ГИБРИДНЫЙ НАСТЕННЫЙ ГАЗОВО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОТЕЛ ДЛЯ ПОКВАРТИРНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области теплоэнергетики автономных систем теплоснабжения для получения тепловой энергии в виде горячей воды для отопления и горячего водоснабжения. Заявляемая конструкция может быть использована в промышленном и гражданском строительстве для отопления и горячего водоснабжения в автономных передвижных и стационарных объектах при выработке тепловой энергии за счет сжигания топливного газа и нагрева с помощью электрической энергии. В том числе, в автономных системах отопления и горячего водоснабжения многоквартирных зданий с разной высотой.
Уровень техники
Для теплоснабжения индивидуальных домов и квартир в качестве теплогенерирующего устройство часто используют газовые двухконтурные котлы, содержащие контур отопления и контур подготовки горячей воды. Необходимая тепловая мощность котла определяется размером отапливаемого помещения, количеством жильцов, местом расположения объекта и общими тепловыми потерями ограждающей конструкции дома. В большинстве случаев, для проживания одной семьи максимальная мощность теплогенератора не превышает 40 киловатт в час. С точки зрения экологии, выбросов парниковых газов, энергоэффективности в настоящее время наиболее эффективными являются газовые котлы с широким диапазоном изменения (модуляции) тепловой мощности. Конвекционные газовые котлы составляют 98% российского рынка отопительного оборудования, имеют диапазон изменения мощности от 40% до 100%, конденсационные котлы, составляющие оставшиеся 2% российского рынка, обладают возможностью регулировать тепловую мощность от 20% до 100%. Настенные газовые котлы мощностью до 24 киловатт нашли широкое распространение, как альтернатива централизованному теплоснабжению квартир в многоэтажных домах. Общее количество таких автономных систем теплоснабжения в Российской Федерации составляет около 3 миллионов. В автономных системах теплоснабжения объектов площадью до 100 квадратных метров, в большинстве случаев, используются двухконтурные настенные газовые котлы с возможностью применения одного теплового генератора для контура системы отопления (первый контур) и второго теплового генератора для подготовки горячей воды (второй контур). Газообразное топливо сгорает в камере с помощью горелочного устройства и нагревает теплообменник, по которому, под действием циркуляционного насоса, движется теплоноситель. Далее нагретый теплоноситель с помощью распределительного крана направляется в контур отопления для передачи тепловой энергии отопительным приборам отапливаемых помещений или в контур подготовки горячей воды для нагрева через второй теплообменник проточной холодной воды системы водоснабжения. Проблема работы газовых котлов автономных систем теплоснабжения заключаются в том, что расчет мощности тепловых генераторов по существующим в настоящее время нормативам выполняется из расчета обеспечением тепла при температуре окружающего атмосферного воздуха, соответствующей минимальной пятидневной температуре за последние 50 лет. Учитывая потепление климата в последние годы, а также то, что отопительный период длится от 5 до 7 месяцев в году, большую часть отопительного периода котельные установки должны работать в режиме, составляющем в 10 раз меньше, чем максимальная (расчетная) мощность котла. В частности, для квартир в многоэтажных домах, расположенных в центральной полосе РФ, площадью 45 квадратных метров максимальные тепловые потери при температуре окружающего воздуха минус 25 градусов Цельсия составляют не более 2,5 киловатт в час, а средние тепловые потери за отопительный период составляют 1,2 киловатта в час. 2-3 месяца в отопительном периоде года тепловые потери составляют менее 1 киловатта в час, что в 25 раз ниже мощности котла. Существующие газовые котлы не могут работать, как было указано выше, при таких маленьких тепловых нагрузках. Котлы переходят в режим работы постоянного включения - выключения, количество которых может составлять до 20 раз в час. Данный режим работы является нерасчетным и приводит к преждевременному выходу котла из строя. Работа газовых котлов в прерывистом режиме сопровождается резким снижением энергетической эффективности и повышенным выбросом угарного газа и других парниковых газов. Необходимо создать конструкцию, позволяющую обеспечить работу теплового генератора в широком диапазоне вырабатываемой мощности, составляющей до 50 раз, то есть мощность котла должна изменяться от 2% до 100%. Существующие конструкции газовых горелок любых газовых котлов не позволяют обеспечить такой широкий диапазон изменения мощности тепловой генерации.
Известен двухконтурный настенный газовый котел, содержащий вентилятор, главный теплообменник, контрольный датчик температуры, газовую горелку, электрозапальник, блок электронного регулирования, датчик протока нагреваемой воды для горячего водоснабжения, газовый вентиль, датчик температуры нагреваемой воды для горячего водоснабжения, запорный электромагнитный клапан контура отопительной воды, запорный электромагнитный клапан вторичного теплообменника, датчик давления отопительной воды, датчик работы вентилятора, автоматический выпускной клапан, предохранительный клапан, вторичный теплообменник, водяной насос, напорную трубу контура отопительной воды, возвратную трубу контура отопительной воды, трубу подачи нагретой воды для горячего водоснабжения, трубу подачи холодной воды для нагрева, трубу подпитки, обратный клапан подпиточной трубы, обратный клапан возвратной трубы, запорный электромагнитный клапан вторичного теплообменника, подпиточный насос, бак с подпиточной водой (см. патент на полезную модель RU №160237 U1, МПК F24H 1/00 от 24.03.2015 г.).
Недостатком изобретения является то, что данный котел относится к конвекционным газовым котлам с диапазоном регулирования мощности от 40% до 100%, что не позволяет конструкции обеспечивать необходимый уровень компенсации тепловых потерь помещения при минимальных расчетных температурах и при температуре атмосферного воздуха в осенне-весенний период. Большую часть отапливаемого периода времени в году данный котел работает в режиме включения-выключения, что приводит к снижению энергетической эффективности, повышенным выбросам парниковых газов и дополнительным экономическим затратам.
Известна КОНСТРУКЦИЯ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ (Патент RU №2496061 С2, МПК F24H 1/20. Опубликовано 20.10.2013, Бюл. №29).
Водонагревательная система с газовым водонагревательным устройством, которое подключено к впускной трубе для холодной воды и к выпускной трубе для горячей воды, отличающаяся тем, что дополнительно содержит электрический водонагреватель накопительного типа, встроенный по последовательной схеме в выпускную трубу для горячей воды и снабженный термостатом. Электрический водонагреватель установлен внутри газового водонагревательного устройства. Накопительная емкость электрического водонагревателя имеет накопительный объем менее 20 л.
Недостатками данной конструкции является то, что она предназначена только для подготовки горячей воды и не решает вопросы отопления. Электрический водонагреватель, встроенный в котел, объемного типа, а основное назначение системы сгладить скачки температуры нагреваемой проточной воды в моменты начала потребления горячей воды или в периоды резкого изменения объема потребления. В данном конструктивном решении рассматривается только один момент - подготовки горячей воды. Не рассматриваются вопросы энергоэффективности при отоплении помещения, величины выбросов парниковых газов.
Наиболее близким по технической сути является ГИБРИДНЫЙ НАСТЕННЫЙ ГАЗОВО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОТЕЛ (см. патент RU №2782081 С1, МПК F24H 1/08 от 25.01.2022), работающий с двумя источниками тепловой энергии: энергии сгорания газообразного топлива при больших мощностях и электрической энергии тепловых электрических нагревательных элементов, размещенных в проточном блоке теплового электрического нагрева, который установлен в обратную магистраль газового котла, после циркуляционного насоса, до главного теплообменника газового котла. Недостатком изобретения является то, что при поквартирном теплоснабжении, состоящим из отопления и подготовки горячей воды, использование природного газа необходимо только для обеспечения горячего водоснабжения, в котором необходимая тепловая мощность составляет 15-25 киловатт в час. В режиме «отопление» - тепловые потери ограждающих конструкций многоэтажных зданий незначительные и не превышают 3 киловатт в час. При этой мощности настенные газовые котлы работают в циклическом режиме постоянного включения и выключения (тактования) с низким КПД. При этом сокращается срок службы котла. В режиме «отопления» для квартир малой площади (до 50 квадратных метров) нет необходимости работы на газовом топливе, поскольку тепловые потери малы и котел в этом режиме всегда будет работать на электрической энергии. Работа настенного гибридного газового котла для поквартирного теплоснабжения должна происходить для обеспечения горячего водоснабжения только от природного газа, а в режиме «отопление» - только от электрической энергии. Если такой котел для квартир малой площади в режиме «отопление» никогда не переходит в режим использования газового топлива, то нет необходимости в гидравлическом распределительном узле, переключающем виды энергии с «электричество» на «газ» в этом режиме. Конструкция котла упрощается за счет исключения ряда деталей, становито более надежной и простой, имеет меньшую стоимость.
Раскрытие сущности полезной модели.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка гибридного (работающего на двух видах энергии) котла для поквартирного отопления помещений малой площади, работающего в режиме «отопление» только на электрической энергии и на газообразном топливе только в режиме подготовки горячей воды.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции котла за счет отсутствия необходимости в гидравлическом распределительном узле.
Поставленная задача решается созданием гибридной конструкции настенного котла, работающего с двумя источниками тепловой энергии: энергии сгорания газообразного топлива при больших мощностях для подготовки горячей воды, подключенному к контуру водоснабжения и электрической энергии тепловых электрических нагревательных элементов только для отопления, размещенных в проточном блоке теплового электрического нагрева, который подключен к магистрали отопительного контура. Применение данной конструкции гибридного настенного котла позволяет снизить суммарные выбросы парниковых газов, поскольку при работе традиционного газового котла на малой мощности генерация тепла происходите режиме постоянного включения - выключения (тактования). Данный режим работы сопровождается резким снижением КПД, доходящим до 25%, сокращение срока службы котла до двух раз. Применение раздельного генерирования тепловой энергии в режиме ГВС только от энергии сгорания газообразного топлива и в режиме «отопление» только с использованием электрической энергии значительно упрощает конструкцию котла и снижает его стоимость. Данное техническое решении целесообразно применять в случаях, когда площадь квартиры не превышает 50 квадратных метров. В этом случае тепловые потери ограждающих конструкций в многоквартирных домах малы и необходимость отопления помещений с использованием энергии сжигания газообразного топлива отсутствует.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 представлена схема гибридного настенного газово-электрического котла для поквартирного отопления, состоящего из двух контуров.
Конструкция котла состоит из:
- корпуса котла 1;
- теплообменника 2 подготовки горячей воды;
- камеры сгорания 3 настенного котла;
- газовой горелки 4 для нагрева воды в результате сгорания газообразного топлива;
- вентилятора 5 для удаления продуктов сгорания;
- воздушного клапана 6 удаления продуктов сгорания;
- патрубка подачи холодной воды 7;
- патрубка выхода горячей воды 8;
- датчика потока холодной воды 9;
- блока теплового электрического нагрева 10 для нагрева теплоносителя;
- тепловых электрических нагревательных элементов 11;
- канала протока теплоносителя 12, выполненного в виде змеевика;
- циркуляционного насоса 13 отопительного контура;
- расширительного бака 14 компенсации температурных расширений теплоносителя;
- предохранительного клапана 15 сброса давления;
- воздухоудалительного клапана 16;
- клапана заполнения и подпитки отопительного контура 17;
- патрубка подачи 18 отопительного контура;
- обратного патрубка 19 отопительного контура.
Осуществление полезной модели.
Настенный газовый котел работает в двух режимах: подготовка горячей воды в системе горячего водоснабжения (ГВС) и отопления (нагрева теплоносителя контура отопительных приборов).
При работе гибридного котла в режиме отопления (нагрева теплоносителя контура отопительных приборов) нагрев теплоносителя производится в блоке теплового электрического нагрева 10. Теплоноситель поступает в котел через обратный патрубок 19, проходит последовательно клапан заполнения и подпитки отопительного контура 17, воздухоудалительный клапан 16, предохранительный клапан 15 сброса давления. Компенсация температурных расширений теплоносителя производится расширительным баком 14 компенсации. Движение теплоносителя производится циркуляционным насосом 13. Теплоноситель поступает в блок теплового электрического нагрева 10 и движется по трубчатому каналу протока теплоносителя 12, выполненному в виде змеевика. В блоке теплового электрического нагрева 10 расположены тепловые электрические нагревательные элементы 11. Для передачи тепловой энергии от тепловых электрических нагревательных элементов 11 к трубчатому каналу протока теплоносителя 12, выполненному в виде змеевика, пространство между ними в блоке теплового электрического нагрева 10 заполнено материалом с высокой теплопроводностью. Далее нагретый теплоноситель поступает через патрубок подачи 18 отопительного контура в контур отопительных приборов (на рисунке не показан). Соединение всех элементов в корпусе осуществляется с помощью внутренних трубопроводов котла (на рисунке не обозначены). Для исключения тепловых потерь через дымоход (на рисунке не показан) после вентилятора 5 для удаления продуктов сгорания установлен воздушный клапан 6 удаления продуктов сгорания. Если газовый блок котла не работает, воздушный клапан 6 удаления продуктов сгорания находится в закрытом положении, вентилятор 5 для удаления продуктов сгорания не работает.
В режиме подготовки горячей воды системы горячего водоснабжения (ГВС) данный котел работает исключительно на газе, создавая максимальную тепловую мощность.
Потребитель открывает кран с горячей водой, начинается расход воды. При этом холодная вода начинает поступать через входной патрубок 7 и датчик потока холодной воды 9, который передает сигнал в систему управления котла (на рисунке не показана). Система управления подключает газовый блок котла. Холодная вода, с помощью сжигания газа в газовой горелке 4, нагревается в теплообменнике подготовки горячей воды 2, поступает потребителю в виде горячей воды через выходной патрубок 8. Соединение всех элементов в корпусе осуществляется с помощью внутренних трубопроводов котла (на рисунке не обозначены). В режиме работы котла для подготовки горячей воды в системе горячего водоснабжения (ГВС) воздушный клапан 6 удаления продуктов сгорания постоянно открыт, вентилятор 5 для удаления продуктов сгорания работает.
Гибридный котел имеет не пересекающиеся между собой независимые контуры - контур системы отопления и контур системы горячего водоснабжения (ГВС). Эти контуры имеют разные, независимые источники тепловой энергии и разные теплоносители. Такая схема позволяет обеспечить одновременную работу гибридного котла в режиме отопления и в режиме подготовки горячей воды системы горячего водоснабжения (ГВС). При одновременной работе гибридного котла: в режиме отопления от блока теплового электрического нагрева 10 и в режиме подготовки горячей воды от газового блока, воздушный клапан 6 удаления продуктов сгорания постоянно открыт, вентилятор 5 для удаления продуктов сгорания работает.
Применение двух источников тепловой энергии: электрического при потребной тепловой мощности для режима отопления и энергии сжигания горючего газа при режиме подготовки горячей воды системы горячего водоснабжения (ГВС) позволяет создать гибридный настенный гязово-электрический котел, достигающий наивысших показателей энергетической эффективности настенных котлов.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- применение двух источников тепловой энергии: электрического и энергии сжигания газообразного топлива позволяет создать гибридный настенный газово-электрический котел, достигающий наивысших показателей энергетической эффективности настенных котлов;
- возможность одновременной работы режима отопления и режима подготовки горячей воды системы горячего водоснабжения (ГВС);
- пониженным выбросом парниковых газов;
- сохранением ресурса работы котла;
- уменьшением тепловых потерь черед дымоход;
- упрощение конструкции котла;
- увеличение надежности котла.
Поскольку заявленная полезная модель отличается от наиболее близкого аналога рядом существенных признаков, она соответствует условию патентоспособности «новизна».
В основу заявленной полезной модели положены известные законы материального мира, что позволяет утверждать о соответствии условию «промышленная применимость».