Система отопления жилого дома
APARTMENT HEATING SYSTEM

Изобретение относится к теплонасосным установкам (ТНУ), используемым для автономного отопления и горячего водоснабжения помещений.
Известны системы отопления на основе тепловых насосов, в которых используется скрытая теплота фазового перехода вода-лед.
Известна система отопления и горячего водоснабжения фирмы Viessmann (ФРГ) для тепловых насосов типа рассол-вода с использованием ледохранилищ (https://www.viessmann.ru/). Ледохранилище представляет собой емкость со встроенными теплообменниками, которая наполняется водой и полностью закапывается в грунт. Стандартная схема тепловой мощностью до 20 кВт состоит из одного или двух бетонных цилиндрических бункеров (диаметр - 2,5 м, высота - 3,56 м), каждый из которых вмещает в себя до 10 кубометров воды. Специальные абсорберы, расположенные на крышке бака, собирают тепло из окружающей среды и солнечного излучения, а затем накапливают его в баке. Также система поглощает тепло из земли, окружающей емкость. Когда температура в баке опускается ниже температуры замерзания воды, высвобождается скрытая энергия кристаллизации, которая поглощается водой в баке. После того, как вода в баке замерзнет, избыточная энергия солнца направляется в бак для того, чтобы растопить его снова. По мере необходимости тепло, необходимое для отопления и приготовления горячей воды, отбирается из резервуара тепловым насосом.
В данном техническом решении после полного замерзания воды в резервуаре использование тепла фазового перехода вода-лед для нужд отопления и горячего водоснабжения становится невозможным до тех пор, пока не будет проведено оттаивание льда с помощью тепла, получаемого от солнечного коллектора. При этом период полного оттаивания емкости может быть весьма продолжителен, т.к. объем замерзшей воды достаточно велик и для оттаивания потребуется подвести значительное количество солнечной энергии, что особенно затруднительно при большом количестве ненастных дней, а также в зимний период с коротким световым днем. В результате, для потребителя снижается рентабельность приобретения подобной ТНУ из-за ограниченных возможностей эффективного использования тепла фазового перехода для отопления и горячего водоснабжения дома.
Кроме того, в случае повреждения находящейся в толстом слое льда пластиковой трубы, внутри которой должен циркулировать жидкий теплоноситель, для ремонта трубы потребуется ожидать полного оттаивания воды в резервуаре. Это значительно ухудшает ремонтопригодность такой системы.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является система отопления жилого дома (патент RU №2412401). Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для автономного отопления зданий индивидуального пользования - коттеджей, отдельно стоящих жилых домов. Система содержит расположенный в подвале дома бассейн, в котором находится система вода-лед-вода, использующий энергию фазового перехода воды в лед тепловой насос, расположенный с возможностью охлаждения воздуха в воздушном слое, расположенном над верхним слоем воды, и нагревом воздуха в отапливаемом помещении. Кроме того, система содержит водяной насос, установленный с возможностью перекачивания воды из нижнего слоя в верхний слой, и вентилятор, установленный с возможностью откачивания воздуха через вытяжную трубу из указанного воздушного слоя в атмосферу вне дома, при этом указанный воздушный слой дополнительно сообщен с атмосферой. Установка работает следующим образом. Тепловой насос засасывает воздух из воздушного слоя с температурой около 0°С над бассейном, обеспечивает кипение фреона в испарителе и возвращает охлажденный до отрицательной температуры (-5°С) воздух к поверхности верхнего слоя воды. При контакте воды и воздуха с температурой -5°С вода замерзает, а воздух нагревается до -1÷0°С. Убыль воды в верхнем слое восполняется насосом из нижнего слоя воды. При положительной температуре наружного воздуха включается вентилятор, который подает воздух в вытяжную трубу. За счет контакта теплого воздуха лед тает, и происходит восполнение воды в бассейне. Приток теплого воздуха происходит через приточное отверстие.
Основным недостатком данной отопительной системы является то, что под жилым домом располагается большой открытый водный бассейн, что неприемлемо с точки зрения комфорта и санитарных норм. Кроме того, отопительная система не замкнута и подвержена воздействию переменных факторов окружающей среды.
Задачей предложенного изобретения является повышение эффективности работы системы отопления дома на основе теплового насоса, использующего энергию фазового перехода воды в лед.
Указанная задача решается за счет того, что система отопления жилого дома, содержит тепловой насос, а также соединенный с испарителем теплового насоса внешний грунтовый контур с жидким антифризом в плоском теплообменнике, находящемся в расположенной в грунте вне дома первой герметичной емкости, в которой находится система вода-лед-вода, причем верхняя стенка плоского теплообменника выполнена в виде тонкостенной упругой деформируемой мембраны, а на выходе из плоского теплообменника имеется электромагнитный клапан для периодического прерывания циркуляции антифриза по внешнему грунтовому контуру, Система отопления отличается тем, что, для обеспечения полезного использования максимального количества теплоты, выделяющейся при фазовом переходе воды в лед, в грунте вне дома, в непосредственной близости от первой емкости дополнительно имеется вторая герметичная емкость с водой, а в этой емкости расположен соединенный с источником внешней энергии нагреватель воды, причем вторая емкость соединена трубопроводами с первой емкостью таким образом, что образуется замкнутый контур для циркуляции воды. В верхней части первой емкости установлена перфорированная перегородка для обеспечения равномерного распределения нагретой воды, поступающей из второй емкости. На входе в испаритель теплового насоса дополнительно имеется ресивер для выравнивания давления антифриза, а на наружной поверхности верхней деформируемой стенки плоского теплообменника установлен датчик контроля толщины слоя льда.
Во внутренней полости ресивера может быть установлен датчик контроля температуры антифриза, сигналы которого передаются на автоматический контроллер, а управление работой электромагнитного клапана, установленного на выходе из плоского теплообменника, может осуществляться по командам автоматического контроллера в соответствии с сигналами, поступающими от датчика контроля толщины слоя льда и от датчика контроля температуры антифриза.
Нагреватель воды во второй емкости может быть выполнен в виде двухступенчатого комбинированного нагревателя, состоящего из теплообменника солнечного коллектора и электронагревателя, причем возможна одновременная или попеременная работа двух ступеней комбинированного нагревателя. Во внутренней полости второй емкости может быть установлен датчик контроля температуры воды, сигналы которого передаются на автоматический контроллер, а управление работой двух ступеней комбинированного нагревателя может осуществляться по командам автоматического контроллера в соответствии с сигналами, поступающими на автоматический контроллер от датчика контроля температуры воды.
Высота второй герметичной емкости может быть больше или равна высоте первой герметичной емкости. Для обеспечения интенсивности циркуляции воды, трубопроводы, соединяющие первую и вторую герметичную емкости, могут быть установлены под углом к горизонтальной плоскости.
Принципиальная схема предлагаемой системы отопления дома представлена на фиг. 1.
Испаритель (на фиг. не показан) теплового насоса 1 соединен с внешним грунтовым контуром теплового насоса, содержащим плоский теплообменник 4, установленный во внутренней полости герметичной емкости 2. Во внешнем контуре теплового насоса циркулирует антифриз, прокачка которого осуществляется с помощью жидкостного насоса (на фиг. не показан).
3
Емкость 2 представляет собой герметичную емкость с водой, помещенную в грунт на глубину ниже глубины промерзания и утепленную сверху. При стандартной мощности ТНУ 10 кВт объем емкости 2 составляет 8-10 м. Емкость 2 может быть выполнена в виде единой или составной полимерной или бетонной емкости.
Плоский теплообменник 4, во внутренней полости которого циркулирует антифриз, расположен в емкости 2 горизонтально вблизи ее дна или непосредственно на дне. Площадь поверхности теплообменника 4 несколько меньше, чем площадь дна емкости. Корпус теплообменника 4 может быть изготовлен из пластика, причем нижняя плоскость в-г теплообменника и его боковые стенки теплоизолированы, а снаружи дополнительно покрыты материалом, препятствующим налипанию льда. Верхняя плоскость а-б теплообменника 4 выполнена в виде тонкостенной упругой деформируемой мембраны, например, из высокопрочной резины толщиной 2-3 мм. На верхней плоскости а-б теплообменника 4 установлен датчик 13 контроля толщины слоя льда.
В верхней части емкости 2 установлена перфорированная перегородка 10 для обеспечения равномерного распределении нагретой воды, поступающей из емкости 3.
3
В непосредственной близости от емкости 2 в грунте на глубине ниже глубины промерзания установлена емкость 3. Емкость 3 представляет собой вертикально расположенную герметичную емкость с водой объемом 0,2…0,5 м. Емкость может быть выполнена, например, в виде заглушенной с двух сторон полимерной трубы, длина которой равна или несколько больше, чем высота емкости 2. Для уменьшения теплообмена между горячей водой, находящейся в емкости 3, и окружающим ее грунтом, вся наружная поверхность емкости 3 теплоизолирована.
В нижней части внутренней полости емкости 3 установлен нагреватель воды, представляющий собой двухступенчатый комбинированный нагреватель, состоящий из теплообменника солнечного коллектора и электронагревателя.
Теплообменник 6 солнечного коллектора, установленный в нижней части емкости 3, может быть выполнен в виде змеевика, по которому циркулирует нагреваемый в солнечном коллекторе 5 жидкий незамерзающий теплоноситель. Электронагреватель 11, установленный также в нижней части емкости 3, может быть выполнен в виде трубчатого нагревательного элемента, электропитание на который поступает от аккумулятора 15, заряжаемого от ветрогенератора 14. Во внутренней полости емкости 3 также установлен датчик температуры воды (на фиг. не показан).
Емкости 2 и 3 соединены наклонными трубопроводами Д и С (фиг. 1), в результате чего образуется контур циркуляции воды. Циркуляция воды между емкостями 2 и 3 обеспечивается естественным путем, а также с помощью жидкостного насоса 9, установленного в емкости 3.
На входе в испаритель (на фиг. не показан) теплового насоса имеется ресивер 8, а на трубопроводе, соединяющем теплообменник 4 с ресивером 8, установлен электромагнитный клапан-переключатель 7 для прерывания циркуляции антифриза во внешнем контуре.
Для управления работой системы отопления используется автоматический программируемый контроллер 12.
Система отопления жилого дома работает следующим образом. Антифриз из ресивера 8 подается в испаритель (на фиг. не показан) теплового насоса 1, отдает часть своей тепловой энергии хладагенту, охлаждается и поступает во внутреннюю полость плоского теплообменника 4, имея уже отрицательную температуру. Прокачка жидкого антифриза по внешнему контуру теплового насоса осуществляется с помощью жидкостного насоса (на фиг. не показан). При движении холодного антифриза вдоль плоского теплообменника 4, находящегося в емкости 2 с водой, на наружной поверхности а-б теплообменника 4 происходит постепенное образование слоя льда. При этом выделяющаяся теплота фазового перехода воды в лед частично передается движущемуся в теплообменнике 4 антифризу. Нагретый таким образом антифриз вначале попадает в ресивер 8, где происходит выравнивание давления и гашение нежелательных импульсов давления в антифризе, а затем антифриз вновь подается в испаритель теплового насоса 1.
Однако, по мере работы системы отопления, условия теплообмена между антифризом в теплообменнике и водой в емкости могут существенно ухудшиться, т.к. с ростом толщины слоя льда на поверхности а-б плоского теплообменника увеличивается его термическое сопротивление. При этом уменьшится количество тепла, которое может быть передано антифризу в процессе осуществления фазового перехода вода-лед. Таким образом, в процессе длительной работы системы отопления, интенсивность подогрева антифриза в теплообменнике 4 может постепенно снизиться.
Для поддержания процесса интенсивного выделения тепла при фазовом переходе вода-лед необходимо периодически разрушать ледяной слой на поверхности а-б теплообменника 4.
Для этого поверхность а-б теплообменника 4 выполнена в виде тонкостенной упругой деформируемой мембраны, а на выходящем из теплообменника 4 трубопроводе установлен электромагнитный клапан 7. При превышении предельно допустимой толщины слоя льда на поверхности а-б теплообменника 4 происходит срабатывание датчика 13 контроля толщины слоя льда, сигнал с которого передается на автоматический контроллер 12, управляющий работой электромагнитного клапана 7. Помимо этого, на автоматический контроллер 12 поступают сигналы датчика контроля температуры антифриза, установленного в ресивере 8 (на фиг. не показан). По команде автоматического контроллера происходит включение электромагнитного клапана 7, и поступление антифриза из теплообменника 4 в ресивер прерывается, в результате чего в давление антифриза в теплообменнике 4 повышается. Это приводит к деформации тонкостенной упругой поверхности а-б теплообменника 4 и разрушению образовавшегося на ней тонкого ледяного слоя, после чего сигнал от датчика 13 контроля толщины слоя льда перестает поступать на автоматический контроллер, электромагнитный клапан 7 выключается и вновь начинается циркуляция антифриза по внешнему контуру теплового насоса, а упругая поверхность а-б теплообменника 4 возвращается в исходное положение. После этого цикл намораживания слоя льда на поверхности а-б теплообменника 4 повторяется.
Тонкие куски льда, оторвавшегося от поверхности а-б теплообменника 4, всплывают и постепенно накапливаются в верхней части емкости 2. Для поддержания длительной и стабильной работы системы отопления накапливающийся лед необходимо постоянно удалять. Поэтому всплывший лед, накапливающийся в емкости 2, постоянно растапливается с помощью горячей воды, поступающей из емкости 3.
Для этого в емкости 3 осуществляется подогрев воды с помощью двухступенчатого комбинированного нагревателя. Нагретая в нижней части емкости 3 вода поднимается вверх и по наклонному трубопроводу подачи Д поступает в емкость 2 через перфорированную перегородку 10. При этом происходит равномерное распределение поступающей горячей воды по поверхности скопившегося в верхней части емкости 2 льда. После растапливания скопившегося в емкости 2 льда охладившаяся вода, имеющая большую плотность, опускается в нижнюю часть емкости 2 и по наклонному трубопроводу возврата С поступает в нижнюю часть емкости 3, где подогревается нагревателем и вновь поднимается в верхнюю часть емкости 3. Циркуляция воды между сообщающимися емкостями 2 и 3 обеспечивается естественным путем, а также с помощью насоса 9. Кроме того, интенсивность циркуляции воды поддерживается благодаря использованию гравитационных сил, для чего трубопроводы Д и С установлены под углом к горизонтальной плоскости.
В процессе нагрева воды в емкости 3 возможна одновременная или попеременная работа двух ступеней комбинированного нагревателя. В основном, подогрев воды в емкости 3 осуществляется от теплообменника 6 солнечного коллектора 5. Если количества тепла, поступающего от солнечного коллектора, недостаточно для нагрева воды в емкости 3 до нужной температуры, воду можно также подогревать с помощью электронагревателя 11, получающего электропитание от ветрогенератора 14 через аккумулятор - накопитель энергии 15. При этом управление работой ступеней комбинированного нагревателя осуществляется по командам автоматического контроллера в соответствии с сигналами, поступающими от датчика контроля температуры воды (на фиг. не показан), установленного во внутренней полости емкости 3.
Благодаря поддержанию высокой интенсивности процессов периодического образования и удаления тонкого слоя льда, а также постоянного растапливания накапливающегося льда, можно обеспечить отбор и полезное использование максимального количества теплоты, выделяющейся при фазовом переходе воды в лед. Таким образом, реализация предложенных технических решений позволит повысить эффективность работы ТНУ, использующих тепловую энергию фазового перехода воды в лед, в течение всего периода эксплуатации ТНУ. В результате, повышается привлекательность для потребителя в использовании подобных ТНУ для нужд теплоснабжения дома.