СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ОБОГРЕВА ПОМЕЩЕНИЙ

Система автономного обогрева помещений относится к теплотехнике, в частности, к системам теплоснабжения, и может быть использована для отопления и горячего водоснабжения индивидуальных жилых домов, производственных, административных и социально-бытовых сооружений.
Известна система автономного обогрева помещений, включающая контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с грунтовым теплообменником, вход которого связан с выходом испарителя теплового насоса и систему отопления, содержащую конденсатор теплового насоса, соединенный трубопроводом с отопительными приборами (см. патент РФ №2429423, опубл. 20.09.2011).
Недостатком такой системы является то, что при ее длительной и интенсивной эксплуатации происходит переохлаждение грунта, в котором установлен грунтовый теплообменник. Это происходит вследствие чрезмерного отбора теплоты и нарушения теплового баланса, определяемого превышением отбираемой теплоты над теплотой, поступающей в грунт от недр Земли естественным образом. Переохлаждение грунта вызывает следующие проблемы:
- во-первых, нарушается экологическое равновесие, следствием чего является снижение численности эукариотов, населяющих поверхностный слой грунта и участвующих в формировании почвы;
- во-вторых, повышается риск гибели деревьев и других растений, произрастающих в месте расположения грунтового теплообменника в зимний период, поскольку корневая система вынуждена функционировать в экстремальном режиме;
- в-третьих, неестественное промерзание грунта требует проведения реконструкции фундаментов и дренажных сооружений ранее построенных зданий;
- в-четвертых, чрезмерное уменьшение температуры грунта, а вместе с ней -температуры низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике влечет за собой снижение эффективности системы автономного обогрева помещений; при значительном уменьшении температуры низкопотенциального теплоносителя работоспособность системы может быть утрачена.
Уменьшение потребления теплоты за счет сокращения расхода теплоносителя не всегда приводит к желаемому результату, поскольку в этом случае мощность грунтового теплообменника используется не полностью. Кроме того, снижение расхода низкопотенциального теплоносителя определяет режим теплопередачи при относительно постоянной, пониженной температуре, в то время как наибольшую эффективность теплопередачи от грунта к низкопотенциальному теплоносителю внутри грунтового теплообменника можно было бы достичь при более высоких температурах. Это происходит вследствие того, что теплопроводность материалов увеличивается с повышением температуры, при которой происходит передача теплоты. Одновременно с увеличением температуры увеличивается и теплопроводность воздуха в порах грунта, что приводит к повышению интенсивности передачи теплоты излучением.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является исключение чрезмерного переохлаждения грунта в месте расположенеия грунтового теплообменника.
Такой технический результат достигается тем, что система автономного обогрева помещений, включающая контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с грунтовым теплообменником, вход которого связан с выходом испарителя теплового насоса и систему отопления, содержащую конденсатор теплового насоса, соединенный трубопроводом с отопительными приборами, дополнительно снабжена вторым грунтовым теплообменником и устройством переключения, включающим два полых цилиндра, установленных вертикально, с размещенными внутри них конусообразными клапанами, сужающиеся части которых соединены со штоками поршней, днища поршней размещены в герметичных сосудах с газом, расположенных в нижних частях полых цилиндров, соединенных с выходами грунтовых теплообменников, а над полыми цилиндрами расположено коромысло, ось которого находится посредине между полыми цилиндрами, при этом расширяющиеся части конусообразных клапанов посредством шарнирных связей соединены с плечами коромысла, на котором закреплена герметичная трубка с размещенным в ней шариком, причем верхние части полых цилиндров соединены трубопроводом со входом испарителя теплового насоса, а грунтовые теплообменники размещены на расстоянии 5…25 м друг от друга.
На фиг. 1 представлен общий вид системы автономного обогрева помещений.
Система автономного обогрева помещений включает контур циркуляции 1 низкопотенциального теплоносителя, систему 2 отопления и устройство переключения 3. Контур циркуляции 1 низкопотенциального теплоносителя состоит из грунтового теплообменника 4, второго грунтового теплообменника 5 и испарителя 6 теплового насоса. Грунтовый теплообменник 4 и второй теплообменник 5 представляют собой полые емкости, выполненные из материала с высокой теплопроводностью (например, из стали, алюминия и пр.). Грунтовый теплообменник 4 и второй грунтовый теплообменник 5 размещаются в грунте, на расстоянии 5…25 м друг от друга. Входы грунтового теплообменника 4 и второго грунтового теплообменника 5 объединены между собой и соединены с выходом испарителя 6 теплового насоса. Выходы грунтового теплообменника 4 и второго грунтового теплообменника 5 подсоединены ко входам устройства 3 переключения, а выход устройства 3 переключения - ко входу испарителя 6 теплового насоса. Устройство 3 переключения содержит два полых цилиндра 7 и 8, установленных вертикально. Внутри полых цилиндров 7 и 8 размещены конусообразные клапаны 9 и 10, сужающиеся части которых соединены со штоками 11 и 12 поршней. В основаниях штоков 11 и 12 поршней укреплены днища 13 и 14 поршней. Днища 13 и 14 поршней размещены в герметичных сосудах 15 и 16 с газом, расположенных в нижних частях полых цилиндров 7 и 8. Герметичные сосуды 15 и 16 с газом представляют собой емкости из твердого, не растягивающегося при увеличении внутреннего давления материала (например, из металла). Нижние части полых цилиндров 7 и 8 образуют входы устройства 3 переключения. Расширяющиеся части конусообразных клапанов 9 и 10 посредством шарнирных связей 17 и 18 соединены с плечами коромысла 19, расположенного над полыми цилиндрами 7 и 8. При этом ось 20 коромысла находится посредине между полыми цилиндрами 7 и 8. Верхние части полых цилиндров 7 и 8 объединены между собой, образуя выход устройства 3 переключения. На коромысле 19, вдоль его длинной стороны, закреплена герметичная трубка 21 (трубка, закрытая с обеих сторон). Вовнутрь герметичной трубки 21 помещен шарик 22 с возможностью свободного перекатывания. Система отопления 2 состоит из конденсатора 23 теплового насоса, соединенного трубопроводом 24 с отопительными приборами 25.
Система автономного обогрева помещений работает следующим образом. В начальный момент времени температура низкопотенциального теплоносителя внутри грунтового теплообменника 4 и второго грунтового теплообменника 5 может быть произвольной. Поэтому произвольным окажется давление газа внутри герметичных сосудов 15 и 16, и, соответственно, положение днищ 13 и 14 поршней, а также положение штоков 11 и 12 поршней и конусообразных клапанов 9 и 10 в устройстве 3 переключения. Вместе с тем, даже небольшой наклон герметичной трубки 21 в ту или другую сторону вызовет перекатывание шарика 22 в эту сторону, поворот коромысла 19 относительно оси 20 коромысла, передачу момента шарнирными связями 17 и 18 конусообразным клапанам 9 и 10, полное закрытие или открытие конусообразных клапанов 9 и 10. Такое переключение достигается за счет того, что система, включающая шарик 22, герметичную трубку 21, конусообразные клапаны 9 и 10, имеет два дискретных устойчивых состояния. При внешнем воздействии, оказываемого на систему от днищ 13 и 14 поршней через штоки 11 и 12 поршней, она переходит в новое устойчивое состояние, проялвяющееся в повороте коромысла 19 относительно оси 20 коромысла в крайние положения по часовой или против часовой стрелки. Построение устройства 3 по такому принципу позволяет избежать ситуации, при которой конусообразные клапаны 9 и 10 займут промежуточное положение.
Рассмотрим состояние устройства 3 переключения, соответствующее изображению на фиг.1. В этом случае коромысло 13 повернуто до конечного положения по часовой стрелке и конусообразный клапан 9 открыт.Теплый низкопотенциальный теплоноситель с выхода грунтового теплообменника 4 поступает на вход устройства 3 переключения, попадая в нижнюю часть полого цилиндра 7, а оттуда через открытый конусообразный клапан 9 - в верхнюю часть полых цилиндров 7 и 8 и на вход испарителя 6 теплового насоса. С выхода испарителя 6 теплового насоса низкопотенциальный теплоноситель попадает на объединенные входы грунтовых теплообменников 4 и 5. В конденсаторе 23 теплового насоса происходит увеличение тепмературы теплоносителя системы 2 отопления, который подается посредством трубопровода 24 к отопительным приборам 25. По мере обогрева помещения происходит снижение температуры низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 4. В то же время температура низкопотенциального теплоносителя во втором грунтовом теплообменнике 5 повышается за счет отбора теплоты от грунта. Происходит восстановление естественной температуры грунта в месте расположения второго грунтового теплообменника 5. Нагретый низкопотенциальный теплоноситель из грунтового теплообменника 5 поступает в нижнюю часть полого цилиндра 8 и нагревает герметичный сосуд 16 с газом. Газ расширяется и давление на днище 14 поршня увеличивается. Движение штока 12 поршня вверх под действием давления на него днища 14 поршня приведет к открытию конусообразного клапана 10, а воздействие расширяющихся частей конусообразного клапана 10 через шарнирную связь на правое плечо коромысла 19 вызовет его поворот относительно оси 20 коромысла против часовой стрелки. Вместе с коромыслом 19 против часовой стрелки поворачивается герметичная трубка 21. При этом конусообразный клапан 9 закрывается, а конусообразный клапан 10 открывается. Шарик 22, ранее находившийся в правом плече герметичной трубки 21, перекатывается в ее левое плечо. Увеличение массы левого плеча герметичной трубки 21 приводит к увеличению вращающего момента, вызывающего переключение, и предотвращает частичное закрытие конусообразного клапана 9 или частичное открытие конусообразного клапана 10.
После изменения положения конусообразных клапанов 9 и 10 открывается доступ теплого низкопотенциального теплоносителя с выхода второго грунтового теплообменника 5 через полый цилиндр 8, открытый конусообразный клапан 10 на вход испарителя 6 теплового насоса. Начинается повышение температуры низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 4 и снижение температуры низкопотенциального теплоносителя во втором теплообменнике 5. Температура низкопотенциального теплоносителя во втором грунтовом теплообменнике 5 повышается за счет отбора теплоты от грунта. Теперь происходит восстановление естественной температуры грунта в месте расположения второго грунтового теплообменника 5. Аналогично предыдущему случаю низкопотенциальный теплоноситель с выхода испарителя 6 теплового насоса попадает на объединенные входы грунтовых теплообменников 4 и 5, а в конденсаторе 23 теплового насоса происходит увеличение тепмературы теплоносителя системы 2 отопления, который подается посредством трубопровода 24 к отопительным приборам 25.
Временная диаграмма работы системы автономного обогрева помещений иллюстрируется временной диаграммой, представленной на фиг. 2. По этой диаграмме также можно проследить работу основных элементов устройства 3 переключения и динамику изменения расхода и температуры низкопотенциального теплоносителя в контуре 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя и температуры теплоносителя в системе 2 отопления.
1
2
2
3
3
3
4
На интервале времени от 0 до t конусообразный клапан 9 открыт, а конусообразный клапан 10 закрыт. Соотвественно, низкопотенциальный теплоноситель поступает на вход испарителя 6 теплового насоса только от грунтового теплообменника 4. В течение этого интервала времени происходит медленное охлаждение низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 4 и некоторое снижение температуры в системе 2 отопления. При достаточно большом снижении температуры низкопотенциального теплоносителя в полом цилиндре 7 степень расширения газа в герметичном сосуде 15 уменьшается, а в герметичном сосуде 16 повышается. В момент времени t усилие, передаваемое штоком 12 поршня на правое плечо коромысла 19, превысит усилие, передаваемое штоком 11 на левое плечо коромысла 19. В течение интервала времени от t до t происходит некоторый подъем правого плеча коромысла 19. Шарик 18 перекатывается в левую сторону герметичной трубки 21, и в течение короткого времени коромысло 19 поворачивается против часовой стрелки. Это сопровождается закрытием конусообразного клапана 9 и открытием конусообразного клапана 10. Начиная с момента времени t на вход испарителя 6 теплового насоса поступает низкопотенциальный теплоноситель от второго грунтового теплообменника 5. Температура теплоносителя в системе 2 отопления на интервале времени от t до t увеличивается. Затем, по мере использования теплоты от второго грунтового теплообменника 5, температура теплоносителя в системе 2 отопления вновь начнет снижаться. Однако колебания температуры в системе 2 отопления оказываются небольшими. Кроме того, амплитуду и частоту этих колебаний можно регулировать, подбирая количественные характеристики коромысла 19 и конусообразных клапанов 9 и 10.
Таким образом, устройство 3 переключения обеспечивает поочередную подачу низкопотенциального теплоносителя ко входу испарителя 6 теплового насоса от грунтового теплообменника 4 и второго грунтового теплообменника 5. За время, в течение которого теплообменники 4 и 5 оказываются отключенными от участия в автономном обогреве помещения, грунт успевает естественным образом прогреться. Ко входу испарителя 6 теплового насоса всегда поступает низкопотенциальный теплоноситель с достаточной температурой, что обеспечивает стабильную работу системы. Одновременно не происходит чрезмерного охлаждения грунта, вызывающего экологические нарушения.