Система отопления и горячего водоснабжения помещений
HEATING AND HOT WATER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к системам отопления с тепловыми насосами, использующими тепло низкотемпературных источников естественного или искусственного происхождения для получения воды, пригодной для автономного отопления и горячего водоснабжения в жилых домах, промышленных зданиях, а также предприятиях ЖКХ и быта.
Как известно, в средней полосе грунт на глубинах 5-30 м имеет температуру порядка +5°С, которая очень мало меняется в течение всего года. В более южных районах эта температура может достигать +10°С и выше. Однако постоянный отбор тепла из грунта первичным контуром теплового насоса значительно снижает температуру грунта вокруг теплообменника первичного контура. Это приводит к ухудшению рабочих характеристик теплового насоса при его длительной эксплуатации, причем период стабилизации температуры грунта на необходимом уровне может занять несколько лет, в течение которых условия извлечения тепла будут ухудшаться, и, следовательно, будет снижаться энергоэффективность теплового насоса и системы отопления и горячего водоснабжения в целом.
В связи с этим непрерывно ведутся работы по повышению энергоэффективности системы отопления и горячего водоснабжения, например, за счет рациональной конструкции первичного контура теплового насоса и условий его размещения в грунте, или за счет совершенствования системы управления насосом, или поиском путей восстановления теплового баланса в зоне размещения первичного контура теплового насоса.
Известна система отопления помещений (патент RU №2121114) [1]. Система отопления помещений включает магистральные трубопроводы централизованного обогрева, дополнительно содержит тепловой насос, причем он установлен с возможностью подключения как к магистральному трубопроводу с подогретой водой, так и к магистральному трубопроводу с холодной водой, в зависимости от времени года. В замкнутой цепи теплового насоса установлены два воздушных теплообменника с вентиляторами как для охлаждения воздуха в помещении в летнее время, так и для отбора тепла от наружного воздуха в демисезонный период. Данная система отопления не может быть использована для автономного отопления большей части домов частного сектора и дачного строительства, т.к. эффективность системы достигается путем частичного использования тепловой энергии магистрального трубопровода.
Известна также система отопления жилого дома (патент RU №2412401) [2]. Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для автономного отопления зданий индивидуального пользования - коттеджей, отдельно стоящих жилых домов. Система содержит расположенный в подвале дома бассейн, в котором находится система вода-лед-вода, тепловой насос, расположенный с возможностью охлаждения воздуха в воздушном слое, расположенном над верхним слоем воды, и нагревом воздуха в отапливаемом помещении. Кроме того, система содержит водяной насос, установленный с возможностью перекачивания воды из нижнего слоя в верхний слой, и вентилятор, установленный с возможностью откачивания воздуха через вытяжную трубу из указанного воздушного слоя в атмосферу вне дома, при этом указанный воздушный слой дополнительно сообщен с атмосферой. Возможная эффективность отопительной системы перечеркивается тем, что под жилым домом располагается водный бассейн, что неприемлемо с точки зрения комфорта и санитарных норм.
Известна также система отопления (патент RU №2382281) [3], где используется комбинация системы теплоносителей типа вода-вода; грунт-вода; воздух-воздух и солнечная энергия для восстановления теплового баланса грунта в зоне теплообменника. Комбинированное использование различных теплоносителей расширяет возможности системы отопления, однако объем теплоносителя в системе грунт-вода весьма ограничен, что не позволит восстановить тепловой потенциал грунта за летний период.
Известна также комбинированная система теплоснабжения (патент RU №85989)[4], содержащая солнечную и теплонасосную водонагревательные установки с циркуляционными контурами теплоносителя, оборудованными средствами автоматического управления и замкнутыми на общий бак-аккумулятор тепла, который совмещен с подогревателем и подключен к контуру системы отопления и горячего водоснабжения, при этом контур одной из водонагревательных установок соединен с баком-аккумулятором тепла, а контур теплонасосной установки соединен с контуром источника тепловой энергии Земли. Кроме того, контур солнечной водонагревательной установки соединен через теплообменник с контуром теплонасосной установки и контуром источника тепловой энергии Земли, причем контур теплонасосной установки дополнительно оборудован гидробуферной емкостью для смешивания низкотемпературного теплоносителя, поступающего из контура солнечной водонагревательной установки и/или контура источника тепловой энергии Земли. Недостатком системы является то, что малый объем низкотемпературного теплоносителя теплообменников в скважинах и низкая теплопроводность грунта не позволяет восстановить тепловой потенциал окружающего грунта за летний период.
Известна также система отопления, включающая два теплообменника в грунте с возможностью раздельного подключения их к тепловому насосу (патент RU №140455) [5]. Наличие двух теплообменников в грунте повышает отдачу тепловой энергии на вход теплового насоса, но при поочередной работе теплообменников тепловой энергии будет не хватать для нормальной работы системы отопления. Со временем надо будет восстанавливать тепловой потенциал грунта, что не предусмотрено в предложенной системе.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является система автономного теплоснабжения потребителей на основе установок с использованием низкопотенциальных геотермальных источников (патент RU №2350847)[6]. Система включает компрессионный тепловой насос типа грунт-вода, внутренний контур теплового насоса с высокотемпературным теплоносителем, внешний контур теплового насоса с теплообменником с низкотемпературным теплоносителем, а также солнечный коллектор, емкость для горячего водоснабжения, блок управления тепловыми потоками системы, жидкостные насосы для перекачивания теплоносителей и воды горячего водоснабжения.
Повышение эффективности системы теплоснабжения здесь достигается за счет использования солнечной энергии для догрева теплоносителя в контуре циркуляции низкопотенциального теплоносителя в отопительный период, при низкой интенсивности солнечной радиации, и восстановления 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, а также обеспечение независимости системы отопления от централизованной системы электроснабжения.
Недостатком данной системы является невозможность полного восстановления теплового потенциала окружающего грунта за летний период вследствие малого объема низкотемпературного теплоносителя теплообменников в скважинах.
Задачей предложенного изобретения является повышение эффективности автономной системы отопления и горячего водоснабжения помещений с тепловым насосом компрессионного типа, работающим по схеме грунт-вода, за счет более полного восстановления теплового потенциала грунта в зоне расположения наружного контура теплового насоса.
Поставленная задача решается за счет того, что система отопления и горячего водоснабжения включает компрессионный тепловой насос типа грунт-вода, внутренний контур теплового насоса с высокотемпературным теплоносителем, внешний контур теплового насоса с теплообменником с низкотемпературным теплоносителем, а также солнечный коллектор, емкость для горячего водоснабжения, блок управления тепловыми потоками системы, жидкостные насосы для перекачивания теплоносителей и воды горячего водоснабжения, а в грунте в непосредственной близости от теплообменника внешнего контура расположен постоянно действующий аккумулятор тепловой энергии, связанный трубопроводами с внешним контуром теплового насоса и с солнечным коллектором.
Причем аккумулятор тепловой энергии может быть выполнен, в одном случае, в виде единой или составной полимерной плоской емкости высотой 50-100 мм и расположен в грунте поверх теплообменника внешнего контура на расстоянии 100-150 мм, а сам теплообменник представляет собой систему горизонтально расположенных соединенных трубопроводов, а размеры аккумулятора тепловой энергии в поперечном и продольном направлениях равны соответствующим размерам теплообменника внешнего контура.
Во втором же случае, аккумулятор тепловой энергии может быть выполнен в виде составной полимерной цилиндрической емкости диаметром 750-800 мм и общей высотой не менее 9500 мм и расположен в центральной части находящегося в грунте вертикального колодца диаметром 900-1000 мм и глубиной не менее 10000 мм, а в зазоре между стенками колодца и аккумулятора тепловой энергии расположен теплообменник внешнего контура, представляющий собой соприкасающуюся с внутренней стенкой колодца полимерную трубу диаметром 50-75 мм, свернутую по винтовой линии на всю глубину колодца. Причем вертикальный колодец может быть выполнен из составных бетонных колец, а аккумулятор тепловой энергии в виде полимерной составной цилиндрической емкости может монтироваться на жестком металлическом каркасе для снятия давления на нижние части составной емкости от выше расположенных частей.
Для улучшения теплообмена с грунтом и для предотвращения повреждений теплообменника внешнего контура и аккумулятора тепловой энергии, в первом случае, между трубами теплообменника и аккумулятором тепловой энергии может размещаться слой грунта толщиной не менее 100 мм, а аккумулятор тепловой энергии сверху может быть защищен бетонными плитами и присыпан грунтом до уровня окружающей земли, а во втором случае, для предотвращения утечки тепловой энергии из зоны внешнего теплообменника, бетонный колодец сверху может быть закрыт крышкой и присыпан грунтом до уровня окружающей земли.
Система отопления и горячего водоснабжения имеет также жидкостные насосы для перекачивания теплоносителей и воды горячего водоснабжения, компрессор теплового насоса и блок управления тепловыми потоками, которые могут работать как от центральной электросети, так и от электрического аккумулятора, а зарядка электрического аккумулятора может производиться от альтернативных источников электроэнергии через адаптер.
В качестве альтернативных источников электроэнергии в системе могут использоваться солнечные батареи, ветрогенератор и многослойные пленочные термопары. В системе может использоваться солнечный коллектор с плоским абсорбером, причем с обратной его стороны в зоне утеплителя размещаются многослойные пленочные термопары.
Блок управления тепловыми потоками системы может включать в себя программируемые логические контроллеры.
Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью приведенных признаков, является повышение эффективности автономной системы отопления и горячего водоснабжения.
Содержание заявленного изобретения иллюстрируется нижеприведенными фигурами: фиг. 1 - принципиальная схема общего вида системы отопления и горячего водоснабжения с горизонтальным теплообменником внешнего контура; фиг. 2 - принципиальная схема общего вида системы отопления и горячего водоснабжения с вертикальным теплообменником внешнего контура; фиг. 3 - фрагмент вида горизонтального теплообменника внешнего контура с аккумулятором тепловой энергии; фиг. 4 - фрагмент вида вертикального (в колодце) теплообменника внешнего контура с аккумулятором тепловой энергии.
Система отопления и горячего водоснабжения включает (фиг. 1 и 2) тепловой насос 1 компрессионного типа, работающий по схеме грунт-вода; теплообменник 2 внешнего контура теплового насоса с низкотемпературным теплоносителем; теплообменник 3 или 22 контура отопления и горячего водоснабжения с высокотемпературным теплоносителем, емкость 4 для горячего водоснабжения; солнечный коллектор 5; блок управления 6 тепловыми потоками системы; аккумулятор тепловой энергии 7 или 23, помещенный в грунт в зоне расположения теплообменника 2 внешнего контура теплового насоса и связанный с внешним контуром теплового насоса 1 и с солнечным коллектором 5 трубопроводами 8 и 27; жидкостные насосы 9, 10, 11 и 12 системы отопления и горячего водоснабжения; электрический аккумулятор 13; адаптер 14; пленочные термопары 15; солнечные батареи 16; ветрогенератор 17. Электрический аккумулятор 13 соединен электропроводами 18 с пленочными термопарами 15, солнечными батареями 16 и ветрогенератором 17, а также с центральной электросетью.
В системе отопления и горячего водоснабжения может быть использован грунтовый теплообменник внешнего контура горизонтального типа (фиг. 1 и 3). Горизонтальный теплообменник 2 (фиг. 3) внешнего контура представляет собой полимерную трубу 19, образующую петли, уложенные в грунт и присыпанные слоем грунта толщиной 100-150 мм. Сверху над горизонтальным теплообменником 2 расположен аккумулятор тепловой энергии 7, представляющий собой единую или составную плоскую полимерную емкость высотой 50-100 мм. Для предотвращения механических повреждений и утечки тепловой энергии аккумулятор тепловой энергии 7 сверху накрыт бетонными плитами 20 и присыпан грунтом до уровня окружающей земли. Бетонные плиты 20 опираются на бетонные опоры 21, закрепленные в грунте.
В системе отопления и горячего водоснабжения может быть также использован грунтовый теплообменник внешнего контура вертикального типа (фиг. 2 и 4). Вертикальный теплообменник 22 внешнего контура (фиг. 4) располагается в вертикальном колодце 24 и представляет собой полимерную трубу 25 диаметром 50-75 мм, прилегающую к внутренней стенке колодца и свернутую по винтовой линии на всю глубину колодца. Вертикальный колодец 24 погружен в грунт и устраивается из составных бетонных колец диаметром 900-1000 мм и общей высотой не менее 10000 мм. В центральной части колодца устанавливается аккумулятор тепловой энергии 23 в виде полимерной составной цилиндрической емкости диаметром 750-800 мм и общей высотой не менее 9500 мм. Аккумулятор тепловой энергии 23 смонтирован на жестком металлическом каркасе в виде кронштейнов 26 под каждую емкость, кроме нижней, для снятия давления на нижние части составной емкости от выше расположенных частей. Для предотвращения утечки тепловой энергии из зоны внешнего теплообменника, бетонный колодец 24 сверху закрыт крышкой и присыпан грунтом до уровня окружающей земли.
В качестве солнечного коллектора 5 (фиг. 1 и 2) может быть использован плоский солнечный коллектор типа ЯSolar, наиболее подходящий по параметрам к данной системе. Для преобразования тепловой энергии солнечного коллектора 5 в электрическую могут использоваться многослойные пленочные термопары, например, выполненные по патенту RU №2131156 [7]. Многослойные пленочные термопары (на фигуре не показано) могут крепиться к поверхности плоского абсорбера солнечного коллектора 5 с помощью фольговой пластины, или же фольговая пластина может являться подложкой, на которой изготовлены многослойные пленочные термопары методом напыления тонких термопарных пленок [8].
Система отопления и горячего водоснабжения работает следующим образом. Теплообменник 2 внешнего контура теплового насоса 1, аккумулятор тепловой энергии и солнечный коллектор 5 связаны в единый контур, по которому, с помощью жидкостных насосов 9 и 12, осуществляется циркуляция низкотемпературного теплоносителя (антифриза). Низкотемпературный теплоноситель передает энергию во внутренний контур теплового насоса (не показано), хладагенту (фреону), который через конденсатор (не показано) нагревает до требуемой температуры (50-70°С) высокотемпературный теплоноситель (воду), который подается в теплообменник 3 (батареи отопления) с помощью жидкостного насоса 10 и в емкость 4 для горячего водоснабжения с помощью жидкостного насоса 11.
Управление работой жидкостных насосов 10 и 11 производится с помощью программируемых логических контроллеров (не показано), входящих в состав блока управления 6 (фиг. 1 и 2) тепловыми потоками системы по сигналам от датчиков (не показано), установленных в контуре отопления и горячего водоснабжения. Программируемый логический контроллер также управляет работой теплового насоса 9 для подачи низкотемпературного теплоносителя от теплообменника внешнего контура к тепловому насосу 1. Использование программируемых логических контроллеров позволяет более точно регулировать значения температур теплоносителя в элементах системы, обеспечивая комфортность в помещениях потребителя тепла.
Горячее водоснабжение обеспечивается круглогодично за счет постоянной работы теплового насоса. Контроль за подачей, расходом и температурой горячей воды в емкости 4 (фиг. 1 и 2) горячего водоснабжения производится с помощью соответствующих датчиков (не показано), установленных в емкости 4 и на связанных с ней трубопроводах (не показано).
Отопление включается в холодную погоду путем подачи горячего теплоносителя в теплообменник 3 с требуемым расходом по сигналу от датчиков температуры воздуха (не показано) в отапливаемых помещениях. Для повышения комфортности в местах установки датчиков температуры могут устанавливаться также датчики изменения скорости температуры теплоносителя и окружающего воздуха в помещении (не показано). Логические контроллеры (не показано) блока управления 6 позволяют учитывать инерционность изменения параметров тепловых потоков в системе, обеспечивая необходимую комфортность и экономию энергии на отопление и горячее водоснабжение.
В солнечную погоду, когда температура теплоносителя в солнечном коллекторе 5 становится выше, чем температура теплоносителя в аккумуляторе тепловой энергии, включается жидкостной насос 12, и большая часть нагретого в солнечном коллекторе 5 теплоносителя поступает в аккумулятор тепловой энергии. Включение жидкостного насоса 12 производится с помощью программируемого логического контроллера (не показано), входящего в состав блока управления 6 (фиг. 1), по сигналу от датчиков температуры теплоносителя (не показано), расположенных на трубопроводах, идущих от солнечного коллектора 5 и от аккумулятора тепловой энергии 7 или 23. Благодаря значительному объему горячего теплоносителя, находящегося в аккумуляторе тепловой энергии, происходит разогрев грунта за счет теплообмена через стенки аккумулятора и восстановление энергетического потенциал грунта в зоне расположения теплообменника внешнего контура.
В случае, когда теплообменник внешнего контура 19 (фиг. 1 и 3) выполнен в виде системы горизонтально расположенных соединенных между собой трубопроводов, плоский аккумулятор тепловой энергии 7 размещается в грунте на расстоянии 100-150 мм поверх теплообменника внешнего контура 19, и прогрев грунта происходит во всей области вблизи теплообменника внешнего контура благодаря тому, что размеры аккумулятора тепловой энергии в поперечном и продольном направлениях равны соответствующим размерам теплообменника внешнего контура.
Если для размещения внешнего контура теплового насоса используется вертикальный колодец 24 (фиг. 2 и 4), то теплообменник внешнего контура 22 представляет собой прилегающую к внутренней стенке колодца свернутую по винтовой линии на всю глубину колодца полимерную трубу, а в центральной части колодца размещается аккумулятор тепловой энергии 23 в виде полимерной цилиндрической емкости. Происходит передача тепла по всей высоте колодца от аккумулятора тепловой энергии через стенки колодца грунту вокруг колодца и восстановление энергетического потенциала грунта.
Жидкостные насосы 9, 10, 11 и 12, компрессор теплового насоса 1 (не показано) и блок управления 6 тепловыми потоками могут работать как от центральной электросети, так и от электрического аккумулятора 13 (фиг. 1 и 2), заряжаемого через адаптер 14 от альтернативных источников электроэнергии, например от пленочных термопар 15, солнечных батарей 16 и ветрогенератора 17. Использование в качестве альтернативных источников электроэнергии постоянно работающих солнечных батарей, ветрогенератора и многослойных пленочных термопар повышает автономность системы.
Таким образом, обеспечивается повышение энергоэффективности системы отопления и горячего водоснабжения при различных вариантах конструктивного исполнения внешнего контура теплового насоса - как с вертикальным, так и горизонтальным грунтовыми теплообменниками. По сравнению с аналогами предлагаемая система также положительно отличается удобством доступа к элементам системы при техническом обслуживании и ремонте.
Источники информации
1. Патент RU №2121114 на изобретение «Система отопления помещений» от 27.10.1998 г.
2. Патент RU №2412401 на изобретение «Система отопления жилого дома» от 20.02.2011 г.
3. Патент RU №2382281 на изобретение «Система автономного теплоснабжения и холодоснабжения зданий и сооружений» от 20.02.2010 г.
4. Патент RU №85989 на полезную модель «Комбинированная система теплоснабжения» от 20.08.2009 г.
5. Патент RU №140455 на полезную модель «Система автономного обогрева помещений» от 22.10.2013 г.
6. Патент RU №2350847 на изобретение «Система автономного теплоснабжения потребителей на основе установок с использованием низкопотенциальных геотермальных источников и возобновляемых источников энергии» от 27.03.2009 г.
7. Патент RU №2131156 на изобретение "Термоэлектрический преобразователь" от 27.05.1999 г.
8. Жерихин А.Н. Лазерное напыление тонких пленок. Итоги науки и техники. Серия: Современные проблемы лазерной физики. М.: ВИНИТИ, 1990, 107 с.