Способ использования теплоты вытяжного вентиляционного воздуха здания для системы горячего водоснабжения и нужд отопления и система для его реализации
METHOD FOR USING THE HEAT OF THE EXHAUST VENTILATION AIR OF A BUILDING FOR A HOT WATER SUPPLY SYSTEM AND HEATING NEEDS AND A SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области энергосбережения, а именно к устройствам для рекуперации теплого вытяжного воздуха помещений в системах горячего водоснабжения (ГВС) и отопления здания.
Известна система и способ вентиляции для производства горячей воды и для компактного отопления с помощью встроенного теплового насоса (Патент EP2306107 , F24F 12/00, F24D 17/02, F24F 5/00, F24H 6/00, 2306107, дата публикации 06.04.2011). Изобретение относится к системе и способу использования вентиляции для производства горячей воды для бытовых нужд и отопления тепловым насосом. Это интегрированный модуль, подключенный к воздушным сетям и трубам водоснабжения, а также к электросети, который имеет входное отверстие для исходного воздуха, выход для отработанного воздуха, выход для приточного воздуха, первый входной патрубок для возвратного воздуха и второй вход для отработанного воздуха. Контур исходного воздуха соединен с контуром вытяжного воздуха посредством управляемого открытия или закрытия байпаса, а контур приточного воздуха соединен с воздушным контуром рециркуляции воздуха с помощью клапана для управления открытием или закрытием. Контур отработанного воздуха состоит из вентилятора и теплообменника воздух / хладагент. Контур продувочного воздуха состоит из вентилятора и теплообменника воздух / хладагент. Первый и второй теплообменники соединены между собой контурами хладагента с компрессором и расширительным клапаном. Теплообменник хладагент / вода для бытового потребления подключен параллельно байпасу к первому контуру хладагента, а регулируемый трехходовой клапан, расположенный после компрессора, позволяет регулировать поток хладагента к хладагенту/теплообменник бытовой воды. Система дополнительно содержит средства для управления ее работой. В способе реализации первый и второй вентиляторы работают постоянно, расход вентиляции меняется в зависимости от потребностей, причем:
- если нет необходимости в отоплении и ГВС, байпас и клапан закрываются, а компрессор останавливается;
- в случае низкой потребности в обогреве байпас открыт, а клапан остается закрытым, компрессор работает;
- в случае сильной потребности в обогреве байпас и клапан открыты, компрессор работает.
К недостаткам данного изобретения можно отнести то, что:
- вытяжная вентиляция осуществляется только с механическим побуждением – вентилятором;
- в системе имеется два выносных конденсатора, один используется для подогрева воды в баке ГВС, другой для подогрева приточного воздуха.
Известен способ использования тепла, выделяемого за счет естественной вентиляции, в системе центрального отопления здания и для производства горячей воды (Патент EP2253892, МПК F24D 11/02, номер публикации 2253892, дата публикации 24.11.2010), наиболее близкий по своей технической сущности и по достигаемому результату к заявляемым устройству и способу и принят в качестве прототипа для обоих объектов.
В способе использования тепла, выделяемого за счет естественной вентиляции, в котором из верхней технической части здания производят отбор вентиляционного воздуха с выходов вентиляционных коллекторов и передают его посредством вентиляторов в теплообменники  и тепловой насос, при этом в теплообменнике происходит нагрев воды посредством теплообмена (воздух, поступающий из системы вентиляции, может проходить через тепловой насос типа «воздух-вода). После чего нагретую воду отводят в замкнутый циркуляционный контур системы ГВС и на нужды отопления помещений здания, при этом воду, предварительно нагретую тепловым насосом, при необходимости, догревают дополнительными теплообменниками. При недостаточной производительности теплового насоса для выработки необходимого количества тепла, теплоноситель получает недостающее тепло, проходя через дополнительный теплообменник дистанционного обогрева. Горячая вода производится двухсистемным (отопление и производство горячей воды) тепловым насосом или отдельным теплообменником. Выпускаемый воздух комнатной температуры направляют в существующую систему отопления здания через теплообменник воздух-вода и тепловой насос.
В данном техническом решении представлено устройство, реализующее известный способ. Устройство содержит систему из воздушных камер, установленных над вентиляционными коллекторами для улавливания тепла, выделяемого вентиляционными коллекторами. На боковых вертикальных стенках данных коллекторов расположены вентиляционные крышки. Регулирование объемов воздуха осуществляется с помощью клапанов (заслонок, плафонов). В верхней части каждой воздушной камеры вентиляционного коллектора расположены промежуточный воздухо-водяной теплообменник и вентилятор, отводящий через теплообменник тепло. Кроме того, система снабжена дополнительными теплообменниками для системы ГВС и на нужды отопления.
Известное техническое решение имеет недостатки как у способа, так и устройства для его реализации:
- использование отдельных вентиляторов и теплообменников для каждого вентиляционного коллектора приводит к нецелесообразному удорожанию и усложнению конструкции;
- расположение теплообменника в вентиляционном коллекторе усложняет обслуживание теплообменника;
- использование промежуточного теплообменника с водяным контуром усложняет конструкцию и уменьшает производительность теплового насоса;
- использование отдельных клапанов для выброса воздуха из каждого вентиляционного коллектора с вытяжными каналами спутниками приводит к нецелесообразному удорожанию и усложнению конструкции;
- при работе теплообменника вентиляционный воздух охлаждается и неизбежно образовывается конденсат, стекающий с поверхности теплообменника, отсутствие устройства сбора конденсата приводит к попаданию сконденсировавшейся влаги в вытяжные вентиляционные коллекторы, и появлению на их стенках плесени и болезнетворных организмов;
- снятие теплоты вытяжного воздуха с вентиляционных коллекторов приведет к понижению температуры внутри пространства верхнего технического помещения здания и в целом к нарушению теплового режима внутри здания.
Задачей, на решение которой направлены предлагаемые изобретения, является устранение вышеуказанных недостатков и увеличение эффективности работы способа, а также упрощение конструкции системы использования теплоты вытяжного вентиляционного воздуха здания для горячего водоснабжения и на нужды отопления здания, а также снижение затрат при изготовлении, монтаже и эксплуатации системы.
Поставленная задача достигается тем, что в способе использования теплоты вытяжного вентиляционного воздуха здания для системы горячего водоснабжения (ГВС) и нужд отопления производят отбор вентиляционного воздуха, поступающего с выходов вентиляционных коллекторов в верхней технической части здания (теплого чердака), являющегося накопителем вентиляционного воздуха. Вентиляционный воздух, поступающий в теплый чердак, как минимум от двух вентиляционных коллекторов подают принудительно вентилятором в корпус вентиляционной установки, во входной секции которого устанавливают вентилятор, и далее пропускают его через соединительную секцию вентиляционной установки на перфорированную решетку,  где  выравнивают поток воздуха и он  поступает в теплообменник, в качестве которого используют воздушные каналы испарителя теплового насоса. В систему трубок теплового насоса подают холодильный агент, при этом воздух отдает свою теплоту холодильному агенту в циркуляционном контуре теплового насоса, а тепловым насосом нагревают воду. Далее нагретую воду через замкнутый циркуляционный контур с насосом сбрасывают в бак аккумулятор, из которого нагретую воду другим насосом подают в дополнительные теплообменники для нагрева воды для системы ГВС и нужд отопления помещений здания. Конденсат, образующийся на поверхности испарителя теплового насоса и скапливающийся в поддоне, отводят через патрубки в систему канализации. Охлажденный в теплообменнике вентиляционный воздух отводят через направляющую решетку вентиляционной установки в вытяжную шахту теплого чердака, через которую воздух удаляют наружу здания. Нижнюю часть вытяжной шахты закрывают утепленным клапаном. При отключении энергоснабжения теплового насоса и вентиляционной установки утепленный клапан открывают при помощи резервного источника питания и посредством естественного давления вытяжной воздух удаляют из теплого чердака наружу здания.
Поставленная задача достигается также тем, что система использования теплоты вытяжного вентиляционного воздуха здания для горячего водоснабжения и на нужды отопления здания, включающая тепловой насос, водяной циркуляционный контур, соединенные между собой вентилятор и  теплообменник,  которые расположены в верхней технической части здания, являющейся теплым чердаком, кроме того система снабжена дополнительными теплообменниками для системы ГВС и на нужды отопления помещений здания, аккумуляторным баком для нагретой воды и вентиляционной установкой, обслуживающей как минимум два вентиляционных коллектора, выходящих на теплый чердак. Корпус вентиляционной установки выполнен из входной и соединительной секций, а также секции теплообменника, при этом во входной секции размещен вентилятор, снабженный системой автоматического поддержания постоянного напора, между соединительной секцией и секцией теплообменника установлена перфорированная решетка, а в секции теплообменника установлен  выносной испаритель теплового насоса. Причем испаритель включает в себя как минимум один воздушный канал. Корпус вентиляционной установки жестко соединен с боковой вертикальной поверхностью вытяжной шахты, отводящей воздух из теплого чердака. На выходе воздуха из секции теплообменника в вытяжную шахту установлена направляющая решетка. Тепловой насос и испаритель связаны между собой трубками циркуляционного контура. Под испарителем установлен поддон, имеющий патрубок для отвода конденсата в систему канализации. В нижней части вытяжной  шахты теплого чердака установлен утепленный вентиляционный клапан, оборудованный резервным источником питания. Аккумуляторный бак посредством первого замкнутого циркуляционного контура соединен с тепловым насосом, а вторым через дополнительные теплообменники соединен с системой ГВС и для нужд отопления. Аккумуляторный бак может быть установлен как на теплом чердаке, так и вне него. Регулировка системы происходит с помощью блока управления.
Способ осуществляется следующим образом. Производят отбор теплого вытяжного вентиляционного воздуха, поступающего с выходов как  минимум двух вентиляционных коллекторов в верхнюю техническую часть здания, а именно в теплый чердак, который используют как накопитель вентиляционного воздуха. Далее отобранный теплый воздух принудительно вентилятором подают в корпус вентиляционной установки, где его пропускают через ее входную и соединительную секцию на перфорированную решетку. На перфорированной решетке выравнивают поток воздуха и он поступает в теплообменник, в качестве которого используют воздушные каналы испарителя теплового насоса. В систему трубок теплового насоса подают холодильный агент, таким образом происходит теплообмен между теплым воздухом и хладагентом. Воздух отдает свою теплоту холодильному агенту в циркуляционном контуре теплового насоса, а тепловой насос нагревает воду. Нагретую воду через первый замкнутый водяной циркуляционный контур с насосом сбрасывают в бак аккумулятор, из которого ее по второму замкнутому водяному циркуляционному контуру другим насосом подают в теплообменники для нагрева воды для системы ГВС и нужд отопления. Конденсат, образующийся на поверхности испарителя теплового насоса и скапливающийся в поддоне, отводят через патрубки в систему канализации. Охлажденный в теплообменнике вентиляционный воздух отводят через направляющую решетку вентиляционной установки в вытяжную шахту теплого чердака, через которую воздух удаляют наружу здания. При работе системы нижнюю часть вытяжной шахты закрывают утепленным клапаном, а при отключении энергоснабжения теплового насоса и  вентиляционной установки подключают резервный источник питания, открывают утепленный вентиляционный клапан и посредством естественного давления вытяжной воздух удаляют из теплого чердака наружу здания.
Сущность заявляемой системы для реализации способа использования теплоты вытяжного вентиляционного воздуха здания для горячего водоснабжения и на нужды отопления здания поясняется чертежом, на котором представлена общая схема данной системы.
Система использования теплоты  вытяжного вентиляционного воздуха здания для горячего водоснабжения и на нужды отопления здания включающая тепловой насос 1, циркуляционный контур 2, соединенные между собой вентилятор 3 и  теплообменник 4, которые расположены в верхней технической части здания, являющейся теплым чердаком 5. Также система снабжена дополнительным теплообменником 6 для системы ГВС и дополнительным теплообменником 7 на нужды отопления помещений здания, аккумуляторным баком 8 для нагретой воды и вентиляционной установкой, обслуживающей как минимум два вентиляционных коллектора 9, выходящих на теплый чердак 5. Корпус 10 вентиляционной установки  выполнен из входной секции 11 и соединительной секций 12, а также секции 13 теплообменника, при этом во входной секции 11 размещен вентилятор 3, снабженный системой автоматического поддержания постоянного напора (на чертеже не показана), между соединительной секцией 12 и секцией 13 теплообменника установлена перфорированная решетка 14, а в секции 13 теплообменника 4 установлен выносной испаритель теплового насоса 1. Причем испаритель включает в себя как минимум один воздушный канал. Корпус 10 вентиляционной установки жестко соединен с боковой вертикальной поверхностью вытяжной шахты 15, отводящей воздух из теплого чердака 5. На выходе воздуха из секции 13 теплообменника в вытяжную шахту установлена направляющая решетка 16. Тепловой насос 1 и испаритель соединены между собой трубками замкнутого циркуляционного контура 2. Под испарителем установлен поддон (на чертеже не показан), имеющий патрубок 18 для отвода конденсата в систему канализации. В нижней части вытяжной шахты 15 теплого чердака 5 установлен утепленный вентиляционный клапан 19, оборудованный резервным источником питания 20. Аккумуляторный бак 8 посредством трубок 17 первого замкнутого водяного циркуляционного контура соединен с тепловым насосом 1. Трубками 21 второго замкнутого водяного циркуляционного контура аккумуляторный бак 8 соединен с дополнительными теплообменниками 6 и 7, а через них соединен с системой ГВС и для нужд отопления. Аккумуляторный бак 8 может быть установлен как на теплом чердаке 5, так и вне его. Регулировка системы происходит с помощью блока управления (на чертеже не представлен).
Система использования теплоты вытяжного вентиляционного воздуха здания для горячего водоснабжения и на нужды отопления здания работает следующим образом.
Теплый вытяжной вентиляционный воздух, поступающий с выходов нескольких вентиляционных коллекторов 9 накапливается в теплом чердаке 5 здания. После чего вентилятор 3 направляет воздух с теплого чердака 5 в корпус 10 вентиляционной установки, где он через входную секцию 11 и соединительную секцию 12 вентиляционной установки попадает на перфорированную решетку 14. На перфорированной решетке 14 поток воздуха выравнивается и он поступает в теплообменник 4. В качестве теплообменника 4 используются воздушные каналы испарителя теплового насоса 1. По системе трубок циркуляционного контура 2 между тепловым насосом 1 и испарителем 4 циркулирует холодильный агент. Воздух отдает свою теплоту холодильному агенту в циркуляционном контуре теплового насоса, а тепловой насос 1 нагревает воду. Нагретая вода через трубки 17 первого замкнутого водяного циркуляционного контура с насосом сбрасывается в аккумуляторный бак 8. Из  аккумуляторного бака 8 она другим насосом  подается по трубкам 21 второго замкнутого водяного циркуляционного контура в дополнительные теплообменники 6 и 7 для нагрева воды для системы ГВС и нужд отопления. Конденсат, образующийся на поверхности испарителя 4 теплового насоса 1 и скапливающийся в поддоне (на чертеже не представлен), отводится через патрубки 18 в систему канализации (на чертеже не представлена). Охлажденный в теплообменнике 4 вентиляционный воздух через направляющую решетку 16 вентиляционной установки направляется в вытяжную шахту 15 теплого чердака 5 и выходит наружу здания. В случае отключения энергоснабжения теплового насоса 1 и вентиляционной установки подключается резервный источник питания 20, и открывается утепленный вентиляционный клапан 19, при этом посредством естественного давления вытяжной воздух удаляется из теплого чердака 5 наружу здания.
Таким образом, эффективность заявляемого способа  использования теплоты вытяжного вентиляционного воздуха здания для системы горячего водоснабжения и нужд отопления и системы для его реализации заключается в том, что применяется одна вентиляционная установка, включающая вентилятор и теплообменник для нескольких вентиляционных коллекторов, кроме того благодаря наличию теплого чердака не нарушается тепловой режим здания, предусмотрена гибридная схема вентиляции, возможно как механическое побуждение, так и работа на естественной тяге при открытом вентиляционном клапане на вытяжной шахте из теплого чердака, при отключении вентиляционной установки.