Система автономного энергоснабжения жилого дома
AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEM OF RESIDENTIAL BUILDING

Изобретение относится к автономным системам снабжения тепловой и электрической энергией индивидуальных жилых домов с использованием солнечных коллекторов, солнечных батарей и тепловых насосов типа грунт-вода.
Известна система автономного электро- и теплоснабжения жилых и производственных помещений (патент РФ на изобретение №2535899). Система содержит тепловой насос, связанный с потребителями тепловой энергии; тепловой аккумулятор с теплообменником и с датчиком тепловой нагрузки, предназначенный для обеспечения потребителей тепловой энергией; бак горячей воды с датчиком тепловой нагрузки; утилизатор теплоты сточных вод с датчиком тепловой нагрузки; коллектор тепла Земли; блок солнечных коллекторов для преобразования солнечной энергии в тепловую с датчиком тепловой нагрузки, передающий теплоту тепловому аккумулятору; причем тепловой насос содержит размещенный в нем компрессор, испаритель и конденсатор, гидравлически связанные с несколькими теплообменниками, из которых один теплообменник, связанный с испарителем, встроен в утилизатор теплоты сточных вод, а один из теплообменников, связанных с конденсатором, встроен в бак горячей воды; при этом система также содержит ветрогенераторную установку для выработки электроэнергии; аккумулятор электрической энергии, электрически связанный с ветрогенераторной установкой и потребителями электрической энергии. Система также содержит фотоэлектрическую батарею для выработки электроэнергии, подключенную к упомянутому датчику-регулятору контроля состояния аккумуляторной батареи электрической энергии; теплоэлектрический нагреватель, встроенный в тепловой аккумулятор и электрически связанный с ветрогенераторной установкой через коммутатор.
Недостатком указанного технического решения является отсутствие системы охлаждения фотоэлектрической батареи, вырабатывающей электроэнергию, в результате чего эффективность работы фотоэлектрической батареи может существенно снижаться из-за перегрева фотоэлектрических преобразователей. Недостатком указанного технического решения является также возможное постепенное снижение эффективности работы теплового насоса вследствие переохлаждения слоя грунта вокруг грунтового теплообменника внешнего контура теплового насоса.
Недостатком указанного технического решения является также возможность возникновения перегрева (стагнации), солнечных коллекторов, что приведет к резкому снижению эффективности их работы. Недостатком указанного технического решения является также то, что в качестве теплоносителя в солнечных коллекторах используется воздух, имеющий низкую теплоемкость, что приводит к увеличению необходимых теплообменных поверхностей и, соответственно, площадей, требуемых для размещения солнечных коллекторов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии (патент РФ на изобретение №2350847). Здесь система сбора и утилизации тепла грунта содержит контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через скважинные теплообменники, контур холодоснабжения и испаритель теплового насоса, систему отопления и горячего водоснабжения, включающую конденсатор теплового насоса, емкость отопления, емкость горячего водоснабжения с двумя теплообменниками и электрическим пиковым нагревателем, контуры отопления и горячего водоснабжения. Система сбора тепла солнечной энергии включает контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора с солнечным коллектором и регулятором контура солнечного коллектора и подключена через один вывод трехходового переключающего клапана к теплообменнику емкостного водонагревателя для приготовления горячей воды, а через второй вывод трехходового переключающего клапана подключена к теплообменнику в контуре циркуляции низкопотенциального теплоносителя с возможностью передачи тепла на догрев низкопотенциального теплоносителя перед подачей в испаритель теплового насоса или на восстановление температурного режима скважин в межотопительный период с одновременной выработкой тепла на горячее водоснабжение с помощью солнечного коллектора и использованием потенциала охлажденных скважин на охлаждение помещений. В системе также установлены фотоэлектрический модуль, ветроэлектрическая станция и микрогидроэлектростанция, соединенные с электрооборудованием системы теплоснабжения и передающие им электроэнергию через блок управления, состоящий из блока коммутации, инвертора, выпрямителя, аккумуляторной батареи, распределительного устройства и микропроцессорного блока управления.
Недостатком данной системы является возможность возникновения ситуации, когда из-за резкого сокращения разбора потребителями горячей воды и из-за недостаточного отбора тепла из емкостного водонагревателя произойдет перегрев и закипание жидкого теплоносителя солнечного коллектора - режим стагнации, который нарушает работоспособность системы и может стать причиной аварии.
Кроме того, теплоноситель, нагретый в солнечном коллекторе, при низкой интенсивности солнечной радиации подается в контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя и используется для его догрева перед подачей в тепловой насос. При этом предполагается, что также будет происходить восстановление температурного режима скважин. Однако такой процесс восстановления температурного режима возможен только в межотопительный период при перерывах в горячем водоснабжении, когда тепловой насос не задействован. В остальное время процесс восстановления температурного режима скважин не осуществляется, что приведет к переохлаждению грунта и снизит эффективность работы теплонасосной установки.
Кроме того, при использовании стационарного параболоцилиндрического концентратора для увеличения выработки тепловой и электрической энергии в системе, фотоэлектрический модуль, для утилизации отводимого тепла, помещается в стеклянную цилиндрическую трубу, через которую пропускают низкопотенциальный теплоноситель из скважинных теплообменников перед подачей его в испаритель теплового насоса. Однако, при непосредственном контакте нагретых до высоких температур частей конструкции фотоэлектрического модуля с холодным теплоносителем, поступающим из скважинных теплообменников, будут возникать значительные термические напряжения, что приведет к снижению надежности и срока службы фотоэлектрического модуля.
Задачей изобретения является повышение надежности и эффективности работы системы теплоснабжения путем предотвращения возникновения стагнации солнечного коллектора и обеспечения круглогодичного восстановления теплового потенциала грунта в зоне грунтового теплообменника теплового насоса, а также повышение надежности и эффективности работы системы электроснабжения путем улучшения условий работы и увеличения срока службы солнечной фотоэлектрической батареи.
Задача решается за счет того, что система автономного энергоснабжения жилого дома состоит из системы отопления и горячего водоснабжения и системы электроснабжения, причем система отопления и горячего водоснабжения содержит тепловой насос типа грунт-вода, испаритель которого подсоединен к основному грунтовому теплообменнику внешнего контура с низкопотенциальным теплоносителем, а конденсатор подсоединен к теплообменнику отопительного бака и к первому теплообменнику бака горячего водоснабжения, а также вспомогательный грунтовый теплообменник с антифризом, предназначенный для восстановления теплового потенциала грунта, а также содержит солнечный коллектор, контур которого с жидким теплоносителем подключен ко второму теплообменнику бака горячего водоснабжения, а система электроснабжения содержит солнечную фотоэлектрическую батарею с системой охлаждения фотоэлектрических преобразователей, и отличается тем, что система охлаждения фотоэлектрических преобразователей представляет собой одну или несколько герметичных полостей, расположенных в корпусе солнечной батареи и заполненных теплоаккумулирующим веществом, температура фазового перехода которого находится в рабочем интервале температур фотоэлектрических преобразователей, причем тепловыводящие элементы фотоэлектрических преобразователей погружены в это теплоаккумулирующее вещество, а внутри герметичных полостей имеются также теплообменники для охлаждения теплоаккумулирующего вещества, соединенные трубопроводами со вспомогательным грунтовым теплообменником так, что образуется замкнутый контур для циркуляции антифриза, а система автономного энергоснабжения также содержит дополнительную емкость для обеспечения возможности теплообмена между жидким теплоносителем в контуре солнечного коллектора и антифризом в контуре вспомогательного грунтового теплообменника.
Содержание заявленного изобретения иллюстрируется ниже приведенными фигурами: фиг. 1 - принципиальная схема системы автономного энергоснабжения; фиг. 2 - схема размещения в грунте теплообменников внешнего грунтового горизонтального контура; фиг. 3-схема охлаждения солнечной фотоэлектрической батареи.
Система включает (фиг. 1) тепловой насос 1 с испарителем, компрессором и конденсатором (на фиг. не показано), внешний горизонтальный контур с основным грунтовым трубчатым теплообменником 2 и вспомогательным трубчатым грунтовым теплообменником 3, гидравлический насос 4 для обеспечения циркуляции незамерзающего жидкого теплоносителя (антифриза) через основной грунтовый теплообменник, дополнительный гидравлический насос 5 для обеспечения циркуляции незамерзающего жидкого теплоносителя (антифриза) через вспомогательный грунтовый теплообменник, отопительный бак 6, емкость горячего водоснабжения 7, внутри которой размещен теплообменник 8, подсоединенный к отопительному баку. Для преобразования солнечной энергии в тепловую используется солнечный коллектор 9 с жидким теплоносителем. В контуре солнечного коллектора имеются теплообменники 10, расположенный в емкости горячего водоснабжения 7 и теплообменник 11, расположенный в дополнительной емкости 12. Контур солнечного коллектора соединен с дополнительной емкостью 12 трубопроводами 26 и 27 через трехходовой электромагнитный клапан 13, управляемый автоматическим контроллером (на фиг. не показан).
В контуре солнечного коллектора, в емкости горячего водоснабжения и в дополнительной емкости имеются датчики (на фиг. не показано) контроля температуры жидких теплоносителей, сигналы от которых передаются на автоматический контроллер для управления работой системы (на фиг. не показан). Циркуляция жидких теплоносителей в контурах системы обеспечивается гидравлическими насосами 4, 5, 14, 15 и 16, управляемыми от автоматического контроллера.
Основной и вспомогательный теплообменники внешнего грунтового горизонтального контура (фиг. 2) выполнены в виде систем горизонтально расположенных трубопроводов.
Основной теплообменник 2 размещается в грунте на глубине, превышающей глубину промерзания грунта в данном регионе, а затем присыпается слоем грунта толщиной 50…100 мм. Поверх этого слоя грунта непосредственно над основным теплообменником укладывается вспомогательный теплообменник 3 таким образом, чтобы он также находился на глубине, превышающей глубину промерзания грунта. После укладки вспомогательный теплообменник присыпается грунтом до уровня земли. При этом, для организации более эффективного процесса прогрева грунта в зоне расположения основного теплообменника, продольные и поперечные размеры основного и вспомогательного теплообменников внешнего контура следует выбирать равными друг другу.
Для выработки электроэнергии используется солнечная фотоэлектрическая батарея 17, состоящая из набора фотоэлектрических преобразователей 18 (фиг. 3) и фокусирующей системы в виде линз Френеля 19 для повышения интенсивности светового потока, падающего на фотоэлектрические преобразователи. Солнечная фотоэлектрическая батарея имеет систему охлаждения фотоэлектрических преобразователей в виде одной или несколько герметичных полостей 20 в нижней части корпуса 21 солнечной фотоэлектрической батареи. Герметичные полости заполнены плавящимся теплоаккумулирующим веществом (например, парафином), в которое погружены тепловыводящие элементы 22 фотоэлектрических преобразователей. Внутри указанных герметичных полостей имеются датчики (на фиг. не показано) контроля температуры теплоаккумулирующего вещества и теплообменники 23 для его охлаждения, соединенные трубопроводами 28 и 29 со вспомогательным грунтовым теплообменником 3 так, что образуется замкнутый контур для циркуляции антифриза. Кроме того, замкнутый контур для циркуляции антифриза соединен трубопроводами 30 и 31 через электромагнитный клапан 24 с теплообменником 25 в дополнительной емкости 12. Для накопления электроэнергии, вырабатываемой солнечной фотоэлектрической батареей, используются аккумуляторные батареи (на фиг. не показано).
Система энергоснабжения работает следующим образом. В испарителе теплового насоса 1 происходит передача тепловой энергии от низкотемпературного теплоносителя внешнего грунтового контура хладагенту, который испаряется, сжимается в компрессоре и поступает в конденсатор, где нагревает до требуемой температуры: (50-70°С) высокотемпературный теплоноситель (воду), который с помощью жидкостного насоса 14 подается в отопительный бак 6. Из отопительного бака в холодную погоду горячая вода с требуемым расходом подается в отопительные приборы по сигналу от датчиков температуры воздуха (на фиг. не показано) в отапливаемых помещениях. Кроме того, горячая вода из отопительного бака 6 подается в теплообменник 8, установленный в емкости горячего водоснабжения 7, в которой также расположен теплообменник 10, соединенный с контуром солнечного коллектора. Теплообменники 8 и 10 используются для нагрева холодной воды, поступающей в емкость горячего водоснабжения из водопровода, причем возможно как раздельное, так и совместное использование теплообменников 8 и 10 для подготовки воды для горячего водоснабжения. Кроме того, для нагрева воды может быть дополнительно использован имеющийся в емкости горячего водоснабжения пиковый электронагреватель (на фиг. не показано). Контроль за подачей, расходом и температурой воды в емкости горячего водоснабжения производится с помощью соответствующих датчиков (на фиг. не показано), установленных в емкости горячего водоснабжения и на связанных с ней трубопроводах. Сигналы от датчиков поступают в систему управления для выработки управляющих команд автоматического контроллера (на фиг. не показано).
При высокой солнечной активности и малом потреблении горячей воды из емкости горячего водоснабжения может происходить перегрев и закипание жидкого теплоносителя, циркулирующего в контуре солнечного коллектора 9. В этих случаях автоматический контроллер, по сигналу от датчиков контроля температуры, установленных в контуре солнечного коллектора, переключает трехходовой электромагнитный клапан 13 и жидкий теплоноситель из контура солнечного коллектора перестает подаваться в теплообменник 10 в емкости горячего водоснабжения 7, а подается в теплообменник 11, расположенный в дополнительной емкости 12. При этом автоматический контроллер также выдает команды на открытие электромагнитного клапана 24 и на включение жидкостного насоса 5, и через теплообменник 25, расположенный в дополнительной емкости 12, начинает прокачиваться антифриз из вспомогательного грунтового теплообменника 3. Таким образом, в дополнительной емкости 12 происходит передача избыточного тепла от жидкого теплоносителя из контура солнечного коллектора антифризу, который затем поступает на вход вспомогательного грунтового теплообменника 3. После снижения температуры жидкого теплоносителя в контуре солнечного коллектора до допустимой величины выключается жидкостной насос 5, закрывается электромагнитный клапан 24, переключается трехходовой электромагнитный клапан 13, и прокачка антифриза через теплообменник 25 прекращается, а жидкий теплоноситель из контура солнечного коллектора вновь поступает в теплообменник 10 для нагрева воды в емкости горячего водоснабжения 7. Таким образом предотвращается возникновение режима стагнации солнечного коллектора и обеспечивается восстановление теплового потенциала грунта вблизи основного грунтового теплообменника внешнего контура теплового насоса.
Управление работой всех жидкостных насосов и электромагнитных клапанов производится с помощью автоматического контроллера системы управления (на фиг. не показано) по сигналам от датчиков температуры и расхода жидкости (на фиг. не показано).
В солнечной фотоэлектрической батарее 17 падающий на ее поверхность свет проходит через фокусирующую систему в виде линз Френеля 19 (для повышения интенсивности светового потока), и попадает на фотоэлектрические преобразователи 18. Электроэнергия, вырабатываемая солнечной фотоэлектрической батареей, подается в аккумуляторные батареи (на фиг. не показано), откуда, через блок управления (на фиг. не показано), используется для обеспечения электроэнергией всех датчиков, приборов и устройств системы управления. Выработанная солнечной фотоэлектрической батареей электроэнергия также может быть использована для электроснабжения другого электрооборудования в доме, а в случае нехватки запаса электроэнергии в аккумуляторных батареях предусматривается электроснабжение жилого дома от централизованной электросети (на фиг. не показано). Контроль за уровнем зарядки аккумуляторных батарей, уровнем расхода электроэнергии, переключение электроснабжения потребителей с одного источника питания на другой производится автоматически по командам от системы управления.
Для предотвращения перегрева фотоэлектрических преобразователей 18 вследствие высокой интенсивности светового потока, который может привести к существенному падению эффективности их работы, предусмотрена система охлаждения солнечной батареи. Для этого в местах крепления фотоэлектрических преобразователей и на токовыводах (на фиг. не показано) имеются тепловыводящие элементы 22 в виде пластин, выполненных из материала с высокой теплопроводностью. В нижней части корпуса 21 солнечной фотоэлектрической батареи имеется одна или несколько герметичных полостей 20, заполненных теплоаккумулирующим веществом (например, парафином), температура фазового перехода которого находится в рабочем интервале температур фотоэлектрических преобразователей. При этом все тепловыводящие элементы 22 фотоэлектрических преобразователей погружены в это теплоаккумулирующее вещество, а внутри указанных герметичных полостей имеются также теплообменники 23 для охлаждения теплоаккумулирующего вещества, соединенные трубопроводами со вспомогательным грунтовым теплообменником 3 так, что образуется замкнутый контур для циркуляции антифриза.
В процессе работы солнечной батареи фотоэлектрические преобразователи 18 нагреваются, и теплота через тепловыводящие элементы 22 передается теплоаккумулирующему веществу в герметичных полостях 20 корпуса солнечной батареи, которое нагревается, а затем плавится. При этом на обеспечение фазового перехода парафина из твердого состояния в жидкое расходуется большое количество теплоты, отводимой от фотоэлектрических преобразователей, что способствует поддержанию их оптимального рабочего диапазона температур и повышает эффективность работы солнечной батареи.
Использование теплоаккумулирующего вещества, температура фазового перехода которого находится в рабочем интервале температур фотоэлектрических преобразователей, позволяет обеспечить эффективное охлаждение фотоэлектрических преобразователей, и при этом в элементах конструкции солнечной батареи не возникают большие термические напряжения, которые могут привести к возникновению трещин и снижению надежности конструкции.
Для предотвращения перегрева теплоаккумулирующего вещества внутри герметичных полостей 20 установлены датчики контроля температуры теплоаккумулирующего вещества (на фиг. не показано). При достижении максимально допустимой температуры теплоаккумулирующего вещества автоматический контроллер системы управления, по сигналам датчиков контроля температуры, выдает команду на включение жидкостного насоса 5 для прокачки антифриза из вспомогательного грунтового теплообменника 3 через теплообменники 23, расположенные в герметичных полостях 20 корпуса солнечной батареи. При этом происходит охлаждение теплоаккумулирующего вещества, а нагревшийся антифриз вновь возвращается во вспомогательный грунтовый теплообменник 3, что обеспечивает эффективное восстановление теплового потенциала грунта вблизи основного грунтового теплообменника 2 внешнего контура теплового насоса.
После снижения температуры теплоаккумулирующего вещества в герметичных полостях корпуса солнечной батареи до допустимой величины автоматический контроллер системы управления выдает команду на выключение жидкостного насоса 5, что позволяет снизить расход электроэнергии на привод жидкостного насоса.
Таким образом, восстановление теплового потенциала грунта происходит за счет подвода в грунтовый теплообменник 3 избыточного тепла, отобранного от солнечного коллектора и от фотоэлектрических преобразователей солнечной батареи.
Реализация предложенного изобретения позволяет повысить эффективность работы теплового насоса за счет организации интенсивного восстановления теплового потенциала грунта в зоне расположения грунтового теплообменника, улучшить работу солнечного коллектора благодаря предотвращению возникновения режима стагнации, повысить надежность работы и срок службы солнечной батареи вследствие улучшения условий охлаждения фотоэлектрических преобразователей.