ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА ХОЛОДО- И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ СЕМЕЙНОГО ДОМА

Предложение относится к теплотехнике, в частности к системам холодоснабжения и теплоснабжения жилых домов.
Для холодо- и теплоснабжения семейных жилых домов в климате России применяются два основных способа.
Горячая вода для систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, получается от работы котла на газовом или других видах топлива, а холодоснабжение для охлаждения жилых комнат летом осуществляется от работы сплит систем, наружные блоки которых имеют холодильный компрессор с воздушным конденсатором (Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Книга 1. - М.: Стройиздат, 1992.
Горячая вода для систем отопления и горячего водоснабжения производится от работы газового котла, а вентиляция и охлаждение жилых помещений от работы двухступенчатого приточно-вытяжного агрегата, в котором в качестве первой ступени применяется установка утилизации теплоты вытяжного воздуха из вертикальных тепловых трубок, а вторая ступень нагрева обеспечивается работой встроенной холодильной машины зимой в режиме теплового насоса для нагрева приточного наружного воздуха, а летом в режиме охлаждения приточного наружного воздуха (Кокорин О.Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха (систем ВОК). - М.: Проспект, 1999, принятая за прототип).
Недостатком известных способов холодо- и теплоснабжения семейных домов являются:
- использование для нагрева воды котлов на современных видах топлива (газ, мазут, каменный уголь) приводит к выбросу в атмосферу газов, загрязняющих атмосферу и ухудшающих экологию окружающей дом воздушной среды;
H
Koн
- применение для охлаждения жилых помещений сплит систем с холодильными компрессорами с воздушным охлаждением обуславливает высокое давление конденсации рабочего агента в воздушных конденсаторах, которые при высоких температурах наружного воздуха, даже в климате Москвы за летние месяцы последних лет достигали t=34÷36°C, что приводит и резкому увеличению температуры конденсации t и снижению коэффициентов преобразования электроэнергии в холод (см. график фиг.2.12 на стр.66 в работе Мартыновский B.C. Тепловые насосы - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1955);
- холодильные машины в приточно-вытяжных агрегатах обеспечивают выработку холода для охлаждения приточного наружного воздуха только при работе в дневные часы высокой стоимости потребляемой ими электроэнергии;
- теплота конденсации холодильных агентов в конденсаторе холодильной машины полезно не используется, что ведет к перерасходу энергии на получение горячей воды для систем горячего водоснабжения.
Техническим результатом предложения является экономия энергии на режим охлаждения жилых помещений, а также снижение электропотребления в периоды пиковых нагрузок.
Технический результат достигается тем, что энергосберегающая система холодо- и теплоснабжение дома содержит приточно-вытяжной агрегат, холодильную машину с конденсатором и испарителем, пластинчатые теплообменники и сборные баки, при этом приточно-вытяжной агрегат содержит два блока, соединенные между собой и разделенные внутри себя горизонтальной перегородкой на изолированные тракты приточного воздуха и вытяжного воздуха, верхний для приточного наружного воздуха и нижний для вытяжного воздуха из кухни, санузла, ванной, жилых комнат, при этом в первом блоке установлены воздушные фильтры, после которых в тракте вытяжного воздуха последовательно установлены адиабатный увлажнитель, пластинчатый теплообменник и теплообменник установки утилизации тепла вытяжного воздуха с насосной циркуляцией антифриза, а в тракте приточного воздуха последовательно установлены теплообменник установки утилизации тепла вытяжного воздуха на нагрев приточного воздуха и оба теплообменника связаны трубопроводами, на которых размещен насос, мембранный расширительный бак, во втором блоке установлен компрессор, связанный трубопроводами через четырехходовой автоматический клапан с теплообменниками, установленными, соответственно, в трактах приточного и вытяжного воздуха, и приточный и вытяжной вентиляторы, при этом приточный вентилятор через приточный воздуховод и отводы связан с доводчиками эжекторными, размещенными под окнами жилых комнат, а в подвале или цокольном этаже дома установлен компрессор, с водяным конденсатором и испарителем, сообщенным с первым пластинчатым теплообменником, каналы которого соединены с баком сбора канализационной воды от моек, душа, ванной, стиральной и посудомоечной машин, причем фекальная канализация сбрасывается в общий канализационный коллекторный трубопровод, а конденсатор соединен со вторым пластинчатым теплообменником и с первыми баками накопления воды, при этом каналы второго пластинчатого теплообменника соединены со вторыми баками накопления воды для системы горячего водоснабжения и верхняя часть последнего бака системы горячего водоснабжения соединена со стояком раздачи воды горячего водоснабжения и от мест водорасбора горячей воды смонтирован рециркуляционный трубопровод, подсоединенный ко второму пластинчатому теплообменнику, а к верхней части первых баков присоединен трубопровод, разделенный на два подающих трубопровода, один из которых присоединяется отводами через трехходовой автоматический клапан к теплообменнику доводчика эжекционного, а другой трубопровод подсоединен через обратный трубопровод и соленоидные клапаны к конденсатору и испарителю, а на выходе из испарителя смонтированы трубопроводы, которые присоединены ко входу в первые баки накопления воды.
Перечисленные недостатки известной системы устраняются путем следующих новых решений по обеспечению холодом и теплом семейного дома:
- для получения горячей воды для систем отопления и горячего водоснабжения применяется холодильная машина, в испарителе которой зимой в качестве низкопотенциального тепла служит условно чистая канализационная вода от моек, душа, ванной, стиральной и посудомоечной машин, собираемая в бак в 16 дневных часов активной жизнедеятельности жильцов и гостей семейного дома, холодильная машина работает в ночные 8 часов дешевой электроэнергии;
W.ГВС
W.X
- в теплое время года при высокой температуре наружного воздуха в холодильной машине в конденсаторе нагревается вода до 60°С, которая летом используется для нагрева воды до 55°С, на нужды горячего водоснабжения семейного дома, а в испарителе охлаждается вода до 12°С. Холодильная машина работает в ночные часы и горячая вода, получаемая от тепла конденсации, собирается в баке при температуре t=55°C и днем используется на нужды горячего водоснабжения семейного дома, а получаемая в ночные часы работы холодильной машины летом холодная вода с t=12°C собирается в баке и расходуется на охлаждение помещений;
- для экономии энергии на режим охлаждения жилых помещений, в воздушном тракте вытяжного воздуха после фильтра устанавливается пластинчатый теплообменник, в который днем подается холодная вода, собранная в ночные часы работы холодильной машины и собранной в баке, которая охлаждает антифриз, подаваемый в теплообменник установки утилизации в потоке приточного наружного воздуха, что обеспечивает его охлаждение до 20°С и приточный наружный воздух температуры притока порядка 15°С, охлаждается в дневные часы от работы холодильной машины во второй ступени приточно-вытяжного агрегата, что позволит сократить вырабатываемый холод от работы холодильной машины до 60%;
Кон
TП
ТП
- для снижения давлений конденсации в воздушном конденсаторе холодильной машины в тракте вытяжного воздуха после фильтра установлено устройство адиабатного увлажнения, что позволяет понизить температуру вытяжного воздуха с 31°С до 24°С и, соответственно, получить температуру конденсации до t=30°C, что увеличит показатель преобразования электроэнергии в тепло конденсации примерно до η=6 кВт/кВт, вместо η=3,5 кВт/кВт (Мартыновский B.C. Тепловые насосы - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1955).
На чертеже представлена принципиальная схема экологичного и энергосберегающего холодо- и теплоснабжения семейного дома.
ПН.Мин
От
y
ПН.Мин
y
ПН.Мин
ПН.Мин
W.Кан
W.ГВС
3
Санитарная норма приточного наружного воздуха приготовляется в блоках приточного вытяжного агрегата 1, разделением на два воздушных тракта. Верхний для саннормы приточного наружного воздуха L=3·F, м/час и нижний для вытяжного из кухни, санузла, ванной, жилых комнат загазованного воздуха, равного L=0,9L. В первом блоке установлены воздушные фильтры 2, после которых в тракте прохода L установлен адиабатный увлажнитель 3, и после него смонтирован пластинчатый теплообменник 9 и теплообменник 5 установки утилизации тепла вытяжного воздуха с насосной циркуляцией антифриза и в тракте L смонтирован теплообменник 4 установки утилизации тепла вытяжного воздуха на нагрев L и оба теплообменника связаны трубопроводами 6 на которых смонтирован насос 7, мембранный расширительный бак 8. Во втором блоке установлен компрессор 10 с частотным регулированием производительности, связанный медными трубопроводами через четырехходовой автоматический клапан 11 с теплообменниками 12 и 13, установленными, соответственно, в трактах приточного и вытяжного воздуха, и приточный 14 и вытяжной 15 вентиляторы, а приточный вентилятор 14 через приточный воздуховод 16 и отводы 17 связан с доводчиками эжекторными 18, установленными под окнами жилых комнат, а в подвале или цокольном этаже дома установлен компрессор 19, с водяным конденсатором 20 и испарителем 21. Испаритель 21 трубопроводами 22 со смонтированных на них насосом 23 и соленоидными вентилями 54 и 55 прямого действия (зимой открыты), соединены с разборным пластинчатым теплообменником 24, вторые каналы которого через трубопроводы 25 с насосом 26, водяным фильтром 27 и трехходовым клапаном 28 соединены с баком 29 сбора по трубопроводу 30 канализационной воды G от моек, душа, ванной, стиральной и посудомоечной машин, а фикальная канализация по трубопроводу 31 сбрасывается в общий канализационный коллекторный трубопровод 32, а конденсатор 20 через трубопроводы 33 с насосом 34 соединен с пластинчатым теплообменником 35 и через отводы 33 с соленоидным вентилем 56 с баками 36, а вторые каналы пластинчатого теплообменника 35 трубопроводом 37 с насосом 38 соединен с баками 39 накопления воды для системы горячего водоснабжения G и верхняя часть последнего бака 39 через трубопровод 40 с насосом 41 соединена со стояком 42 раздачи воды ГВС и от мест водорасбора горячей воды смонтирован рециркуляционный трубопровод 43 с насосом 44 к пластинчатому теплообменнику 35, а к верхней части последнего бака 36 присоединен трубопровод 45 с насосом 46 на стороне нагнетания которого трубопровод 45 разделяется на два подающих трубопровода 47 и 48, трубопровод 47 присоединяется отводами 49 через трехходовой автоматический клапан 50 к теплообменнику 51 доводчика эжекционного 18, а обратный трубопровод 52 через соленоидный клапан 57 присоединен к трубопроводам 33 к конденсатору 20, а через соленоидный клапан 58 обратного действия (зимой закрыт), трубопровод 52 присоединяется к трубопроводу 22 входа в испаритель 21, а на выходе из испарителя 21 смонтированы трубопроводы 53 с соленоидным клапаном 59 и насосом 54 и присоединяется к входу в баки 36.
ПН.Мин
y
y2
ПН.Мин
y
ПН
ПН
ПН
Кон
W.Вод
W.Рец.
W.ГВС
W.ГВС
W.Вод
W.Г
Bx
W.От
W.Х
W.Кон
W.Кон
H
HП
H
y
y1
y2
Кон
0
ХМ
W.Х
W.От
W.Х
Кон
W.ГВС
W.ГВС
W.Х
B
ПН
W.Х
Аф
ПН.Мин
W.От
П
Пов
Экологичное и энергосберегающее холодо- и теплоснабжение работает в двух режимах: «зима» - «лето». В режиме «зима» все соленоидные вентили 54, 55, 56 и 57 открыты, а вентили 58, 59 и 60 закрыты. Компрессор 10 во втором блоке агрегата 1 работает в режиме теплового насоса на нагрев в теплообменнике 12 приточного наружного воздуха L, который от работы вентилятора 14 прошел очистку в фильтре 2 и первый подогрев в теплообменнике 4 от утилизации тепла из вытяжного воздуха L, которое воспринято на нагрев антифриза, циркулирующего от работы насоса 7, а в установку адиабатного увлажнения 3 вода не подается и вытяжной воздух не понижает температуру и после охлаждения в теплообменнике 5 с температурой не менее t=+5°C поступает к теплообменнику 13, в который по соединительным медным трубкам через автоматический четырехходовой клапан 11 поступает парожидкостная смесь рабочего агента (например, хладон R22), сконденсированная в теплообменнике 12 от нагрева L, и охлажденный в теплообменнике 13 вытяжной воздух L от работы вентилятора 15 выбрасывается в атмосферу и нагретый в двух ступенях в теплообменниках 4 и 12 приточный наружный воздух L с температурой t=+8°С по приточному воздуховоду 16 через отводы 17 поступает 1 к соплам в доводчиках эжекционных 18, установленные под окнами жилых комнат, и эжектирует через теплообменник 51. Компрессор 19 работает только в ночные 8 часов дешевого тарифа на расходуемую электроэнергию и горячие пары рабочего агента нагнетаются в теплообменник 20, являющийся конденсатором, и по другую стенку каналов теплообменника 20 от работы насоса 34 по трубопроводам 33 проходят нагревание до t=60°C вода, которая поступает к пластинчатому теплообменнику 35 и бакам 36, а по другую сторону каналов в пластинчатом теплообменнике 35 от работы насосов 38 и 44 проходит нагреваемая смесь водопроводной G и рециркуляционной G воды, которая нагревается до t=55°С и по трубопроводу 37 поступает в баки 39 для ночного накопления на нужды дневного горячего водоснабжения GWГВС семейного дома от включения в 7 часов утра насоса 41, который подает по трубопроводу 40 к стояку 42 горячую воду G, для разбора у раковины, душа, ванной на дневные нужды обитателей семейного дома и не использованная горячая вода по трубопроводу 43 от работы насоса 44 поступает на смешение с G перед нагревом в пластинчатом теплообменнике 35 в ночные часы, а поступившая по отводному трубопроводу 33 горячая вода t=60°C в баки 36 от работы насоса 46 по трубопроводам 45 и 47 подается через отводы 49 к теплообменника 51 доводчиков эжекционных 18 и расход горячей воды через теплообменник 51 контролируется датчиком t=20°C воздействием на автоматический клапан 50 при открытии зимой соленоидном вентиле 57 поступает по трубопроводу 33 на нагрев в конденсаторе 20, а в теплообменник 21, являющийся испарителем рабочего агента, от работы насоса 23 по трубопроводу 22. Отепленная в разборном пластинчатом теплообменнике 24 до температуры t=16°C вода, которая в испарителе 21 охлаждается до t=10°C, а по вторым каналам разборного пластинчатом теплообменнике 24 от работы насоса 26 по трубопроводу 25 через водяной фильтр 27 и трехходовой автоматический клапан 28 проходит очищенная условно чистая канализационная вода с t=35°C от моек, душа, ванной, стиральной и посудомоечных машин, поступающая в дневные часы G. по канализационному трубопроводу 30 в бак 29. Фикальная канализационная вода по стояку 31 поступает в общий канализационный коллектор 32. Режим «зима» продолжается до температур наружного воздуха t=t=+8°C и при t≥16°C по сигналу с центрального пульта автоматического управления (на чертеже не показан) последует сигнал на закрытие вентилей 54, 55, 56 и 57, и открытие вентилей 58, 59 и 60. В четырехходовом автоматическом клапане 11 во втором блоке агрегата 1 переместится сектор и горячие пары рабочего агента будут при работе компрессора 10 поступать в трубки теплообменника 13, а в устройстве адиабатного увлажнения 3 поступит водопроводная вода для увлажнения гигроскопических полотен, через которые происходит вытяжной воздух L с t≈31°C и понижает от адиабатного увлажнения t=23°C и в теплообменнике 13 отводить тепло конденсации рабочего агента при температуре конденсации не выше t=35°C, что позволит получить при температуре испарения t=12°C коэффициент преобразования электроэнергии, потребляемой компрессором 10, в холод не менее η=3,5 кВт/кВт. Насос 46 будет по трубопроводу 45 забирать холодную воду t=14°C из баков 36, где она накоплена при работе компрессора 19 в ночные часы в режиме «лето», когда в испарителе 21 охлаждается вода с t=17°С до t=14°C, которая насосом 54 по трубопроводу 53 подается в баки 36. После конденсатора 20 нагретая до t=60°С вода насосом 34 по трубопроводам 33 подается в пластинчатый теплообменник 35, в котором в ночные часы работы компрессора t=55°С и от работы насоса 38 подается в баки 39 для ночного наполнения на дневные периоды G. От работы насоса 46 по трубопроводу 45 холодная вода t=14°C по трубопроводу 47 будет поступать по отводу 49 через автоматический клапан 50, который летом настроен на поддержание в жилой комнате t=25°C, в теплообменнике 51 доводчика эжекционного 18, в котором поступающий по отводу 17 приточный наружный воздух 1 выходит из сопел и эжектирует через теплообменник 51 внутренний воздух, который будет охлаждаться до 20° проходя со стороны оребрения трубок теплообменника 51, по которым проходит холодная вода с t=14°C и отепляется до 17° и по трубопроводу 52 от работы насосов 46 и 54 подается на ночное охлаждение в испарителе 21. Поступающая по трубопроводу 48 холодная вода в пластинчатый теплообменник 9 первого блока агрегата 1 охлаждает антифриз до t=18°С и насос 7 подает охлажденный антифриз в трубки теплообменника 4, через который со стороны оребрения трубок проходит приточный наружный воздух L который охлаждается до 21°, что позволяет значительно сократить холодопроизводительность, получаемую от работы компрессора 10, в дневные часы и, соответственно, значительно сократить потребляемую днем электроэнергию двигателем компрессора 10. Отепленная в пластинчатом теплообменнике 9 вода с t=17°С по трубопроводу 52 возвращается к испарителю 21, а для снижения расхода электроэнергии, на режим охлаждения производится в ночные часы накопление холода в строительных конструкциях, мебели, домашних приборах, продолжают работать приточный 14 и вытяжной 15 вентиляторы, а компрессор 20 работает и от испарителя 21 по трубопроводу 53 от работы насоса 54 подается холодная вода в баки 36. И из них насос 46 по трубопроводу 48 подает холодную воду в пластинчатый теплообменник 9 и по трубопроводу 47 в теплообменники 51 доводчиков эжекционных 18, установленных в жилых комнатах, что обеспечивает поступление в жилые комнаты приточного воздуха 1 с температурой порядка 18° и за ночной период пол, стены и потолок могут охладиться с дневной температуры 25° до 23°, что позволит при поступлении в дневные часы через окна проникающей солнечной радиации нагрев строительных конструкций допустить до t=25°С, что не допустит поступление в воздух помещения тепла от нагреваемых проникающей в жилые помещения солнечной радиации поверхностей.