НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ ДЛЯ БЫТОВЫХ НУЖД
HEATING UNIT FOR PRODUCTION OF HOT WATER FOR DOMESTIC NEEDS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области коммунальных нагревательных установок, предназначенных для получения бытовой горячей воды для здания, многоквартирного дома или множества квартир, расположенных в непосредственной близости друг от друга.
Если говорить более конкретно, настоящее изобретение относится к нагревательным установкам, в которых используется множество источников тепловой энергии. По сути, этот тип установки может содержать основной источник и дополнительный источник тепловой энергии. В частности, основной источник может представлять собой независимый бойлер или соединение с централизованной тепловой сетью, предназначенной для снабжения множества установок. Она также содержит дополнительный источник тепловой энергии, предпочтительно представляющий собой источник, в котором используется возобновляемая энергия, например, солнечная энергия или земное тепло в случае теплового насоса.
Уровень техники
Если говорить в общем, известны нагревательные установки, в которых основной и дополнительный источники тепловой энергии установлены последовательно на вторичном контуре, в котором течет текучая среда, представляющая собой бытовую горячую воду, предназначенную для нагрева.
В этом случае бытовая горячая вода, как следствие, постоянно перемещается в двух последовательных теплообменниках и постоянно забирает тепловую энергию из обоих источников тепловой энергии.
Однако, когда во втором источнике тепловой энергии используется солнечная энергия, текучую среду, снабжающую энергией бытовую горячую воду, протекающую в теплообменнике, можно довести до очень высокой температуры, в частности, выше 100°С. Тогда эта высокая температура текучей среды приводит к засорению теплообменника из-за отложения накипи на внешней поверхности стенок контура с перегретой текучей средой. В результате энергетический кпд теплообменника может быстро снизиться, что приводит к необходимости заменять или очищать этот элемент на регулярной основе.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является, с одной стороны, упрощение существующих нагревательных установок за счет уменьшения количества входящих в их состав теплообменников, и, с другой стороны, повышение эффективности и долговечности входящих в их состав элементов при одновременном использовании в приоритетном порядке возобновляемых типов энергии, в частности, таких как солнечная энергия.
Следующей задачей является сделать возможным использование возобновляемой энергии дополнительного источника для подачи в основной источник текучей среды, имеющей температуру равную температуре текучей среды, поступающей из основного источника. Таким образом, появляется возможность не использовать энергию основного источника или даже продавать энергию, если основной источник представляет собой соединение с централизованной тепловой сетью.
Сущность изобретения
Таким образом, настоящее изобретение относится к нагревательной установке для получения бытовой горячей воды, содержащей первый теплообменник, который соединен с двумя контурами с текучей средой и в котором первая текучая среда первичного контура передает тепловую энергию второй текучей среде вторичного контура, представляющей собой бытовую горячую воду.
Согласно настоящему изобретению, эта установка отличается тем, что первичный контур содержит:
- основной источник тепловой энергии и дополнительный источник тепловой энергии, причем эти источники в гидравлической цепи установлены последовательно, и дополнительный источник установлен по направлению потока выше основного источника;
- обводную трубу дополнительного источника, установленную в гидравлической цепи параллельно этому дополнительному источнику;
- трехпутевой клапан, выполненный с возможностью избирательно направлять первую текучую среду в дополнительный источник или в обводную трубу, и
тем, что эта установка содержит блок управления, предназначенный для управления трехпутевым клапаном.
Другими словами, основной и дополнительный источники тепловой энергии позволяют нагревать первую текучую среду первичного контура, а трехпутевой клапан позволяет исключать из цепи дополнительный источник тепловой энергии, когда он исчерпан или не передает тепло в первую текучую среду. В результате трехпутевой клапан может представлять собой "распределительный" клапан, когда в гидравлической цепи он установлен по направлению потока выше дополнительного источника и обводной трубы. Трехпутевой клапан также может представлять собой "смешивающий" клапан, когда в гидравлической цепи он установлен по направлению потока ниже дополнительного источника и обводной трубы.
Помимо этого, когда в дополнительном источнике тепловой энергии используется возобновляемая энергия, например, солнечная энергия, земное тепло в случае теплового насоса или извлечение энергии из конденсата, этот источник хранит внутри резервуара текучую среду, температура которой уменьшается по мере нагрева этим источником первой текучей среды первичного контура. Как только температура текучей среды в резервуаре достигает минимальной пороговой температуры, блок управления управляет трехпутевым клапаном таким образом, чтобы направлять первую текучую среду внутрь обводной трубы. Начиная с этого момента, дополнительный источник тепловой энергии больше не обменивается теплом с первой текучей средой, протекающей в первом теплообменнике. В этом случае температура текучей среды внутри резервуара хранения может постепенно повышаться до тех пор, пока она не достигнет более высокого порогового значения, выше которого блок управления управляет трехпутевым клапаном таким образом, чтобы направлять первую текучую среду первичного контура внутрь дополнительного источника тепловой энергии.
Кроме того, можно совместно использовать множество источников тепловой энергии, которые установлены параллельно, чтобы нагревать текучую среду в резервуаре. По сути, в частности, предлагается совместно использовать солнечную энергию и тепловой насос, чтобы нагревать текучую среду, поступающую в резервуар.
Согласно первому варианту реализации настоящего изобретения, трехпутевой клапан выполнен с возможностью направлять первую текучую среду к дополнительному источнику тепловой энергии, когда температура первой текучей среды в месте соединения обводной трубы и дополнительного источника, расположенном выше по направлению потока, ниже температуры первой текучей среды внутри закрытого резервуара хранения, входящего в состав дополнительного источника тепловой энергии.
В этом случае текучая среда, протекающая внутри резервуара хранения, это та же среда, которая обеспечивает повышение температуры бытовой горячей воды в первом теплообменнике, и она соответствует первой текучей среде первичного контура. Кроме того, закрытый резервуар хранения имеет конструкцию, не имеющую отверстий, позволяющих атмосферному давлению создавать вертикальную силу, действующую на текучую среду. Закрытый резервуар хранения этого типа в общем случае имеет нижнее отверстие, находящееся в непосредственной близости к нижнему краю резервуара, промежуточное отверстие для ввода нагретой текучей среды и верхнее отверстие для вывода текучей среды из резервуара хранения.
В предпочтительном случае дополнительный источник тепловой энергии может содержать второй теплообменник, соединенный с двумя контурами с текучей средой, в котором третья текучая среда третьей системы передает тепловую энергию первой текучей среде.
Иначе говоря, дополнительный источник тепловой энергии позволяет не использовать первую текучую среду первичного контура в дополнительных нагревательных компонентах, таких как солнечные панели или тепловые насосы. В результате третья текучая среда, протекающая в этих дополнительных компонентах, передает свою тепловую энергию первой текучей среде внутри второго теплообменника.
Таким образом, в дополнительном источнике тепловой энергии первая текучая среда непосредственно не используется. Третий теплообменник фактически позволяет использовать четвертую текучую среду для передачи ее тепловой энергии первой текучей среде первичного контура.
На практике трехпутевой клапан может направлять первую текучую среду к дополнительному источнику тепловой энергии, когда температура первой текучей среды в месте соединения обводной трубы и дополнительного источника, расположенном выше по направлению потока, ниже температуры четвертой текучей среды внутри открытого резервуара хранения, входящего в состав дополнительного источника тепловой энергии.
Другими словами, блок управления можно использовать для управления трехпутевым клапаном таким образом, чтобы использовать дополнительный источник тепловой энергии, когда температура первой текучей среды в месте соединения обводной трубы и дополнительного источника, расположенном выше по направлению потока, ниже температуры четвертой текучей среды внутри открытого резервуара хранения. Таким образом, резервуар хранения этого типа имеет "открытую" конструкцию, другими словами, он не имеет отверстия вывода, расположенного у верхнего края резервуара. Резервуар хранения этого типа особенно выгоден, так как не приводит к возникновению существенного закрытого объема, что не позволяет устанавливать в него другие элементы. По сути, открытый резервуар хранения делает возможной, например, установку множества резервуаров один в другой, что снижает до минимума требования к занимаемому пространству, это особенно выгодно при хранении резервуаров этого типа или их транспортировке.
Помимо этого, дополнительный источник тепловой энергии может содержать второй теплообменник, соединенный с двумя контурами с текучей средой, в котором третья текучая среда третьего контура передает тепловую энергию четвертой текучей среде.
В этом случае дополнительный источник тепловой энергии содержит внутри себя две текучих среды, каждая из которых может иметь конкретные свойства. Если говорить в общем, третья текучая среда, при ее использовании с таким нагревательным устройством, как солнечная панель, может представлять собой раствор этиленгликоля, в частности, для обеспечения достаточной стойкости к отрицательным температурам. Четвертая текучая среда и первая текучая среда могут, в свою очередь, представлять собой воду без добавок, так как эти текучие среды необязательно будут подвержены воздействию отрицательных температур.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения, резервуар хранения и второй теплообменник в гидравлической цепи могут быть установлены параллельно.
По сути, нижний край резервуара может быть соединен с впуском второго теплообменника. Помимо этого, промежуточное отверстие резервуара хранения соединено с выпуском второго теплообменника. Верхнее отверстие можно использовать для вывода текучей среды, находящейся внутри резервуара хранения.
В предпочтительном случае первичный контур может быть соединен с тепловой сетью здания, при этом выпуск сети соединен с контуром по направлению потока выше трехпутевого клапана и ниже первого теплообменника, а впуск сети соединен с контуром по направлению потока выше первого теплообменника и ниже основного источника тепловой энергии.
Иначе говоря, в периоды с существенной потребностью в тепле в установке этого типа может использоваться как тепло, созданное тепловой сетью здания, так и тепло, созданное, по меньшей мере, одним из двух источников тепловой энергии. Упомянутые периоды это, в основном, утро, обеденное время и вечер, и они соответствуют времени, когда обитатели здания моются или моют посуду.
Помимо этого, в периоды, когда нагрев бытовой горячей воды не требуется, также имеет смысл использовать дополнительный источник тепловой энергии, чтобы подавать в тепловую сеть здания первую текучую среду с заранее определенной температурой, которая, в частности, может составлять 95°С, что соответствует температуре первой текучей среды в выпуске тепловой сети. Таким образом, можно использовать дополнительный источник для продажи энергии тепловой сети.
На практике установка может содержать множество отдельных первых теплообменников, каждый из которых установлен в отдельной квартире.
Таким образом, бытовая горячая вода создает замкнутый контур исключительно внутри каждой отдельной квартиры и не протекает через протяженную систему трубопроводов в централизованный теплообменник, установленный в основном и дополнительном источниках тепловой энергии, входящих в состав установки.
Помимо этого, в случае установки этого типа также можно нагревать отдельный контур отопления, выделенный для каждой квартиры. Таким образом, в случае установки этого типа каждая квартира в результате содержит два теплообменника, один - для нагрева бытовой горячей воды и один - для отопления квартиры. Эти два теплообменника установлены параллельно на первичном контуре установки.
Согласно первому варианту реализации настоящего изобретения, трехпутевой клапан может представлять собой отсечной клапан. В этом случае трехпутевой клапан соединен с блоком управления, который только выдает команды на открывание или закрывание трех каналов клапана.
Согласно второму варианту реализации настоящего изобретения, трехпутевой клапан может представлять собой клапан управления потоком. В этом случае трехпутевой клапан соединен с блоком управления, который управляет потоком текучей среды, протекающей через клапан.
При этом датчик может направлять в блок управления информацию о выходной температуре текучей среды в обводной трубе, и трехпутевой клапан может смешивать текучую среду, поступающую из верхней области выходной части дополнительного источника тепловой энергии, с текучей средой, поступающей из входной части дополнительного источника тепловой энергии.
Краткое описание чертежей
Метод реализации настоящего изобретения и возникающие при этом преимущества станут более очевидными из описания приведенного далее варианта реализации этого изобретения, данного с целью пояснения и не накладывающего ограничений, при его рассмотрении вместе с чертежами, из которых:
на Фиг.1 - Фиг.6 показаны разные рабочие этапы регулирования нагрева с использованием установки, соответствующей настоящему изобретению; и
на Фиг.7 - Фиг.11, в свою очередь, показаны различные альтернативные варианты установки, соответствующей настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Как уже упомянуто, настоящее изобретение относится к нагревательной установке для получения бытовой горячей воды.
Как показано на Фиг.1, нагревательная установка 1 может быть использована для нагрева бытовой горячей воды, имеющейся во вторичном контуре 4. Этот нагрев осуществляется при помощи теплообменника 2, в котором первичный контур 3 с первой текучей средой передает свое тепло бытовой горячей воде.
Упомянутая установка 1 содержит два источника тепловой энергии. Основной источник 5, в частности, может представлять собой бойлер, но также может представлять собой соединение с централизованной сетью, нагревающей первую текучую среду. Упомянутая сеть, таким образом, может быть соединена с множеством квартир или зданий, например, высотных зданий, используемых для проживания или для любой другой деятельности, например, госпитали, столовые или учреждения.
Эта установка 1 также содержит дополнительный источник 6 тепловой энергии. Упомянутый дополнительный источник, как показано, может использовать солнечную энергию от панелей, расположенных на крыше здания, снабженного данной установкой. Упомянутый дополнительный источник 6 может также представлять собой тепловой насос и в результате использовать тепло, обеспечиваемое грунтом, находящимся ниже здания, снабженного установкой этого типа.
Эта установка также содержит трехпутевой клапан 7, установленный по направлению потока выше дополнительного источника 6 и ниже теплообменника 2. Кроме того, для гидравлического соединения трехпутевого клапана 7 с основным источником 5 используется обводная труба 8, которая, таким образом, установлена параллельно дополнительному источнику 6 тепловой энергии. В этом случае трехпутевой клапан 7, как следствие, представляет собой распределительный клапан, но допускается также использование смешивающего клапана в месте соединения дополнительного источника 6 и обводной трубы 8, расположенном ниже по направлению потока.
Как показано, дополнительный источник 6 тепловой энергии содержит второй теплообменник 102, в котором первая текучая среда первичного контура 3 отбирает тепло у третьей текучей среды, протекающей внутри третьего контура 103. Как показано, этот третий контур 103 содержит солнечную панель 104, в которой третья текучая среда отбирает солнечную энергию, что приводит к увеличению ее температуры.
Помимо этого, дополнительный источник 6 тепловой энергии содержит закрытый резервуар 106 хранения, который, таким образом, представляет собой запас энергии для первой текучей среды, протекающей в первичном контуре 3. Кроме того, в непосредственной близости к верхнему краю резервуара 106 хранения установлен термостат S2, предназначенный для задания температуры Т2 первой текучей среды на этом уровне резервуара 106 хранения.
Кроме того, термостат S1, установленный в трехпутевом клапане 7, позволяет задавать температуру Т1 первой текучей среды на этом уровне. Так, когда температура Т2 первой текучей среды выше температуры Т1 этой среды, блок 10 управления можно использовать для управления трехпутевым клапаном 7 таким образом, чтобы направлять поток первой текучей среды внутрь дополнительного источника 6 тепловой энергии.
На фиг.1 установка показана в начале пикового периода потребления бытовой горячей воды. По сути, в этом случае бытовая горячая вода вторичного контура 4 возвращается внутрь теплообменника 2 с более низкой температурой. В результате температура первой текучей среды внутри теплообменника 2 снижается, например, с 82°С до значения 35°С. После этого первая текучая среда с температурой 35°С поступает внутрь резервуара 106 хранения через другое отверстие, находящееся у нижнего края. Таким образом, первая текучая среда, имеющаяся внутри резервуара 106 хранения, может иметь у дна этого резервуара температуру приблизительно 35°С, а у вершины этого резервуара - 95°С. Эту температуру 95°С получают путем нагрева первой текучей среды внутри второго теплообменника 102 при помощи третьей текучей среды, протекающей в третьем контуре 103. В результате вода, забираемая из резервуара 106 хранения, температура которой измерена термостатом S2, остается при 95°С. Эта первая текучая среда, имеющая температуру 95°С, затем поступает в основной источник 5 тепловой энергии, которому тогда нет необходимости нагревать первую текучую среду и который подает эту среду на выход при температуре 95°С.
Помимо этого, можно использовать второй трехпутевой клапан 9 для смешивания первой текучей среды, имеющей температуру 95°С, с частью первой текучей среды, имеющей температуру 35°С, которая поступает из выпуска первого теплообменника 2.
Как показано на фиг.2, когда пиковый период потребления бытовой горячей воды закончился, первая текучая среда не теряет тепловой энергии внутри первого теплообменника 2. В результате первую текучую среду можно направлять к дополнительному источнику 6 тепловой энергии с температурой выше, чем у первой текучей среды, находящейся на дне резервуара 106. Упомянутая температура, в частности, может составлять приблизительно 60°С, что позволяет нагревать часть первой текучей среды, имеющую более низкую температуру, которая находится в нижней части резервуара 106 хранения. Во время этих периодов так называемого "низкого потребления" бытовой горячей воды резервуар 106 хранения, таким образом, заполняется первой текучей средой, имеющей высокую температуру, которая, в частности, может составлять 95°С.
Как показано на фиг.3, когда температура Т2 первой текучей среды внутри резервуара 106 ниже температуры Т1 первой текучей среды в трехпутевом клапане 7, блок 10 управления управляет трехпутевым клапаном 7 таким образом, чтобы направлять первую текучую среду внутрь обводной трубы 8. В этом случае первая текучая среда начинает обмениваться теплом с бытовой горячей водой в первом теплообменнике 2 и больше не направляется к дополнительному источнику 6 тепловой энергии. Такой этап, в частности, может выполняться в конце пикового периода потребления бытовой горячей воды. Помимо этого, если возобновляемая энергия еще остается доступной, то можно использовать третий контур 103, внутри второго теплообменника 102, чтобы поднять температуру первой текучей среды, находящейся внутри резервуара 106 хранения. Эта часть первой текучей среды течет в замкнутом контуре между промежуточным отверстием 107 и нижним отверстием 108 резервуара 106 хранения. В результате текучая среда больше не выходит из верхнего отверстия 109 резервуара 106 хранения.
Как показано на фиг.4, пока температура Т2 внутри резервуара 106 хранения остается ниже температуры Т1 первой текучей среды в трехпутевом клапане 7, блок 10 управления препятствует возврату первой текучей среды первичного контура 3 внутрь дополнительного источника 6 тепловой энергии. При этом, при помощи солнечной энергии, часть первой текучей среды, находящаяся внутри дополнительного источника 6 тепловой энергии, может нагреваться внутри второго теплообменника 102. Таким образом, даже если отсутствует существенная необходимость в потреблении бытовой горячей воды, основной источник 5 тепловой энергии не используется для нагрева первой текучей среды, находящейся внутри резервуара 106 хранения, входящего в состав дополнительного источника 6.
Как показано на фиг.5, если потребление бытовой горячей воды возрастает, это приводит к падению температуры первой текучей среды, протекающей внутри первого теплообменника 2, и в результате температура Т1 первой текучей среды может упасть ниже температуры Т2 первой текучей среды, находящейся в резервуаре 106 хранения. В этом случае блок 10 управления управляет трехпутевым клапаном 7 таким образом, чтобы направлять первую текучую среду, имеющую температуру Т1, к дополнительному источнику 6 тепловой энергии. После этого нагревательная установка использует первую текучую среду, находящуюся в резервуаре 106 хранения при температуре Т2, которая выше температуры Т1 в выпуске первого теплообменника 2. Как показано, первая текучая среда тогда поступает в нижнее отверстие 108 резервуара 106 хранения и вызывает охлаждение первой текучей среды, находящейся в резервуаре 106 хранения.
Помимо этого, и как показано на фиг.6, если позволяет солнечный свет, солнечная панель 104 может повышать температуру третьей текучей среды, находящейся в третьем контуре 103, что приводит к повышению температуры первой текучей среды, протекающей внутри второго теплообменника 102. В результате первая текучая среда может поступать как в нижнее отверстие 108, так и в промежуточное отверстие 107, и обеспечивает поддержание температуры Т2 выше температуры Т1 даже в периоды пикового потребления бытовой горячей воды.
Как показано на фиг.7, нагревательная установка 11 может содержать двухпутевой клапан 19 вместо трехпутевого клапана, ранее использованного на фиг.1 - фиг.6. В этом случае первая текучая среда из выпуска основного источника 5 тепловой энергии непосредственно вводится внутрь первого теплообменника 12 без смешивания с частью первой текучей среды, выходящей из первого теплообменника 12.
Таким же образом, что и ранее, трехпутевой клапан 17 направляет первую текучую среду внутрь дополнительного источника 16 тепловой энергии, когда температура Т2 первой текучей среды, находящейся внутри резервуара 116 хранения, выше температуры Т1 текучей среды в трехпутевом клапане 17. Как следствие, первая текучая среда в этом случае не течет внутрь обводной трубы 18.
Как показано на фиг.8 и 9, нагревательная установка также может быть соединена с тепловой сетью для отопления стен, полов или нагрева воздуха в здании.
Итак, как показано на фиг.8, тепловая сеть 70 содержит выпуск 71, соединенный с первичным контуром 23 по направлению потока выше трехпутевого клапана 27 и ниже первого теплообменника 22.
Впуск 72 тепловой сети, в свою очередь, соединен с первичным контуром 23 по направлению потока выше первого теплообменника 22 и ниже основного источника 25 тепловой энергии. Конструкция этого типа, таким образом, позволяет использовать нагревательную текучую среду здания, которая в этом случае также представляет собой первую текучую среду установки для нагрева бытовой горячей воды, а также позволяет использовать дополнительный источник 26 тепловой энергии для нагрева первой текучей среды, которая затем будет передаваться во впуск 72 тепловой сети 70. В результате тепловая сеть 70, возможно, не будет потреблять энергию для нагрева первой текучей среды, протекающей в ее трубах.
Как показано в этом альтернативном варианте, установка 21 содержит трехпутевой клапан 29, предназначенный для смешивания первой текучей среды, между выпуском основного источника 25 тепловой энергии и местом выхода первой текучей среды из первого теплообменника 22. Упомянутый трехпутевой клапан 29 тогда позволяет снижать температуру первой текучей среды во впуске первого теплообменника 22, что приводит к снижению вероятности его засорения, за счет обеспечения минимально возможной температуры текучей среды в теплообменнике на стороне первичного контура.
Помимо этого, и как показано на фиг.9, нагревательная установка 31 также может быть соединена с тепловой сетью 80, и в этом случае использует двухпутевой клапан 39, обеспечивающий протекание первой текучей среды внутрь теплообменника 32 без смешивания с частью первой текучей среды, выходящей из этого теплообменника.
Как показано на фиг.10, установка 41 также может содержать множество отдельных первых теплообменников 42, позволяющих нагревать бытовую горячую воду. Эта установка также может содержать множество теплообменников 49, установленных параллельно первым теплообменникам 42 и обеспечивающих отопление квартир. Таким образом, каждый из теплообменников 42, 49 размещен в отдельной квартире. В этом случае первая текучая среда, протекающая в первичном контуре 43, поступает внутрь множества первых теплообменников 42 для передачи своей тепловой энергии множеству вторичных контуров 44. Упомянутая нагревательная установка 41, кроме того, всегда содержит основной источник 45 тепловой энергии, установленный в гидравлической цепи последовательно с дополнительным источником 46 тепловой энергии. Дополнительный источник 46 установлен по направлению потока выше основного источника 45.
Как показано на фиг.11, нагревательная установка 51 также может содержать открытый резервуар 156 хранения. В этом случае текучая среда, протекающая в резервуар 156, отличается от первой текучей среды. Она представляет собой четвертую текучую среду, которая протекает в четвертом контуре 161 и передает свою тепловую энергию первой текучей среде внутри третьего теплообменника 160.
Упомянутый тип резервуара 156 хранения особенно выгоден с точки зрения облегчения хранения и транспортировки.
Из сказанного выше очевидно, что установка, соответствующая настоящему изобретению, обладает множеством преимуществ и, в частности, следующими:
- она позволяет в приоритетном порядке использовать дополнительный источник тепловой энергии;
- она гарантирует оптимальный теплообмен с бытовой горячей водой;
- она не требует обслуживания, либо требует незначительного обслуживания;
- она позволяет поставлять энергию в централизованную тепловую сеть; и
- она позволяет использовать один теплообменник для передачи тепловой энергии от двух источников тепловой энергии бытовой горячей воде.