ГЕЛИОУСТАНОВКА ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Заявленная полезная модель относится к области теплоснабжения, а именно, к гелиоустановкам горячего водоснабжения, предназначенных для получения горячей воды для бытовых нужд за счет использования солнечной энергии и имеющейся центральной системы отопления здания или центральной горячего водоснабжения здания и может быть использована для коммунальных и бытовых нужд населения, преимущественно, в многоквартирных домах или учреждениях.
Известна гелиоустановка, горячего водоснабжения, по патенту РФ №2268444 (МПК F24D 15/00; F24D 15/02 публ. 20.01.2006 г.) содержащая, по крайней мере, одну солнечную батарею из тепловых коллекторов в виде теплоизолированных плоских коробчатых корпусов с расположенными перпендикулярно направлению солнечной радиации верхними плоскими светопрозрачными панелями и теплоаккумулирующей емкостью с герметичными теплоаккумулирующими элементами, заполненными жидкостью с положительной температурой застывания, программное электронное устройство - механизмами слежения перпендикулярности солнечной радиации.
Недостатком данной гелиоустановки является сложность ее конструкции, использование плоских солнечных коллекторов затруднено в зимнее время года и связано с заносом снега, при недостаче солнечной энергии довольно проблематично плавить парафин с температурой плавления более 50 градусов, нет непосредственного нагрева воды используется дополнительный теплоприемник-передатчик парафин, в пасмурные дни, когда нет нагрева теплоносителя солнечными коллекторами теплоаккумулирующий бак не работает и нет нагрева трубопроводов отопления и горячего водоснабжения, при этом необходимо искать другой источник тепловой энергии, тем самым ограничена область применения гелиоустановки.
Известна гелиоустановка по патенту РФ №, 2403511 опубл. 10.11.2010 г. МПК F24J 2/42, которая содержит включенные в основной циркуляционный контур солнечный коллектор, обеспечивающий нагрев циркулирующего через него антифриза, бак-аккумулятор, накапливающий тепловую энергию, теплообменник, встроенный в бак-аккумулятор, для передачи теплоты от антифриза к воде для нужд горячего водоснабжения, а также потребитель тепла и систему автоматического регулирования.
Недостатком данной гелиоустановки является то, что не решен вопрос с дополнительным источником энергии, нет решения при прекращении забора горячей воды из бака и стремительному перегреву теплоносителя в солнечном коллекторе, достаточно сложная конструкция солнечного коллектора при совмещении воздушного и жидкого теплоносителей, а в зимний период достаточно проблематично нагревать воздух для нужд отопления, тем самым ограничена область применения гелиоустановки.
Наиболее близким техническим решением является гелиоустановка горячего водоснабжения по патенту РФ №2250422 МПК F24j 2/42, F24j 2/24 опубл. 10.08.2004 г., содержащая солнечную батарею, которая включает, по меньшей мере, один солнечный тепловой коллектор, снабженный тепловым датчиком, бак аккумулятор, содержащий теплообменник, соединенный через трубопровод подачи теплоносителя в солнечную батарею и трубопровод отвода теплоносителя из солнечной батареи, снабженный насосом, с тепловым коллектором, трубопровод подачи холодной воды, трубопровод отвода горячей воды к потребителю, программное электронное устройство, обеспечивающее управление тепловыми датчиками, электродвигателем насоса и запорными устройствами.
Недостатком данной гелиоустановки является сложность ее конструкции, низкая надежность работы и ограниченная область применения. Управления каждого коллектора достаточно затратно, использование плоских солнечных коллекторов затруднено в зимнее время года и связано с заносом снега, использовать в качестве теплоносителя воду не пригодно при отрицательных температурах, в пасмурные дни когда нет нагрева теплоносителя солнечными коллекторами теплоаккумулирующий бак не работает и нет нагрева трубопроводов отопления и горячего водоснабжения, при этом необходимо искать другой источник тепловой энергии, тем самым ограничена область применения гелиоустановки.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы гелиоустановки и расширение области ее применения при круглогодичной эксплуатации зданий, где существует потребность в бесперебойном горячем водоснабжении.
Технический результат полезной модели достигается за счет того, что гелиоустановка снабжена баком бойлером, внутри которого один под другим размещены два теплообменника, нижний из которых через введенные в трубопроводы подачи теплоносителя в солнечную батарею и отвода теплоносителя из солнечной батареи трехходовые краны связан с теплообменником в баке аккумуляторе и с тепловым коллектором, верхний - через введенный трехходовой кран с сервоприводом подсоединен к трубопроводу центральной системы горячего водоснабжения здания или центральной отопительной системы здания, кроме того, в нижней части бака бойлера установлен ТЭН, включающийся в работу при невозможности подачи в верхний теплообменник горячей воды из центральной системы горячего водоснабжения здания или центральной отопительной системы здания.
Солнечный тепловой коллектор у гелиоустановки может быть выполнен вакуумным.
Гелиоустановка горячего водоснабжения может быть снабжена трубопроводом с предохранительным клапаном, выходящим из бака бойлера, обеспечивающим сброс в канализацию излишков горячей воды в экстренных ситуациях при срабатывании предохранительного клапана.
Гелиоустановка горячего водоснабжения может быть снабжена трубопроводом с насосом, и теплообменником, выходящим из бака бойлера, обеспечивающим снижение температуры горячей воды в случае превышения ее установленного максимума.
Гелиоустановка горячего водоснабжения может быть дополнительно снабжена температурными датчиками, термометрами, расходомерами для надежного мониторинга и контроля за объектом.
На чертеже изображена схема гелиоустановки горячего водоснабжения.
Гелиоустановка содержит:
1 - солнечный тепловой коллектор;
2 - тепловые датчики;
3 - бак-аккумулятор;
4 - теплообменник, установленный в баке аккумуляторе;
5 - трубопровод подачи теплоносителя;
6 - трубопровод отвода теплоносителя;
7 - циркуляционные насосы;
8 - трехходовые краны с серво приводом;
9 - трубопровод подачи холодной воды здания;
10 - бак-бойлер;
11 - трубопровод отвода горячей воды к потребителю;
12 - нижний теплообменник в баке-бойлере;
13 - верхний теплообменник в баке-бойлере;
14 - трубопровод подачи теплоносителя в солнечную батарею;
15 - трубопровод отвода теплоносителя из солнечной батареи;
16 - трехходовой кран с серво приводом;
17 - трубопровод центральной системы горячего водоснабжения (ГВС) здания;
18 - трубопровод центральной отопительной системы здания;
19 - ТЭН;
20 - контроллер;
21 - трубопровод сброса в канализацию излишков горячей воды, при срабатывании предохранительного клапана 22;
22 - предохранительный клапан, ограниченный по температуре и давлению;
23 - трубопровод;
24 - циркуляционный насос;
25 - теплообменник;
G1, G2, G3 - расходомеры;
T1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6 - Термометры;
Тд1, Тд2, Тд3, Тд4, Тд5, Тд6 - Температурные датчики
Гелиоустановка горячего водоснабжения состоит из солнечной батареи, которая включает, по меньшей мере, один солнечный тепловой коллектор 1, в вакуумных трубках которого происходит процесс поглощения солнечной энергии и преобразование ее в тепловую энергию. Коллектор 1 снабжен тепловыми датчиками 2. Гелиоустановка имеет бак-аккумулятор 3, заполненный парафином, и содержащий теплообменник 4, соединенный через трубопровод подачи теплоносителя 5 с тепловым коллектором 1 и трубопровод отвода теплоносителя 6 из теплового коллектора 1, снабженный в свою очередь насосом 7 и трехходовыми кранами 8 с серво приводом. Гелиоустановка подключена к трубопроводу подачи холодной воды здания 9, который подсоединен к нижней части бака-бойлера 10. Гелиоустановка имеет трубопровод отвода горячей воды к потребителю 11, подключенный в верхней части бака-бойлера 10. Внутри бака-бойлера один под другим размещены два теплообменника 12, 13. Нижний теплообменник 12 через трубопровод 14 подачи теплоносителя в солнечную батарею и трубопровод 15 отвода теплоносителя из солнечной батареи, на которых установлены трехходовые краны 8, связан с теплообменником 4 в баке-аккумуляторе 3 и с тепловым коллектором 1. Верхний теплообменник 13 через трехходовой кран 16 с сервоприводом подсоединен к трубопроводу центральной системы горячего водоснабжения здания 17 или центральной отопительной системы здания 18, кроме того, в нижней части бака бойлера установлен ТЭН 19, включающийся в работу при невозможности подачи в верхний теплообменник 13 горячей воды из центральной системы горячего водоснабжения здания 17 или центральной отопительной системы здания 18. Гелиоустановка имеет программное электронное устройство 20, обеспечивающее управление тепловыми датчиками, электродвигателем насоса и запорными устройствами.
Солнечный тепловой коллектор 1 может быть выполнен вакуумным.
Гелиоустановка может быть снабжена трубопроводом 21 с предохранительным клапаном 22, выходящим из бака-бойлера 3, обеспечивающим сброс в канализацию излишков горячей воды в экстренных ситуациях при срабатывании предохранительного клапана 22.
Гелиоустановка может быть снабжена трубопроводом 23 с насосом 24, и теплообменником 25, выходящим из бака-бойлера 10, обеспечивающим снижение температуры горячей воды в случае превышения ее установленного максимума.
Гелиоустановка может быть дополнительно снабжена температурными датчиками, термометрами, расходомерами для надежного мониторинга и контроля за объектом.
Гелиоустановка работает следующим образом.
Когда температура Тд1, контролируемая датчиком, на солнечном коллекторе 1 станет больше температуры Тд2, контролируемая датчиком, в баке-бойлере 10 включается циркуляционный насос 7 и разогретый теплоноситель (антифриз) подается в теплообменник 12. При достижении температуры Тд2 равной температуры Тд1 насос 7 останавливается.
В случае достижения температуры воды в баке-бойлере 55-60 градусов Цельсия, но при этом Тд1 все еще больше Тд2, контроллер электронного устройства 20 переключит трехходовые краны и движение теплоносителя пойдет на нагрев теплообменника 4 в баке-аккумуляторе, который заполнен парафином. Парафин начинает плавиться, то есть начинается фазовый переход парафина из твердого состояния в жидкое. Фазовый переход обладает большой теплоемкостью, что позволяет избежать перегрева воды в баке-бойлере, перегрева солнечных коллекторов и эффективному использованию излишков солнечной энергии. В этом случае бак-аккумулятор выполняет функцию компенсатора и утилизатора излишков солнечной энергии.
Когда достигается предел температуры бака-аккумулятора 3 в 80-90 градусов Цельсия, контроллер электронного устройства включит циркуляционный насос для отвода горячей воды из бака-бойлера, например, на теплообменник 25 обогрева сауны, бассейна или на тепловентилятор, который работает, до тех пор, пока температура воды в баке-бойлере 10 не упадет до 50 градусов. Либо, в экстренных ситуациях сработает предохранительный клапан 22 при температуре более 90 градусов или превышения установленного максимального давления, и горячая вода по трубопроводу будет слита в канализацию. После этого насос отключится, и контроллер переключит трехходовые краны на движение теплоносителя обратно в бак-бойлер.
В случае, если солнечной энергии нет, например, в ночное время или в очень пасмурные дни когда солнечной энергии не достаточно, предусмотрен нагрев воды в баке-бойлере другими средствами.
Приоритетно нагрев производится за счет с аккумулированной энергии в баке-аккумуляторе 3. Это будет в тот момент, если температуры, контролируемые датчиками, будут удовлетворять этому соотношению Тд1<Тд2<Тд4, тогда контроллер переведет трехходовые краны в положение нагрева воды в баке-бойлере от бака-аккумулятора и запустит для циркуляции теплоносителя насос. Так как в баке-аккумуляторе парафин находится с температурой более 55-60 градусов, будет осуществлен перенос тепла к баку-бойлеру с горячей водой, и парафин начнет обратный фазовый переход, выделяя накопленную теплоту. Таким образом, возможно использовать утилизированные излишки солнечной энергии в дневное время для нагрева воды в баке-бойлере ночью.
Если бак-аккумулятор «не заряжен», когда весь нагрев от солнца шел только на нагрев воды в баке-бойлере, либо при работе в продолжительные пасмурные дни, то догрев или нагрев воды в баке-бойлере будет осуществляться с помощью переключения контроллером трехходового крана на подачу горячей воды из центральной системе ГВС или центральной системе отопления на верхний теплообменник бака-бойлера. При этом будет выполняться условие 40С>Тд3>Тд1>Тд4. Получить горячую воду в баке-бойлере возможно с помощью тепла от нижнего теплообменника, либо от верхнего теплообменника, подключенного к существующей центральной системе ГВС здания, либо центральной системы отопления здания. В тех случаях, когда нет возможности использовать существующую центральную систему ГВС здания (на профилактике или ремонте) или центральную систему отопления здания (в летнее время отключена), в баке-бойлере предусмотрен ТЭН 19, который так же включается по выше указанному температурному условию контроллером 20.
С момента запуска системы, вычислитель электронного устройства производит считывание с датчиков расхода и температуры G1, G2, G3, Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6 и архивацию данных, вычисляет количество выработанной энергии. Через модем электронного устройства осуществляется передача информации на станцию мониторинга и контроля. С задаваемой периодичностью данные снимаются с вычислителя на сервер и могут быть использованы для дальнейшей обработки.
При такой схеме использования солнечных коллекторов получается достаточно эффективно использовать солнечную энергию при не значительных затратах на реконструкцию системы горячего водоснабжения зданий.
Настоящая гелиоустановка может быть установлена практически в любое здание или учреждение, используя солнечную энергию, при этом горячее водоснабжение получается круглогодичным, независимо не от каких обстоятельств, например, аварийного отключения горячего водоснабжения здания. Это наиболее важно для учреждений, например, больниц, где горячее водоснабжение должно быть бесперебойным.
В гелиоустановке горячего водоснабжения используются промышленные вакуумные трубчатые солнечные коллекторы, позволяющие эффективно получать тепловую энергию в любое время года, с достаточно высоким КПД до 90%. Их установка возможна практически на любых крышах. При этом направление выбирается на Юг, а угол наклона оптимальный для региона применения.
В гелиоустановке горячего водоснабжения в электронном устройстве используется контроллер, обеспечивающий управление циркуляционных насосов и трехходовых кранов.
Конструкция позволяет проводить мониторинг и контроль за объектом, подсчитывать экономию денежных средств, выработанные Гкал и расход горячего водоснабжения.
Промышленная применимость очевидна. Данная конструкция нашла применение в начале этого года при установке ее настоящим заявителем на здание МУП Водоканала г.Новочебоксарска, на здание родильного отделения центральной клинической больницы г.Чебоксары и доказала указанные преимущества.