СПОСОБ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И СПОСОБ ОТОПЛЕНИЯ С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
HOT WATER SUPPLY METHOD AND HEATING METHOD APPLYING IT

Технические решения относятся к теплотехнике, а именно к теплоснабжению с использованием тепловых насосов для нагрева воды, и могут найти применение для горячего водоснабжения (ГВС) или отапливания жилых или производственных помещений.
Известны способы теплоснабжения, включающие подачу воды на нагрев в систему, нагревание воды с помощью одного теплового насоса и доставку нагретой воды потребителям. Для повышения эффективности трансформации тепловой энергии используют разные приемы. Например, в способе достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов по патенту РФ №2083932, F25В 30/00, опубл. 10.07.1997 г., выбирают хладагент теплового насоса таким, чтобы его критическая температура была близка или равна температуре охлаждаемой среды. Перед сжатием выбранный хладагент приводят в критическое состояние, а сжатие производят до состояния, соответствующего точке Бойля. В способе трансформации тепловой энергии по патенту РФ №2161759, F25В 9/08, F25В 30/02, опубл. 10.01.2001 г., энергетическую эффективность трансформации повышают за счет снижения удельного потребления электроэнергии, для чего рабочую среду после компрессора подают в струйный аппарат, где ее смешивают с жидким потоком, поступающим из сепаратора, установленного после конденсатора. В конденсатор направляют рабочую среду из струйного аппарата, где она охлаждается при передаче тепла высокотемпературному приемнику.
Известные способы позволяют обеспечить коэффициенты трансформации, максимально повышенные для систем с одним тепловым насосом, но не превышают этот уровень. Это объясняется работой теплового насоса системы по теплонасосному циклу, далекому от треугольного теплонасосного цикла Лоренца - самого эффективного из рабочих циклов в холодильной и теплонасосной технике. В результате известные способы не обеспечивают значительного снижения себестоимости тепла, удельного расхода электроэнергии и сроков окупаемости теплонасосных систем, реализующих эти способы.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков и для способа ГВС, и для способа отопления является способ теплоснабжения, который включает подачу воды на нагрев в теплонасосную установку системы, нагревание воды с ее помощью и доставку нагретой воды потребителям. Теплонасосная установка состоит из тепловых насосов, каждый из которых используют как ступень последовательного нагрева воды (см. Г.Хейнрих, X.Найрок, В.Нестлер. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения, М.: Стройиздат, 1985 г., с.53-56).
Недостатком известного способа является организация работы указанной теплонасосной установки по теплонасосному циклу, приближенному к четырехугольному теплонасосному циклу Лоренца (см. там же, с.54, рис.2.19), который, хотя и обеспечивает экономию электроэнергии, но увеличивает срок окупаемости до значения, превосходящего срок экономической целесообразности, при повышении капитальных затрат. Таким образом, режим известного способа теплоснабжения со ступенчатым нагревом воды не обеспечивает при его реализации положительного технического и экономического результата.
При использовании известного способа теплоснабжения для отопления работа ступенчатой теплонасосной установки протекает с большими дроссельными потерями в контурах рабочего тела тепловых насосов, что ухудшает без того низкие показатели ее работы. Причем, чем больше температура конденсации рабочего тела, тем больше дроссельные потери, которые невозможно устранить конструктивно. Как показали расчеты, срок окупаемости системы отопления при этом увеличивается более чем до 33 лет, что делает реализацию такого способа отопления технически и экономически бесперспективной.
Задачей предлагаемых решений является повышение технической и экономической эффективности:
- за счет организации при ступенчатом нагреве воды теплонасосного цикла, максимально приближенного к треугольному теплонасосному циклу Лоренца, который позволяет тепловым насосам не только автономной системы ГВС, но и автономной системы отопления работать с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла благодаря работе теплонасосной схемы и всей отопительной системы с минимальными дроссельными потерями, причем этот технический результат достигается в районах с разными климатическими условиями, в том числе при температуре наружного воздуха ниже - 40°С, путем обеспечения водовоздушной или воздушной схем отопления;
- за счет полезного использования части тепла нагретого воздуха отапливаемого помещения при работе системы отопления;
- за счет возможности работать на отопление при нормативной температуре нагретой воды (прямой сетевой) не выше +75°С при любой температуре наружного воздуха, даже ниже - 40°С, путем использования тепла обратной сетевой воды.
Поставленная задача достигается тем, что в способе ГВС, включающем подачу воды на нагрев в теплонасосную схему системы, нагревание в ней этой воды до нормативной температуры с помощью тепловых насосов, каждый из которых используют как ступень последовательного нагрева воды, и доставку нагретой воды потребителям, согласно техническому решению для нагревания воды в теплонасосной схеме системы организуют теплонасосный цикл, максимально приближенный к треугольному теплонасосному циклу Лоренца. Для этого температуру воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени, выбирают максимально близкой к температуре кипения его рабочего тела, а тепловой насос каждой ступени настраивают на температуру конденсации его рабочего тела, при которой тепло Qi, отдаваемое этой ступенью, отвечает условию:
,
где i - порядковый номер ступени нагрева,
вых.
Q - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени,
n - количество ступеней нагрева.
e удельн.сред.
окуп.
тепла сред.
Указанная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет организовать для нагревания воды в теплонасосной схеме системы, имеющей n ступеней последовательного нагрева, теплонасосный цикл, максимально приближенный к треугольному теплонасосному циклу Лоренца, и тем самым обеспечить работу автономной системы ГВС в режиме с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла. Как показали расчеты, это обеспечивает высокие технико-экономические показатели теплонасосного цикла: коэффициент φ трансформации, значительно превышающий такой же коэффициент не только в традиционных системах ГВС (с одним тепловым насосом), но и в системах ГВС со ступенчатым нагревом, работающих по теплонасосному циклу, приближенному к четырехугольному теплонасосному циклу Лоренца, а также меньший удельный расход электроэнергии N и срок окупаемости В в пределах экономической допустимости, но главное - существенно меньшую себестоимость произведенного тепла С даже по сравнению с традиционными источниками тепла для ГВС (котельными и ТЭЦ). Достигаемые показатели теплонасосного цикла говорят о повышении технико-экономической эффективности предлагаемого способа ГВС по сравнению с выбранным прототипом.
Целесообразно количество ступеней нагрева воды выбирать равным от четырех до шести. Как показали расчеты, при таком количестве ступеней сохраняется увеличение эффективности трансформации тепловой энергии при небольших капитальных затратах, невысоких сроке окупаемости и себестоимости вырабатываемого теплонасосного тепла. При количестве ступеней меньше четырех возрастает срок окупаемости и себестоимость тепла, а при количестве ступеней больше шести - срок окупаемости и капитальные затраты.
Целесообразно также температуру воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени, выбирать в пределах от 0°С до +15°С, так как именно такая начальная температура воды, подаваемой на нагрев, будет максимально близка к температуре кипения рабочего тела этого теплового насоса, а эта температура обычно на 7÷10°С ниже температуры низкопотенциального источника (НПИ), которая чаще всего бывает равной +7÷+25°С. Это условие при ступенчатом нагреве и указанной настройке тепловых насосов позволяет удовлетворить требование полезного использования практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.
Целесообразно при нагреве воды теплонасосную схему переключать на реверс с помощью регуляторов направления течения нагреваемой воды, установленных на входах тепловых насосов первой и последней ступеней нагрева.
При такой реализации способа можно увеличить срок службы тепловых насосов последних ступеней нагрева, которые работают в наиболее тяжелых условиях - при высоких температурах и давлении рабочего тела - за счет переключения их на легкие условия работы тепловых насосов первых ступеней, а значит, увеличить срок службы всей теплонасосной схемы.
Положительное влияние реверса на надежность работы ступенчатой теплонасосной схемы и технико-экономические показатели эффективности ее работы особенно велико при использовании теплонасосного цикла, максимально приближенного к треугольному теплонасосному циклу Лоренца.
Поставленная задача достигается также тем, что в способе отопления, включающем подачу воды на нагрев в теплонасосную схему, нагревание в ней этой воды до нормативной температуры и доставку нагретой воды потребителям, согласно техническому решению указанные операции осуществляют в соответствии с упомянутым способом ГВС (по пп.1-4 формулы), при этом нагретую воду доставляют в схему потребления, в которой для отапливания помещения используют нагревательный прибор и воздушный теплообменник. В зависимости от температуры наружного воздуха с помощью регулятора/регуляторов воду, нагретую в теплонасосной схеме, подают в качестве прямой сетевой воды в нагревательный прибор и/или в воздушный теплообменник, а обратную сетевую воду - в воздушный теплообменник. В последнем поданную воду охлаждают наружным воздухом до температуры, максимально близкой к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени. На нагрев в этот тепловой насос подают охлажденную воду с воздушного теплообменника, а нагретый в нем воздух подают в отапливаемое помещение.
Указанная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет организовать для нагревания воды в теплонасосной схеме, имеющей n ступеней последовательного нагрева, и в системе отопления в целом теплонасосный цикл, максимально приближенный к треугольному теплонасосному циклу Лоренца, и тем самым работать на отопление с минимальными дроссельными потерями - с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла. Подача при этом в каждое отапливаемое помещение с помощью регулятора/регуляторов нагретой воды - прямой сетевой - в нагревательный прибор и/или воздушный теплообменник, а обратной сетевой воды - в воздушный теплообменник обеспечивает работу такой системы отопления по водовоздушной или воздушной схеме в зависимости от температуры наружного воздуха. Это позволяет использовать способ для отопления в широком диапазоне температур наружного воздуха - от +8°С до ниже - 40°С, то есть в районах с разными климатическими условиями.
Выбранный режим охлаждения поданной в воздушный теплообменник воды, когда ее охлаждают до температуры, максимально близкой к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени нагрева, а нагретый в нем воздух подают в отапливаемое помещение, позволяет эффективно использовать на нужды отопления тепло этой поданной воды при разных температурах наружного воздуха, в том числе низких, и одновременно обеспечить при охлаждении в воздушном теплообменнике температуру воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени, в интервале температур, необходимом для получения теплонасосного цикла, максимально приближенного к треугольному теплонасосному циклу Лоренца.
Эффективность способа объясняется также тем, что он обеспечивает работу системы отопления при нормативной температуре нагретой воды (прямой сетевой) не выше +75°С при любой температуре наружного воздуха, даже ниже -40°С, так как температуры +60°С обратной сетевой воды при этом достаточно для получения теплого воздуха, подаваемого в отапливаемое помещение с температурой +40°С (что необходимо для получения комфортной температуры +20°С в отапливаемом помещении). Это позволяет экономить электроэнергию и предохраняет тепловые насосы от перегрузки.
e удельн.сред.
окуп.
тепла сред.
Как показали расчеты, режим с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла при указанных схемах отопления, применяемых в системе отопления в зависимости от температуры наружного воздуха, обеспечивает высокие технико-экономические показатели теплонасосного цикла: коэффициент φ трансформации, значительно превышающий такой же коэффициент не только в традиционных системах теплоснабжения (с одним тепловым насосом), но и в системах теплоснабжения со ступенчатым нагревом, работающих по теплонасосному циклу, приближенному к четырехугольному теплонасосному циклу Лоренца, а также меньший удельный расход электроэнергии N и срок окупаемости В в пределах экономической целесообразности, но главное - существенно меньшую себестоимость произведенного тепла С даже по сравнению с традиционными источниками тепла для отопления (котельными и ТЭЦ). Достигаемые показатели теплонасосного цикла говорят о высокой технико-экономической эффективности предлагаемого способа отопления по сравнению с выбранным прототипом.
Целесообразно наружный воздух до подачи в воздушный теплообменник подогревать в воздушном регенераторе теплым воздухом, удаляемым из отапливаемого помещения.
При наличии воздушного регенератора эффективность режима охлаждения поданной в воздушный теплообменник воды, как показали расчеты, повышается на ≈20% за счет того, что воздушному теплообменнику требуется меньше затрат на охлаждение поданной в него воды при той же температуре воды и воздуха на его выходах. Кроме того, при использовании воздушного регенератора достигается полезная утилизация тепла, удаляемого из отапливаемого помещения - его используют почти полностью на нагрев наружного воздуха (за исключением потерь в воздушном регенераторе), то есть до минимума снижаются необратимые потери с удаляемым теплым воздухом.
Сущность технических решений поясняется примером реализации способов ГВС и отопления, чертежами фиг.1-6 и таблицами 1-4.
На фиг.1 показана теплонасосная схема системы ГВС с трехступенчатым нагревом; на фиг.2 - TS-диаграмма системы ГВС, работающей по теплонасосному циклу, максимально приближенному к треугольному теплонасосному циклу Лоренца (далее - треугольный цикл Лоренца), при шестиступенчатом нагреве в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом (где Т - температура, S - энтропия системы, поз. 1-6 обозначены ступени нагрева); на фиг.3 - TS-диаграмма системы ГВС, работающей по теплонасосному циклу, приближенному к четырехугольному теплонасосному циклу Лоренца (далее - четырехугольный цикл Лоренца), при шестиступенчатом нагреве в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; на фиг.4 показана схема системы отопления нескольких помещений с трехступенчатым нагревом, работающая по треугольному циклу Лоренца; на фиг.5 показана TS-диаграмма системы отопления, работающей по четырехугольному циклу Лоренца, в зависимости от температуры конденсации теплового насоса последней ступени нагрева при шестиступенчатом нагреве; на фиг.6 - TS-диаграмма системы отопления, работающей по треугольному циклу Лоренца при шестиступенчатом нагреве, в сравнении с TS-диаграммой аналогичной системы, но работающей по четырехугольному циклу Лоренца и в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; в табл.1 приведены расчетные технико-экономические показатели треугольного цикла Лоренца при шестиступенчатом нагреве для способов ГВС и отопления в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; в табл.2 - расчетные технико-экономические показатели четырехугольного цикла Лоренца при шестиступенчатом нагреве для способов ГВС и отопления в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; в табл.3 - расчетные технико-экономические показатели треугольного цикла Лоренца для трехступенчатого и шестиступенчатого нагрева в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом при разных температурах конденсации рабочего тела теплового насоса последней ступени нагрева; в табл.4 - расчетные технико-экономические показатели четырехугольного цикла Лоренца для трехступенчатого и шестиступенчатого нагрева в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом при разных температурах конденсации рабочего тела теплового насоса последней ступени нагрева.
Система ГВС (фиг.1) представляет собой теплонасосную схему, состоящую из нескольких тепловых насосов (поз. не обозначены). На фиг.1 показаны три тепловых насоса, каждый из которых состоит из испарителя 1, компрессора 2 и конденсатора 3, соединенных трубопроводами 4-6. Конденсаторы 3 тепловых насосов соединены последовательно трубопроводами 7. Для подачи воды НПИ служит трубопровод 8, для сброса отработанной воды НПИ - трубопровод 9, для подачи воды на нагрев в теплонасосную схему системы ГВС - трубопровод 10, а для доставки нагретой воды на ГВС (потребителям) - трубопровод 11. Испаритель 1, компрессор 2, конденсатор 3, соединенные трубопроводами 4-6, как показано на чертеже, образуют замкнутый рабочий контур для циркуляции рабочего тела каждого теплового насоса. Испарители 1 всех тепловых насосов, трубопроводы 8, 9 и НПИ образуют контур низкопотенциального тепла. На фиг.1 этот контур показан общим, разомкнутым и параллельным. Он может быть замкнутым, последовательным и индивидуальным. Конденсаторы 3 всех тепловых насосов, соединенные последовательно трубопроводами 7, образуют с трубопроводами 10, 11 водяной контур теплонасосной схемы системы ГВС.
Способ ГВС реализуют с помощью указанной системы того же назначения следующим образом.
Каждый тепловой насос теплонасосной схемы используют как ступень последовательного нагрева воды. Воду на нагрев подают по трубопроводу 10 в конденсатор 3 теплового насоса первой ступени, а в испарители 1 тепловых насосов каждой ступени по контуру низкопотенциального тепла подают воду НПИ. Рабочее тело в испарителях 1 от этого тепла закипает и из жидкого состояния переходит в газообразное. Образовавшийся пар по трубопроводам 4 попадает в компрессоры 2, где при сжатии нагревается до высокой температуры и под давлением выталкивается в конденсаторы 3 по трубопроводам 5. В конденсаторе 3 теплового насоса первой ступени рабочее тело передает тепло воде, поданной на нагрев по трубопроводу 10, а само из пара превращается в жидкость и по трубопроводу 6 возвращается в испаритель 1. Нагреваемую воду по водяному контуру передают от ступени к ступени последовательно: от конденсатора 3 первой ступени подают по трубопроводу 7 в конденсатор 3 второй ступени, нагретую во второй ступени воду до более высокой температуры - по трубопроводу 7 в конденсатор 3 третьей ступени, а нагретую в третьей ступени воду до нормативной температуры доставляют по трубопроводу 11 на ГВС - потребителям.
Для получения режима с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла в теплонасосной схеме системы ГВС для нагревания воды организуют треугольный цикл Лоренца. Для этого выбирают температуру воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени (начальную температуру воды, подаваемой на нагрев), и настраивают каждый тепловой насос. Начальную температуру подаваемой воды выбирают максимально близкой к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени и постоянной. Если температура кипения рабочего тела этого теплового насоса равна 0°С, то лучше всего выбирать начальную температуру подаваемой на нагрев воды равной 0°С или ≈0°С. При этом тепловой насос каждой ступени настраивают на температуру конденсации его рабочего тела, при которой тепло Qi, отдаваемое этой ступенью, отвечает условию:
,
где i - порядковый номер ступени нагрева,
вых.
Q - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени,
n - количество ступеней нагрева.
Для выполнения этого условия температура конденсации рабочего тела теплового насоса каждой ступени должна быть максимально близка к температуре нагретой воды на выходе этой ступени. Так как температура нагретой воды от ступени к ступени повышается, то температуры конденсации рабочего тела от ступени к ступени будут изменяться в соответствии с изменением температуры нагретой воды в конденсаторах 3.
В результате указанной настройки и выбора начальной температуры воды, подаваемой на нагрев, при примерно одинаковой производительности ступеней нагрева достигают одинакового прироста температуры воды, нагреваемой на ступенях, что обеспечивает решение поставленной задачи.
В теплонасосной схеме используют от четырех до шести ступеней нагрева, что оптимально для получения наивысших значений всех показателей теплонасосного цикла. Начальную температуру воды, подаваемой на нагрев, можно выбирать в пределах от 0°С до +15°С, так как именно такая начальная температура максимально близка к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени, что является необходимым условием для режима с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.
При соблюдении указанных режимов в теплонасосной схеме и в системе ГВС в целом будет организован треугольный цикл Лоренца 1-2-3-4-6-7-1 (фиг.2), благодаря которому в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом 1-2-3-4-5-6-7-1 получают экономический эффект, показанный на фиг.2 заштрихованной площадью. В прототипе, работающем по четырехугольному циклу Лоренца 1-2-3-4-6-7-1 (фиг.3), в сравнении с тем же одноступенчатым традиционным циклом 1-2-3-4-5-6-7-1, как показали расчеты, получают значительно меньший экономический эффект (показан штриховкой).
e удельн.сред.
тепла сред.
окуп.
средн.
тп
окуп.
Как видно из таблицы 1, расчетные технико-экономические показатели треугольного цикла Лоренца в системе ГВС, реализующей предлагаемый способ, значительно превосходят показатели традиционной системы ГВС с одним тепловым насосом: при одинаковой температуре нагретой воды на выходе и при равных теплопроизводительностях уменьшается удельный расход электроэнергии N, уменьшается себестоимость теплонасосного тепла С и срок окупаемости В и, наконец, увеличивается коэффициент φ трансформации на ступенях нагрева и в системе ГВС в целом (для шестиступенчатого нагрева: средний коэффициент φ трансформации составляет 7,047, суммарная теплопроизводительность ΣQ - 2,0238 Гкал/ч, экономия электроэнергии увеличивается в 2,51 раза, и, хотя капитальные затраты К увеличиваются в 1,89 раза, срок окупаемости В не превышает 3,23 года).
средн.
тп
окуп.
Из таблицы 2 видно, что в системе ГВС, работающей по четырехугольному циклу Лоренца (прототип), при шестиступенчатом нагреве средний коэффициент φ трансформации составляет 3,44, суммарная теплопроизводительность ΣQ - 1,4752 Гкал/ч, экономия электроэнергии до 22,4%, капитальные затраты К увеличиваются также в 1,89 раза при сроке окупаемости В=33,3 года. Таким образом, сравнение технико-экономических показателей говорит в пользу предлагаемого способа ГВС.
В способе ГВС предусмотрено при нагреве воды переключение теплонасосной схемы системы ГВС на реверс с помощью регуляторов направления течения нагреваемой воды, установленных на входах тепловых насосов первой и последней ступеней нагрева (на фиг.1 не показаны). При этом тепловые насосы последних ступеней, работающие при больших температурах и давлении рабочего тела, переводятся в облегченный режим работы тепловых насосов первых ступеней, что повышает срок их службы, а значит, срок службы системы ГВС в целом.
Система отопления, использующая предлагаемый способ ГВС, представляет собой кольцевую схему, состоящую из теплонасосной схемы, входом и выходом связанной соответственно с выходом и входом схемы потребления, и обеспечивает подачу тепла для обогрева жилых или производственных помещений.
Теплонасосная схема (фиг.4), как и в системе ГВС, включает несколько тепловых насосов (поз. не обозначены), соединенных по ступенчатой схеме. На фиг.4 показаны три тепловых насоса, каждый из которых состоит из испарителя 1, компрессора 2 и конденсатора 3, соединенных трубопроводами 4-6. Конденсаторы 3 тепловых насосов соединены последовательно трубопроводами 7. Для подачи воды НПИ служит трубопровод 8, для сброса отработанной воды НПИ - трубопровод 9, для подачи воды на нагрев в теплонасосную схему системы отопления - трубопровод 10, а для доставки нагретой воды в схему потребления - трубопровод 11. Испаритель 1, компрессор 2, конденсатор 3, соединенные трубопроводами 4-6, как показано на чертеже, образуют замкнутый рабочий контур для циркуляции рабочего тела каждого теплового насоса. Испарители 1 всех тепловых насосов, трубопроводы 8, 9 и НПИ образуют контур низкопотенциального тепла. На фиг.1 этот контур показан общим, разомкнутым и параллельным. Он может быть замкнутым, последовательным и индивидуальным. Конденсаторы 3 всех тепловых насосов, соединенные последовательно трубопроводами 7, образуют с трубопроводами 10, 11 водяной контур теплонасосной схемы.
В схеме потребления для отапливания каждого помещения используют нагревательный прибор 12, например радиатор, воздушный теплообменник 13, например калорифер с вентилятором 14, воздушный регенератор 15, например, с вращающейся массой и обратный клапан 16. Подключение нагревательных приборов 12 и воздушных теплообменников 13 в схему потребления в зависимости от температуры наружного воздуха производят либо локально с помощью регуляторов 17 (например, трехходовых клапанов) на их входах (предпочтительно для жилых помещений), как показано на фиг.4, либо централизованно с помощью одного регулятора 17 (тоже трехходового клапана, на фиг.4 не показан) на входе схемы потребления (предпочтительно для нескольких производственных помещений). Трубопроводами (поз. не обозначены) соединены: выход каждого нагревательного прибора 12 через обратный клапан 16 с входом воздушного теплообменника 13, выход последнего - с входом теплонасосной схемы (с входом теплового насоса первой ступени нагрева), а вентилятор 14 - с входом воздушного регенератора 15. Трубопровод 11 с выхода теплонасосной схемы (с выхода теплового насоса последней ступени нагрева) подключен к схеме потребления через регулятор 18. Отапливаемые помещения обозначены поз.19. В схеме потребления может быть по меньшей мере одно отапливаемое помещение 19.
Способ отопления реализуют с использованием системы отопления и упомянутого способа ГВС следующим образом.
Каждый тепловой насос теплонасосной схемы системы отопления, как в способе ГВС, используют как ступень последовательного нагрева воды. После подготовки этой схемы к работе подают воду на нагрев по трубопроводу 10 в теплонасосную схему - в конденсатор 3 теплового насоса первой ступени, а в испарители 1 тепловых насосов каждой ступени по контуру низкопотенциального тепла подают воду НПИ. Рабочее тело в испарителях 1 от этого тепла закипает и из жидкого состояния переходит в газообразное. Образовавшийся пар по трубопроводам 4 попадает в компрессоры 2, где при сжатии нагревается до высокой температуры и под давлением выталкивается в конденсаторы 3 по трубопроводам 5. В конденсаторе 3 теплового насоса первой ступени рабочее тело передает тепло воде, поданной на нагрев по трубопроводу 10, а само из пара превращается в жидкость и по трубопроводу 6 возвращается в испаритель 1. Нагреваемую воду по водяному контуру передают от ступени к ступени последовательно: от конденсатора 3 первой ступени подают по трубопроводу 7 в конденсатор 3 второй ступени, нагретую во второй ступени воду до более высокой температуры - по трубопроводу 7 в конденсатор 3 третьей ступени, а нагретую в третьей ступени воду до нормативной температуры подают по трубопроводу 11 через регулятор 18 в схему потребления.
1
2
Если прототип, имеющий такую же теплонасосную схему и работающий по четырехугольному циклу Лоренца, использовать на отопление, когда на нагрев в тепловой насос первой ступени надо подавать обратную сетевую воду (например, имеющую температуру +60°С), то в теплонасосной схеме будут большие потери на частичное самовскипание рабочего тела тепловых насосов - дроссельные потери, которые увеличиваются при увеличении температуры конденсации рабочего тела - от ступени к ступени (на фиг.5 дроссельные потери обозначены как Х и Х).
Для получения режима без дроссельных потерь - с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла - в теплонасосной схеме системы отопления для нагревания воды организуют треугольный цикл Лоренца. Для этого на нагрев в теплонасосную схему (в тепловой насос первой ступени) подают воду, имеющую необходимую для такого цикла температуру (начальную температуру), и настраивают каждый тепловой насос. Начальную температуру подаваемой воды выбирают максимально близкой к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени нагрева и постоянной. Если температура кипения рабочего тела этого теплового насоса равна 0°С, то лучше всего выбирать начальную температуру подаваемой на нагрев воды равной 0°С или ≈0°С. При этом тепловой насос каждой ступени настраивают на температуру конденсации его рабочего тела, при которой тепло Qi, отдаваемое этой ступенью, отвечает условию:
,
где i - порядковый номер ступени нагрева,
вых.
Q - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени,
n - количество ступеней нагрева.
Для выполнения этого условия температура конденсации рабочего тела теплового насоса каждой ступени должна быть максимально близка к температуре нагретой воды на выходе этой ступени. Так как температура нагретой воды от ступени к ступени повышается, то температуры конденсации рабочего тела от ступени к ступени будут изменяться в соответствии с изменением температуры нагретой воды в конденсаторах 3.
В результате указанной настройки и выбора начальной температуры воды, подаваемой на нагрев, при примерно одинаковой производительности ступеней нагрева достигают одинакового прироста температуры воды, нагреваемой на ступенях, что обеспечивает работу теплонасосной схемы на отопление с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.
В теплонасосной схеме системы отопления используют от четырех до шести ступеней нагрева, что оптимально для получения наивысших значений всех показателей теплонасосного цикла. Начальную температуру воды, подаваемой на нагрев, лучше выбирать в пределах от 0°С до +15°С, так как именно такая начальная температура максимально близка к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени, что является необходимым условием для режима с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.
При соблюдении указанных условий в системе отопления будет организован треугольный цикл Лоренца 7-1-3-4-8'-7 (фиг.6), благодаря которому в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом 7-1-3-4-5-8'-7 получают экономический эффект, показанный на фиг.6 заштрихованной площадью 8'-4-5-8'. В прототипе, работающем по четырехугольному циклу Лоренца 7-1-3-4-6-8'-7 (фиг.6), в сравнении с тем же одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом 7-1-3-4-5-8'-7, как показали расчеты, можно получить значительно меньший экономический эффект (показан заштрихованной площадью 6-4-5). Расчетные технико-экономические показатели для треугольного и четырехугольного циклов Лоренца в способе отопления с использованием упомянутого способа ГВС приведены в табл.1, 2 соответственно (см.). Из таблиц 1, 2 видно преимущество треугольного цикла Лоренца по сравнению с четырехугольным.
Для получения в схеме потребления начальной температуры подаваемой воды, необходимой для треугольного цикла Лоренца, устанавливают с помощью задатчика температуры (на фиг.4 не показан) нужную температуру, до которой надо нагреть воздух в отапливаемом помещении 19. Задатчик управляет регулятором 17, распределяющим поток нагретой в теплонасосной схеме воды (являющейся при отоплении прямой сетевой водой) между нагревательным прибором 12 и воздушным теплообменником 13, с помощью которого подают теплый воздух в отапливаемое помещение 19. В зависимости от разницы между установленной на задатчике и фактической температурой в отапливаемом помещении 19 (которая зависит от температуры наружного воздуха) регулируют обороты вентилятора 14, тем самым изменяют объем подаваемого в отапливаемое помещение 19 теплого воздуха. В результате обеспечивают работу системы отопления по водовоздушной или воздушной схемам в зависимости от температуры наружного воздуха.
В начале отопительного сезона, когда температура наружного воздуха не ниже - 7°С, прямую сетевую воду подают в нагревательный прибор 12, а обратную сетевую воду - в воздушный теплообменник 13 через обратный клапан 16. Так как при этом температура обратной сетевой воды невысокая, то на отопление работает фактически только один нагревательный прибор 12. При понижении температуры наружного воздуха температура обратной сетевой воды увеличивается, что позволяет подключить в работу вентилятор 14 воздушного теплообменника 13, который подает в отапливаемое помещение 19 теплый воздух с температурой +40°С. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха температура обратной сетевой воды уже недостаточна для нагрева воздуха в воздушном теплообменнике 13 до +40°С. Тогда обратную сетевую воду подогревают прямой сетевой водой, подавая их одновременно в нагревательный прибор 12 и в воздушный теплообменник 13 с помощью регулятора/регуляторов 17. Обратный клапан 16 на выходе нагревательного прибора 12 при этом предотвращает попадание прямой сетевой воды на его выход. При температуре наружного воздуха ниже -40°С совместная работа нагревательного прибора 12 и воздушного теплообменника 13 уже не обеспечивает в отапливаемом помещении 19 комфортную температуру +20°С. В этом случае нагревательный прибор 12 отключают регулятором 17 и прямую сетевую воду подают непосредственно в воздушный теплообменник 13. Вентилятор 14 увеличивает объем подаваемого теплого воздуха.
Таким образом, в системе отопления осуществляют подачу прямой сетевой воды в нагревательный прибор 12 и/или в воздушный теплообменник 13 в зависимости от температуры наружного воздуха.
В воздушном теплообменнике 13 поданную воду (обратную сетевую и/или прямую сетевую) охлаждают наружным воздухом, поступающим в него через воздушный регенератор 15, до начальной температуры (для тепловых насосов), выбранной для обеспечения работы тепловых насосов по треугольному циклу Лоренца. После этого охлажденную воду подают на нагрев в тепловой насос первой ступени нагрева по трубопроводу 10, а воздух, нагретый до температуры +40°С в воздушном теплообменнике 13, подают в отапливаемое помещение 19. При этом теплый воздух из отапливаемого помещения 19 подают в воздушный регенератор 15 для нагрева им поступающего в регенератор 15 наружного воздуха, а охлажденный в воздушном регенераторе 15 воздух подают на сброс.
В способе отопления предусмотрено при нагреве воды переключение теплонасосной схемы системы отопления на реверс с помощью регуляторов направления течения нагреваемой воды, установленных на входах тепловых насосов первых и последних ступеней нагрева (на фиг.4 не показаны). При этом тепловые насосы последних ступеней, работающие при больших температурах и давлении рабочего тела, переводятся в облегченный режим работы тепловых насосов первых ступеней, что повышает срок их службы, а значит, срок службы системы отопления в целом.
В летний период схему потребления системы отопления отключают с помощью регулятора 18 и используют теплонасосную схему на нужды ГВС, подавая на вход теплонасосной схемы воду, имеющую температуру, необходимую для получения треугольного цикла Лоренца.
Таким образом, предлагаемый способ отопления обеспечивает работу системы отопления по треугольному циклу Лоренца с полезным использованием почти всего вырабатываемого теплонасосного тепла в районах с разными климатическими условиями, что позволяет решить поставленную задачу.
1. Примеры реализации способа ГВС.
Пример 1. Система ГВС в виде теплонасосной схемы состоит из трех тепловых насосов - трех ступеней нагрева, нагреваемую воду передают от ступени к ступени последовательно.
Температура кипения рабочего тела каждого теплового насоса 0°С.
Температура воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени нагрева, ≈0°С.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса первой ступени +35°С.
Температура нагретой воды на выходе первой ступени +30°С.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса второй ступени +55°С.
Температура нагретой воды на выходе второй ступени +50,3°С.
Температура конденсации теплового насоса третьей ступени +75°С.
Температура нагретой воды для ГВС +71°С; эта вода поступает потребителям.
Пример 2. Система ГВС состоит из шести тепловых насосов - шести ступеней нагрева, нагреваемую воду передают от ступени к ступени последовательно.
Температура кипения рабочего тела каждого теплового насоса 0°С.
Температура воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени нагрева, ≈0°С.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса первой ступени +17°С.
Температура нагретой воды на выходе первой ступени +12°С.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса второй ступени +29°С.
Температура нагретой воды на выходе второй ступени +24°С.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса третьей ступени +41°С.
Температура нагретой воды на выходе третьей ступени +36°С.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса четвертой ступени +53°С.
Температура нагретой воды на выходе четвертой ступени +48°С.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса пятой ступени +64°С.
Температура нагретой воды на выходе пятой ступени +59°С.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса шестой ступени +75°С.
Температура нагретой воды для ГВС +70°С; эта вода поступает потребителям.
2. Примеры реализации способа отопления с использованием упомянутого способа ГВС в системе отопления, содержащей теплонасосную схему, связанную со схемой потребления, показаны в таблицах 3, 4.
тепла
окуп.
тп общ
В таблицах 3, 4 приведены следующие показатели соответственно для треугольного и четырехугольного циклов Лоренца при трехступенчатом и шестиступенчатом нагреве для разных температур конденсации рабочего тела теплового насоса последней ступени нагрева: коэффициент φ трансформации, себестоимость вырабатываемого тепла С, срок окупаемости В и суммарная теплопроизводительность Q. Затемненным фоном отмечены режимы, работа при которых экономически нецелесообразна, штриховкой отмечен предельно допустимый режим работы, белым фоном выделены допустимые режимы.
тепла
окуп.
тп общ.
Из сравнения расчетных данных таблиц 3, 4 видно, что при одной и той же температуре конденсации рабочего тела теплового насоса последней ступени нагрева при треугольном цикле Лоренца повышаются все показатели теплонасосного цикла по сравнению с четырехугольным циклом Лоренца. Так, например, при температуре конденсации +70°С при шестиступенчатом нагреве коэффициент φ трансформации составляет 6,298 против 3,799; себестоимость вырабатываемого тепла С - 418,5 руб/Гкал против 678,5 руб/Гкал; срок окупаемости В - 5,77 лет против 10,68 лет; теплопроизводительность Q - 0,984 Гкал/час против 0,766 Гкал/час.
При температуре конденсации +75°С и выше способ отопления по четырехугольному циклу Лоренца (табл.4) переходит в экономически нецелесообразный режим. При треугольном цикле Лоренца такой режим не наступает даже при температуре конденсации, равной +90°С (табл.3).
Таким образом, сравнение расчетных технико-экономических показателей говорит в пользу способа отопления с треугольным циклом Лоренца, реализованного в выбранной системе отопления и использующего предложенный способ ГВС.