Внешний грунтовый горизонтальный контур для теплонасосной установки
EXTERNAL GROUND HORIZONTAL CONTOUR FOR A HEAT PUMP INSTALLATION

Изобретение относится к теплонасосным установкам (ТНУ), использующим низкотемпературное тепло грунта для автономного отопления и горячего водоснабжения помещений.
Известно, что при длительной эксплуатации таких ТНУ происходит постепенное снижение эффективности их работы вследствие переохлаждения грунта вокруг грунтового теплообменника первичного контура теплового насоса. Частичное восстановление теплового потенциала грунта в зоне расположения грунтового теплообменника за счет естественного притока тепла от окружающих слоев грунта возможно только во время прекращения эксплуатации ТНУ в межотопительный период, что затрудняет использование ТНУ для длительного стабильного снабжения помещений теплом и горячей водой.
Известны технические решения, направленные на повышение эффективности работы ТНУ путем восстановления и поддержания теплового потенциала грунта.
Известна комбинированная система теплоснабжения (патент РФ на полезную модель №85989).
Система включает тепловой насос типа грунт-вода с грунтовыми теплообменниками, помещенными в скважине, солнечный коллектор, нагревающий воду в баке-аккумуляторе и антифриз в буферной емкости, которая связана с грунтовыми теплообменниками. Бак-аккумулятор воды дополнительно может обогреваться электронагревателем. Система оборудована контроллером для управления температурой теплоносителей, отопительной водой и горячим водоснабжением. В солнечную погоду нагрев теплоносителя в баке-аккумуляторе происходит, в основном, за счет контура солнечной водонагревательной установки. После окончания нагрева происходит переключение и контур солнечной водонагревательной установки через пластинчатый теплообменник начинает передавать избыточную тепловую энергию в контур грунтовых скважин. При недостаточном уровне солнечного излучения нагрев бака-аккумулятора тепла происходит только от теплонасосной установки, которая извлекает низкотемпературный теплоноситель из контура грунтовых скважин, усредняет его температуру смешиванием в гидробуферной емкости, а затем повышает до уровня, достаточного для нагрева бака-аккумулятора тепла.
Задачей данной полезной модели является повышение надежности и эффективности работы комбинированной системы теплоснабжения. Однако, вследствие значительного усложнения структурной схемы теплоснабжения, предложенная комбинированная система теплоснабжения не будет достаточно надежна. Кроме того, объем теплоносителя, циркулирующего в теплообменнике грунтового контура, явно не достаточен для восстановления и поддержания теплового потенциала грунта в зоне теплообменника.
Известна также система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии (патент РФ на изобретение №2350847), содержащая систему сбора и утилизации тепла грунта, систему отопления и горячего водоснабжения, включающую буферную емкость горячего теплоносителя, емкостной водонагреватель с двумя теплообменниками и электрическим пиковым нагревателем, контуры отопления и горячего водоснабжения и систему сбора тепла солнечной энергии. Система сбора тепла солнечной энергии через трехходовой переключающий клапан подключена к теплообменнику в контуре циркуляции низкопотенциального теплоносителя с возможностью передачи тепла на догрев низкопотенциального теплоносителя перед подачей в испаритель теплового насоса или на восстановление температурного режима скважин в межотопительный период с одновременной выработкой тепла на горячее водоснабжение с помощью солнечного коллектора и использованием потенциала охлажденных скважин на охлаждение помещений.
Недостатком данного технического решения является сложность системы, что приводит к снижению надежности при эксплуатации и высокой стоимости системы автономного теплоснабжения. Кроме того, небольшой объем низкотемпературного теплоносителя, находящегося в скважинных теплообменниках, не позволяет полностью восстановить тепловой потенциал окружающего грунта.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является система автономного обогрева помещений (патент РФ на полезную модель №140455).
Система включает контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с грунтовым теплообменником, вход которого связан с выходом испарителя теплового насоса, и систему отопления, содержащую конденсатор теплового насоса, соединенный трубопроводом с отопительными приборами, и отличается тем, что дополнительно снабжена вторым грунтовым теплообменником и устройством переключения, включающим два полых цилиндра, установленных вертикально, с размещенными внутри них конусообразными клапанами, сужающиеся части которых соединены со штоками поршней, днища поршней размещены в герметичных сосудах с газом, расположенных в нижних частях полых цилиндров, соединенных с выходами грунтовых теплообменников, а над полыми цилиндрами расположено коромысло, ось которого находится посредине между полыми цилиндрами, при этом расширяющиеся части конусообразных клапанов посредством шарнирных связей соединены с плечами коромысла, на котором закреплена герметичная трубка с размещенным в ней шариком, причем верхние части полых цилиндров соединены трубопроводом со входом испарителя теплового насоса, а грунтовые теплообменники размещены на расстоянии 5…25 м друг от друга.
Благодаря поочередному отключению первого и второго грунтового теплообменника от участия в автономном обогреве помещения грунт в зоне отключенного теплообменника естественным образом прогревается. Техническим результатом является исключение чрезмерного переохлаждения грунта в месте расположения грунтового теплообменника.
В данной полезной модели предлагается использовать два горизонтальных грунтовых внешних контура вместо одного, как обычно принято в конструкциях ТНУ с горизонтальным грунтовым внешним контуром. Однако при этом потребуется занять под горизонтальные грунтовые внешние контуры в два раза больший участок земли возле дома, а объем требующихся для этого земляных работ существенно возрастет. Все это приведет к значительному росту стоимости и снижению доступности для населения системы обогрева с ТНУ.
Кроме того, в предлагаемой полезной модели используется достаточно сложное устройство для переключения работы системы обогрева с одного горизонтального грунтового внешнего контура на другой. Это приведет к снижению надежности работы и усложнит эксплуатацию теплонасосной установки. В результате снизится привлекательность и доступность систем обогрева с ТНУ, особенно для индивидуальных потребителей в частных домах.
Кроме того, в данной полезной модели предполагается, что восстановление теплового баланса грунта в зоне теплообменника временно отключенного горизонтального грунтового внешнего контура будет происходить только за счет естественного притока тепла от окружающих слоев грунта. Однако известно, что естественный процесс восстановления теплового баланса грунта, без организованного подвода тепловой энергии извне, весьма длительный, и грунт в зоне отключенного теплообменника, особенно в зимнее время, может не успеть прогреться к моменту необходимости подключения этого грунтового внешнего контура. В результате эффективность работы ТНУ, даже при наличии двух горизонтальных грунтовых внешних контуров, будет постепенно снижаться.
Задачей предложенного изобретения является обеспечение эффективности работы ТНУ компрессионного типа с горизонтальным грунтовым внешним контуром за счет восстановления теплового баланса грунта в зоне теплообменника внешнего грунтового контура.
Поставленная задача решается за счет того, что внешний грунтовый контур для теплонасосной установки содержит помещенный в грунт горизонтальный трубчатый теплообменник, соединенный трубопроводами с теплообменником-испарителем теплового насоса с циркулирующим в нем низкотемпературным теплоносителем-рассолом, а также аккумулятор тепловой энергии, предназначенный для подогрева грунта и помещенный в грунт в непосредственной близости от горизонтального трубчатого теплообменника, причем аккумулятор тепловой энергии выполнен в виде двух емкостей, соединенных трубопроводами в единый контур, по которому циркулирует жидкий теплоноситель, причем в первой емкости происходит нагрев жидкого теплоносителя от помещенного в первую емкость нагревателя, а жидкий теплоноситель из первой емкости по подающим трубопроводам поступает во вторую емкость и снова возвращается по обратным трубопроводам в первую емкость, причем происходит передача части тепловой энергии жидкого теплоносителя окружающему грунту через стенки подающих и обратных трубопроводов и через стенки первой и второй емкостей.
Размещенный в первой емкости аккумулятора тепловой энергии нагреватель может представлять собой теплообменник, соединенный трубопроводами с солнечным коллектором в единый контур, по которому циркулирует жидкий теплоноситель, подогреваемый в солнечном коллекторе. Размещенный в первой емкости аккумулятора тепловой энергии нагреватель также может представлять собой электронагреватель, соединенный с внешним источником электроэнергии. Кроме того, размещенный в первой емкости аккумулятора тепловой энергии нагреватель может включать и теплообменник, соединенный трубопроводами с солнечным коллектором в единый контур, по которому циркулирует подогреваемый в солнечном коллекторе жидкий теплоноситель, и электронагреватель, соединенный с внешним источником электроэнергии. В качестве жидкого теплоносителя в нагревателе может быть использован антифриз.
Аккумулятор тепловой энергии может располагаться в грунте поверх горизонтального трубчатого теплообменника на расстоянии от него 100-150 мм. Аккумулятор тепловой энергии может быть защищен сверху от давления грунта каркасом из пенобетона и присыпан грунтом до уровня окружающей земли.
Циркуляция жидкого теплоносителя в аккумуляторе тепловой энергии может осуществляться с помощью жидкостного насоса, или же в аккумуляторе тепловой энергии может происходить естественная циркуляция жидкого теплоносителя. В качестве жидкого теплоносителя в аккумуляторе тепловой энергии может быть использована вода.
Первая и вторая емкости аккумулятора тепловой энергии могут иметь одинаковые объемы, или же объем первой емкости аккумулятора тепловой энергии с размещенным в ней нагревателем может быть больше, чем у второй емкости. Первая и вторая емкости аккумулятора тепловой энергии могут размещаться в грунте на одной глубине или же на разной глубине.
Содержание заявленного изобретения иллюстрируется нижеприведенными фигурами: фиг. 1 - общая принципиальная схема внешнего грунтового горизонтального контура с нагревателем, подсоединенным к солнечному коллектору; фиг. 2 - вид сверху на аккумулятор тепловой энергии; фиг. 3 - вид сбоку на аккумулятор тепловой энергии; фиг. 4 - общая принципиальная схема внешнего грунтового горизонтального контура с электронагревателем; фиг. 5 - электронагреватель; фиг. 6 - общая принципиальная схема внешнего грунтового горизонтального контура с нагревателем, подсоединенным к солнечному коллектору и с электронагревателем.
Теплообменник 4 внешнего грунтового горизонтального контура (фиг. 1) соединен трубопроводами (на фиг. не обозначено) с тепловым насосом 5. Аккумулятор тепловой энергии 3 состоит из емкостей 7 и 8 (фиг. 2 и 3), соединенных трубопроводами 9 и 10. Теплообменник 4 внешнего грунтового горизонтального контура и аккумулятор тепловой энергии 3 разделены между собой прослойкой из грунта 6 (фиг. 1). Нагреватель, находящийся в емкости 7 аккумулятора тепловой энергии, может быть выполнен в виде трубчатого теплообменника 2 (фиг. 1), соединенного трубопроводами (на фиг. не обозначено) с солнечным коллектором 1. Если же нагреватель, находящийся в емкости 7 аккумулятора тепловой энергии, выполнен в виде трубчатого электронагревателя 11 (фиг. 4), то он подсоединяется к внешнему источнику электроэнергии (на фиг. не обозначено) через клеммы 12 (фиг. 5).
Также конструкция нагревателя может быть комбинированной, состоящей из трубчатого теплообменника 2 и электронагревателя 11 (фиг. 6).
Горизонтальный трубчатый теплообменник 4 размещается в грунте на глубине 3-3,5 м и присыпан слоем грунта толщиной 100-150 мм. Поверх теплообменника 4 в грунте располагается аккумулятор тепловой энергии 3, выполненный в виде двух плоских полимерных емкостей высотой 200-250 мм, соединенных между собой полимерными трубопроводами диаметром 30-35 мм. Поверх аккумулятора тепловой энергии может быть устроен защитный каркас из пенобетона (на фиг. не показано), присыпанный грунтом до уровня окружающей земли.
Внешний грунтовый горизонтальный контур работает следующим образом. Горизонтальный трубчатый теплообменник 4 отбирает от грунта низкотемпературную тепловую энергию и передает ее тепловому насосу 5. Для восстановления теплового потенциала грунта производится его подогрев с помощью аккумулятора тепловой энергии 3. При этом в емкости 7 аккумулятора тепловой энергии происходит нагрев жидкого теплоносителя, например воды, от помещенного в емкость нагревателя, и жидкий теплоноситель из емкости 7 по подающим трубопроводам 9 поступает в емкость 8, а затем по обратным трубопроводам 10 возвращается в емкость 7. При этом происходит передача части тепловой энергии жидкого теплоносителя окружающему грунту через стенки трубопроводов 9 и 10 и через стенки емкостей 7 и 8. Циркуляция жидкого теплоносителя между емкостями 7 и 8 аккумулятора тепловой энергии может осуществляться принудительно с помощью специального жидкостного насоса (на фиг. не показано), или же может происходить естественная циркуляция жидкого теплоносителя.
Для нагрева жидкого теплоносителя в емкости 7 может быть использован трубчатый теплообменник 2, соединенный трубопроводами с солнечным коллектором 1 в единый контур, по которому циркулирует жидкий теплоноситель, например антифриз. При достаточном уровне освещенности солнечный коллектор обеспечивает нагрев антифриза, который прокачивается жидкостным насосом (на фиг. не показано) через трубчатый теплообменник 2.
Для гарантии круглогодичного обеспечения достаточного прогрева грунта в качестве нагревателя в емкости 7 аккумулятора тепловой энергии может использоваться электронагреватель 11, соединенный с внешним источником электроэнергии (электросетью, ветрогенератором, солнечными батареями и т.д.).
Также в емкости 7 могут размещаться одновременно и трубчатый теплообменник 2, и электронагреватель 11, причем при достаточном уровне освещенности работает только трубчатый теплообменник 2, соединенный с солнечным коллектором 1, а в остальное время, по мере необходимости, может включаться электронагреватель 11, питающийся от внешнего источника электроэнергии.
Реализация приведенных технических решений, связанных с модернизацией внешнего грунтового горизонтального контура, обеспечивает повышение эффективности и производительности ТНУ. Кроме того, использование грунтового аккумулятора тепловой энергии позволит снизить площадь земельного участка, необходимого для обустройства внешнего грунтового горизонтального контура ТНУ, благодаря возможности постоянного поддержания высокого уровня теплового потенциала грунта.