СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЛАССИЧЕСКИХ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Изобретение относится к системам энергоснабжения объектов жилого, торгово-административного, культурно-развлекательного, курортно-оздоровительного и другого назначения на основе установок с использованием классических и возобновляемых источников энергии.
Известна система энергообеспечения объектов с использованием в качестве основного источника централизованные сети. Теплоснабжение в таких системах поступает напрямую в систему отопления, электроснабжение напрямую потребителю. Недостатком таких систем является жесткая зависимость от поставщиков энергоснабжения, сезонные перегрузки линий транспортировки источников энергии и как следствие перебои в энергоснабжении.
Известны устройства для энергообеспечения помещений с использованием возобновляемого природного источника энергии низкопотенциального тепла верхних слоев Земли, с помощью грунтовых теплообменников в скважинах и тепловых насосов (ТН). Устройство применено в климатических условиях одного из центральных регионов России для теплоснабжения здания сельской школы /Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области. - АВОК, 2002, №5, с.22-24/. Устройство содержит, подключенную к сети теплоснабжения помещений (отопительной сети), через водоаккумуляторы с пиковыми догревателями и конденсаторы тепловых насосов, систему сбора и утилизацию тепла грунта, включающую контур циркуляции незамерзающего низкопотенциального теплоносителя, проходящий через испарители тепловых насосов и установленные в скважинах теплообменники коаксиального типа. В межтрубном пространстве теплообменника происходит передача тепла от окружающего грунта теплоносителю, после чего подогретый теплоноситель подают через центральную трубу к испарителю теплового насоса. Недостатком известного устройства является значительные площади укладки скважных теплообменников и связанные с его укладкой трудоемкие земляные и монтажные работы, а также, то обстоятельство, что его конструкция не обеспечивает возможность подогрева остывающего в течение отопительного сезона теплоносителя перед подачей в тепловой насос. Последнее обстоятельство приводит к неполному естественному восстановлению температуры грунта в межотопительные периоды, и дефицит температуры грунта относительно начальной его величины накапливается с каждым отопительным сезоном. Как следствие, это приводит к увеличению количества электроэнергии, потребляемой приводом ТН, и уменьшению коэффициента преобразования теплового насоса. К тому же остается невостребованным потенциал охлажденных скважин, который можно экономически выгодно применить на охлаждение помещений в летний период, сочетая возможность охлаждения с дополнительным восстановлением теплового режима скважин и увеличивая таким образом коэффициент использования первичной энергии за счет дополнительных энергопотоков к потребителю. Еще одним недостатком известного устройства является зависимость системы отопления от централизованной сети электроснабжения, что влечет за собой недостатки предыдущего аналога.
2
Известна установка комбинированного солнечно-теплонасосного теплоснабжения, примененная в геолого-климатических условиях Украины, для теплоснабжения двухэтажного коттеджа площадью 340 м /Агеева Г.Н., Лантух Н.Н., Щербатый B.C. Комбинированная солнечно-теплонасосная установка как вариант технического решения теплоснабжения. - СОК, 2005, №12/. Известное устройство содержит систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через проложенную в грунте систему пластиковых труб большой площади, контур холодоснабжения и испаритель теплового насоса, систему отопления и горячего водоснабжения (ГВС), включающую конденсатор теплового насоса, буферную емкость горячего теплоносителя, емкостной водонагреватель с двумя теплообменниками, контуры отопления, горячего водоснабжения и теплоснабжения бассейна, котел на жидком топливе, систему сбора тепла солнечной энергии, включающую контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора с самим солнечным коллектором, подключенный через теплообменник в контур циркуляции теплоносителя между тепловым насосом и буферной емкостью и к теплообменнику емкостного водонагревателя. Тепловая энергия в емкостной водонагреватель ГВС поступает от солнечного коллектора, преобразующего солнечную энергию в тепловую. При накоплении емкостного водонагревателя идет накопление тепла в буфере-накопителе. При отсутствии солнечной радиации либо недостаточной ее интенсивности вода в верхней части емкостного водонагревателя нагревается теплом буферной емкости или котлом. Тепловая энергия в буферную емкость поступает в первую очередь от теплового насоса. Котел теплоснабжения (отопление, ГВС) запускается в случае, если запасенной тепловой энергии в буферной емкости и емкостном водонагревателе недостаточно для покрытия тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения. В летние месяцы охлаждение коттеджа производится путем применения функции ТН «natural cooling». Это особый энергосберегающий метод охлаждения помещений, т.к. в этом случае, отбирая низкопотенциальное тепло земли от грунтового аккумулятора (8-12°С), потребляется лишь незначительное количество электроэнергии для работы циркуляционных насосов. Недостатком известного устройства является отсутствие возможности повышения температуры подаваемого в тепловой насос низкопотенциального теплоносителя и восстановление температурного режима скважин. При недостаточной интенсивности солнечной радиации солнечный коллектор не используется, что снижает общую эффективность системы. При этом в работу включается отопительный котел на жидком топливе, что вызывает дополнительные затраты на приобретение топлива, транспортировку и хранение. Недостатком также является зависимость всей системы теплоснабжения от поставок электроэнергии из централизованной сети.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии /патент: РФ №2350847, зарегистрирован в Госреестре 10.09.2007 изобретений, РФ F24D 3/08/. Известное устройство содержит систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через скважинные теплообменники, контур холодоснабжения и испаритель теплового насоса, систему отопления и горячего водоснабжения, включающую конденсатор теплового насоса, буферную емкость горячего теплоносителя, емкостной водонагреватель с двумя теплообменниками и электрическим пиковым нагревателем, контуры отопления и горячего водоснабжения, а также систему сбора тепла солнечной энергии, включающую контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора с солнечным коллектором и регулятором контура солнечного коллектора, подключенный через один вывод трехходового переключающего клапана к теплообменнику емкостного водонагревателя для приготовления горячей воды, согласно изобретению через второй вывод трехходового переключающего клапана система сбора тепла солнечной энергии 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 солнечных коллекторов и использованием потенциала охлажденных скважин на охлаждение помещений, в системе также установлены фотоэлектрический модуль, ветроэлектрическая станция и микрогидроэлектростанция, соединенные с электрооборудованием системы теплоснабжения и передающие им электроэнергию через блок управления, состоящий из блока коммутации, инвертора, выпрямителя, аккумуляторной батареи, распределительного устройства и микропроцессорного блока управления. Недостатками известного устройства является значительные площади укладки скважных теплообменников и связанные с его укладкой трудоемкие земляные и монтажные работы, отсутствие резервного источника тепловой энергии, не рациональное использование электроэнергии возобновляемых источников энергии, гибкость регулирования температуры помещения.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности, надежности, гибкости регулирования системы теплоснабжения, обеспечение резервирования системы отопления, за счет управления микропроцессорным блоком различными источниками энергии, приоритет из которых имеет возобновляемые источники, но возможно и использование централизованной линии электроэнергии.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что система энергоснабжения потребителя на основе комплексного использования классических и возобновляемых источников энергии, содержит систему отопления и горячего водоснабжения, включающую конденсатор теплового насоса, буферную емкость горячего теплоносителя, емкостной водонагреватель с двумя теплообменниками и электрическим нагревателем, между теплообменником емкостного водонагревателя и контуром отопления, через переключающие клапаны установлен отопительный котел, в контур отопления через переключающие клапаны подключены конвекторы, систему сбора тепла солнечной энергии, включающую контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора с солнечным коллектором и регулятором контура солнечного коллектора, подключенную через клапан к теплообменнику емкостного водонагревателя, систему выработки и распределения электрической энергии, включающую фотоэлектрический модуль, ветроэлектрическую станцию, соединенные с электрооборудованием системы теплоснабжения, ввода резерва и подключенной к внешним потребителям электрической энергии через блок управления, состоящий из блока коммутаций, инвертора, аккумуляторной батареи, контроллера заряда аккумуляторной батареи, микропроцессорного блока управления, автоматического ввода резерва.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурой 1.
Система энергоснабжения потребителя на основе комплексного использования классических и возобновляемых источников энергии, содержит систему отопления и горячего водоснабжения, включающую систему сбора энергии окружающего воздуха, состоящую из контура циркуляции теплоносителя теплового насоса 1, проходящего по контуру испаритель 2, конденсатор 3, циркуляционный насос 4, контура отопления, включающий буферную емкость 5, переключающие клапаны 6, 7, 8, 9, верхний теплообменник 10 емкостного водонагревателя 11, котел отопления 12 с электророзжигом 13, отопительные радиаторы 14 с запорными клапанами 15, конвекторы 16 с запорными клапанами 17, теплоноситель контура отопления циркулирует с помощью насосов 18, 19, систему сбора тепла солнечной энергии, включающую контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора, циркуляция происходит по контуру солнечный коллектор 20, нижний теплообменник 21 емкостного водонагревателя 11 и регулятор контура солнечного коллектора, состоящий из запорного клапана 22 и циркуляционного насоса 23, систему горячего водоснабжения, включающую подвод холодной воды к нижней части емкостного водонагревателя 11, с двумя теплообменниками 10, 21 и электрическим нагревателем 24, и отвод горячей воды из верхней части емкостного водонагревателя 11, систему выработки и распределения электрической энергии, включающую фотоэлектрический модуль 25, ветроэлектрическую станцию 26, соединенные с блоком аккумуляторных батарей 27, через контроллер заряда батареи 28, входящего в блок управления 29 системы выработки и распределения электроэнергии, основными узлами которого является контроллер заряда батареи 28, микропроцессорный блок управления 30, инверторную установку 31 и автоматический ввод резерва 32.
Процесс работы системы энергоснабжения потребителя на основе комплексного использования классических и возобновляемых источников энергии, условно можно разделить на три этапа:
1. Работа системы выработки и распределения электрической энергии;
2. Работа системы отопления и горячего водоснабжения в отопительный период;
3. Работа системы отопления и горячего водоснабжения в межотопительный период;
Первый этап. Работа системы выработки и распределения электрической энергии. Фотоэлектрический модуль 25 преобразует энергию солнечного излучения и через контроллер заряда батареи 28 заряжает блок аккумуляторных батарей 27. Одновременно блок аккумуляторных батарей 27 заряжается от ветроэлектрической станции 26. Микропроцессорный блок управления 30 анализирует состояние заряда блока аккумуляторных батарей 27 и при достаточном уровне подает напряжение постоянного тока на инверторную установку 31, где преобразуется в напряжение 220 В 50 Гц переменного тока, и далее через устройство автоматического ввода резерва 32 подается в сеть потребителя, а при снижении уровня заряда блока аккумуляторных батарей 27 ниже минимально допустимого уровня заряда, микропроцессорный блок управления 30 подает команду на автоматический ввод резерва 32, и потребитель подключается к питанию от централизованной сети электроэнергии. Микропроцессорный блок управления 30, согласно заложенному алгоритму, контролирует работу всей системы энергоснабжения потребителя на основе комплексного использования классических и возобновляемых источников энергии, подает команды управления клапанами 6, 7, 8, 9, 15, 17, 22, котлам отопления 12 с электророзжигом 13, регулирует работу циркуляционных насосов 4, 18, 19, 23, при переизбытке электроэнергии, а так же в случае необходимости догрева теплоносителя емкостного водонагревателя 11 на электрический нагреватель 24 подается электрическая мощность, преобразуемая последним в тепловую.
Второй этап. Работа системы отопления и горячего водоснабжения в отопительный период. Отопительный период характеризуется низкой солнечной активностью, температурой окружающего воздуха ниже 0°С, в связи с чем система отопления перестраивается таким образом, чтобы обогревать температуру внутри помещения. Система отопления и горячего водоснабжения включает следующие контура: контур системы сбора тепла солнечной энергии и контур системы теплового насоса и отопительного котла. Контур системы сбора тепла солнечной энергии работа которой описывается следующим образом: теплоноситель передает тепловую энергию солнечной радиации собранную в трубках солнечного коллектора 20, и с помощью циркуляционного насоса 23 и открытого запорного клапана 22 подается в нижний теплообменник 21 емкостного водонагревателя 11, если температура теплоносителя контура сбора тепла солнечной энергии ниже температуры отопления то циркуляционный насос 23 отключается и запорный клапан 22 переводится в закрытое состояние. Контур системы теплового насоса и отопительного котла проходит через верхний теплообменник 10 емкостного водонагревателя 11, отопительный котел 12, переключающий клапан 8, параллельно включенные отопительные радиаторы 14 с запорными клапанами 15 и конвекторы 16 с запорными клапанами 17, переключающий клапан 9, буферную емкость 5 теплового насоса 1, переключающие клапаны 6, 7, циркуляционный насос 18, верхний теплообменник 10 емкостного водонагревателя 11. Остывший теплоноситель контура с выхода отопительных радиаторов 14 и конвекторов 16, нагревается в буферной емкости 5 теплового насоса 1 и через верхний теплообменник 10 емкостного водонагревателя 11, нагревает воду для горячего водоснабжения. Если температура буферной емкости 5 теплового насоса 1 не может обеспечить догрев теплоносителя системы отопления с выхода радиаторов 14, то дальнейшее использование теплового насоса 1 является не рациональным, и с помощью переключающих клапанов 9 и 7, из контура отключается буферная емкость 5 теплового насоса 1 и прекращается работа циркуляционного насоса 4, дальнейший нагрев теплоносителя обеспечивается отопительным котлом 12. В случае переизбытка уровня заряда блока аккумуляторных батарей 27, включатся электрический нагреватель 24 емкостного водонагревателя 11.
Третий этап. Работа системы отопления и горячего водоснабжения в меж-отопительный период. Для меж-отопительного периода характерна высокая солнечная активность, высокая температура окружающего воздуха, в связи с чем система отопления перестраивается таким образом, чтобы охлаждать температуру внутри помещения. Переключающие клапана организуют два независимых контура, первый контур: переключающий клапан 7, циркуляционный насос 18, верхний теплообменник 10, котел отопления 12, переключающий клапан 8, причем котел отопления 12 и циркуляционный насос 18 находятся в выключенном состоянии, второй контур: буферная емкость 5 с конденсатором 3, переключающий клапан 6, циркуляционный насос 19, конвекторы 16, запорный клапан 17, переключающий клапан 9 буферная емкость 5. Второй контур организует функцию характерную для тепловых насосов «natural cooling», это особый энергосберегающий метод охлаждения помещений, когда потребляется лишь незначительное количество электроэнергии для работы циркуляционных насосов 4 и 19. Горячее водоснабжение обеспечивается в основном системой сбора тепла солнечной энергии, работа которой описывается следующим образом: теплоноситель передает тепловую энергию солнечной радиации собранную в трубках солнечного коллектора, и с помощью циркуляционного насоса 23 и открытого запорного клапана 22 подается в нижний теплообменник 21 емкостного водонагревателя 11. В случае больших расходов горячей воды, дополнительно с системой сбора тепла солнечной энергии, может включаться электрический нагреватель 24, или циркуляционный насос 18 с отопительным котлом 12.