АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ И ФУНДАМЕНТНЫХ СВАЙ СО ВСТРОЕННЫМИ ТЕПЛООБМЕННИКАМИ

Полезная модель относится к области строительной теплотехники, а именно, к системам автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения (ГВС) зданий и сооружений, с оригинальным способом съема и преобразования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта, а также возможностью использования части энергии физических тепловых потерь зданий и сооружений, имеющих свайный фундамент, для нужд теплоснабжения и ГВС указанных объектов при помощи тепловых насосов и фундаментных свай со встроенными теплообменниками. Тепловые насосы для отопления жилых домов, зданий и сооружений, с отбором и утилизацией тепловой энергии поверхностных и коренных слоев грунта, при массовом строительстве ранее в России широко не применялись, ввиду отсутствия целого ряда специальных систем и устройств. Не существовало научно обоснованных методик расчетов, объективных критериев оценки исходных данных и полученных результатов. Также отсутствовал опыт успешной практической реализации указанных методов, способов и устройств.
Имеется Заявка на выдачу патента РФ на полезную модель «Фундаментная свая со встроенным теплообменником и способ ее изготовления» №2012127509, дата приоритета 02.07.2012. Указанное устройство позволяет осуществить оптимальный съем и передачу геотермальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта в первичный контур теплового насоса, применяемого в автономных системах теплоснабжения зданий и сооружений. Преимущества данного устройства и принцип его работы использованы при разработке настоящей полезной модели.
Существует патентное решение, аналогичное заявляемому образцу, например, «Система отопления жилого дома» (патент на изобретение РФ №2412401, 27.08.2009). Система содержит расположенный в подвале жилого дома бассейн, в котором находится тепловая система типа 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 обязательно сообщен с атмосферой. Такая система обеспечивает тепловой энергией отдельно стоящее здание при работе теплового насоса за счет тепла, выделяющегося при фазовом переходе вода-лед.
Главным и самым существенным недостатком указанного патентного решения является то, что в подвальных помещениях новых проектируемых и строящихся объектов, изначально создаются условия с постоянной избыточной влажностью, конденсатом на конструкциях фундамента и подвального потолочного перекрытия. Для исключения указанных выше недостатков потребуются дополнительные, весьма существенные затраты, связанные с гидроизоляцией, возможно с частичной герметизацией всего рабочего объема теплотехнической системы вода-лед-вода, расположенного в подвальной части здания.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности, совокупности совпадающих признаков и получаемому результату к заявляемой полезной модели является «Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей» (Патент на изобретение РФ №2292000, 20.04.2005.) Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей, содержащее подключенные к сети теплоснабжения помещений 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 отдельных скважинах теплообменники и испаритель основного теплового насоса.
Недостатком данного патента, во-первых, является то, что использование нескольких отдельных вертикальных глубинных геотермальных скважин для организации работы первичного контура тепловых насосов значительно увеличивает стоимость любого теплофицируемого строительного объекта. Во-вторых, теплотехнические параметры и характеристики глубинных вертикальных геотермальных скважин являются менее эффективными по сравнению с термопреобразующими системами, расположенными в поверхностных слоях грунта. Указанные недостатки рассмотренных патентных решений исключаются в предлагаемой патентной модели.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая модель, является создание теплотехнической автономной системы с использованием геотермальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта для теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений с помощью тепловых насосов.
Техническое решение достигается за счет того, что указанная автономная система теплоснабжения использует геотермальную тепловую энергию поверхностных слоев грунта, которая преобразуется с помощью встроенных свайных теплообменников и используется в первичном контуре тепловых насосов автономной системы теплоснабжения.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является создание автономной системы теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений с помощью тепловых насосов и фундаментных свай со встроенными теплообменниками, которую можно эксплуатировать автономно, круглогодично и с минимальным потреблением электрической энергии.
Преимуществом предлагаемой автономной системы теплоснабжения и ГВС, является возможность автономного всесезонного бесперебойного получения необходимого количества тепловой энергии и горячей воды для горячего водоснабжения, с минимальным потреблением электрической энергии, при преобразовании и использовании геотермальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта, как природного, так и техногенного происхождения, при помощи тепловых насосов и фундаментных свай со встроенными теплообменниками, по сравнению с любым из существующих классических способов автономной тепловой генерации. Вторым существенным преимуществом указанной системы является использование фундаментных свай со встроенными теплообменниками в качестве первичных термопреобразующих устройств, что исключает потребность в бурении специальных (глубиной до 50-200 метров, диаметром 300-400 мм) геотермальных скважин с их обустройством, для установки в них первичных теплообменников, предназначенных для отбора тепловой энергии от поверхностных и коренных слоев грунта. Это существенно снижает затраты на создание автономной системы теплоснабжения. Например, затраты только на бурение и обустройство нескольких геотермальных скважин (дренаж, заполняющий материал, обсадные перфорированные трубы диаметром 300-400 мм, тампонирующие материалы) для монтажа в них вертикальных скважинных теплообменников первичного контура теплового насоса будут соизмеримы со стоимостью значительной части свайного фундамента для строительного объекта. Для выполнения оценочных расчетов можно использовать следующее соотношение - на один погонный метр единичной вертикальной скважины в среднем приходится до 50-60 Вт преобразуемой геотермальной тепловой энергии. Следовательно, для теплового насоса с производительностью 10 кВт тепловой энергии, потребуется единичная вертикальная скважина с глубиной до 170-200 метров. Можно использовать несколько менее глубоких скважин, но существенно снизит затраты не удастся, поскольку пропорционально возрастет количество теплообменников, запорной арматуры, появятся дополнительные участки сборных коллекторов. Известно, что средняя температура поверхностных слоев грунта всегда на несколько градусов выше, чем температура коренных грунтовых образований и эффективность работы указанной или иной системы автономного теплоснабжения, при использовании тепловой энергии именно поверхностных слоев грунта существенно возрастает. Например, для различных по геологическим свойствам поверхностных слоев грунта, с учетом водо-насыщенности и пористости структуры геологических отложений, солесодержания и удельной теплоемкости, снимаемая тепловая мощность может находиться в диапазоне от 10 до 35 Вт/кв.м. Для коренных, более глубоких по геологическому залеганию, слоев грунта, указанные параметры находятся уже в диапазоне 0,063-0,1 Вт/кв.м, что на два порядка ниже чем для поверхностных слоев. Таким образом, полезная доля тепловой энергии коренных грунтов, в суммарном объеме извлекаемой тепловой энергии для первичного контура теплового насоса, составляет единицы процента и ею практически можно пренебречь. С другой стороны, при использовании достаточно глубоких единичных геотермальных скважин, потребуется и более мощный циркуляционный насос первичного теплового контура, для обеспечения устойчивой циркуляции теплоносителя с увеличенным диапазоном перепада уровня давлений в первичном контуре (с учетом глубины скважин). Это может привести к увеличению потребляемой тепловым насосом электрической мощности, что, в свою очередь, приведет к снижению к.п.д. всей системы.
Количество низкопотенциальной тепловой энергии, необходимой для устойчивой работы теплового насоса, в соответствии со среднесуточной циклограммой работы автономной системы теплоснабжения (структура циклограммы - дневной, ночной, пиковый, аварийный режимы работы), может регулироваться за счет изменения скорости циркуляции теплоносителя в первичном низкопотенциальном контуре, при управляемом (в соответствии с алгоритмом циклограммы) изменении скорости вращения ротора приводного двигателя циркуляционного насоса первичного контура. Принудительная циркуляция теплоносителя во внутреннем объеме встроенного свайного теплообменника позволяет снимать и переносить тепловую энергию от внутренних стенок свайного металлического теплообменника на сборный коллектор, входящий в состав первичного контура теплового насоса.
В предлагаемом устройстве встроенный в тело железобетонной сваи трубчатый U-образный металлический теплообменник работает по принципу проточного нагревательного бойлера. Для всех режимов тепловых нагрузок автономной системы теплоснабжения, в проектном диапазоне изменений температуры окружающей среды, рабочая температура теплоносителя на входе в свайный теплообменник (обязательное начальное условие для обеспечения режима оптимальной теплопередачи) должна быть всегда ниже, чем температура примыкающих к наружным стенкам сваи поверхностных слоев грунта и температура стволового тела фундаментной сваи. За счет эффекта теплопередачи материала свайного тела, происходит нагрев стенок теплообменника и, следовательно, нагрев теплоносителя, заключенного во внутреннем объеме теплообменника. При соблюдении указанных начальных условий, температура теплоносителя на выходе из свайного теплообменника всегда будет выше, чем на его входе. Диапазон разности температур между входом и выходом единичного встроенного свайного теплообменника (сети свайных теплообменников, объединенных параллельно по входу и выходу между собой на тепловом коллекторе) зависит от требований технического задания на автономное теплоснабжение и ГВС объекта, типа, параметров и характеристик теплоносителя, количества, типа, тепловой мощности и входных параметров теплового насоса, количества свай со встроенным теплообменником и др.
Отличительной особенностью поверхностного слоя грунта, расположенного внутри периметра свайного поля фундамента любого здания и сооружения, является тот факт, что глубина промерзания (градиент температуры) значительно ниже и средняя температура в объеме указанного грунтового пространства значительно выше, чем для открытого, аналогичного по геологической структуре и свойствам участка, поскольку часть тепловых потерь от любого теплофицированного инженерного объекта, за счет теплопередачи элементов конструкций фундамента и ростверка (даже при использовании самых эффективных способов и материалов для теплоизоляции конструкций фундамента от теплового воздействия со стороны конструкций зданий и сооружений), в основном «сбрасываются» в смежный объем грунта, примыкающего к конструкции фундамента. В 60-е годы указанный «парниковый эффект» от зданий и сооружений на свайных фундаментах, построенных в районах крайнего Севера и Сибири (зона вечной мерзлоты), часто приводил к протаиванию грунта и оседанию фундаментных конструкций. Указанное обстоятельство является определяющим фактором при использовании именно участка, расположенного внутри периметра свайного поля фундамента, в качестве наиболее оптимальной локальной геотермальной зоны для съема и утилизации тепловой энергии грунтов, в целях обеспечения устойчивой работы тепловых насосов автономной системы теплоснабжения инженерных объектов со свайными фундаментами, оборудованными встроенными теплообменниками. С другой стороны, стоимость участка земли для строительства, особенно в густонаселенных регионах страны составляет значительную сумму, следовательно, использование горизонтальных или наклонных теплообменников в инфраструктуре центральной части большого города будет весьма дорого и нерационально.
Следует особо подчеркнуть, что предлагаемая и описанная выше система и устройство на ее основе позволяют преобразовывать и использовать не только тепловую энергию примыкающих и смежных со свайным фундаментом поверхностных слоев грунта, а также использовать часть тепловой энергии физических потерь непосредственно от свайных конструкции фундамента любого здания и сооружения, т.е. повторно использовать часть энергии естественных физических тепловых потерь любого инженерного объекта, имеющего автономную систему теплоснабжения с тепловыми насосами и свайным фундаментом, оборудованным встроенными теплообменниками, для нужд теплоснабжения зданий и сооружений.
Полезная модель поясняется схемой.
Для большей наглядности, масштабные соотношения для некоторых элементов, узлов и блоков, изображенных на схеме, соблюдены условно.
На фиг.1 представлена функциональная схема автономной системы теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений, с перечислением основных элементов системы, а также с указанием основных параметров и характеристик узлов и блоков, входящих в ее состав.
3
Схема обеспечивает сбор и трансформацию геотермального тепла от верхних слоев грунта при помощи тепловых насосов, используя в качестве первичного приемно-преобразующего устройства, встроенные в фундаментные сваи U образные теплообменники. Принудительная циркуляция в первичном контуре отбора низкопотенциальной тепловой энергии верхних слоев грунта обеспечивается сетевым насосом, создающим напор до 20 м.в.с. и циркуляционный расход жидкого теплоносителя до 13 м\ч. Предусмотрено 100% системное резервирование сетевого циркуляционного насоса первичного контура. Для первичного контура предусмотрена автономная система безопасности, оборудованная предохранительным клапаном и датчиком давления. Первичный контур содержит расширительный резервуар объемом 200 литров для компенсации последствий температурных расширений жидкого рабочего тела. Подпитка схемы осуществляется из питательного резервуара с водно-гликолиевым раствором. Подпитка осуществляется питательным насосом по управляющему сигналу от датчика давления, установленного в первичном контуре. Теплоноситель с выхода сборного коллектора с температурой (в диапазоне от +1 до +6°С) подается сетевым насосом на входы двух тепловых насосов, включенных и работающих параллельно (по теплоносителю и по тепловой нагрузке на выходе). Основной тепловой насос (модель типа Vitocal 300-G BW145) и ведомый по алгоритму управления (модель типа Vitocal 300-G BW145). Для поддержания постоянной температуры сетевой воды на уровне +60°С, на стороне потребителя предусмотрен узел управления с трехходовым клапаном, установленным после тепловых насосов, при помощи которого осуществляется подача части подогретого теплоносителя на вход тепловых насосов. Нагретый теплоноситель направляется на подогрев системы циркуляции ГВС и\или подогрев теплоносителя системы отопления. Перераспределение теплоносителя с выхода тепловых насосов на схемы подогрева системы ГВС и\или системы отопления осуществляется при помощи трехходового клапана, который управляется автоматически по сигналу от датчика температуры воды после подогревателя системы ГВС. Передача тепловой энергии от выходного контура тепловых насосов к контуру системы ГВС и системы отопления осуществляется при помощи пластинчатых теплообменников. Предусмотрен учет расхода тепловой энергии, полученной от тепловых насосов.
3
3
Объемный расход водно-этиленгликолиевой смеси в первичном контуре тепловых насосов составляет до 6,7 м\ч, расход воды в нагреваемом контуре составляет до 3,8 м\ч.
3
Схема подогрева воды системы ГВС работает параллельно с теплоаккумулирующими резервуарами, общей емкостью 5 м. Резервуары предназначены для сглаживания пиков потребления тепловой энергии на нагрев воды в системе ГВС (буферный резервуар-накопитель). В водяной трубопровод системы рециркуляции ГВС от потребителя подключен трубопровод подпитки системы ГВС от системы холодного водоснабжения (ХВС). Подпитка осуществляется за счет избыточного (относительно системы ГВС) давления воды в сети ХВС. На линии подпитки от сети ХВС установлен обратный клапан, редуктор давления, расходомер. После узла подпитки системы ГВС установлен пластинчатый теплообменник, нагревающей рабочей средой в котором является горячая вода с выхода тепловых насосов. Регулирование расхода тепловой энергии на нагрев воды в системе ГВС выполняется при помощи управляемого трехходового клапана, установленного на линии подачи теплоносителя с выхода тепловых насосов. После пластинчатого теплообменника теплоноситель (вода) подается в теплоаккумулирующие емкости.
Схема подогрева системы ГВС предусматривает автоматическое включение резервного\аварийного подогрева воды системы ГВС, за счет использования тепловой энергии теплофикационной воды из магистральной муниципальной тепловой сети. Для этого теплоаккумулирующие емкости оснащены трубчатыми теплообменниками, которые по циркуляционному контуру подключены к пластинчатому теплообменнику, на него подается теплофикационная вода из муниципальной тепловой сети. Включение резервной\аварийной схемы подогрева системы ГВС объекта осуществляется автоматически, при понижении уровня температуры воды ниже заданного значения, или прекращения подачи\циркуляции собственного теплоносителя в результате аварии, для нужд системы ГВС (после теплоаккумулирующих резервуаров), ниже заданного значения. Циркуляционный контур подогрева от муниципальной тепловой сети имеет собственный циркуляционный насос, систему безопасности и линию подпитки теплофикационной водой из муниципальной тепловой сети. Вода на собственные нужды системы ГВС подается из баков аккумуляторов при помощи циркуляционного насоса. Предусмотрено 100% системное резервирование циркуляционного насоса.
Для научных исследований, практической отработки и серийной реализации в массовом производстве описанной выше автономной системы теплоснабжения, компания РЕКОН г.Томск, совместно с ведущими учеными и специалистами в области теплотехники и строительства из Томского национального исследовательского политехнического университета и Томского государственного архитектурно-строительного университета, на базе собственного производства железобетонных изделий по технологии и на оборудовании РЕКОН, на строительной площадке проекта высотной жилой застройки в мкр. Мокрушинский, организовала промышленный испытательный полигон (участок свайного поля под секцию №4 жилого дома №1 по ул. Нефтяной). Ранее, аналогичные технические решения разрабатывались, отрабатывались и реализовывались при проектировании и строительстве жилых домов коттеджного типа по ул. Балтийской в г.Томске и на ряде других аналогичных объектов. В проекте строительства энергоэффективного 60 квартирного жилого дома в г.Топки Кемеровской области по ул. Солнечной, проект имеет положительную экспертную оценку и рекомендацию по его реализации, использованы указанные выше научные, проектные и технические решения. Совместные работы с учеными и специалистами в развитии данного направления будут продолжены и использованы при реализации проекта высотного жилищного строительства в мкр. Мокрушинский г.Томск.
В результате, автономная система теплоснабжения и ГВС обеспечит возможность всесезонного бесперебойного получения необходимого количества тепловой энергии и горячей воды для ГВС, с минимальным потреблением электрической энергии, при преобразовании и использовании геотермальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта, как природного, так и техногенного происхождения, с использованием тепловых насосов и фундаментных свай со встроенными теплообменниками.
Автономная система теплоснабжения, использующая низкопотенциальную тепловую энергию поверхностных слоев грунта, состоящая из тепловых насосов и встроенных в стволовое тело фундаментных железобетонных свай вертикальных теплообменников, реализует на практике положения Федерального закона №261-Ф3 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…».