наружная температура или стоимость энергии (идеальный комфорт не должен превалировать над экономически приемлемым комфортом);
- (dc2) температура Т2 и ее изменение в зависимости от параметров, таких как наружная температура или стоимость энергии;
- (dc3) температура Т3 и ее изменение в зависимости от параметров, таких как наружная температура или стоимость энергии;
- (dc4) температура Т4 и ее изменение в зависимости от параметров, таких как температура, необходимая для внешней охлаждаемой камеры, или стоимость энергии;
- (dc5) температура Т5 и ее изменение в зависимости от параметров, таких как температура, необходимая для внешней охлаждаемой камеры, или стоимость энергии;
2
- (dc6) общий КПД, как максимальный общий КПД для системы 1, причем этот пункт связывают с минимальным общим влиянием СО системы 1;
- (dc7) стоимость энергии, как минимальная стоимость энергии системы 1;
- (dc8) общая стоимость эксплуатации, как минимальная общая стоимость эксплуатации системы 1.
Независимо от выбранной искомой величины (или независимо от выбранных искомых величин), можно также определять дополнительную искомую величину, такую как минимальная электрическая мощность, поставляемая в сеть (например, в случае работы в режиме аварийного электрогенератора).
Упомянутую, по меньшей мере, одну искомую величину и ее соответствующее значение вводят в микропроцессор.
На четвертом этапе (d) при помощи упомянутой ЭВМ систему 1 регулируют таким образом, чтобы для каждой из выбранных искомых величин получить определенное искомое значение или определенные искомые значения, при этом упомянутое регулирование осуществляют путем сравнения текущего значения выбранной искомой величины, которое определяют в некоторые моменты времени, регулярно или непрерывно, учитывая выбранную или выбранные базовые величины, а также выбранной(ых) одномоментной(ых) величины(величин), и корректируя, по меньшей мере, одну величину, называемую «корректировочной величиной», выбираемую из группы, в которую входят:
- (dd1) тип, число работающих генераторов тока и электрическая мощность, выдаваемая каждым из упомянутых генераторов (предпочтительно выбирая генераторы в зависимости от их характеристик относительно выбранных искомых величин);
- (dd2) распределение электрической мощности, выдаваемой генератором или генераторами, соответственно для установки и для сети, внешней относительно системы 1;
- (dd3) тип и число работающих тепловых насосов и/или узлов охлаждения;
- (dd4) в случае тепловых насосов, работающих на компрессии пара, и/или узлов охлаждения регулировка объемного расхода (выражаемого в процентах), задаваемого при регулировании компрессорам для оптимизации системы 1
таким образом, чтобы для каждой выбранной искомой величины приближать ее текущее значение к искомому значению.
В случае, когда выбирают несколько искомых величин, способ регулирования может содержать алгоритм взвешивания для определения искомого параметра на основании искомых значений.
Далее приведены три примера такого способа регулирования:
2
1) Если искомой величиной является общий максимальный КПД системы 1 или ее минимальное влияние СО (данная dc4), то среди всех прочих соблюдают следующие правила:
- генераторы тока должны работать в их зоне максимального КПД (например, с полной нагрузкой для теплового двигателя 2, работающего на природном газе);
- следует отбирать максимум тепла, выделяемого тепловым двигателем 2. Например, если потребности установки в горячей воде ниже производственных возможностей теплового двигателя 2, эти потребности покрывают за счет теплой воды, производимой модулями тепловых насосов;
- необходимо заставлять все модули тепловых насосов работать с частичной нагрузкой, а не останавливать некоторые из них, чтобы сократить нагрузку на каждый теплообменник и обеспечить, таким образом, более эффективную работу с точки зрения производства энергии.
2) Если приоритетной величиной является стоимость энергии как минимальная стоимость энергии системы 1 (величина dc5), подход остается аналогичным оптимизации из предыдущего примера, но при этом для каждого типа энергии устанавливают следующие коэффициенты:
- Покупная стоимость каждого вида энергии, внешнего относительно системы 1 (как правило, электрическая энергии от сети или энергия минерального топлива или биогаза), в момент использования. (Например, стоимость электрической энергии может меняться в зависимости от периода года, а также от порогов потребления в течение суток или в течение года, причем этот порог или эти пороги связаны с электрическим абонированием рассматриваемой установки. Эти критерии могут, естественно, меняться в течение срока службы установки и, следовательно, их параметры можно устанавливать в рамках способа общего регулирования системы).
- Возможная стоимость перепродажи в сеть электрической энергии, которую, в случае необходимости, может(гут) производить модуль-генератор (модули-генераторы) устройства. (Эта стоимость тоже может меняться согласно правилам, как правило аналогичным правилам покупной стоимости электрической энергии).
- Учет изменения искомых величин, таких как температуры Т1, Т2, Т3, и их возможного изменения в зависимости от стоимости энергии.
Величины, указанные в (d) (величины dd1-dd4), следует регулировать, чтобы получить минимальную стоимость с учетом продаваемой и покупаемой энергии.
3) Если приоритетной искомой величиной является общая стоимость эксплуатации (величина dc6), как минимальная общая стоимость эксплуатации системы 1, подход аналогичен предыдущей оптимизации, но при этом дополнительно учитывают:
- срок службы каждого генератора (величина da8),
- стоимость обслуживания (величина da9),
- стоимость демонтажа и стоимость замены каждого генератора (величина da10),
- стоимость демонтажа и стоимость замены каждого типа теплового насоса (величина da11).
Таким образом, особое внимание обращают на срок службы определенных критических компонентов, таких как тепловые двигатели или топливные батареи.
Предпочтительно систему в соответствии с настоящим изобретением можно использовать в установках бальнеотерапии, талассотерапии, в многоквартирных домах, в больницах или санаториях, в гостиницах или туристических комплексах.
Предпочтительно систему можно также использовать на сельскохозяйственных объектах, где существует потребность в тепловой мощности и, возможно, в мощности охлаждения и даже одновременно в той и другой. При этом первичным топливом системы может быть природный газ, однако топливом может быть также биогаз, получаемый из имеющейся биомассы, или даже топливо, производимое на месте применения. Первый ряд приложений предпочтительно относится к сельскохозяйственным теплицам, использующим, например, природный газ в качестве первичного топлива.
Второй ряд приложений относится к установкам для получения метана, при этом система в соответствии с настоящим изобретением использует биогаз, производимый на месте.
Систему в соответствии с настоящим изобретением используют также в промышленных процессах, требующих одновременно нагрева и охлаждения воды, используемой в различных точках процесса. Это относится, например, к некоторым агропромышленным процессам.
Систему в соответствии с настоящим изобретением используют также в промышленных процессах, требующих охлаждения воздуха до температур среднего и низкотемпературного охлаждения, используемого в некоторых точках процесса. Это относится, например, к некоторым агропромышленным процессам, в частности к применению в супермаркетах.
Другим преимуществом системы в соответствии с настоящим изобретением является гибкость проектирования и гибкость использования. Гибкость использования непрерывно обеспечивает оптимальный выбор типа или типов используемой и/или получаемой энергии в зависимости от внешних параметров или от искомых параметров (задач) с применением соответствующего способа регулирования.
Гибкость проектирования обеспечивает оптимизацию устройства в зависимости от прогнозируемых потребностей пользователя, в частности, что касается теплоемкости, потребностей в воде при разных температурах. Эту оптимизацию осуществляют, в частности, за счет выбора типа и числа модулей тепловых насосов и выбора типа и числа модулей-генераторов электричества.
Гибкость проектирования позволяет учитывать, среди всех прочих, следующие параметры:
а) Потребности в тепловой мощности или в мощности охлаждения или одновременно в тепловой мощности и мощности охлаждения на соответствующем объекте в течение всего года. Эти параметры будут напрямую влиять на количество модулей тепловых насосов и на выбор применяемого цикла.
b) Потенциальная потребность в электрическом генераторе на установке (например, в качестве резервного для сети). Модуль-генератор или модули-генераторы, интегрируемые в устройство, в сочетании с гибкостью использования устройства, позволяют удовлетворить эту потребность. Выбор модуля-генератора или модулей-генераторов будет, кроме всего прочего, зависеть: от мощности, необходимой для питания устройства; от наличия дорогих электрических порогов на объекте (например, покупка трансформатора, пороги потребления), превышения которых следует избегать, от характеристик объекта (наличие возобновляемой энергии типа энергии ветра или солнечной энергии), от требуемого уровня шума или от требуемого КПД (приоритетность топливной батареи).
с) Освоение пользователями того или другого из циклов тепловых насосов устройства (компрессия или абсорбция) или цикла охлаждения.
2
2
2
d) Влияние СО: Значение влияния СО для рассматриваемой установки (например, соответствие критерию типа HQE - Высокого Экологического Качества) и использование влияния СО электрической энергии сети.
е) Наконец, разумеется, причем для всех модулей, оптимальная конфигурация будет зависеть от первоначальной покупной стоимости и от стоимости эксплуатации (с учетом потребления энергии и обслуживания).
Следует отметить, что устройство позволяет комбинировать решения проектирования для эффективной адаптации к каждому конкретному случаю.
Гибкость использования учитывает, в частности, множество видов энергии, которыми можно питать различные компоненты системы 1 в соответствии с настоящим изобретением, а также множество энергетических потоков, которые может производить система 1. Все вышеупомянутые модули можно питать одним или несколькими следующими типами энергии: минеральное топливо (в частности, природный газ, сжиженный нефтяной газ, газойль, бензин), биотопливо, водород и электрический ток. Обычно модули тепловых насосов могут использовать два следующих классических цикла: цикл охлаждения с механической компрессией пара и цикл с абсорбцией. Классические сети водоснабжения, связанные с тепловыми насосами, можно дополнить в устройстве сетью водоснабжения от тепловых солнечных датчиков. Модули-генераторы электричества могут применять различные технологические решения типа теплового двигателя или генератора переменного тока, фотогальванической панели 23, ветроэнергетической установки, турбины или топливной батареи.
Гибкость использования становится возможной благодаря способу общего регулирования для всех модулей устройства (тепловые насосы и электрические генераторы), которое, среди всех прочих, позволяет оптимально учитывать следующие искомые параметры (задачи):
(i) Приоритетность КПД установки. Устанавливаемые параметры коэффициентов позволяют выражать различные виды энергии, внешние по отношению к устройству (например, электричество от сети, тепловая энергия солнечных датчиков или фотогальваническая электрическая энергия), с точки зрения первичной энергии и влияния СО2, чтобы получить общее представление о КПД мультиэнергетического устройства. При общей оптимизации общее регулирование устройства будет учитывать каждый тип модуля-генератора. Так, среди других правил эксплуатации следует соблюдать следующие:
- Генераторы тока должны работать в их зоне максимального КПД (например, с полной нагрузкой для теплового двигателя, работающего на природном газе);
- Следует отбирать максимум тепла, выделяемого тепловым двигателем. Например, если потребности установки в горячей воде ниже производственных возможностей теплового двигателя, эти потребности покрывают за счет теплой воды, производимой модулями тепловых насосов;
- Необходимо заставлять все модули тепловых насосов работать с частичной нагрузкой, а не останавливать некоторые из них, чтобы сократить нагрузку на каждый теплообменник и обеспечить, таким образом, более эффективную работу с точки зрения производства энергии.
(ii) Приоритетность стоимости энергии установки:
Подход остается аналогичным предыдущей оптимизации, но при этом для каждого типа энергии устанавливают следующие коэффициенты:
- Покупная стоимость каждого вида энергии, внешнего относительно устройства (как правило, электрическая энергии от сети или энергия минерального топлива или биогаза), в момент использования. Например, стоимость электрической энергии может меняться в зависимости от периода года, а также от порогов потребления в течение суток или в течение года, причем этот порог или эти пороги связаны с электрическим абонированием рассматриваемой установки. Эти критерии могут, естественно, меняться в течение срока службы установки и, следовательно, их параметры можно устанавливать в рамках способа общего регулирования устройства.
- Возможная стоимость перепродажи в сеть электрической энергии, которую, в случае необходимости, может(гут) производить модуль-генератор (модули-генераторы) устройства. Эта стоимость тоже может меняться согласно правилам, как правило, аналогичным правилам, применяемым для покупной стоимости электрической энергии.
(iii) Приоритетность общей стоимости эксплуатации установки (в частности, стоимость энергии, стоимость обслуживания, которая включает в себя, в частности, стоимость демонтажа и стоимость замены). Таким образом, особое значение придают сроку службы определенных критических компонентов, таких как тепловые двигатели 2 или топливная батарея 22.
Из всего вышесказанного следует, что именно благодаря своей модульной конструкции, широкому диапазону достигаемых температур для соответствующих диапазонов мощности по каждой температуре, определяемых для использования, и, наконец, в сочетании с общим регулированием, при котором точно знают работу и характеристики каждого из этих модулей, устройство обеспечивает общую оптимизацию своей работы, адаптируемую к сложности встречающихся проблем и к их изменениям.
Примеры
Нижеследующие примеры иллюстрируют некоторые варианты выполнения изобретения, но при этом не ограничивают изобретение.
В этих примерах используют два типа автомобильных тепловых двигателей, адаптированных для работы на природном газе: один двигатель с рабочим объемом 2,0 литра, выпускаемый компанией Volkswagen, и другой с рабочим объемом 4,6 литра, выпускаемый компанией MAN.
Изготовили пять разных модулей-генераторов электрического тока (генераторы G):
(а) только двигатель на 2,0 литра, (b) только двигатель на 4,6 литра, (c) два двигателя на 2,0 литра, (d) два двигателя на 4,6 литра, (e) один двигатель на 2,0 литра и один двигатель на 4,6 литра.
Изготовили единый модуль теплового насоса (модуль Р), который, в том числе, содержит:
- два спиральных компрессора (называемых также компрессорами Scroll), работающих на текучей среде R410a, один из которых имеет переменную мощность (цифровое управление);
- два вентилятора;
- две V-образных реверсивных батареи;
- 4 реверсивных пластинчатых теплообменника с двойным контуром (из которых два для факультативного контура обмена).
В зависимости от своего использования эти модули Р могут также содержать буферный баллон, расширительную емкость, циркулятор, вентили охлаждения и гидравлические вентили. Вспомогательные компоненты получают питание от внешней электрической сети. Компрессоры получают питание либо от электрической энергии, производимой модулем, либо от внешней электрической сети.