ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ВОЗДУШНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области отопления, вентиляции и горячего и холодного водоснабжения. Она может быть использована для создания систем жизнеобеспечения, преимущественно жилых домов.
Известны системы снабжения здания теплом и холодной водой, которые содержат подведенные к зданию магистральные трубопроводы тепло- и холодного водоснабжения, соединенные через запорные задвижки и, соответственно, через разводящими по зданию трубопроводами холодного водоснабжения и подающими и обратными трубопроводами теплоснабжения, соединенными с потребителями посредством стояков соответственно со смесителями холодного водоснабжения, подключенными к циркуляционному трубопроводу горячего водоснабжения, и индивидуальными системами отопления [Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства, Часть 1 "Отопление, водопровод, канализация" под ред. Староверова И.Г. - М.: Стройиздат, 1975, стр.70-102].
Недостатком систем являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку в них не обеспечивается индивидуальный учет расхода воды.
Известны также системы снабжения здания теплом и холодной водой, которые содержат подведенные к зданию магистральные трубопроводы тепло- и холодного водоснабжения, соединенные через запорные задвижки и, соответственно, через теплосчетчик и водомер с разводящими по зданию трубопроводами холодного водоснабжения и подающими и обратными трубопроводами теплоснабжения, соединенными с потребителями
посредством стояков соответственно со смесителями холодного водоснабжения, подключенными к циркуляционному трубопроводу горячего водоснабжения, и индивидуальными системами отопления [СниП "Отопление, вентиляция и кондиционирование". СниП 2.04.05-91. п.3.15].
Эти системы также обладают относительно узкими функциональными возможностями, поскольку, в частности, не обеспечивают подогрева приточного воздуха при организации принудительной вентиляции.
Кроме того, известна система, содержащая подведенные к зданию магистральные трубопроводы тепло- и холодного водоснабжения, соединенные через запорные задвижки и соответственно через теплосчетчик и водомер с разводящими по зданию трубопроводами холодного водоснабжения и подающими и обратными трубопроводами теплоснабжения, соединенными с потребителями посредством стояков, соответственно, со смесителями холодного водоснабжения, подключенными к циркуляционному трубопроводу горячего водоснабжения, при этом, у каждого потребителя дополнительно оборудована установленными в местах присоединения потребителей к стоякам термотрансформирующими агрегатами, которые подключены с одной стороны к подающим и обратным стоякам теплоснабжения и стояку холодного водоснабжения, а с другой стороны - к индивидуальной системе отопления и смесителю с циркуляционным трубопроводом горячего водоснабжения, на котором смонтирован циркуляционный насос и расширительный бак, причем, термотрансформирующий агрегат включает в себя, по меньшей мере, два теплообменника, один из которых одной полостью включен в циркуляционный трубопровод горячего водоснабжения, другой полостью - подключен на входе и выходе к подающему стояку теплоснабжения, а второй теплообменник одной полостью подключен к смесителю и стояку холодного водоснабжения, а другой полостью - на входе соответственно к подающему стояку и обратному трубопроводу индивидуальной системы отопления, а на
выходе - к обратному стояку теплоснабжения [2287743, C1, F24D 3/00, Е03В 7/04, 2006.11.20].
Недостатком системы являются относительно узкие функциональные возможности и относительно низкая эффективность использования подводимой энергии.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является система, содержащая циркуляционный трубопровод горячего водоснабжения, подведенный к зданию магистральный трубопровод холодного водоснабжения, соединенный через запорную задвижку с разводящими по зданию трубопроводами холодного водоснабжения, соединенными посредством стояков с потребителями и с соответствующими им смесителями водоснабжения, подключенными к циркуляционному трубопроводу горячего водоснабжения, приточно-вытяжную установку, предварительный и дополнительный нагреватели воздуха, отопительный прямоточный электроводонагреватель, прямоточный электроводонагреватель горячего водоснабжения, бак-аккумулятор горячего водоснабжения, воздуховод приточного воздуха с разводкой по зданию приточного воздуха с соответствующими отводами у потребителей и воздуховод удаляемого воздуха с разводкой по зданию удаляемого воздуха с соответствующими отводами у потребителей, а также циркуляционный водопровод отопительного проточного электроводонагревателя, соединенного с нагревательными элементами предварительного и дополнительного нагревателей воздуха, при этом, ввод воздуховода приточного воздуха через предварительный нагреватель воздуха соединен с входом приточного воздуха приточно-вытяжной установки, выход приточного воздуха которой через дополнительный нагреватель воздуха соединен с разводкой по зданию приточного воздуха, разводка по зданию удаляемого воздуха соединена с входом удаляемого воздуха приточно-вытяжной установки, выход удаляемого воздуха которой соединен через вывод воздуховода удаляемого воздуха с атмосферой, проточный электроводонагреватель горячего
водоснабжения соединен соответствующими трубопроводами с вводом и выводом горячей воды бака-аккумулятора горячего водоснабжения, соединенного с циркуляционным трубопроводом горячего водоснабжения, а выходы стояков трубопроводов холодного водоснабжения соединены с вводом подачи холодной воды бака-аккумулятора горячего водоснабжения [RU 68657 U1 F24D 3/00, Е03В 7/04, 2007.11.27].
Кроме того, в этой системе бак-аккумулятор горячего водоснабжения соединен с циркуляционным водопроводом горячего водоснабжения через автоматический вентиль циркуляционного водопровода горячего водоснабжения, а отопительный прямоточный электроводонагреватель соединен с циркуляционным водопроводом отопительного прямоточного электроводонагревателя через автоматический вентиль.
При этом, общеизвестным считается использование общедомовых и квартирных счетчиков расхода холодной воды, горячей воды и электрической энергии.
Недостатком системы являются относительно низкое качество поддержания воздушно-теплового режима, поскольку отсутствуют средства гарантированной подачи в помещения приточного воздуха и отвода удаляемого воздуха. Кроме того, система обладает относительно низкой экономичностью относительно использования подводимой энергии, поскольку не обеспечивается эффективное использование отводимой энергии использованного воздуха, например, для предварительного нагрева приточного.
Требуемый технический результат заключается в повышении качества поддержания воздушно-теплового режима в помещениях и в повышении экономичности.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в системе, содержащей приточно-вытяжную вентиляционную установку, воздуховод удаляемого воздуха, воздуховод приточного воздуха, воздухораспределители приточного воздуха, оснащенные электрическими нагревателями, регулятор
температуры, воздуховод забора приточного воздуха, воздуховод выброса удаляемого воздуха, воздуховод удаляемого из помещений воздуха, насос холодной воды и стояк холодной воды, отвод воды на горячее водоснабжение, бак-аккумулятор горячей воды, оснащенный электрическим водонагревателем, датчик температуры, подающий стояк циркуляционного контура горячей воды, стояк обратной воды циркуляционного контура горячей воды, насос с электронным регулированием частоты вращения, регулирующий вентиль, датчик давления и температуры, общедомовой счетчик расхода холодной воды, квартирные счетчики расхода холодной воды, квартирные счетчики расхода горячей воды, водозаборный трубопровод холодной воды, водозаборный трубопровод горячей воды и общий канализационный стояк, при этом, водозаборный трубопровод холодной воды соединен со стояком холодной воды через квартирные счетчики расхода холодной воды, водозаборный трубопровод горячей воды соединен с подающим стояком циркуляционного контура горячей воды через квартирные счетчики расхода горячей воды, а магистральный трубопровод холодной воды соединен со стояком холодной воды через насос холодной воды и общедомовой счетчик расхода холодной воды, отвод холодной воды на горячее водоснабжение соединен со стояком холодной воды и с баком-аккумулятором горячей воды, который оснащен электрическим водонагревателем и датчиком температуры и входит в циркуляционный контур горячей воды, который включает также подающий стояк циркуляционного контура горячей воды, стояк обратной воды циркуляционного контура горячей воды, насос с электронным регулированием частоты вращения, регулирующий вентиль и датчик давления и температуры, а средства использования горячей и холодной воды соединены с общим канализационным стояком, приточно-вытяжная вентиляционная установка содержит циркуляционный насос, дроссель и компрессор с четырехходовым клапаном переключения режимов работы, последовательно установленные воздушный фильтр приточного воздуха,
соединенный с воздуховодом забора приточного воздуха, вентилятор приточного воздуха, теплоизвлекающий теплообменник и конденсатор, соединенный с воздуховодом приточного воздуха, последовательно установление воздушный фильтр удаляемого воздуха, соединенный с воздуховодом удаляемого воздуха, вентилятор удаляемого воздуха, теплоотдающий теплообменник и испаритель, соединенный с воздуховодом выброса удаляемого воздуха, при этом, циркуляционный насос включен в контур теплоизвлекающего и теплоотдающего теплообменников, а в контур конденсатора и испарителя включен дроссель и компрессор с четырехходовым клапаном переключения режимов работы.
На чертеже представлена функциональная схема интегрированной системы поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения для частного случая многоэтажного здания с подвалом, типовыми жилыми этажами и техническим этажом.
Интегрированная система поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения, содержит приточно-вытяжную вентиляционную установку 1, оснащенную вентилятором 2-1 удаляемого воздуха, вентилятором 2-2 приточного воздуха, воздушным фильтром 3-1 приточного воздуха, воздушным фильтром 3-2 удаляемого воздуха, теплоизвлекающим теплообменником 4, теплоотдающим теплообменником 5, испарителем 6, конденсатором 7, компрессором, дросселем 9, четырехходовым клапаном 10 переключения режимов работы и циркуляционным насосом 11 промежуточного теплоносителя.
Кроме того, интегрированная система поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения содержит воздуховод 12 удаляемого воздуха, воздуховод 13 приточного воздуха, воздухораспределители 14 приточного воздуха, оснащенные электрическими нагревателями 15, регулятор 16 температуры, воздуховод 17 забора приточного воздуха, воздуховод 18 выброса удаляемого воздуха, воздуховод
19 удаляемого из помещений воздуха, насос 20 холодной воды и стояк 21 холодной воды.
Интегрированная система поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения содержит также отвод 22 холодной воды на горячее водоснабжение, бак-аккумулятор 23 горячей воды, оснащенный электрическим водонагревателем 24, датчик 25 температуры, подающий стояк 26 циркуляционного контура горячей воды, стояк 27 обратной воды циркуляционного контура горячей воды, насос 28 с электронным регулированием частоты вращения, регулирующий вентиль 29, датчик 30 давления и температуры, общедомовой счетчик 31 расхода холодной воды, квартирные счетчики 32 расхода холодной воды, квартирные счетчики 33 расхода горячей воды, водозаборный трубопровод 34 холодной воды, водозаборный трубопровод 35 горячей воды и общий канализационный стояк 36.
В приточно-вытяжная вентиляционной установке 1 последовательно установлены воздушный фильтр 3-1 приточного воздуха, соединенный с воздуховодом 17 забора приточного воздуха, вентилятор 2-2 приточного воздуха, теплоизвлекающий теплообменник 4 и конденсатор 7, соединенный с воздуховодом 13 приточного воздуха, последовательно установлены воздушный фильтр 3-2 удаляемого воздуха, соединенный с воздуховодом 12 удаляемого воздуха, вентилятор 2-1 удаляемого воздуха, теплоотдающий теплообменник 5 и испаритель 6, соединенный с воздуховодом 18 выброса удаляемого воздуха, при этом, циркуляционный насос 11 включен в контур теплоизвлекающего 4 и теплоотдающего 5 теплообменников, а в контур конденсатора 7 и испарителя 6 включен дроссель 9 компрессор 8 с четырехходовым клапаном 10 переключения режимов работы.
Кроме того, в интегрированной системе поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения водозаборный трубопровод 34 холодной воды соединен со стояком 21 холодной воды через квартирные счетчики 32 расхода холодной воды, водозаборный трубопровод 35 горячей
воды соединен с подающим стояком 26 циркуляционного контура горячей воды через квартирные счетчики 33 расхода горячей воды, а магистральный трубопровод холодной воды соединен со стояком 21 холодной воды через насос 20 холодной воды и общедомовой счетчик 31 расхода холодной воды.
В интегрированной системе поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения отвод 22 холодной воды на горячее водоснабжение соединен со стояком 21 холодной воды и с баком-аккумулятором 23 горячей воды, который оснащен электрическим водонагревателем 24 и датчиком 25 температуры и входит в циркуляционный контур горячей воды, который включает также подающий стояк 26 циркуляционного контура горячей воды, стояк 27 обратной воды циркуляционного контура горячей воды, насос 28 с электронным регулированием частоты вращения, регулирующий вентиль 29 и датчик 30 давления и температуры, а средства использования горячей и холодной воды соединены с общим канализационным стояком 36.
Дополнительно к отмеченному средства использования горячей и холодной воды соединены с общим канализационным стояком, воздуховод 19 удаляемого из помещений воздуха соединен с воздуховодом 12 удаляемого воздуха, а воздухораспределители 14 приточного воздуха соединены с воздуховодом 13 приточного воздуха.
Кроме того, интегрированная система поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения может быть оснащена блоками автоматики с исполнительными органами и микропроцессорного регулирования режимов поддержания воздушно-тепловой среды, рационального потребления ресурсов (холодной и горячей воды, электроэнергии), а также 2-х тарифными счетчиками электроэнергии.
Воздуховоды приточного 13 и удаляемого 12 воздуха целесообразно устанавливать в специальных шахтах и обеспечивать их звуко- и тепловой изоляцией.
Основные элементы и оборудование интегрированной системы поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения располагаются на техническом этаже здания.
Все элементы, составляющие интегрированную систему поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения, являются стандартными элементами инженерного оборудования жилых и производственных зданий.
Работает интегрированная система поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения следующим образом.
Предварительно приведем доводы, доказывающие эффективность и экономичность предлагаемого технического решения.
В общем случае энергетическая система здания, обеспечивающая физическое благополучие человека и получение всех коммунальных благ, состоит из трех энергопотребляющих подсистем:
- сецифического электропотебления;
- поддержания комфортной воздушно-тепловой среды;
- горячего водоснабжения.
Потребности в энергии на термические нужды здания (на поддержание воздушно-тепловой среды и на горячее водоснабжение) покрываются тепловой энергией, получаемой либо на крупных централизованных источниках тепла (ТЭЦ, районные котельные), либо в автономных газовых теплогенераторах (например, в крышных котельных).
Главный недостаток нынешних теплопотребляющих систем в зданиях - их низкая энергетическая эффективность, что является следствием значительных необратимых потерь теплоты через оболочку здания и с удаляемым воздухом. Кроме того, создание традиционных теплоснабжающих систем требует больших капительных затрат, а их функционирование не обеспечивает необходимой надежности по поддержанию комфортных санитарно-гигиенических параметров.
Повышение эффективности, экономичности и надежности энергетической системы здания может быть достигнута за счет внедрения комплекса взаимосвязанных и взаимозависимых инноваций, например:
- повышением термического сопротивления наружных ограждающих конструкций;
- использованием механической (принудительной) системы воздухообмена;
- обеспечением полной рекуперации теплоты удаляемого воздуха, а также ассимиляцией внутренних тепловыделений;
- синергетической интеграцией процессов преобразования, аккумулирования и использования энергии.
Важной составляющей на пути осуществления указанных инноваций является минимизация потребностей в энергии на термические нужды.
oв
т.пот
вент
т.выд
В соответствии с тепловым балансом количество тепловой энергии на отопление и вентиляцию (Q); т.е. на поддержание комфортной воздушно-тепловой среды внутри здания, равно суммарному количеству тепловой энергии, затрачиваемой на компенсацию тепловых потерь через оболочку здания (Q) и на нагрев нормативно требуемого объема наружного приточного воздуха (Q) за вычетом количества теплоты, выделяемой внутри здания от оборудования, приборов, людей (Q).
В развернутом виде это алгебраическое выражение, с учетом внедрения механической системы воздухообмена с рекуперацией энергии удаляемого воздуха, имеет следующий вид:
где:
S - общая площадь наружных ограждающих конструкций;
эфф
R - эффективное термическое сопротивление наружных ограждающих конструкций;
в
н
t и t - температура внутреннего и наружного воздуха, соответственно;
V - объем вентилируемого воздуха;
р
с - удельная изобарная теплоемкость воздуха;
рек
λ - коэффициент рекуперации теплоты удаляемого воздуха.
Актуальность вопроса рекуперации теплоты удаляемого воздуха обусловлена как значительной потребностью в энергии на нагрев холодного приточного воздуха, так и благоприятным соотношением температурных уровней удаляемого и проточного воздуха. Выносимая удаляемым влажным воздухом энергия, определяемая по разности энтальпий, больше энергии, требуемой для нагрева сухого приточного воздуха.
рек
вент
В приведенном выше уравнении коэффициент рекуперации λрек показывает меру глубины регенерации энергии в системе вентиляции. Это означает, что при λ=1 будет обеспечиваться Q=0. Это, в свою очередь, означает, что нет необходимости в потреблении энергии извне для нагрева наружного приточного воздуха (если рассматривать типичный случай, когда температура приточного воздуха ниже требуемого).
т.выд
Величина внутреннего тепловыделения Q пропорционально степени электронасыщенности здания, электровооруженности труда в домашнем хозяйстве и плотности заселения.
т.пот
эфф
т.выд
т.пот
Величина Q пропорциональна площади теплообмена S и обратно пропорциональна термическому сопротивлению R наружных ограждающих конструкций. Отсюда следует, что при правильном выборе (разработке) конструкций наружных ограждений, величина Q и Q будут равны.
рек
эфф
т.выд
ов
В идеальном случае путем подбора значений λ и R при неизменных S и Q, величина Q будет равна нулю, т.е. не потребуется никаких затрат тепловой энергии на поддержание комфортной воздушно-тепловой среды.
Для обеспечения качественных коммунальных услуг при максимально возможном обеспечении экономии энергии за счет рекуперации и предложена настоящая интегрированная система поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения.
Интегрированная система поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения представляет собой циклическую интегральную технологию с установившимся воздушным потоком, которая работает по разомкнутой схеме. Ее задачей является постоянное обновление воздуха в здании и поддержании в нем комфортной тепловой среды.
В системе воздухообмена заданное количество удаляемого воздуха забирается из помещений с высоким содержанием влаги и загрязнений: кухни, туалета, ванной. Затем этот воздух охлаждается путем передачи теплоты приточному воздуху.
В системе поддержания воздушно-тепловой среды рекуперация "тепловых отходов" осуществляется в двух последовательных ступенях.
В первой, так называемой "пассивной" ступени, благодаря самопроизвольному процессу переноса теплоты энергия с помощью промежуточного теплоносителя передается от нагревающей среды (удаляемого воздуха) нагреваемой (приточному воздуху). Дальнейший нагрев приточного воздуха за счет более глубокого извлечения энергии удаляемого воздуха происходит в теплонасосной установке (во второй так называемой "активной" ступени).
Рекуперативная система с промежуточным теплоносителем обладает следующими достоинствами:
- исключает возможность обледенения удаляемого воздуха в проточной части теплообменника;
- не требует совместного размещения приточных и вытяжных воздуховодов;
- сохраняет неизменным коэффициент рекуперации энергии при любых температурах наружного воздуха.
Более детально работа предлагаемой интегрированной системы поддержания воздушно-теплового режима и горячего водоснабжения происходит следующим образом.
Из подведенного к многоэтажному зданию магистрального трубопровода холодного водоснабжения через насос 20 холодной воды в стояк 21 холодной воды, оснащенный общедомовым счетчиком 31 расхода холодной воды, поступает холодная вода, которая через водозаборный трубопровод 34 холодной воды, который оснащен квартирными счетчиками 32 расхода холодной воды, подается к устройствам пользования холодной воды (умывальники, ванны и т.п.).
Кроме того, используя насос 20 холодная вода подается по стояку 21 (преимущественно ночью, когда электрическая нагрузка здания и тарифы на электроэнергию резко снижены) в бак-аккумулятор 21 горячей воды, в котором она нагревается с помощью электрического водонагревателя 24. Последующее потребление накопленной горячей воды осуществляется в соответствии со спросом. Распределение горячей воды по потребителям производится традиционным способом - по схеме циркуляционного контура, в который помимо бака-аккумулятора 23 горячей воды, который оснащен электрическим водонагревателем 24 и датчиком 25 температуры, входит также подающий стояк 26 циркуляционного контура горячей воды, стояк 27 обратной воды циркуляционного контура горячей воды, насос 28 с электронным регулированием частоты вращения, регулирующий вентиль 29 и датчик 30 давления и температуры.
Отработанная вода от средств использования горячей и холодной воды у потребителей поступает в общий канализационный стояк 36 для сброса отработанной воды.
Для предварительного нагрева приточного воздуха в помещения здания за счет использования тепла удаляемого воздуха используется приточно-вытяжную вентиляционную установку 1, оснащенную вентилятором 2-1 удаляемого воздуха, вентилятором 2-2 приточного воздуха, воздушным фильтром 3-1 приточного воздуха, воздушным фильтром 3-2 удаляемого воздуха, теплоизвлекающим теплообменником 4, теплоотдающим теплообменником 5, испарителем 6, конденсатором 7, компрессором,
дросселем 9, четырехходовым клапаном 10 переключения режимов работы и циркуляционным насосом 11 промежуточного теплоносителя.
Подогрев приточного воздуха из атмосферы производится с помощью теплоизвлекающего теплообменника 4 с предварительной его фильтрацией с помощью воздушного фильтра 3-1 приточного воздуха и последующей его, принудительной подачей в жилые помещения с помощью вентилятора 2-2 приточного воздуха. Далее этот воздух распределяется по зданию с помощью воздуховода 13 приточного воздуха и подается в помещения через воздухораспределители 14, которые могут быть оснащены электронагревателями 15, включаемы, как правило, только в очень холодный период.
Для вывода отработанного воздуха из помещений здания используется воздуховод 19 удаляемого из помещений воздуха. Удаляемый воздух посредством воздуховода 12 удаляемого воздуха принудительно захватывается через фильтр 3-2 удаляемого воздуха вентилятором 2-1 удаляемого воздуха и поступает в теплоотдающий теплообменник 5. Для, обеспечения его работы используется циркуляционный насос 11, который включен в контур теплоизвлекающего 4 и теплоотдающего 5 теплообменников, входящих в состав приточно-вытяжной вентиляционной установки 1.
Подогрев приточного воздуха обеспечивается также с помощью конденсатора 7 и испарителя 6, в контур которых включен дроссель 9 и компрессор 8 с четырехходовым клапаном 10 переключения режимов работы для обеспечения работы приточно-вытяжной вентиляционной установки 1 в режиме охлаждения приточного воздуха.
Как следует из описания работы предложенной конструкции приточно-вытяжной вентиляционной установки 1, ее использование в целом сокращает расход энергии на обеспечение воздухообмена. Это обеспечивает минимизацию необратимых термодинамических потерь. Кроме того, благодаря усовершенствованию известного устройства в предлагаемой
системе обеспечивается повышение качества поддержания воздушно-теплового режима в помещениях жилого дома за счет применения средств гарантированной подачи в помещения приточного воздуха и отвода удаляемого воздуха - вентилятора 2-2 приточного воздуха и вентилятора 2-1 удаляемого воздуха.