ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ
HEAT PUMP SYSTEM FOR HEATING AND COOLING OF ROOMS

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам отопления и охлаждения малоэтажных зданий, использующим источники низкопотенциального тепла – наружный воздух, грунт и грунтовые воды прилегающего земельного участка.
Известна установка отопления и горячего водоснабжения содержащая тепловой насос (Заявка: 99119648/06, 13.09.1999) и в качестве источника низкопотенциального тепла использующая сточные воды приемного колодца сточных вод. Установка состоит из теплообменника-конденсатора, передающего тепло системе отопления и горячего водоснабжения, компрессора, дроссельного вентиля и теплообменника-испарителя, соединенных трубами в единую систему, заполненную фреоном. Теплообменник-испаритель связан с устройством отбора низкопотенциального тепла – циркуляционным контуром, заполненным жидким теплоносителем. Этот циркуляционный контур состоит из труб, циркуляционного насоса и теплообменника с вибратором, находящегося в приёмном колодце сточных вод. Недостатком такой установки является обязательное наличие приемного колодца с достаточно большим расходом сточных вод высокой температуры, например банно-прачечные комбинаты. Индивидуальный жилой дом малой этажности не сможет дать должного количества сточных вод, к тому же расход сточных вод непостоянный по времени. Очевидно снижение КПЭ* из-за этих причин.
*- коэффициент преобразования энергии (далее КПЭ), термин применяется в холодильной и теплонасосной технике. КПЭ – отношение тепло-(холодо)производительности установки к её электрической мощности. Тепло-(холодо)производительность в ваттах превышает как правило затраты электрической мощности, также выраженные в ваттах, а КПД не может быть выше 100%, поэтому в холодильной и теплонасосной технике используется термин “коэффициент преобразования энергии”
Также известна установка на базе геотермального теплового насоса типа вода-вода, связанная с системой грунтовых зондов http://remkasam.ru/kak-ustroen-i-kak-rabotaet-teplovoj-nasos.html.  Установка состоит из теплообменника-конденсатора, передающего тепло системе отопления и горячего водоснабжения, компрессора, дроссельного вентиля и теплообменника-испарителя, соединенных трубами в единую систему, заполненную фреоном. Теплообменник-испаритель связан с устройством отбора низкопотенциального тепла – системой грунтовых
зондов. Грунтовые зонды состоят из заполненных жидким теплохладоносителем пластиковых труб, помещенных попарно в вертикальные скважины. В нижней точке скважины две трубы
соединяются U – образно. Грунтовые зонды объединяются в единый контур парой горизонтальных труб, проложенных ниже глубины промерзания грунта и подведенных к теплообменнику-конденсатору. Циркуляцию теплохладоносителя в грунтовых зондах обеспечивает циркуляционный насос.  Недостатками такой системы является отбор тепла грунта в течении всего отопительного периода, который на большей части территории России составляет 8-9 мес и отсутствие возможности регенерации низкопотенциального тепла грунта в течении сезона кондиционирования составляющего на той же территории 1,5-2 мес и меньше, а также отсутствие возможности для повышения КПЭ* использовать тепло наружного воздуха в период, когда его температура выше температуры теплохладоносителя в грунтовых зондах.
Известна также установка на базе воздушного теплового насоса типа воздух-воздух http://rems-info.ru/teplovoi-nasos-vozduh-vozduh.html  Установка содержит внутренний теплообменник, работающий летом как испаритель, а в отопительный период как конденсатор и наружный теплообменник с вентилятором, работающий летом как конденсатор, а в отопительный период как испаритель. Еще установка содержит компрессор с электроприводом. четырехходовой клапан, дроссельный вентиль и трубы, связывающие названные агрегаты в единую установку. Контур установки заполнен рабочим телом – фреоном. Смена функций теплообменников обеспечивается четырехходовым клапаном. Недостатком такой системы является существенное снижение теплопроизводительности при понижении температуры наружного воздуха и необходимость иметь для этого периода некий дополнительный источник энергии (электрический ТЭН, либо другой источник тепла, использующий топливо).
0
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является установка, описанная в заявке 116659/06, 31.05.2005 , называемая кондиционер-отопитель. Установка содержит внутренний теплообменник, работающий летом как испаритель, а в отопительный период как конденсатор и наружный теплообменник с вентилятором, работающий летом как конденсатор, а в отопительный период как испаритель. Еще установка содержит компрессор с электроприводом, четырехходовой клапан, дроссельный вентиль и трубы, связывающие названные агрегаты в единую установку. Контур установки заполнен рабочим телом – фреоном. Смена функций теплообменников обеспечивается четырехходовым клапаном. В отличие от заявляемого изобретения наружный теплообменник с вентилятором помещен в  теплоизолированный герметичный кожух с люками, пропускающими внутрь кожуха наружный воздух при температуре наружного воздуха выше некоторой, заранее установленной, например минус 8С, снабженный средством для отбора тепла грунта - термосифонами - вертикальными трубами, заполненными фреоном и заглубленными в грунт, верхняя часть которых находится внутри кожуха и снабжена теплообменником с воздухом, причем фреон термосифонов и фреон контура установки не смешивается. В качестве источников низкопотенциального тепла используются воздух и грунт, также, как и в предлагаемом изобретении, но передача тепла грунта от термосифонов к наружному теплообменнику происходит через промежуточный теплоноситель – воздух, следствием чего является относительно высокие затраты электрической энергии, что понижает КПЭ устройства. Еще недостатками такой установки по сравнению с предлагаемым изобретением являются:
1. Ограниченная мощность установки, исходящая из ограниченной площади места установки термосифонов – вертикальных труб, верх которых должен быть в кожухе с наружным блоком кондиционера. Мощность термосифонов не превысит мощности одного грунтового зонда с той же глубиной заложения. Также фактором, ограничивающим мощность, является естественная  конвекция фреона внутри термосифона, тогда как в грунтовом зонде жидкий теплохладоноситель циркулирует принудительно;
2. Работа термосифонов на отбор тепла от грунта в течении большего времени отопительного сезона и отсутствие возможности регенерации тепла грунта вследствие того, что тепловой поток в термосифоне направлен только снизу вверх или отсутствует;
Задачей настоящего изобретения является снижение энергетических затрат, то есть повышение повышение КПЭ, на отопление и охлаждение помещений путем создания теплонасосной установки, использующей два источника низкопотенциального тепла с помощью двух разных теплообменников.
В первом аналоге используется тепло сточных вод, которых, как уже указано в описании аналога, может не быть. Второй аналог использует только тепло грунта, истощая источник и не пользуясь теплом воздуха, когда он теплее грунта. Третий аналог использует только тепло наружного воздуха, которого в морозы становится слишком мало и возникает необходимость иметь для этого периода некий дополнительный источник тепловой энергии. Прототип – кондиционер-отопитель использует два источника низкопотенциального тепла, но посредством одного теплообменника, из-за чего передача тепла грунта от термосифонов к наружному теплообменнику происходит через промежуточный теплоноситель – воздух, следствием чего является относительно высокие затраты электрической энергии, что понижает КПЭ устройства.
В данной теплонасосной установке по данному изобретению, как во всех кондиционерах типа “сплит-система” и других тепловых насосах, работающих на охлаждение и на нагрев, имеется наружный и внутренний теплообменники, компрессор с электроприводом, четырехходовой клапан, капилляр-дроссель и трубопроводы, связывающие названные элементы в единую установку, заполненную рабочим телом – фреоном. Поставленная задача решается тем, что в её фреоновый контур интегрирован дополнительный теплообменник, связывающий фреоновый контур с контуром теплохладоносителя грунтовых зондов без промежуточных теплоносителей. Этим описываемая установка отличается от прототипа и аналогов.  Грунтовые зонды состоят из заполненных жидким теплохладоносителем пластиковых труб, помещенных попарно в вертикальные скважины. В нижней точке скважины две трубы соединяются U – образно. Грунтовые зонды объединяются в единый контур парой горизонтальных труб, проложенных ниже глубины промерзания грунта и подведенных к дополнительному теплообменнику. Циркуляцию теплохладоносителя в грунтовых зондах и дополнительном теплообменнике обеспечивает циркуляционный насос. Также во фреоновом контуре установка имеет четыре соленоидных клапана, работающих в режиме “открыто - закрыто” и управляемых наружным термостатом.
Благодаря использованию дополнительного теплообменника и грунтовых зондов установка может отбирать низкопотенциальное тепло у грунта, что при низких температурах наружного воздуха позволяет установке работать  устойчиво с высоким КПЭ. Благодаря наличию в установке четырех соленоидных клапанов, установленных попарно на подводках фреона к наружному и дополнительному теплообменникам, можно отключать от установки либо наружный, либо дополнительный теплообменник, оставляя в работе с установкой тот теплообменник, который позволит достичь максимального КПЭ при данной температуре наружного воздуха в режиме нагрева. Функция переключения теплообменников посредством соленоидных клапанов в зависимости от температуры наружного воздуха осуществляется наружным термостатом.
Итак, благодаря совокупности существенных признаков изобретения достигается технический результат в виде:
- работы установки на нагрев и на охлаждение с высоким КПЭ, превышающим КПЭ прототипа и описанных выше аналогов
- менее продолжительного периода использования низкопотенциального тепла грунта, снижения и полного устранения опасности истощения данного источника, возможности его регенерации летом при работе установки на охлаждение.
Изобретение иллюстрируется чертежами (фигура 1, фигура 2) – принципиальными схемами установки, на которых схематически изображены и пронумерованы все конструктивные элементы изобретения и изображены их связи между собой. Фигура 1 – работа установки на охлаждение, фигура 2 – работа установки на отопление.
Фигура 1, Фигура 2
1 – теплообменник внутри помещения
2 – вентилятор, обдувающий теплообменник внутри помещения
3 - наружный теплообменник
4 - вентилятор, обдувающий наружный теплообменник наружным воздухом
5 - четырехходовой клапан для фреона
6 – компрессор для фреона
7 – каппиляр – дроссель фреонового контура
8 – дополнительный теплообменник,  позволяющий получать тепло из грунта
9 – система грунтовых зондов
10 – циркуляционный насос для теплохладоносителя грунтовых зондов
11, 12, 13, 14 - соленоидные клапаны для отключения от фреонового контура теплообменников 3 или 8.
15 - наружный термостат для управления соленоидными клапанами, циркуляционным насосом и вентилятором наружного теплообменника
Жирными линиями изображены трубопроводы фреона и трубы грунтовых зондов, тонкими линиями изображены контуры здания, поверхность земли и кабели управления от наружного термостата 15.
На рисунках фигура 1 и фигура 2 приведена схема теплонасосной установки. Теплонасосная установка состоит из находящегося внутри помещения теплообменника 1 с обдувающим его вентилятором 2, служащего в летний период года испарителем, охлаждающим помещение, а в отопительный период конденсатором, нагревающим помещение; и наружного теплообменника 3, с обдувающим его вентилятором 4, неработающего в летний период, а в отопительный период при температурах наружного воздуха выше примерно минус 10°С  являющегося испарителем, в этот период забирающим тепло у наружного воздуха. Теплообменники посредством труб объединены в общую систему друг с другом и с четырехходовым клапаном 5, компрессором 6 и капилляром – дросселем 7.  Из этих комплектующих состоят все кондиционеры типа “Сплит-система”, а также прототип. Для устойчивой работы на нагрев, при температурах наружного воздуха ниже примерно минус 10°С теплонасосная установка имеет в составе теплообменник 8, позволяющий получать тепло из грунта посредством грунтовых зондов 9. Трубы грунтовых зондов соединены с пространством вокруг змеевика теплообменника 8 и заполнены незамерзающим до минус 10°С теплохладоносителем, например 30% -ным раствором этилового спирта, который циркулирует с помощью циркуляционного насоса 10. Контур теплового насоса объединяет теплообменники 1,3,8, четырехходовой клапан 5, компрессор 6, капилляр – дроссель 7 и соленоидные клапаны 11, 12, 13, 14, как показано на рисунке. Контур заполнен рабочим телом, например фреоном R410A.
Переключение источников низкопотенциального тепла в отопительный сезон происходит посредством соленоидных клапанов 11, 12, 13, 14, управляемых наружным термостатом 15.
Существенными признаками, отличающими описываемое изобретение, являются: присутствие в одной теплонасосной установке сразу трех теплообменников, один из которых внутренний и поддерживает комфортную температуру внутри помещения, а два из которых используют каждый по одному источнику низкопотенциального тепла – наружный воздух и грунт; четыре соленоидных клапана, управляемые наружным термостатом. Эти признаки избавляют описываемое изобретение от недостатков прототипа и аналогов. С помощью этих признаков достигается технический результат в виде обеспечения экономичного отопления в течение всего отопительного периода с высоким КПЭ, превышающем КПЭ прототипа и аналогов; возможности экономичного использования низкопотенциального тепла грунта без опасности его истощения и с возможностью его регенерации; экономичного кондиционирования летом.
Работает установка следующим образом: в летний период четырехходовой клапан 5 объединяет выходы таким образом, что теплообменник 1 становится испарителем, а теплообменник 8 – конденсатором (фигура 1). При этом соленоидные клапаны 11, 12 закрыты,  а соленоидные клапаны 13, 14 открыты, работает циркуляционный насос 10. Установка работает как кондиционер на охлаждение помещения. Использование теплообменника 8 в качестве конденсатора позволяет установке работать в режиме охлаждения с меньшим энергопотреблением, т.к. тепло выбрасывается не в наружный воздух с температурой до +30°С, а в грунт, температура которого +5°С. Это позволяет частично регенерировать тепло грунта вокруг грунтовых зондов, потраченное в отопительный период.
В данном случае для кондиционирования помещения можно использовать фанкойл,  в который можно подавать теплохладоноситель напрямую из грунтовых зондов и сэкономить электроэнергию на работе компрессора, но это в данной установке сознательно не делается для удешевления системы.
В отопительный период четырехходовой клапан 5 делает теплообменник 1 конденсатором, а испарителем становится теплообменник 3 или 8. (фигура 2) Наружный термостат 15 управляет работой соленоидных клапанов 11, 12, 13, 14 и имеет уставку минус 10°С.
При температуре наружного воздуха в отопительный период  выше минус 10°С наружный термостат 15 дает сигнал на открытие соленоидных клапанов 11, 12, закрытие соленоидных клапанов  13, 14 и включение вентилятора 4, обдувающего наружный теплообменник 3. Насос 10 выключен. Испарителем в этом случае является теплообменник 3. Установка берет тепло из наружного воздуха, экономит тепло грунта.
При температуре наружного воздуха в отопительный период  ниже минус 10°С наружный термостат 15 дает сигнал на закрытие соленоидных клапанов 11,12 и открытие клапанов  13, 14, включает циркуляционный насос 10 и выключает вентилятор 4, обдувающий наружный теплообменник 3. Испарителем становится теплообменник 8, установка берет тепло из грунта, теплопроизводительность становится более стабильной, не зависящей от изменений температуры наружного воздуха.
При таком алгоритме работы теплообменников 3 и 8 в качестве испарителей максимально экономится ресурс тепла грунта у грунтовых зондов, так как  во многих регионах, например в Ленинградской области температура наружного воздуха в отопительный период  выше минус 10°С наблюдается в течении в среднем 7,5 месяцев из девяти месяцев отопительного сезона.
Описанная установка практически используется в дачном доме площадью 18 кв. м  в Ленинградской области и проработала целиком два отопительных сезона. В установке использовался кондиционер типа “Сплит – система” марки «Lessar» с настенным типом внутреннего блока, во фреоновый контур которого интегрирован дополнительный теплообменник для передачи тепла от жидкости грунтовых зондов фреону и четыре соленоидных клапана. Номинальная мощность компрессора 800 Вт, рабочая 720-820 Вт в зависимости от температур внутреннего и наружного воздуха, вентилятор внутреннего блока мощностью 10вт, вентилятор наружного блока - 30вт, циркуляционный насос мощностью 30 Вт. В виду того, что вентилятор наружного блока не работает одновременно с циркуляционным насосом, суммарная рабочая электрическая мощность установки варьируется от 760 до 860 Вт.
При этом теплопроизводительность установки в отопительный период варьируется от 2400 до 3400 Вт, коэффициент преобразования энергии составляет 3,2-4. Налицо экономия электроэнергии более чем в три раза по сравнению с традиционным электроотоплением прямого нагрева или с нагрева посредством электрокотла.
Подсчитана  экономическая выгода в эксплуатационных затратах на электроэнергию для работы описываемой теплонасосной установки по сравнению с отоплением на всех видах топлива кроме магистрального природного газа (который всегда дешевле) и составляет: 40%(дрова), 120%(сжиженный газ), и до 300% (дизельное топливо) по ценам на 2016г. в районах Ленинградской области, примыкающих к Санкт-Петербургу или крупным районным центрам, крупным садоводческим массивам (с высокими ценами на дрова).