СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ

Полезная модель относится к области энергетики и предназначена для автономного теплоснабжения и холодоснабжения объектов индивидуального жилья и зданий.
Известна установка для комбинированного солнечно-теплонасосного теплоснабжения /Агеева Г.Н., Лантух Н.Н., Щербатый B.C. Комбинированная солнечно-теплонасосная установка как вариант технического решения теплоснабжения. - СОК, 2005, №12. Установка содержит систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через проложенную в грунте систему пластиковых труб большой площади, контур холодоснабжения и испаритель теплового насоса, систему отопления и горячего водоснабжения (ГВС), включающую конденсатор теплового насоса, буферную емкость горячего теплоносителя, емкостной водонагреватель с двумя теплообменниками, контуры отопления и горячего водоснабжения, систему сбора тепла солнечной энергии, включающую контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора с самим солнечным коллектором, подключенный через теплообменник в контур циркуляции теплоносителя между тепловым насосом и буферной емкостью и к теплообменнику емкостного водонагревателя. Тепловая энергия в емкостной водонагреватель ГВС поступает от солнечного коллектора, преобразующего солнечную энергию в тепловую. При заполнении теплом емкостного водонагревателя идет накопление тепла в буфере-накопителе. При отсутствии солнечной радиации либо недостаточной ее интенсивности вода в верхней части емкостного водонагревателя нагревается теплом буферной емкости или котлом. Тепловая энергия в буферную емкость поступает в первую очередь от теплового насоса. Котел теплоснабжения (отопление, ГВС) запускается в случае, если запасенной тепловой энергии в буферной емкости и емкостном водонагревателе недостаточно для покрытия тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения. В летние месяцы охлаждение здания производится путем применения функции ТН «natural cooling». Это особый режим охлаждения помещений, т.к. в этом случае, отбирая низко-потенциальное тепло земли от грунтового аккумулятора (8-12°C), потребляется лишь незначительное количество электроэнергии для работы циркуляционных насосов.
Известно техническое решение по патенту РФ №2292000 публ. 20.01.2007 МПК F24D 3/08 в котором устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей. Устройство содержит подключенные к сети теплоснабжения помещения с трубопроводами подачи холодной и горячей воды, через водоаккумуляторы с пиковыми догревателями и конденсаторы основного и дополнительного тепловых насосов, систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую основной контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через установленные в скважинах теплообменники и испаритель основного теплового насоса, а также систему сбора и утилизации тепла удаляемого из помещений вентиляционного воздуха, включающую дополнительный контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через водовоздушный теплообменник, присоединенный воздушной стороной к калориферу и вентилятору подачи удаляемого воздуха, а водяной стороной к испарителю дополнительного теплового насоса, водяная сторона водовоздушного теплообменника также подключена к испарителю дополнительного теплового насоса через перемычки и связана через другие перемычки с выходами теплообменников в скважинах, с возможностью передачи тепла, собираемого на воздушной стороне теплообменника, или на догрев низкопотенциального теплоносителя в основном циркуляционном контуре перед подачей теплоносителя в испаритель основного теплового насоса, или на восстановление теплового режима охлажденных при сборе тепла грунта скважин, при этом водяная сторона водовоздушного теплообменника снабжена на выходе вилкой для разделения потока низкопотенциального теплоносителя на прямую и обратную, в теплообменник ветви, связанной с регулятором расходов теплоносителя в прямой и обратной ветви и установленным на выходе теплообменника, перед вилкой, датчиком температуры теплоносителя.
Недостатком этого устройства является недостаточно эффективное воздействие на температуру теплоносителя, подаваемого от скважинных теплообменников в тепловой насос. Кроме того, конструкция устройства не позволяет в полной мере использовать различные независимые источники низкопотенциального тепла, в том числе, как и в первом аналоге, низкопотенциальной солнечной энергии и теплового потенциала окружающего воздуха.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является решение по патенту РФ №2382281 публ. 20.02.2010, МПК F24D 3/18, СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ.
Данная система состоит из системы сбора тепла грунта, включающую контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через скважинные теплообменники и соединенный с тепловым насосом системы «грунт-вода», бак емкостного водонагрева с пиковым нагревателем и двумя теплообменниками, один из которых подключен к системе сбора тепла солнечной энергии, включающей контур циркуляции теплоносителя, проходящий через вакуумированный трубчатый коллектор, который в свою очередь соединен с теплообменником, соединенный с вакуумированным трубчатым коллектором, буферную емкость, внутри которой размещен теплообменник, трехходовые краны, трубопровод подачи теплоносителя в тепловой насос; трубопровод отвода теплоносителя из теплового насоса, трубопровод отвода теплоносителя вакуумированного трубчатого коллектора трубопровод подачи тепло-хладо носителя из теплового насоса, трубопровод возврата тепло-хладо носителя в тепловой насос.
Недостатком этого решения, как и аналогов является незначительная эффективность системы теплоснабжения и холодоснабжения.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности системы теплоснабжения и холодоснабжения зданий.
В результате использования предлагаемой полезной модели более полно используется солнечная энергия, а также энергия низкопотенциального теплоносителя скважин.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в системе автономного теплоснабжения и холодоснабжения зданий, содержащую систему сбора тепла грунта, включающую контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через скважинные теплообменники и соединенный с тепловым насосом системы «грунт-вода», бак емкостного водонагрева с пиковым нагревателем, нижним и верхним теплообменниками, нижний теплообменник подключен к системе сбора тепла солнечной энергии, включающей контур циркуляции теплоносителя, проходящий через вакуумированный трубчатый коллектор, который в свою очередь соединен с теплообменником, и теплообменником, размещенным в буферной емкости, трехходовые краны, трубопровод подачи теплоносителя в тепловой насос, трубопровод отвода теплоносителя из теплового насоса, трубопровод отвода теплоносителя из вакуумированного трубчатого коллектора, трубопровод подачи тепло-хладо носителя из теплового насоса, трубопровод возврата тепло-хладо носителя в тепловой насос, трубопровод подачи в систему отопления и охлаждения здания, трубопровод возврата из системы отопления и охлаждения здания, трубопровод подачи холодной воды в здание, трубопровод отвода горячей воды потребителю. Новым является то, что система также снабжена баком косвенного нагрева, в котором и помещен теплообменник, соединенный с вакуумированным трубчатым коллектором, кроме того в нем установлен пиковый нагреватель и второй теплообменник, соединенный с тепловым насосом системы «грунт-вода», кроме того система снабжена баком аккумулятором, внутри которого размещен теплообменник, а весь остальной внутренний объем бака аккумулятора заполнен парафином, при этом теплообменник, одной стороной через трехходовые краны соединен с контуром циркуляции теплоносителя, и теплообменником бака косвенного нагрева и теплообменником, размещенным в буферной емкости, а другой стороной через трехходовые краны со вторым теплообменником, размещенным в баке емкостного водонагревателя, буферной емкостью, снабженной пиковым нагревателем и вторым теплообменником, вход и выход которого соединены с введенным в систему дополнительным источником тепла в виде пеллетного или твердотопливного котла.
Система теплоснабжения и холодоснабжения зданий может быть снабжена ветрогенератором, установленным на здании или рядом с ним, который электрически связан с пиковым нагревателем, установленным в баке косвенного нагрева и с пиковым нагревателем, установленным в буферной емкости.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена схема системы теплоснабжения и холодоснабжения зданий.
На схеме изображены следующие позиции:
1, 2 - контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя;
3 - скважинные теплообменники;
4 - тепловой насос системы «грунт-вода»;
5 - бак емкостного водонагрева;
6 - пиковый нагреватель в баке емкостного водонагрева;
7 - нижний теплообменник в баке емкостного водонагрева;
8 - верхний теплообменник в баке емкостного водонагрева;
9 - трубопровод подачи теплоносителя в вакуумированный трубчатый коллектор контура циркуляции теплоносителя;
10 - вакуумированный трубчатый коллектор;
11 - нижний теплообменник в баке косвенного нагрева;
12 - нижний теплообменник в баке буферной емкости;
13 - буферная емкость системы отопления/охлаждения;
14 - трехходовые краны с серво приводом;
15 - трубопровод отвода теплоносителя из теплового насоса;
16 - трубопровод отвода теплоносителя из вакуумированного трубчатого коллектора;
17 - трубопровод подачи тепло-хладо носителя из теплового насоса;
18 - трубопровод подачи тепло-хладо носителя из теплового насоса;
19 - трубопровод возврата тепло-хладо носителя в тепловой насос;
20 - трубопровод подачи в систему отопления и охлаждения здания;
21 - трубопровод возврата из системы отопления и охлаждения здания;
22 - трубопровод подачи холодной воды в здание;
23 - трубопровод отвода горячей воды потребителю;
24 - бак косвенного нагрева;
25 - пиковый нагреватель бака косвенного нагрева;
26 - второй теплообменник бака косвенного нагрева;
27 - бак-аккумулятор;
28 - теплообменник в баке-аккумуляторе;
29 - пиковый нагреватель буферной емкости;
30 - второй теплообменник буферной емкости;
31 - вход второго теплообменника 21 к дополнительному источнику тепла;
32 - выход второго теплообменника 21 к дополнительному источнику тепла;
33 - дополнительный источник тепла в виде пеллетного или твердотопливного котла;
34 - ветрогенератор;
35 - трасса переменного тока;
36 - трасса переменного тока.
Система теплоснабжения и холодоснабжения зданий, содержит систему сбора тепла грунта, включающую контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя 1, 2, проходящий через скважинные теплообменники 3 и соединенный с тепловым насосом системы «грунт-вода» 4, бак емкостного водонагрева 5 с пиковым нагревателем 6 и нижним и верхним теплообменниками 7, 8, нижний теплообменник подключен к системе сбора тепла солнечной энергии, включающей контур циркуляции теплоносителя 9, проходящий через вакуумированный трубчатый коллектор 10, который в свою очередь соединен с теплообменником 11, и теплообменником 12, размещенным в буферной емкости 13, трехходовые краны 14, трубопровод подачи теплоносителя в тепловой насос 15, трубопровод отвода теплоносителя из теплового насоса 16, трубопровод отвода теплоносителя из вакуумированного трубчатого коллектора 17, трубопровод подачи тепло-хладо носителя из теплового насоса 18, трубопровод возврата тепло-хладо носителя в тепловой насос 19, трубопровод подачи в систему отопления и охлаждения здания 20, трубопровод возврата из системы отопления и охлаждения здания 21, трубопровод подачи холодной воды в здание 22, трубопровод отвода горячей воды потребителю 23. Система снабжена баком косвенного нагрева 24 в котором и помещен теплообменник 11, соединенный с вакуумированным трубчатым коллектором 10, кроме того в нем установлен пиковый нагреватель 25 и второй теплообменник 26, соединенный с тепловым насосом системы «грунт-вода» 4, система снабжена баком аккумулятором 27, внутри которого размещен теплообменник 28, а весь остальной внутренний объем бака аккумулятора заполнен парафином, при этом теплообменник 28, одной стороной через трехходовые краны 14 соединен с контуром циркуляции теплоносителя 9, и теплообменником 7 бака емкостного водонагрева и теплообменником 12, размещенным в буферной емкости 13, а другой стороной через трехходовые краны с верхним теплообменником 8, размещенным в баке емкостного водонагрева 5. Буферная емкость 12, снабжена пиковым нагревателем 29 и вторым теплообменником 30, вход 31 и выход 32 которого соединены с введенным в систему дополнительным источником тепла 33 в виде пеллетного или твердотопливного котла. Система теплоснабжения и холодоснабжения зданий может быть снабжена ветрогенератором 34, установленным на здании или рядом с ним, который электрически связан с пиковым нагревателем 6, установленным в баке косвенного нагрева 25 и с пиковым нагревателем 29, установленным в буферной емкости 13.
Работа системы осуществляется следующим образом.
Низкопотенциальное тепло с температурой от +2С до +4С подается из скважинных теплообменников 3 по контуру циркуляции низкопотенциального теплоносителя 1, 2 на теплообменник теплового насоса системы «грунт-вода» 4. При его преобразовании на более высокий уровень +25С - +50С для системы отопления и до +55С для системы горячего водоснабжения теплоноситель с выходов теплового насоса 4, выходит на буферную емкость 13 для системы отопления и охлаждения и бак емкостного водонагрева 5 и бак аккумулятор 27 для системы горячего водоснабжения.
Из буферной емкости 13 тепло/хладо носитель по трубопроводам 20 и 21 поступает в систему отопления и охлаждения здания. Нижний теплообменник 12 буферной емкости 13 соединен с коллектором 10, верхний теплообменник 30 соединен с дополнительным источником тепла 33, например пеллетным или твердотопливным котлом, который используется в качестве температурного доводчика при ситуациях, когда тепловой насос не справляется с тепловой нагрузкой здания, либо в экстренных ситуациях, например, отключении электроэнергии.
Для приготовления горячего водоснабжения тепловой насос 4 соединен с верхним теплообменником 8 бака емкостного водонагрева. Через трехходовые краны 14 тепловой насос так же подключен к баку аккумулятору 27 в качестве наполнителя в котором используется парафин. Таким образом, при использовании на доме двухтарифной системы оплаты за электроэнергию в ночное время (более дешевое время) возможно «заряжать» бак аккумулятор 27 и использовать эту энергию в дневное время.
Теплообменник 28 бака аккумулятора 27 подключен с солнечному коллектору 10. На температурах до 52-53С парафин практически не будет забирать тепло от теплоносителя солнечного коллектора. Теплообменник 28 бака аккумулятора 27 подсоединен к теплообменнику 7 бака емкостного водонагрева 5, а в случае достижения температуры воды в баке емкостного водонагрева 5 более 53-54 градусов Цельсия, контроллер электронного устройства (не показан) переключит трехходовой кран 14 и движение теплоносителя пойдет на нагрев теплообменника 28 в баке аккумуляторе 27. Парафин плавиться, то есть начинается фазовый переход парафина из твердого состояния в жидкое. Фазовый переход обладает большой теплоемкостью, что позволяет избежать перегрева воды в баке емкостного водонагрева 5, перегрева солнечных коллекторов 10 и эффективному использованию излишков солнечной энергии. В этом случае бак аккумулятор 27 выполняет функцию компенсатора и утилизатора излишков солнечной энергии.
Когда достигается предел устанавливаемой температуры в баке аккумуляторе 27 в 80-90 градусов Цельсия, контроллер электронного устройства включит трехходовой кран 14 на сброс излишков тепла на теплообменник 12 буферной емкости 13 либо при определенных параметрах установки в контроллере переключится трехходовой кран 14 и теплоноситель пойдет в теплообменник 11 бак косвенного нагрева 24.
При остывании воды в баке емкостного водонагрева контроллер переключит трехходовой кран 14 и теплоноситель будет передавать тепло от «заряженного» бака аккумулятора 27 непосредственно баку емкостного водонагрева, через теплообменник 7. Будет осуществлен перенос тепла к баку емкостного водонагрева с горячей водой, и парафин начнет обратный фазовый переход, выделяя накопленную теплоту. Таким образом, возможно использовать утилизированные излишки солнечной энергии в дневное время для нагрева воды в в баке емкостного водонагрева ночью.
Для системы аккумуляции излишков солнечной энергии установлен бак косвенного нагрева 24. Весь объем бака работает совместно со скважинами и служит аккумулятором энергии, верхний теплообменник 26 подключен к тепловому насосу для забора низкопотенциального тепла, нижний теплообменник 11 непосредственно к солнечному коллектору 10. В летний период, когда полностью «заряжены» бак емкостного водонагрева и бак аккумулятор, контроллер переключит трехходовой кран и тепло будет поступать в бак косвенного нагрева, а при нехватке либо недостаточного его объема при включении насоса 8 будет перенос тепла в скважины 3. Таким образом, за летний период становится возможным поднять температуру и скважинах 3 и затем перенести ее в дом.
В баке косвенного нагрева 24 и буферной емкости 13 установлены пиковые нагреватели 25, 29 в виде ТЭНов, выполняющие роль утилизаторов энергии от ветрогенератора 34. Нагревательный элемент - ТЭН преобразовывает электрическую энергию в тепло и отдает ее теплоносителю. Нагрев ТЭНов, установленных в баке косвенного нагрева 24 и буферной емкости 13 определяются параметрами напряжения и силы тока генерируемого ветрогенератором. В холодный период времени, когда ветров больше, ветрогенератор есть смысл использовать непосредственно для работы на систему отопления, соединяя его трассой 36 с пиковым нагревателем ТЭНом 29, установленного в буферной емкости 13, в летний период времени более полезно использовать ветрогенератор для непосредственной выработки электроэнергии и подключать его трассой 35 к баку косвенного нагрева 24 для избыточной утилизации электричества через пиковый нагреватель ТЭН 25.
Особенностью системы является то, что введен бак косвенного нагрева 5. Его установка может быть как под землей так и над землей в помещении, он может находится, как под давлением, так и выполненным в открытом виде. Он служит для накапливания избыточной солнечной энергии в межотопительный период, поступающую от вакуумированных трубчатых коллекторов, так же при недостаточной температуре на коллекторах для приготовления ГВС (большинство в холодное время года) использует эту энергию для повышения температуры на входе в тепловой насос. Так же при помощи теплового насоса 4 в летний период времени для охлаждения помещений утилизирует тепловую энергию из здания. Недостатком прототипа является то, что в нем используется теплообменник проточного типа, который может передавать энергию только в случае протока теплоносителей в двух контурах одновременно, это достаточно затратно и сложно исполнимо с точки зрения автоматизации работы.
Для утилизации избыточной солнечной энергии применяется бак аккумулятор 2, внутри которого находится вещество с низкой температурой плавления, что позволяет за счет фазового перехода твердое тело - жидкость накапливать большее количество тепла по сравнению с обычными аккумуляторами тепла.
Используя дополнительный источник тепла 33, отличный от электричества, тем самым вводится дополнительная ступень безопасности по теплоснабжению на объекте. Система отопления становится бивалентной.
Промышленная применимость очевидна. Заявителем выполнена опытная модель заявляемой системы, которая доказала эффективность поставленной задачи.