УСТАНОВКА ДЛЯ АВТОНОМНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Установка для автономного отопления относится к теплотехнике, в частности к системам теплоснабжения, и может быть использована для отопления жилых домов, производственных, административных и социально-бытовых сооружений.
Известна автономная отопительная система, включающая контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с тремя грунтовыми теплообменниками, входы которых связаны с выходом испарителя теплового насоса, а выходы - через устройство переключения, содержащее три электромагнитных клапана, три компаратора, кольцевой счетчик, три логических элемента «И», три инвертора и три усилителя, - с его входом, три датчика температуры, установленные в трех грунтовых теплообменниках, систему отопления, содержащую конденсатор теплового насоса, соединенный трубопроводом с отопительными приборами, при этом датчики температуры соединены с прямыми входами компараторов, выходы которых подключены ко входам инверторов и к первым входам логических элементов «И», выходы инверторов соединены между собой и связаны со входом кольцевого счетчика, выходы которого подключены ко вторым входам логических элементов «И», а их выходы - через усилители к управляющим входам электромагнитных клапанов, установленных на выходах грунтовых теплообменников (см. патент на полезную модель №149505 «Автономная отопительная ситема», опубл. 10.01.2015, бюл. №1). Недостатками такой системы являются: 1) несовершенство алгоритма управления, вследствие чего в некоторых случаях автономная отопительная система работает некорректно: например, если после охлаждения теплоносителя в первом грунтовом теплообменнике до температуры, заданной оператором, температура теплоносителя во втором грунтовом теплообменнике по каким-либо причинам окажется ниже температуры теплоносителя в третьем грунтовом теплообменнике, тем не менее отбор теплоты будет происходить по ранее установленной последовательности, то есть после первого грунтового теплообменника к контуру испарителя теплового насоса будет подключен второй грунтовый теплообменник; в то же время в целях более рационального использования природной теплоты было бы правильнее очередность подключения второго и третьего грунтовых теплообменников поменять;
2) недостаточная надежность системы вследствие большого количества логических элементов в составе устройства переключения.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является изменение схемы соединения элементов устройства переключения, определяющее улучшение алгоритма (последовательности действия) его работы, а также повышение надежности системы за счет исключения из устройства переключения кольцевого счетчика.
Такой технический результат достигается тем, что в установке для автономного отопления, включающей контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с первым, вторым и третьим грунтовыми теплообменниками, входы которых связаны с выходом испарителя теплового насоса, а выходы - через устройство переключения, содержащее первый, второй и третий электромагнитные клапаны, первый, второй и третий компараторы, первый, второй и третий логические элементы «И», первый, второй и третий инверторы и первый, второй и третий усилители, - с его входом, первый, второй и третий датчики температуры, установленные в первом, втором и третьем грунтовых теплообменниках соответственно, систему отопления, содержащую конденсатор теплового насоса, соединенный трубопроводом с отопительными приборами, первый датчик температуры подключен к прямым входам первого и второго компаратора, второй датчик температуры подключен к инверсному входу первого компаратора и прямому входу третьего компаратора, третий датчик температуры подключен к инверсному входу второго компаратора и инверсному входу третьего компаратора, выход первого компаратора подключен к первому входу первого логического элемента «И» и ко входу первого инвертора, выход второго компаратора подключен ко второму входу первого логического элемента «И» и ко входу третьего инвертора, выход третьего компаратора подключен ко второму входу второго логического элемента «И» и ко входу второго инвертора, выход первого инвертора подключен к первому входу второго логического элемента «И», выход второго инвертора подключен к первому входу третьего логического элемента «И», выход третьего инвертора подключен ко второму входу третьего логического элемента «И», выход первого логического элемента «И» через первый усилитель подключен к управляющему входу первого электромагнитного клапана, выход второго логического элемента «И» через второй усилитель подключен к управляющему входу второго электромагнитного клапана и выход третьего логического элемента «И» через третий усилитель подключен к управляющему входу третьего электромагнитного клапана.
На фиг. 1 представлена функциональная схема установки для автономного отопления.
Установка для автономного отопления включает контур 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя, первый грунтовый теплообменник 2, второй грунтовый теплообменник 3 и третий грунтовый теплообменник 4, систему 5 отопления и устройство 6 переключения. Первый, второй и третий грунтовые теплообменники 2, 3 и 4 соответственно представляют собой полые емкости, выполненные из материала с высокой теплопроводностью (например, из стали, алюминия и пр.), имеющие большие поверхности соприкосновения с внешней средой (например, оребренные или гофрированные радиаторы), заполненные жидким теплоносителем (например, водой или низкозамерзающей жидкостью). Первый грунтовый теплообменник 2, второй грунтовый теплообменник 3 и третий грунтовый теплообменник 4 расположены в грунте на глубине 0,8…2,0 м и на расстоянии 5…25 м друг от друга. Входы первого грунтового теплообменника 2, второго грунтового теплообменника 3 и третьего грунтового теплообменника 4 объединены между собой и связаны с выходом испарителя 7 теплового насоса. Выходы первого грунтового теплообменника 2, второго грунтового теплообменника 3 и третьего грунтового теплообменника 4 через устройство 6 переключения соединены со входом испарителя 7 теплового насоса.
Система 5 отопления состоит из конденсатора 8 теплового насоса, соединенного трубопроводом 9 с отопительными приборами 10.
В первом грунтовом теплообменнике 2 установлен первый датчик 11 температуры, во втором грунтовом теплообменнике 3 установлен второй датчик 12 температуры, и в третьем грунтовом теплообменнике 4 установлен третий датчик 13 температуры. В качестве первого датчика 11 температуры, второго датчика 12 температуры и третьего датчика 13 температуры можно использовать, например, металлические терморезисторы, рабочий диапазон температур которых совпадает с температурой внутри контура 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя. Первый датчик 11 температуры соединен с прямым входом первого компаратора 14 и с прямым входом второго компаратора 15. Второй датчик 12 температуры соединен с инверсным входом первого компаратора 14 и с прямым входом третьего компаратора 16. Третий датчик 13 температуры соединен с инверсным входом второго компаратора 15 и инверсным входом третьего компаратора 16. Первый компаратор 14, второй компаратор 15 и третий компаратор 16 представляют собой, например, комбинированные устройства, содержащие мостовые измерительные схемы с источниками питания на прямых входах, настроечные (уставочные) резисторы с источниками питания на инверсных входах и дифференциальные усилители.
Выход первого компаратора 14 подключен к первому входу первого логического элемента «И» 17 и ко входу первого инвертора 18. Выход первого инвертора 18 соединен с первым входом второго логического элемента «И» 19. Выход второго компаратора 15 соединен со вторым входом первого логического элемента «И» 17 и со входом третьего инвертора 20. Выход третьего компаратора 16 соединен со вторым входом второго логического элемента «И» 19 и со входом второго инвертора 21. Выход второго инвертора 21 подключен к первому входу третьего логического элемента «И» 22, и выход третьего инвертора 20 подключен ко второму входу третьего логического элемента «И» 22.
Выход первого логического элемента «И» 17 через первый усилитель 23 подключен к управляющему входу первого электромагнитного клапана 24. Выход второго логического элемента «И» 19 через второй усилитель 25 подключен к управляющему входу второго электромагнитного клапана 26. Выход третьего логического элемента «И» 22 через третий усилитель 27 подключен к управляющему входу третьего электромагнитного клапана 28.
Первый, второй и третий компараторы 14, 15 и 16 соответственно, первый, второй и третий логические элементы «И» 17, 19 и 22 соответственно, первый, второй и третий инверторы 18, 21 и 20 соответственно, первый, второй и третий усилители 23, 25 и 27 соответственно, а также первый, второй и третий электромагнитные клапаны 24, 26 и 28 соответственно входят в состав устройства 6 переключения. При этом электромагнитные клапаны 24, 26 и 28 установлены на выходах первого второго и третьего грунтовых теплообменников 2, 3 и 4 соответственно.
Установка для автономного отопления работает следующим образом.
Устройство переключения 6 контролирует температуру низкопотенциального теплоносителя в грунтовых теплообменниках 2, 3 и 4 и управляет процессом отбора теплоты от каждого из них в контуре 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя. При нормальной работе установки для автономного отопления температура теплоносителя на выходах грунтовых теплообменников 2, 3 и 4 (температура грунтовых теплообменников) не должна снижаться ниже установленного значения.
При включении установки для автономного отопления происходит измерение температуры в грунтовых теплообменниках 2, 3 и 4 посредством первого, второго и третьего датчиков 11, 12 и 13 температуры соответственно. Сигнал с первого датчика 11 температуры поступает на прямой вход первого компаратора 14 и на прямой вход второго компаратора 15. Сигнал со второго датчика 12 температуры поступает на инверсный вход первого компаратора 14 и на прямой вход третьего компаратора 16. Сигнал с третьего датчика 13 температуры поступает на инверсный вход второго компаратора 15 и на инверсный вход третьего компаратора 16. Первый, второй и третий компараторы 14, 15 и 16 соответственно настраиваются таким образом, чтобы на их выходах появлялись логические единицы при превышении уровней сигналов на прямых входах уровней сигналов на их инверсных входах. Первый, второй и третий датчики 11, 12 и 13 температуры соответственно включаются таким образом, чтобы с повышением измеряемой температуры уровень электрического сигнала на их выходах увеличивался.
В первом компараторе 14 происходит сравнение температур в первом грунтовом теплообменнике 2 и втором грунтовом теплообменнике 3. Во втором компараторе 15 происходит сравнение температур в первом грунтовом теплообменнике 2 и в третьем грунтовом теплообменнике 4. В третьем компараторе 16 происходит сравнение температур во втором грунтовом теплообменнике 3 и в третьем грунтовом теплообменнике 4.
Если температура в первом грунтовом теплообменнике 2 окажется выше температуры во втором грунтовом теплообменнике 3, уровень сигнала на прямом входе первого компаратора 14 станет выше уровня сигнала на его инверсном входе. На выходе первого компаратора 2 появится логическая единица. Если при этом температура в первом грунтовом теплообменнике 2 окажется выше температуры в третьем грунтовом теплообменнике 4, уровень сигнала на прямом входе второго компаратора 15 станет выше уровня сигнала на его инверсном входе. На выходе второго компаратора 15 также появится логическая единица. Одновременное наличие логических единиц на выходах первого компаратора 14 и второго компаратора 15 свидетельствует о том, что в этот момент времени максимальную температуру имеет первый грунтовый теплообменник 2. Дискретные электрические сигналы в виде логических единиц с выходов первого компаратора 14 и второго компаратора 15 поступают на первый и второй входы первого логического элемента «И» 17. На выходе первого логического элемента «И» 17 появляется логическая единица, которая усиливается первым усилителем 23 и подается на управляющий вход первого электромагнитного клапана 24. Первый электромагнитный клапан 24 открывается и обеспечивает движение низкопотенциального теплоносителя через первый грунтовый теплообменник 2 в контуре 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя. Низкопотенциальный теплоноситель из первого грунтового теплообменника 2 поступает на вход испарителя 7 теплового насоса, отдает свою тепловую энергию и возвращается в первый грунтовый теплообменник 2 через выход испарителя теплового насоса 7. В конденсаторе 8 теплового насоса происходит увеличение температуры теплоносителя системы 5 отопления, который подается посредством трубопровода 9 к отопительным приборам 10. Второй электромагнитный клапан 26 и третий электромагнитный клапан 28 остаются в закрытом состоянии, предотвращая отбор теплоты у второго грунтового теплообменника 3 и третьего грунтового теплообменника 4. По мере отбора тепловой энергии от первого грунтового теплообменника 2 температура низкопотенциального теплоносителя в нем будет уменьшаться. Это сопровождается уменьшением уровня сигнала, следующего от первого датчика 11 температуры на прямой вход первого компаратора 14. При значительном снижении температуры в первом теплообменнике 2 логическая единица на выходе компаратора 14 пропадает. Условие одновременного наличия логических единиц на прямом и инверсном входах первого логического элемента «И» 17 не выполняется, и логическая единица на его выходе также пропадает. Логическая единица на входе первого усилителя 23 отсутствует, что определяет отсутствие напряжения на управляющем входе первого электромагнитного клапана 24. Первый электромагнитный клапан 24 закрывается, и отбор тепловой энергии от первого грунтового теплообменника 2 прекращается.
Если температура во втором грунтовом теплообменнике 3 окажется выше температуры в первом грунтовом теплообменнике 2, уровень сигнала на прямом входе первого компаратора 14 станет ниже уровня сигнала на его инверсном входе. На выходе первого компаратора 14 логическая единица не появляется. Если при этом температура во втором грунтовом теплообменнике 3 окажется выше температуры в третьем грунтовом теплообменнике 4, уровень сигнала на прямом входе третьего компаратора 16 станет выше уровня сигнала на его инверсном входе. На выходе третьего компаратора 16 появится логическая единица. Отсутствие логической единицы на выходе первого компаратора 14 и, соответственно, на входе первого инвертора 18, определяет появление логической единицы на выходе первого инвертора 18. Таким образом, одновременно на первом и на втором входах второго логического элемента «И» 19 появляются логические единицы, определяющее появление логической единицы на его выходе. Логическая единица на выходе второго логического элемента «И» 19 свидетельствует о том, что в этот момент времени максимальную температуру имеет второй грунтовый теплообменник 3. Логическая единица, образовавшаяся на выходе второго логического элемента «И» 19, усиливается вторым усилителем 25 и поступает на управляющий вход второго электромагнитного клапана 26. Второй электромагнитный клапан 26 открывается и обеспечивает движение низкопотенциального теплоносителя через второй грунтовый теплообменник 3 в контуре 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя. Низкопотенциальный теплоноситель из второго грунтового теплообменника 3 поступает на вход испарителя 7 теплового насоса, отдает свою тепловую энергию и возвращается во второй грунтовый теплообменник 3 через выход испарителя теплового насоса 7. При этом работа системы 5 отопления совершается аналогично ее работе при максимальной температуре в первом грунтовом теплообменнике 2.
По мере отбора тепловой энергии от второго грунтового теплообменника 3 температура низкопотенциального теплоносителя в нем будет уменьшаться. Это сопровождается уменьшением уровня сигнала, следующего от второго датчика 12 температуры на инверсный вход первого компаратора 14. При значительном снижении температуры во втором грунтовом теплообменнике 3 на выходе компаратора 14 появляется логическая единица, которая поступает на вход первого инвертора 18 и определяет исчезновение логической единицы на его выходе. Условие одновременного наличия логических единиц на прямом и инверсном входах второго логического элемента «И» 19 не выполняется, и логическая единица на его выходе пропадает. Логическая единица на входе второго усилителя 25 отсутствует, что определяет отсутствие напряжения на управляющем входе второго электромагнитного клапана 26. Второй электромагнитный клапан 26 закрывается, и отбор тепловой энергии от второго грунтового теплообменника 3 прекращается.
Если температура в третьем грунтовом теплообменнике 4 окажется выше температуры во втором грунтовом теплообменнике 3, уровень сигнала на прямом входе третьего компаратора 16 станет ниже уровня сигнала на его инверсном входе. На выходе третьего компаратора 16 логическая единица отсутствует. Если при этом температура в третьем грунтовом теплообменнике 4 окажется выше температуры в первом грунтовом теплообменнике 2, уровень сигнала на инверсном входе второго компаратора 15 станет выше уровня сигнала на его прямом входе. На выходе второго компаратора 15 логическая единица также не появляется. Отсутствие логической единицы на входе второго инвертора 21 определит наличие логической единицы на его выходе. Аналогично отсутствие логической единицы на входе третьего инвертора 20 определит наличие логической единицы на его выходе. Одновременное наличие логических единиц на входах второго и третьего инверторов 20 и 21 соответственно (или на первом и втором входах третьего логического элемента «И» 22) свидетельствует о том, что в этот момент времени максимальную температуру имеет третий грунтовый теплообменник 4. На выходе третьего логического элемента «И» 22 появляется логическая единица, которая усиливается третьим усилителем 27 и поступает на управляющий вход третьего электромагнитного клапана 28. Третий электромагнитный клапан 28 открывается и обеспечивает движение низкопотенциального теплоносителя через третий грунтовый теплообменник 4 в контуре 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя. Низкопотенциальный теплоноситель из третьего грунтового теплообменника 4 поступает на вход испарителя 7 теплового насоса, отдает свою тепловую энергию и возвращается во второй грунтовый теплообменник 3 через выход испарителя теплового насоса 7. При этом работа системы 5 отопления совершается аналогично ее работе при максимальной температуре в первом грунтовом теплообменнике 2 и во втором грунтовом теплообменнике 3.
По мере отбора тепловой энергии от третьего грунтового теплообменника 4 температура низкопотенциального теплоносителя в нем будет уменьшаться. Это сопровождается уменьшением уровня сигнала, следующего от третьего датчика 13 температуры на инверсные входы второго и третьего компараторов 15 и 16 соответственно. При значительном снижении температуры в третьем грунтовом теплообменнике 4 на выходе компаратора 15 или на выходе компаратора 16 появляется логическая единица (в зависимости от того, в каком грунтовом теплообменнике 1 или 2 температура окажется выше). В этом случае логическая единица на выходе второго инвертора 21 или на выходе третьего инвертора 29 пропадает и условие одновременности наличия логических единиц на первом и втором входах третьего логического элемента «И» не выполняется. На выходе третьего логического элемента «И» 22 и на входе третьего усилителя 27 логическая единица исчезает. Управляющий вход третьего электромагнитного клапана 28 обесточивается и третий электромагнитный клапан 28 закрывается, определяя прекращение отбора тепловой энергии от третьего грунтового теплообменника 4.
Таким образом, в предложенной полезной модели осуществляется автоматическое подключение к испарителю теплового насоса грунтового теплообменника с максимальной температурой. Алгоритм (последовательность действия), реализуемый устройством переключения, предусматривает подключение грунтовых теплообменников в зависимости от текущей температуры теплоносителя и не регламентируется заранее заложенной очередностью. В случае непредвиденного изменения температуры грунта, изменения теплофизических характеристик грунтовых теплообменников вследствие их естественного старения или замены установка для автономного отопления работоспособность не утрачивает и ложных срабатываний не допускает.
Кроме того, предложенная установка для автономного отопления обладает повышенной надежностью вследствие сокращения количества элементов в устройстве переключения: по сравнению с прототипом в предложенной полезной модели исключен кольцевой счетчик.