УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, ОХЛАЖДЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ ПОМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к энергосберегающим установкам, основанным на использовании тепловой Солнца, а именно к системам, обеспечивающим горячее водоснабжение, отопление, охлаждение и вентиляцию помещений в летний и зимний периоды.
Известна СОВМЕЩЕННАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ С СОЛНЕЧНОЙ УСТАНОВКОЙ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ (патент на изобретение РФ №2110017, МПК F24D 3/08, F24J 2/00), содержащая генератор тепла, снабженный встроенным водонагревателем системы отопления с нагревательными приборами, расширительный бак, соединенный с подающим трубопроводом системы отопления, водонагреватель системы горячего водоснабжения, дополнительный расширительный бак-теплоаккумулятор, коллектор солнечной энергии (солнечный коллектор), циркуляционный насос, установленный на обратном трубопроводе системы отопления, эжектор системы отопления, дымовой канал и диффузор в отопительном щитке. В такой системе нагрев воздуха внутренних помещений и подаваемой воды осуществляется при рациональном использовании утилизированной теплоты дымовых газов и солнечной энергии на отопление и горячее водоснабжение. Вода для горячего водоснабжения нагревается в солнечном коллекторе за счет солнечной радиации. При циркуляции вода поступает в расширительный бак и водонагреватель системы горячего водоснабжения. За счет теплопередачи через стенки водонагревателя нагревается вода в полости расширительного бака-теплоаккумулятора, откуда эжектируется в подающий трубопровод. Затем вода поступает в нагревательные приборы, на отопление помещений. Если тепловой эффект недостаточен, запускают генератор тепла и догревают воду в водонагревателе генератора тепла. В зимний период, когда эксплуатация солнечного коллектора не является эффективной, предварительный нагрев воды в системе отопления осуществляется посредством использования дымового канала. При этом основной объем дымовых газов проходит по дымовому каналу и передает часть теплоты воде в полости расширительного бака-теплоаккумулятора, нагревая тем самым воду в полости расширительного бака и водонагревателе горячего водоснабжения до необходимой температуры.
К недостаткам системы можно отнести достаточно узкий круг решаемых задач (отопление и горячее водоснабжение) при существенных затратах на оснастку такой системой любого помещения. Кроме того, коллекторы солнечной энергии эффективны только в летний период, поэтому система является весьма дорогой в обслуживании и эксплуатации по уровню расходов на электроэнергию, так как иных энергосберегающих источников тепла не предусмотрено.
Известна вентиляционно-отопительная система (а.с. СССР №1663342, МПК F24J 2/42, F24D 11/02), содержащая бак-аккумулятор, подключенный к трубопроводам теплоснабжения, тепловой насос, тепловые трубы, испаритель и вентилятор, а также солнечный коллектор, связанный с воздушной камерой с воздуховодами, размещенной в грунте и имеющей участки всасывания и нагнетания (грунтовый теплообменник). В такой системе достигается интенсивное восстановление температурного потенциала грунта в летний период посредством циркуляции воздуха, нагретого в солнечном коллекторе. При этом обеспечивается превышение естественного уровня теплоаккумуляции в грунте. Так как температура грунта в месте размещения воздушной камеры в зимний период выше температуры окружающего воздуха, то происходит передача теплоты от грунта циркулирующему по воздуховодам воздуху. Тепловой насос включают в начале отопительного периода, и при работе он охлаждает циркулирующий через испаритель воздух и передает теплоту на более высоком температурном уровне. За счет этого нагревается вода в баке. Теплота от нагретой воды в баке передается посредством теплообменника жидкости, циркулирующей в трубопроводах теплоснабжения и радиаторах. В летний период для реализации горячего водоснабжения используется солнечный коллектор, связанный одним концом с атмосферой, а другим с воздушной камерой. Воздушная камера содержит вентилятор и испаритель, обеспечивающие, соответственно, циркуляцию и охлаждение воздуха в воздушной камере. Основным устройством, регулирующим работу системы, является терморегулятор, контролирующий работу вентилятора, испарителя и теплового насоса.
Данная система построена на использовании энергии солнечного тепла, что позволяет значительно экономить электроэнергию. Тем не менее, можно отметить следующие недостатки, присущие данной системе:
- в конструкции системы в качестве источника низкопотенциального тепла использован грунтовый теплообменник, характеризующийся конструктивной сложностью и значительными габаритами, что существенно осложняет монтаж системы и контроль за ее состоянием;
- система подразумевает наличие солнечного коллектора, использующего в качестве теплоносителя воздух, что делает его применение в качестве дополнительного источника тепловой энергии недостаточно эффективным в силу низкой теплопроводности воздуха;
- система не предусматривает автоматического контроля и регулировки температурного режима в помещении.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой установке является СИСТЕМА СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЯ (а.с. СССР №1183790, МПК F24J 2/42), содержащая солнечный коллектор, по меньшей мере два, параллельно подключенных к нему теплообменника, баки-аккумуляторы, сообщающиеся, соответственно, с трубопроводами горячего водоснабжения и воздушного отопления, насос, тепловой дублер и воздухонагреватель с прямым и обратным трубопроводами. В такой системе основным источником тепла является солнечный коллектор, а тепловой дублер подключается только в случае нехватки тепла, полученного от солнечного коллектора. При этом тепло солнечного коллектора используется одновременно для воздушного отопления и горячего водоснабжения. Это достигается за счет объединения в единый тепловой контур теплообменников, подключенных к солнечному коллектору, трубопроводов воздушного отопления, а также прямого и обратного трубопроводов горячего водоснабжения. Преобразование солнечной энергии в тепловую происходит в коллекторе, в котором нагревается антифриз. Нагретый антифриз насосом подается в.теплообменники, которые передают тепло воде, предназначенной для отопления и водоснабжения помещения. Нагретая вода для горячего водоснабжения накапливается в баке-аккумуляторе и расходуется по мере потребления. Нагретая вода для воздушного отопления накапливается в секциях бака-аккумулятора и поступает в воздухонагреватель.
К недостаткам системы, в первую очередь, можно отнести ее неэффективность в зимний период, когда функционирование установки фактически сводится только к эксплуатации теплового дублера и воздухонагревателя, поэтому потребляемая мощность системы достаточно высока. Кроме того, сфера применения системы ограничивается только организацией отопления без вентиляции или кондиционирования помещения, что с учетом современных требований к обеспечению микроклимата в помещении явно недостаточно.
Задачей полезной модели является создание комплексной эффективной установки обеспечения микроклимата в помещении, предусматривающей наряду с отоплением, охлаждением и вентиляцией помещений, горячее водоснабжение в любое время года при существенном сокращении энергозатрат.
Техническим результатом является автоматизация контроля заданного температурного режима внутри здания с помощью устройства контроля и управления элементами установки при сбалансированном подборе конструкционных элементов установки с определенным набором эксплуатационных характеристик.
Поставленная задача решается тем, что в установке теплоснабжения, охлаждения и вентиляции помещений, включающей тепловой насос, соединенный с баком-аккумулятором и трубопроводами теплоснабжения, систему вентиляции с приточно-вытяжными воздуховодами, согласно техническому решению, размещен рекуператор, который обеспечивает вентиляцию помещения с одновременным подогревом или охлаждением приточного воздуха. Кроме того, на элементах установки (например, рекуператоре, баке-аккумуляторе и т.д.), вне и внутри вентилируемого помещения установлены датчики температуры, показания которых регистрируются, анализируются и обрабатываются устройством контроля и управления элементами установки (электронный контроллер), размещенным внутри помещения. Тепловой насос, применяемый в установке может быть выполнен с возможностью рекуперации и снабжен дополнительным рекуператором. Установка также может быть снабжена фанкойлом (вентиляторным доводчиком) и дополнительным теплообменником, через который фанкойл подключен к тепловому насосу. Установка также может быть снабжена плоским жидкостным солнечным коллектором, который расположен вне помещения и соединен трубопроводом с теплообменником бака-аккумулятора, образуя замкнутый контур. Весь контур заполнен жидким незамерзающим теплоносителем.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены как общая схема заявляемой установки, а также изображение отдельных ее элементов, а именно:
Фиг.1 - общий вид заявляемой установки;
Фиг.2 - схематичное изображение подключения теплового насоса;
Фиг.3 - схематичное изображение солнечного коллектора;
Фиг.4 - схематичное изображение бака-аккумулятора.
Позициями на чертежах обозначены 1 - устройство контроля и управления элементами установки; 2 - тепловой насос; 3 - солнечный коллектор; 4 - рекуператор; 5 - бак-аккумулятор; 6 - трубопроводы теплоснабжения; 7 - фанкойл (вентиляторный доводчик); 8 - дополнительный теплообменник; 9 - приточно-вытяжные воздуховоды; 10 - температурные датчики; 11 - подводящий патрубок рекуператора; 12 - отводящий патрубок рекуператора; 13 - воздуховод теплового насоса; 14, 15 - змеевиковые теплообменники бака-аккумулятора; 16 - электрический догреватель; 17 - трубопровод горячего водоснабжения; 18 - трубопровод холодного водоснабжения; 19 - стекло
солнечного коллектора; 20 - теплопоглощающий элемент; 21 - изоляция солнечного коллектора; 22 - элементы крепления и изоляции солнечного коллектора.
Установка представляет собой комплексную систему (фиг.1), включающую тепловой насос 2, соединенный с баком-аккумулятором 5 и трубопроводами теплоснабжения 6, систему вентиляции с приточно-вытяжными воздуховодами 9, в которой размещен рекуператор 4 с подводящими 11 и отводящими 12 патрубками, предназначенный для обеспечения воздухообмена в помещении и соединенный с воздуховодами 9 системы вентиляции. На элементах установки (например, рекуператоре, баке-аккумуляторе и т.д.), вне и внутри вентилируемого помещения установлены датчики температуры 10, показания которых регистрируются устройством контроля и управления элементами установки (электронный контроллер) 1, размещенным внутри помещения. Установка может быть оснащена фанкойлом (вентиляторным доводчиком) 7, который расположен внутри помещения и предназначен для рециркуляции и охлаждения воздуха в кондиционируемом помещении. В случае применения фанкойла 7, установка снабжена дополнительным теплообменником 8, подключенным между фанкойлом 7 и тепловым насосом 2. Установка может содержать солнечный коллектор 3. Плоский жидкостный солнечный коллектор 3 может иметь конструкцию, изготовленную по патенту РФ на полезную модель №53417, и представляющую собой заключенный в раму теплопоглощающий элемент 20 с изоляцией 321, стеклянным покрытием 19 и элементами крепления 22 (фиг.3).
Бак-аккумулятор 5 (фиг.4) предназначен для нагрева, хранения запаса подготовленной воды и расходования ее по мере необходимости и оснащен датчиком температуры 10. Бак-аккумулятор 5 представляет собой бойлер с подведенными трубопроводами горячего 17 и холодного 18 водоснабжения, в котором размещены змеевиковые теплообменники с циркулирующим по ним жидким незамерзающим теплоносителем 14 и 15 и электрический догреватель 16. Змеевиковые теплообменники 14 и 15 осуществляют передачу теплоты от низкопотенциальных источников тепла и соединены трубопроводами с тепловым насосом 2 и солнечным коллектором 3. Электрический догреватель 16, являясь основным энергоемким устройством бака-аккумулятора 5, используется при необходимости дополнительного подогрева воды в случае недостаточной эффективности теплового насоса 2 и включается по сигналу, поступающему от устройства контроля и управления элементами установки 1, на основе показаний датчика температуры 10, расположенного на баке-аккумуляторе.
Рекуператор 4 представляет собой теплообменник поверхностного типа, в котором теплообмен между теплоносителями осуществляется непрерывно через разделяющую их
стенку. Воздух поступает в рекуператор 4 извне помещения через подводящий патрубок 11, где подогревается через стенку рекуператора отработанным теплым воздухом. Затем подогретый воздух по отводящим патрубкам 12 выводится из рекуператора 4 и по приточно-вытяжным воздуховодам 9 системы вентиляции распределяется по помещению, осуществляя постоянный подвод свежего воздуха извне помещения, а также вывод отработанного воздуха из помещения с одновременной отдачей тепловой энергии в помещение. Рекуператор также снабжен датчиком температуры 10.
Тепловой насос 2 представляет собой устройство (фиг.2), содержащее бак горячей воды с электрический подогревателем, насос и трубопроводы системы отопления, конденсатор, компрессор, испаритель, расширительный и дроссельный клапаны, и воздуховоды. Тепловой насос также может быть снабжен дополнительным рекуператором, выполняющим функции как воздуховода, так и вентилирующего устройства. Контур теплового насоса заполнен жидким незамерзающим теплоносителем - хладагентом. Тепло от воздуха, поступившего по воздуховодам из внутреннего пространства помещения в испарителе отдает свою энергию хладагенту, циркулирующему в тепловом насосе.
Установка работает следующим образом.
В холодное время года
Первичный сигнал на устройство управления и контроля элементами установки 1 поступает с датчика температуры 10, расположенного внутри помещения. В соответствии с заложенной программой, устройство управления и контроля элементами установки 1 анализирует поступившие данные и, если температура в помещении оказывается ниже заложенного в программу значения, подает соответствующие сигналы на циркуляционный насос теплового насоса и рекуператор - начинается первичный нагрев помещения.. Наружный холодный воздух через воздухозаборник забирается и подается через подводящий патрубок 11 в рекуператор 4, где догревается теплым воздухом, выходящим из помещения в рекуператор. Отработанный воздух после рекуператора 4 выводится наружу через отводящие патрубки 12. Вентиляторы рекуператора 4 на приток воздуха извне и из помещения начинают работать после получения сигнала от устройства управления и контроля 1 о выходе установки на стационарный режим. Таким образом, рекуператор 4 обеспечивает вентиляцию, постоянный приток свежего воздуха в помещение и предварительный его нагрев. Для обеспечения помещения горячей водой и теплом используют тепловой насос 2. Получив сигнал от устройства контроля и управления элементами установки 1, включается циркуляционный насос и начинается интенсивный отбор тепла. Воздух из внутреннего пространства помещения по
воздуховодам 13 поступает в испаритель теплового насоса 2. В испарителе теплового насоса низкопотенциальные тепло отдает свою энергию хладагенту, циркулирующему в тепловом насосе 2. Здесь хладагент находится в парообразном состоянии, с низким давлением и температурой. Парообразный хладагент всасывается компрессором, который повышает давление и температуру. Далее в конденсаторе горячий парообразный хладагент охлаждается и конденсируется, т.е. переходит в жидкую фазу. При этом тепло передается теплоносителю системы отопления. На выходе из конденсатора хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Затем хладагент в жидкой фазе при высокой температуре и давлении проходит через дроссельный клапан, где давление смеси резко уменьшается, часть жидкости при этом может испариться, переходя в парообразную фазу.
Таким образом, в испаритель попадает смесь пара и жидкости. Жидкость кипит в испарителе, отбирая тепло от окружающей среды (источника тепла), и вновь переходит в парообразное состояние. Этот пар выходит из испарителя и цикл возобновляется. Таким образом, тепловой насос 2 нагревает воду, циркулирующую по трубопроводам системы отопления 6. В случае выполнения теплового насоса с возможностью рекуперации, воздух забирается подводящими патрубками рекуператора и также направляется через отводящий патрубок в испаритель.
Тепловой насос 2, поддерживает необходимую температуру в трубопроводах системы отопления 6, нагревает теплоноситель, циркулирующий в трубопроводе, соединяющем тепловой насос и змеевиковый теплообменник 15 бака-аккумулятора. Змеевиковый теплообменник 15 передает тепло воде, поступающей в бойлер из трубопровода холодного водоснабжения 18. По мере необходимости горячая вода расходуется через трубопровод горячего водоснабжения 17. Бак-аккумулятор также снабжен датчиком температуры 10, регистрирующим температуру воды в баке-аккумуляторе. Управление установкой осуществляется автоматически устройством контроля и управления элементами установки 1, которое, выполняя функцию программатора, регистрирует показания датчиков температуры 10, расположенных на элементах системы, вне и внутри вентилируемого помещения, обрабатывает и анализирует их, действует в соответствии с заданной программой, вносит необходимые изменения в температурный режим, полностью контролируя процесс создания заданного микроклимата в помещении. Устройство 1, анализируя данные о температуре внутри помещения, включает или отключает дополнительные источники тепла, предусмотренные системой. Например, электрический догреватель 16 включается при падении температуры в трубопроводах горячего водоснабжения ниже определенного уровня, а выключается в
моменты значительного разбора горячей воды. В этот момент по сигналу от устройства управления и контроля включается тепловой насос для поддержания заданной температуры в баке-аккумуляторе и трубопроводах системы отопления. Таким образом, даже в холодное время года установка работает с минимальными энергозатратами.
В теплое время года
Воздух поступает в рекуператор 4 через подводящие патрубки 11, где, смешиваясь с воздухом помещения, охлаждается до более низкой температуры. Для дополнительного охлаждения воздуха в помещении устройство контроля и управления элементами системы 1 посылает сигнал на вентилятор фанкойла 7, который осуществляет дополнительную рециркуляцию и подачу в помещение смеси внутреннего с наружным воздуха. В теплое время года весьма эффективным для получения горячего водоснабжения является применение солнечных коллекторов 3. Солнечные коллекторы 3, соединенные посредством трубопроводов с змеевиковым теплообменником 14 бака-аккумулятора 5, образуют замкнутый контур, который заполнен жидким незамерзающим теплоносителем. Солнечные лучи, попадая на теплопоглощающий элемент 20, нагревают его и протекающий внутри жидкий теплоноситель. Далее нагретый теплоноситель поступает по трубопроводу в змеевиковый теплообменник 14 бака-аккумулятора 5 где отдает полученную от солнца тепловую энергию воде, накопленной в баке-аккумуляторе 5. Тепловая изоляция 21 коллектора предотвращает рассеивание тепла в окружающую среду. Герметизация всего коллектора в целом позволяет исключить попадание атмосферных осадков и проникновение пыли внутрь.
При прокачивании теплоносителя через змеевиковый теплообменник 14 с помощью циркуляционного насоса тепло передается воде, идущей на горячее водоснабжение по трубопроводу 17. Тепловой насос 2 в данном случае работает только для подогрева воды в баке-аккумуляторе 5, при этом сигнал о включении или отключении теплового насоса 2 или электрического догревателя 16 передается устройством контроля и управления элементами установки 1 по результатам анализа показаний датчиков температуры 10, сообщающих о реальном значении температуры в трубопроводах горячего водоснабжения 17, в помещении и снаружи помещения. Эффект от использования заявляемой установки достигается при определенном принципе использования конструктивных элементов, устройств и схем их соединения, включенных в установку - сначала используется самый дешевый источник тепла (воздух, Солнце) и только при необходимости подключаются более мощные и дорогие подсистемы.
В установке могут быть использованы тепловые насосы марки «Оптима» и «Европа» различной мощности, производителем которых является ООО Фирма «А-1»,
марки Greenline производства IVT. Кроме того, в установке может быть использован рекуператор фирмы DOSPEL, модель DAYTONA-250 или DAYTONA-350, и фанкойл фирмы CARRIER.