СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АТМОСФЕРНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ЗДАНИЙ С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ВЛАЖНОСТИ ВЫТЯЖНОГО ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF USE OF ATMOSPHERIC HEAT PUMP IN SYSTEMS OF AIR CONDITIONING IN BUILDINGS WITH RECOVERY OF HEAT ENERGY AND HUMIDITY OF EXHAUST AIR AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха зданий при использовании рекуперации тепловой энергии и влажности, преимущественно в случаях, когда строить котельную с подведением к ней газа или пользоваться постоянным подвозом топлива затруднительно, а выделенной электрической мощности недостаточно для отопления здания или отопление на электричестве требует больших эксплуатационных затрат.
В таких случаях применяют тепловые насосы, использующие низкопотенциальное тепло атмосферы в системах кондиционирования воздуха для отопления жилых помещениях в виде сплит-системы.
Известен способ утилизации тепла атмосферного воздуха посредством теплового насоса, заключающийся в следующем. Поток атмосферного воздуха (в дальнейшем - АВ) подается на внешний блок теплового насоса, передавая теплообменнику тепловую энергию. После прохождения внешнего блока воздушный поток АВ направляется обратно во внешнюю атмосферу. Внешний блок теплового насоса расположен вне здания. Тепловой насос передает («перекачивает») полученную тепловую энергию от теплообменника внешнего блока на теплообменник внутреннего блока, расположенный внутри здания. Воздушный поток внутреннего воздуха (в дальнейшем - ВВ) пропускается через теплообменник внутреннего блока, принимая от него тепловую энергию. Далее подогретый воздушный поток ВВ распределяется внутри здания. Этот способ обеспечивает использование («перекачку») тепловой энергии из потока АВ потоку внутреннего воздуха ВВ.
Недостатком известного способа является использование только тепловой энергии потока атмосферного воздуха АВ. Данный способ не позволяет использовать тепло вытяжного воздуха системы вытяжной вентиляции [1].
Известен также способ использования теплового насоса для рекуперации тепла в приточно-вытяжных вентиляционных установках, который заключается в следующем.
На первый теплообменник подается поток внутреннего вытяжного воздуха ВВ1, который передает ему тепловую энергию. После первого теплообменника указанный воздушный поток удаляется во внешнюю атмосферу. Тепловой насос «перекачивает» тепловую энергию от первого теплообменника на второй теплообменник. Оба этих теплообменника находятся внутри теплового контура здания. Приточный атмосферный поток воздуха АВ1 пропускается через второй теплообменник, принимая от него тепловую энергию. Обработанный таким образом воздушный поток АВ1 распределяется внутри здания.
Этот способ позволяет нагреть приточный воздух до относительно высоких температур. Но для компенсации теплопотерь здания с помощью нагретого тепловым насосом приточного воздуха требуются большие расходы воздуха. Применять данный способ для кондиционирования воздуха эффективно только для зданий, в которых требуется большая кратность воздухообмена свежего воздуха, и неэффективно для зданий, для которых не требуется большой приток свежего воздуха [2].
Все известные решения основаны на использовании отдельных источников тепла, вследствие чего они не обеспечивают комплексного энергосбережения.
Предлагаемый способ использования теплового насоса заключается в использовании всех доступных для системы кондиционирования источников тепловой энергии, а именно тепла вытяжного воздуха, низкопотенциального тепла атмосферного воздуха, а также тепла конденсации водяного пара. Это обеспечивает повышение энергоэффективности в сравнении с известными решениями. Предлагаемый способ также обеспечивает расширение диапазона рабочих температур внешнего воздуха для тепловых насосов «воздух-воздух». Применение подмеса в поток АВ воздуха ВВ1 позволяет повысить КПД теплового насоса, что также повышает эффективность способа.
Предлагаемый способ позволяет использовать полученную при конденсации водяного пара для увлажнения воздуха в отапливаемых помещениях. Этим достигается максимальная рекуперация влажности вытяжного воздуха, что особенно актуально при низких температурах атмосферного воздуха.
За счет совмещения функций используемых в реализации способа устройств обеспечивается упрощение конструкции системы.
Предлагаемый способ использования теплового насоса иллюстрируется фигурами, на которых представлено следующее. На фиг.1 представлена последовательность процессов, используемых при реализации способа. На фиг.2 представлен вид сверху устройства, реализующего предлагаемый способ.
Предлагаемый способ использования теплового насоса включает в себя следующую последовательность процессов.
Входящий атмосферный воздух АВ направляют в канал внешнего воздуха 1, расположенный внутри теплового контура здания. В этом канале 1 последовательно расположены камера отвода конденсата 2 регенератора влажности 3 и внешний теплообменник 4 теплового насоса 5. Прежде достижения камеры отвода конденсата 2 и внешнего теплообменника 4 теплового насоса 5 к потоку атмосферного воздуха АВ подмешивают поток внутреннего вытяжного воздуха ВВ1. Таким образом образуется поток ABB, последовательно направляемый на камеру отвода конденсата 2 регенератора влажности 3 и внешний теплообменник 4 теплового насоса 5. В камере отвода конденсата 2 регенератора влажности 3 из потока ABB удаляется водяной пар. Затем поток ABB направляют на внешний теплообменник 4 теплового насоса 5. Благодаря тому что из потока ABB в камере отвода конденсата 2 был удален водяной пар, обеспечивается уменьшение обмерзания внешнего теплообменника 4. В теплообменнике 4 отбирается у потока ABB тепло для передачи его тепловым насосом 5 на внутренний теплообменник 6. После этого использованный воздух сбрасывают в атмосферу.
Забираемый из атмосферы поток внешнего воздуха АВ1 направляют во внутренний канал 7, расположенный внутри здания 8. В результате смешения потоков внешнего воздуха АВ1 с потоком внутреннего воздуха ВВ во внутреннем канале 7 образуется поток ВАВ. Этот поток пропускают через расположенный во внутреннем канале 7 внутренний теплообменник 6 теплового насоса 5. В результате этого поток ВАВ нагревается, после чего направляется на увлажнитель 9 регенератора влажности 3. Поток ВАВ в увлажнителе 9 насыщают влагой, собранной осушителем 2 регенератора влажности 3 для создания комфортных по влажности условий в здании 8. Обработанный таким образом поток ВАВ распределяется внутри здания 8 через систему воздуховодов. Таким образом, обеспечивается поддержание необходимых параметров микроклимата внутри здания.
Предлагаемый способ может быть реализован в виде устройства, изображенного на Фиг.2.
Тепловой насос располагается внутри теплового контура здания 1 и включает в себя следующие последовательно соединенные узлы: камера входная 2, камера смесительная 3, камера отвода конденсата 4, блок вентиляторный 5 и внешний блок 6 теплового насоса, канальный водяной теплообменник 7, камера выходная 8, клапан выпускной 9. К камере смесительной 3 присоединен выпускной патрубок 10 системы вытяжной вентиляции здания. Камера отвода конденсата 4 соединена каналом отвода конденсата 11 с увлажнителем 12. Внешний блок 6 теплового насоса соединен трубопроводами 13, заполненными хладагентом, с внутренним блоком 14 теплового насоса. Все узлы установки, за исключением внутреннего блока 14 теплового насоса и увлажнителя 12, располагаются в одном или нескольких корпусах, герметично соединенных между собой и образующих канал для прокачки внешнего воздуха внутри теплового контура здания. С целью снижения тепловых потерь здания, а также для обеспечения минимизации шума от использования устройства корпусы всех узлов изнутри снабжены эффективной тепло- и звукоизоляцией 15. Управление работой устройства осуществляет блок автоматики 16 по сигналам управления термостата 17.
Устройство функционирует в режиме теплового насоса следующим образом. При снижении температуры в заданной точке внутри здания ниже установленной на термостате 14 блок автоматики 13 открывает запорный клапан камеры входной 2, включает электродвигатель вентилятора 5 и приводит в действие тепловой насос 6, при этом реверсивный клапан насоса переводится в положение «нагрев» и запускает компрессор. Холодный наружный воздух под воздействием разрежения, создаваемого вентилятором 5, проходит через решетку входную и фильтр камеры входной 2 и попадает в камеру смесительную 3, в которую одновременно подается поток внутреннего (вытяжного) воздуха через канал 13. При смешивании сухого холодного наружного воздуха с влажным вытяжным воздухом происходит повышение температуры смешанного потока и образование конденсата (а при большом перепаде температур наружного и внутреннего воздуха и образование снега), который собирается и отводится из устройства в камере отвода конденсата 4. Конденсат посредством трубопровода подается на вход увлажнителя 14 системы воздушного отопления здания. Таким образом, осуществляется возврат влаги вытяжного воздуха обратно в здание и поддержание комфортного значения влажности внутри (рекуперация влажности). Смешанный поток после вентилятора 5 под давлением подается на теплообменник (в данном случае испаритель) теплового насоса 6, что приводит к испарению в нем хладагента. При испарении хладагента из смешанного потока забирается как тепло вытяжного воздуха, так и низкопотенциальное тепло холодного атмосферного воздуха. Отобранное тепло из испарителя теплового насоса 6 переносится хладагентом в канал системы воздушного отопления здания, где передается циркулирующему в здании внутреннему воздуху посредством конденсатора 15 (возможен вариант с передачей тепла в контур нагрева воды для горячего водоснабжения или отопления дома). Таким образом, осуществляется практически полная утилизация тепла вытяжного воздуха здания без применения специальных рекуператоров и использование низкопотенциального тепла атмосферы для нагрева воздуха или воды в здании.
Работа предлагаемого устройства имеет циклический характер. При достижении значения температуры в заданной точке внутри здания, соответствующей установленной на термостате 12, блок автоматики 11 закрывает клапан камеры входной 2, прекращая доступ в устройство холодного внешнего воздуха, снижает обороты вентилятора 5 и выключает тепловой насос 6. Устройство переходит в режим вентиляции с выбрасыванием вытяжного воздуха наружу. В случае срабатывания датчика обмерзания испарителя теплового насоса 6 режим вентиляции включается без команды от термостата. В результате осуществляется режим оттаивания, который происходит за счет продувки канала устройства теплым вытяжным воздухом. При этом устройство возвращается в рабочий режим после завершения режима оттаивания, что фиксируется благодаря отключению датчика обмерзания испарителя теплового насоса 6. При отсутствии людей в доме с целью энергосбережения предусмотрен режим, при котором блок автоматики 11 вместо включения режима вентиляции выключает устройство полностью, при этом вентилятор 5 выключается и закрывается клапан выходной 9. При понижении температуры воздуха внутри здания термостат 12 выдает команду на включение устройства и цикл повторяется. В летнее время устройство переключается в режим охлаждения воздуха в здании. При этом устройство включается в работу, когда температура в заданной точке внутри здания превысит установленный порог на термостате 12. При этом реверсивный клапан теплового насоса 6 переводится по команде блока автоматики 11 в положение «Охлаждение», что приводит к изменению направления движения хладагента на противоположное положению в режиме «нагрев». При этом конденсатор 15 функционально становится испарителем, а испаритель узла теплового насоса 6 - конденсатором, благодаря чему тепло из здания удаляется путем охлаждения воздуха, циркулирующего в системе воздушного отопления здания. Таким образом, устройство становится системой воздушного охлаждения. Для утилизации тепла, удаляемого из здания летом (нагретый конденсатором смешанный поток) в предлагаемом устройстве, предусмотрен водяной теплообменник 7. Подогретая в нем вода может быть использована в системе горячего водоснабжения для полива, для нагрева воды в бассейне и т.п.
Предлагаемое устройство по сравнению с известными решениями, помимо преимуществ самого способа, перечисленных выше, обладает следующими техническими преимуществами.
Обеспечение высоких показателей энергосбережения при экономии средств на приобретение оборудования. В частности, применение устройства позволяет отказаться от применения рекуператора и сопутствующих затрат, связанных с его эксплуатацией при низких температурах, исключая необходимость подогрева входного воздуха при уличных температурах ниже -15°С.
Более высокий КПД за счет того, что тепловой насос находится внутри теплового контура здания и отсутствует необходимость дополнительных затрат электроэнергии на подогрев компрессора и работу специального электронного оборудования для низкотемпературного пуска вентилятора.
Значительное упрощение оборудования и процедуры устранения обмерзания испарителя за счет использования тепла вытяжного воздуха.
Снижение затрат на материалы и комплектующие и упрощение монтажа теплового насоса за счет максимального снижения длины трубопроводов для хладагента. Конструкция предлагаемого устройства предполагает его размещение под потолком технического помещения рядом с основным оборудованием воздушной системы отопления здания.
Улучшение архитектурного облика здания. При использовании предлагаемого устройства все оборудование находится внутри дома. На стенах дома присутствуют небольшие входная и выходная решетки вместо громоздких внешних блоков сплит-систем или отдельно стоящих компрессорно-конденсаторных блоков, как в известных решениях.
Снижение шумности работы достигается также за счет размещения вентилятора внутри герметичного корпуса, оснащенного по внутренним сторонам слоем утеплителя с эффективным звукопоглощением, и за счет использования специального подвеса компрессора теплового насоса в корпусе устройства.
Возможность утилизации тепла выделяемого конденсатором в режиме «Охлаждение» благодаря наличию встроенного водяного теплообменника.
Источники информации
http://www.carrier-aircon.ru/upload/pdf/CARRIER 2012.pdf
1 Carrier 2012  стр.22, 23.
[2] Заявка RU (11) 2005128566 (13) А (51) МПК F24F 12/00 (2006.01).