Патент на изобретение №2292000

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к устройствам для автономного теплохладоснабжения помещений в зданиях жилого, культурно-образовательного, торгово-административного и другого назначения, с использованием возобновляемых низкопотенциальных тепловых источников из окружающей среды (верхние, до глубины 100-200 м, слои грунта) и тепловых сбросов вентиляционного воздуха, утилизируемых после сбора тепла грунта и воздуха, с применением тепловых насосов. Технический результат: расширение технологических функций устройства за счет обеспечения возможностей корректировки температуры теплоносителя на выходе из СТО перед подачей его в тепловой насос во время отопительного сезона и воздействия на температурный режим скважин теплосбора в межотопительные периоды, с целью стабилизации КПТН и повышения его среднесезонной величины, с учетом разных геологических предпосылок для работы устройства (включая диапазон начальных температур верхних слоев грунта 5-8°С), а также обеспечение возможности использования потенциала охлажденных скважин на охлаждение помещений и получение таким образом, кроме расширенных технологических возможностей, дополнительного вклада в энергопотоки, поступающие потребителю, увеличивающего КИПЭ. Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей, содержащее подключенные к сети теплоснабжения помещений с трубопроводами подачи холодной и горячей воды, через водоаккумуляторы с пиковыми догревателями и конденсаторы основного и дополнительного тепловых насосоз, систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую основной контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через установленные в скважинах теплообменники и испаритель основного теплового насоса, а также систему сбора и утилизации тепла удаляемого из помещений вентиляционного воздуха, включающую дополнительный контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через водовоздушный теплообменник, подсоединенный воздушной стороной к калориферу и вентилятору подачи удаляемого воздуха, а водяной стороной к входу и выходу испарителя дополнительного теплового насоса, причем водяная сторона водовоздушного теплообменника подключена к входу и выходу испарителя дополнительного теплового насоса через перемычки и связана через другие перемычки с выходами теплообменников в скважинах, с возможностью передачи тепла, собираемого на воздушной стороне теплообменника, или на догрев низкопотенциального теплоносителя в основном циркуляционном контуре перед подачей теплоносителя в испаритель основного теплового насоса при отключенном через перемычки от водовоздушного теплообменника дополнительном тепловом насосе или на восстановление теплового режима охлажденных при сборе тепла грунта скважин при отключенных через перемычки от контуров циркуляции низкопотенциального теплоносителя основном и дополнительном тепловых насосах, при этом выходы и входы теплообменников в скважинах связаны с входом и выходом испарителя основного теплового насоса через перемычки, а водяная сторона водовоздушного теплообменника снабжена на выходе вилкой для разделения потока низкопотенциального теплоносителя на прямую и обратную, в теплообменник ветви, связанной с регулятором расходов теплоносителя в прямой и обратной ветви и установленным на выходе теплообменника, перед вилкой, датчиком температуры теплоносителя. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Область техники. Изобретение относится к системам автономного энергообеспечения помещений (отопление, горячее водоснабжение, получение холода) в зданиях жилого, культурно-образовательного, торгово-административного, промышленного и другого назначения, как в новом строительстве, так и в реконструируемом фонде, с использованием возобновляемых низкопотенциальных энергетических источников, в основном, природного происхождения (тепло верхних, до глубины 100-200 м, слоев грунта) или техногенного происхождения, например, тепловых сбросов вентиляции. При этом низкий тепловой потенциал источников доводят до более высокого температурного уровня, необходимого потребителю, путем утилизации извлекаемой низкопотенциальной тепловой энергии с термотрансформацией в тепловых насосах.

Уровень техники. Известно устройство для энергообеспечения помещений с использованием в качестве возобновляемого природного источника энергии низкопотенциального тепла верхних слоев Земли, с помощью грунтовых теплообменников в скважинах и тепловых насосов. Устройство применено в геолого-климатических условиях одного из центральных регионов России для теплоснабжения здания сельской школы /Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области. – АВОК, 2002, №5, с.22-24/. Устройство содержит подключенную к сети теплоснабжения помещений (отопительной сети), через водоаккумуляторы с пиковыми догревателями и конденсаторы тепловых насосов, систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую контур циркуляции незамерзающего низкопотенциального теплоносителя (вода с антифризными добавками этиленгликоля – тосол), проходящий через испарители тепловых насосов и установленные в скважинах теплообменники коаксиального типа (8 теплообменников типа “труба в трубе”). В межтрубном пространстве теплообменника происходит передача тепла от окружающего грунта теплоносителю, после чего подогретый теплоноситель подают через центральную трубу к испарителю теплового насоса.

При сборе (извлечении) тепла грунта с помощью скважинных теплообменников (СТО) происходит охлаждение скважин, накапливаемое за отопительный сезон, а следовательно, снижение температуры циркулирующего через СТО теплоносителя, что ведет в течение сезона и от сезона к сезону к уменьшению коэффициента преобразования теплового насоса (КПТН). КПТН определяется как отношение вырабатываемой тепловой мощности (сумма электрической мощности привода теплового насоса и тепловой мощности, извлекаемой из СТО) к электрической мощности теплового насоса.

Как следствие, это приводит к увеличению количества электроэнергии, потребляемой приводом, в результате чего происходит снижение текущего и среднесезонного коэффициентов использования первичной энергии (КИПЭ), т.е. использования топлива, расходуемого на производство электроэнергии на электростанции, что повышает расходы на эксплуатацию и стоимость тепловой энергии от грунтовых теплонасосных установок (ТНУ).

Недостатком известного устройства является то обстоятельство, что его конструкция не обеспечивает возможность подогрева остывающего теплоносителя перед подачей в тепловой насос в периоды работы отопительной сети, а также корректировку температурного режима охлажденных за отопительный сезон СТО. Последнее обстоятельство приводит к неполному естественному восстановлению температуры грунта в межотопительные периоды, уровень которого определяется интенсивностью и продолжительностью солнечного излучения, причем эти характеристики могут меняться из года в год, а дефицит температуры грунта относительно начальной его величины – накапливаться с каждым отопительным сезоном. Тем более это проявляется в многоскважинной системе сбора тепла грунта, примененной в устройстве, поскольку уровень охлаждения скважин при извлечении тепла грунтовыми теплообменниками усиливается за счет теплового взаимовлияния скважин.

Из-за невозможности корректировок и стабилизации температуры остывающего теплоносителя величина КПТН для известного устройства в течение нескольких отопительных сезонов составила средневзвешенную величину около 2,5 единиц (исходя из 3,23 в первый месяц отопительного сезона и далее 2,16 – до окончания сезона /Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области. – АВОК, 2002, №5, с.22-24/). Как следует из известных рекомендаций, например /Калнинь И.М., Савицкий И.К. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра. Холодильная техника, 2000, №10, с.2-6/, эта величина соответствует нижнему пределу экономически приемлемых показателей для геотермальной установки с электрическим тепловым насосом, определяющих ее конкурентоспособность по отношению к традиционным котельным. К тому же остается не востребованным потенциал охлажденных скважин, который можно было бы экономически выгодно применить на охлаждение помещений в летний период, сочетая возможность охлаждения с дополнительным восстановлением теплового режима скважин и увеличивая таким образом КИПЭ за счет полезных температурных корректировок и дополнительных энергопотоков к потребителю.

Известно другое устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей в виде утилизируемого, с помощью тепловых насосов, тепла приточной и вытяжной вентиляции /Гершкович В.Ф. Опыт применения в Киеве теплового насоса “воздух-вода” для отопления офисного здания. – Новости теплоснабжения. 2001, №11, с.38-41/. Устройство, предназначенное для отопления помещений и оказания дополнительных услуг в виде холодоснабжения в летний период, содержит подключенные к сети теплоснабжения (к отопительной сети), через водоаккумуляторы и конденсатор теплового насоса типа “воздух-вода” (кондиционер с контуром циркуляции тосола), систему сбора и утилизации тепла вентиляционного воздуха, подаваемого в помещения и удаляемого из помещений. Система включает основной (приточная линия) и дополнительный (вытяжная линия) контура циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящие через испаритель теплового насоса и водовоздушный теплообменник (типа “жидкость-воздух”), подсоединенный воздушной стороной к вентилятору подачи воздуха, снабженному калорифером в составе кондиционера, и водяной стороной – к входу и выходу испарителя теплового насоса. В данном случае калорифер в составе кондиционера служит для пикового догрева при температурах наружного воздуха ниже -15°С.

Недостатки этого устройства заключаются в том, что эффективное применение наружного (атмосферного) воздуха в качестве источника низкопотенциального тепла ограничено, во-первых, указанным пределом наружных температур, который, применительно к другим климатическим условиям, например, в центральных регионах России, существенно далек от расчетной температуры для отопительных сетей. Это обстоятельство приведет к возрастанию доли пикового догрева до экономически неприемлемых значений. К тому же воздух приточной и вытяжной вентиляции из-за более низкого удельного теплосодержания, в сравнении с жидкими теплоносителями, требует значительных объемов его подачи, что связано с установкой вентиляционного оборудования большой мощности. Хотя устройство и обеспечивает дополнительные услуги за счет возможности использования теплового насоса в режиме холодильной машины, однако для использования устройства, кроме отопления, на горячее водоснабжение (ГВС) потребуются увеличение объемов воздуха и значительные дополнительные затраты, связанные со стоимостью вентиляторов и потребляемых ими энергоносителей. К тому же, как отмечено в приведенном источнике информации, достигаемый уровень КПТН в данном устройстве при максимально возможной отопительной мощности составляет около 2,4 единицы, т.е. находится даже чуть ниже порога экономически конкурентной величины для электроприводных тепловых насосов.

Известно наиболее близкое к предлагаемому изобретению устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей, в котором совмещено использование двух источников низкопотенциальной тепловой энергии: тепла верхних слоев грунта и тепла удаляемого вентиляционного воздуха. Устройство применено в геолого-климатических условиях одного из центральных регионов России, для ГВС многоэтажного жилого дома на окраине Москвы /Васильев Г.П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2. – АВОК, 2002, №4, с.10-18/.

Устройство содержит подключенные к сети теплоснабжения помещений (сеть ГВС с трубопроводами подачи холодной и горячей воды), через водоаккумуляторы с пиковыми догревателями и конденсаторы основного и дополнительного тепловых насосов, систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую основной контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через установленные в скважинах теплообменники и испаритель основного теплового насоса, а также систему сбора и утилизации тепла удаляемого из помещений вентиляционного воздуха, включающую дополнительный контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через водовоздушный теплообменник, подсоединенный воздушной стороной к калориферу и вентилятору подачи удаляемого из помещений воздуха, а водяной стороной – к входу и выходу испарителя дополнительного теплового насоса. Обеспечивая попеременную или совместную загрузки основного и дополнительного тепловых насосов за счет возможности подачи в них двух потоков тосола, один из которых подогревается теплом грунта, другой – теплом удаляемого вентиляционного воздуха, устройство позволяет осуществлять круглый год подогрев воды в сети ГВС. При этом за счет переключения одного потока на другой имеется возможность отключения грунтового циркуляционного контура в летний период для обеспечения естественного восстановления теплового режима скважин путем солнечной инсоляции.

Поскольку это восстановление по причинам, указанным выше, происходит не полностью и дефицит температуры грунта относительно исходной температуры накапливается от одного отопительного сезона к другому, известное устройство, эффективное для такого вида теплообеспечения, как ГВС, когда имеются технологические перерывы в отборе горячей воды из водоаккумуляторов в течение суток, нельзя применить в комплексе с непрерывным технологическим процессом, например, для одновременного отопления помещений с использованием тепла грунта. Достигнутые с помощью устройства показатели КПТН (среднегодовая величина – около 3,5 единиц; с учетом потребления электроэнергии циркуляционными насосами – 2,1) либо из-за необходимости повышения объемов перекачки вентиляционного воздуха и связанных с этим затрат, либо значительной доли пикового догрева, окажутся при отоплении ниже экономически приемлемых значений, что является основным недостатком устройства. Как и в рассмотренном первом аналоге, в устройстве не предусмотрена возможность воздействия с помощью технических средств на температуру подаваемого от СТО в тепловые насосы теплоносителя и на восстановление температурного режима скважин. Перечисленные недостатки, а также то обстоятельство, что конструкция устройства (выбранного за прототип) не позволяет применить разные источники низкопотенциального тепла для комплексного энергообеспечения помещений (отопление, ГВС, охлаждение), в т.ч. с использованием потенциала охлажденных скважин в летнее время, отрицательным образом влияют на среднегодовые величины КПТН и КИПЭ.

Таким образом, одной из задач, которая решается в предлагаемом изобретении, является расширение технологических функций устройства за счет обеспечения возможностей корректировки температуры теплоносителя на выходе из СТО перед подачей его в тепловой насос во время отопительного сезона и воздействия на температурный режим скважин теплосбора в межотопительные периоды, с целью стабилизации КПТН и повышения его среднесезонной величины, с учетом разных геологических предпосылок для работы устройства (включая диапазон начальных температур верхних слоев грунта: 5-8°С).

Вторая задача: в комплексе с “искусственным” восстановлением температурного режима скважин обеспечить возможность использования потенциала охлажденных скважин на охлаждение помещений и получить таким образом, кроме расширенных технологических возможностей, дополнительный вклад в энергопотоки, поступающие потребителю, увеличивающий КИПЭ.

Решение первой задачи позволит при температурах грунта, характерных для центральных регионов России (5-8°С), и невысоких значениях к.п.д. производства электроэнергии (принято 0,3 единицы), получить среднесезонную величину КПТН не менее 3,0-3,5 единиц и уровни КИПЭ, близкие или превышающие 1,0 единицу (КИПЭ определяется произведением к.п.д. электростанции на достигнутую величину КПТН).

Решение второй задачи позволит, кроме расширения услуг потребителю за счет комплексного энергообеспечения помещений (отопление, ГВС, охлаждение), получить при использовании потенциала охлажденных скважин в межотопительные периоды возможность дополнительного увеличения КПТН и КИПЭ, не менее 10-20%.

Раскрытие изобретения. С целью решения поставленных задач и ликвидации недостатков известных устройств в устройстве для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей, содержащем подключенные к сети теплоснабжения помещений с трубопроводами подачи холодной и горячей воды, через водоаккумуляторы с пиковыми догревателями и конденсаторы основного и дополнительного тепловых насосов, систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую основной контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через установленные в скважинах теплообменники и испаритель основного теплового насоса, а также систему сбора и утилизации тепла удаляемого из помещений вентиляционного воздуха, включающую дополнительный контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через водовоздушный теплообменник, подсоединенный воздушной стороной к калориферу и вентилятору подачи удаляемого воздуха, а водяной стороной к входу и выходу испарителя дополнительного теплового насоса, согласно изобретению водяная сторона водовоздушного теплообменника подключена к входу и выходу испарителя дополнительного теплового насоса через перемычки и связана через другие перемычки с выходами теплообменников в скважинах, с возможностью передачи тепла, собираемого на воздушной стороне теплообменника, или на догрев низкопотенциального теплоносителя в основном циркуляционном контуре перед подачей теплоносителя в испаритель основного теплового насоса при отключенном через перемычки от водовоздушного теплообменника дополнительном тепловом насосе или на восстановление теплового режима охлажденных при сборе тепла грунта скважин при отключенных через перемычки от контуров циркуляции низкопотенциального теплоносителя основном и дополнительном тепловых насосах, при этом выходы и входы теплообменников в скважинах связаны с входом и выходом испарителя основного теплового насоса через перемычки, а водяная сторона водовоздушного теплообменника снабжена на выходе вилкой для разделения потока низкопотенциального теплоносителя на прямую и обратную, в теплообменник, ветви, связанной с регулятором расходов теплоносителя в прямой и обратной ветви и установленным на выходе теплообменника, перед вилкой, датчиком температуры теплоносителя.

Дополнительным отличием устройства является то, что оно снабжено системой водяного, воздушного или смешанного охлаждения помещений, включающей установленные один или несколько контуров циркуляции охлаждающего энергоносителя, каждый из которых снабжен охлаждающим коллектором в виде смонтированных в ограждающих элементах помещения труб, включая один из контуров, выполненных с возможностью подключения через перемычку к трубопроводу подачи холодной воды, или в виде смонтированного дополнительного водовоздушного теплообменника, подсоединенного воздушной стороной к установленному вентилятору подачи воздуха в дополнительный теплообменник, при этом, по крайней мере, один из контуров циркуляции охлаждающего энергоносителя подключен трубами или другой стороной дополнительного теплообменника к выходам и входам теплообменников в скважинах через перемычки, с возможностью подачи низкопотенциального теплоносителя к одному или нескольким охлаждающим коллекторам при отключенном через перемычки от основного контура циркуляции низкопотенциального теплоносителя основном тепловом насосе и подключенном через перемычки к дополнительному контуру циркуляции низкопотенциального теплоносителя дополнительном тепловом насосе.

Еще одним дополнительным отличием устройства является то, что оно снабжено дополнительным контуром циркуляции охлаждающего энергоносителя, подключенным через перемычки к входу и выходу конденсатора основного теплового насоса и связанным, через установленную на выходе из конденсатора холодильную емкость, с одной из сторон смонтированного водо-водяного теплообменника, другая сторона которого подключена через перемычки к выходам и входам теплообменников в скважинах, с возможностью получения холодильной мощности в реверсивном режиме включения основного теплового насоса, испаритель которого подключен при этом через дополнительные перемычки к установленному совместно с системой воздушного охлаждения помещений еще одному дополнительному контуру циркуляции охлаждающего энергоносителя, связанному через перемычку с трубопроводом подачи холодной воды, или к контуру циркуляции охлаждающего энергоносителя с трубопроводом подачи холодной воды в составе системы водяного или смешанного охлаждения помещений.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, в режиме подключения его элементов для осуществления функций теплообеспечения помещений, т.е. отопления и ГВС.

На фиг.2 представлен фрагмент предлагаемого устройства, в режиме подключения его элементов для осуществления в межотопительные периоды ГВС, а также охлаждения помещений летом за счет прямого использования потенциала охлажденных в отопительный период скважин.

На фиг.3 представлен другой фрагмент предлагаемого устройства, в режиме подключения его элементов для осуществления в межотопительные периоды ГВС, а также создания более высокой ступени охлаждения за счет использования холода из скважин с применением теплового насоса в режиме холодильной машины.

На фиг.4 для иллюстрации преимуществ предлагаемого изобретения по величинам достигаемых КПТН и КИПЭ приведены диаграммы энергопотоков в предлагаемом устройстве в сравнении с диаграммой для одного из аналогов устройства.

Осуществление изобретения. Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей содержит подключенную к сети теплоснабжения (на фиг.1 сеть теплоснабжения изображена условно в виде трубопровода 1 подачи холодной воды, прямого и обратного трубопроводов 2, 3 горячей воды в подсистеме отопления, трубопровода 4 горячей воды в подсистеме ГВС) через водоаккумуляторы 5, 6 с пиковыми электродогревателями 7, 8 (возможны варианты пиковых догревателей на твердом, жидком или газообразном топливе) и конденсаторы 9, 10 основного 11 и дополнительного 12 тепловых насосов, систему сбора и утилизации тепла грунта. Система включает в себя основной замкнутый контур 13 циркуляции незамерзающего низкопотенциального теплоносителя (например, тосол), проходящий через установленные в скважинах теплообменники 14 в виде, например, U-образных полиэтиленовых трубок (на фиг.1 скважины условно не показаны, возможно также применение теплообменников коаксиального типа) и через испаритель 15 основного теплового насоса 11. Параметры многоскважинной системы из теплообменников 14 выбирают в соответствии с заданной теплопотребностью объекта теплоснабжения. При этом, в сравнении с известными устройствами, за счет обеспечиваемых корректировок температуры теплоносителя перед подачей в тепловой насос 11 и дополнительного восстановления теплового режима скважин в межотопительные периоды, имеется возможность уменьшения длины или количества СТО при проектировании устройства на одинаковую теплопотребность (примерно на 20-40%, исходя из рационального соотношения затрат на строительство и величины КПТН в заданном диапазоне: от 3,0 до 3,5 единиц). Учитывают также возможность уменьшения, по тем же причинам, расстояний между СТО и общей площади под застройку подземного контура, что тоже снижает затраты на строительство.

Устройство также содержит подключенную к сети теплоснабжения помещений через водоаккумуляторы 5, 6 с пиковыми электродогревателями 7, 8 и конденсаторы 9, 10 тепловых насосов 11, 12 систему сбора и утилизации тепла, содержащегося в удаляемом из помещений вентиляционном воздухе. Система включает в себя дополнительный контур 16 циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через водовоздушный теплообменник 17, подсоединенный воздушной стороной к калориферу 18 и вентилятору 19 подачи удаляемого воздуха, а водяной стороной – к входу и выходу испарителя 20 теплового насоса 12 через перемычки 21 и 22, а также к выходам теплообменников 14 через перемычки 23 и 24. При этом выходы и входы теплообменников 14 связаны с входом и выходом испарителя 15 теплового насоса 11 через перемычки 25, 38, 39 и 26. Водяная сторона теплообменника 17 снабжена на выходе вилкой 27 (на фиг.1 условно показана точкой) для разделения поступающего из теплообменника потока теплоносителя на прямую 28 и обратную 29 ветви. Вилка 27 связана с регулятором 30 расхода потоков в прямой и обратной ветви и с установленным на выходе теплообменника 17, перед вилкой, датчиком 31 температуры теплоносителя.

Оба тепловых насоса парокомпрессионного типа с электроприводом компрессора (направление компрессии паров хладагента показано на условных изображениях тепловых насосов, на фиг.1, вершиной треугольника). По крайней мере, один из тепловых насосов (основной тепловой насос 11) имеет реверсное исполнение, то есть возможность переключения в режим холодильной машины (смена направления компрессии при этом условно показана на фиг.3 противоположным направлением вершины треугольника).

Устройство снабжено также перемычками 32, 33, 34 (фиг.1) для разделение потока холодной воды; перемычками 35, 36, 37 на трубопроводах подачи горячей воды, перемычками 40, 41, 42 для подключения через контур 13 к выходам и входам теплообменников 14 системы воздушного охлаждения помещений (фиг.2). Имеются также перемычки 43 и 44 для подключения дополнительного контура 45 циркуляции тосола к входу и выходу конденсатора 9 теплового насоса 11 (фиг.3), перемычки 46 и 47 для подключения к входу и выходу испарителя 15 теплового насоса 11 еще одного дополнительного контура 48 циркуляции охлаждающего энергоносителя (тосола от СТО или холодной воды). Контур 48 может быть выполнен автономно (для реконструируемого фонда) или в виде запроектированного (при новом строительстве) одного из дополнительных контуров в составе системы водяного или смешанного охлаждения помещений, с охлаждающим коллектором в виде труб, смонтированных в ограждающих элементах помещения, например, в потолочном перекрытии или стеновых панелях. На фиг.3 показано на примере подключения контура 48 со змеевиком 49 из трубок, проложенных в потолочном перекрытии, с возможностью подпитки холодной водой через трубопровод 50 (фиг.1) и перемычку 51 (фиг.3).

Система воздушного охлаждения помещений (фиг.2) включает в себя контур циркуляции охлаждающего энергоносителя (тосола от СТО), состоящий из трубопроводов 52 и 53, снабженный охлаждающим коллектором в виде смонтированного дополнительного водо-воздушного теплообменника 54, подсоединенного воздушной стороной к вентилятору 55 подачи в теплообменник 54 воздуха на охлаждение. При этом другой стороной теплообменник 54 с помощью перемычек 41 и 42 и трубопроводов 52 и 53 подключен к выходам и входам теплообменников 14 (фиг.2, на фиг.1 и 3 система воздушного охлаждения условно не показана).

Вместо системы воздушного типа возможны другие исполнения системы охлаждения, например, водяная или смешанная система охлаждения. Для создания водяной системы охлаждения контур 48 (фиг.3) своим входом 56 и выходом 57 связывают через контур 13, минуя испаритель 15, с выходами и входами теплообменников 14 для подачи охлажденного тосола в змеевик 49 (на фиг. это подключение условно не показано).

Смешанная система охлаждения предпочтительнее, поскольку параллельно с воздушным охлаждением (фиг.2) контур 48 путем подсоединения через перемычку 34, трубопровод 50 (фиг.1) и перемычку 51 (фиг.3) к трубопроводу 1 подачи холодной воды и подключения через перемычки 38 и 39 к входу и выходу испарителя 15 теплового насоса 11, используют для создания более высокой ступени охлаждения, с циркуляцией через испаритель 15 холодной воды. Для обеспечения такой ступени к тепловому насосу 11 также подключают через перемычки 43 и 44 к входу и выходу конденсатора 9 дополнительный контур 45 циркуляции хладоносителя (тосола). Контур 45 снабжен водо-водяным теплообменником 58 со смонтированной на одной стороне теплообменника холодильной емкостью 59, предназначенной, например, для хранения продуктов. При этом другая сторона теплообменника 58 подключена через перемычки 40, 47 и 46 к выходам и входам скважинных теплообменников 14 с возможностью создания дополнительного контура 60 циркуляции тосола от теплообменников 14 через теплообменник 56 (фиг.3).

Для осуществления циркуляции энергоносителей в устройстве используются циркуляционные насосы 61, 62, 63, 64 (циркуляционные насосы в сетях отопления и ГВС условно не показаны).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В начале отопительного сезона с помощью циркуляционных насосов 61 и 62 (фиг.1) запускают в работу контуры 13 и 16 циркуляции низкопотенциального теплоносителя (тосола). Для этого, перекрывая перемычки 23, 24, 40, 41, 42, 46, 47 и подключая перемычки 25, 38, 39, 26, теплоноситель насосом 61 подают на вход испарителя 15 теплового насоса 11, далее через испаритель на входы скважинных теплообменников 14 и снова возвращают через выходы СТО на вход испарителя 15, обеспечивая циркуляцию в замкнутом контуре 13. Циркуляционным насосом 62, при открытых перемычках 21 и 22, осуществляют подачу тосола через теплообменник 17 на вход испарителя 20 теплового насоса 12, через испаритель и далее, обеспечивая циркуляцию тосола в замкнутом контуре 16. Одновременно включают вентилятор 19 и удаляемый с помощью его из помещений воздух подают через калорифер 18 (включаемый при необходимости догрева воздуха) к воздушной стороне теплообменника 17, на выходе которого воздух направляют в охлаждаемые зоны (на фиг.2 показано стрелками слева).

При циркуляции низкопотенциального теплоносителя в контуре 13 теплоноситель проходит через теплообменники 14 в скважинах, что сопровождается отбором тепла из окружающего грунта через стенки трубок теплообменников. Нагретый таким образом теплоноситель подают в испаритель 15 теплового насоса 11, где происходит утилизация тепла (теплосъем) за счет взаимодействия теплоносителя с циркулирующим в контуре теплового насоса низкокипящим хладагентом, с испарением и образованием паров. Термотрансформация переданного тепла до более высокого температурного уровня происходит путем сжатия паров компрессором, в результате чего они нагреваются и передают тепло через конденсатор 9 подогреваемой воде (на работу компрессора затрачивают электроэнергию). Воду, подаваемую в конденсатор 9 через обратный трубопровод 3 от отопительных приборов (радиаторов), установленных в помещениях, нагревают с помощью теплового насоса 11 до некоторой температуры, определяемой условиями экономичной работы теплового насоса (рекомендуемый максимум для грунтовых ТНУ составляет 55°С, что соответствует, например, расчетной температуре для ГВС).

Для пикового догрева отопительной воды в самые холодные сутки (до расчетной температуры в прямом трубопроводе 70°С, фиг.1) используют догреватель 7, например, в виде ТЭНа, размещенного в водоаккумуляторе 5.

Аналогичным образом осуществляют подогрев воды для ГВС, подаваемой по трубопроводу 4, проложенному через конденсатор 10 теплового насоса 12 и водоаккумулятор 6. При этом низкопотенциальный теплоноситель, циркулирующий в контуре 16, перед подачей циркуляционным насосом 62 в испаритель 20 подогревают за счет прохождения через одну из сторон теплообменника 17 путем передачи тепла, собираемого на воздушной стороне этого теплообменника. Поскольку температура удаляемого из помещений вентиляционного воздуха, перед подачей его вентилятором 19 в теплообменник 17, всегда положительна, стабильный температурный режим работы теплового насоса 12 в сети ГВС поддерживают круглый год, используя при необходимости в качестве пикового догревателя в системе сбора и утилизации тепла воздуха калорифер 18, а для воды, поступающей из водоаккумулятора 6, установленный в нем электродогреватель 8 (для приготовления воды с температурой 50-55°С обходятся, как правило, тепловым насосом без пикового догревателя, служащего в качестве резервной мощности). При этом, в отличие от теплового насоса 11, работающего на отопление, тепловой насос 12 сети ГВС периодически выключают в соответствии с циклограммой загрузки водоаккумулятора 6, которую задают согласно периодам разбора горячей воды потребителями. Предпочтение отдают работе теплового насоса и загрузке водоаккумуляторов в ночное время, при сниженном, как правило, тарифе на электроэнергию в это время суток, руководствуясь фактором снижения затрат на энергоносители.

Указанные технологические перерывы используют в предлагаемом устройстве для переключения системы сбора и утилизации тепла удаляемого воздуха на функцию подогрева и стабилизации температуры низкопотенциального теплоносителя в контуре 13 системы сбора и утилизации тепла грунта, перед подачей теплоносителя в тепловой насос 11. Это необходимо, чтобы компенсировать, хотя бы частично, не прерывая процесс отопления, снижение температуры теплоносителя вследствие охлаждения скважин при сборе тепла грунта в отопительный сезон. При этом принимают во внимание рекомендуемую температуру теплоносителя для подачи в испаритель, которая в течение отопительного сезона и проектного срока службы грунтовой ТНУ (не менее 15-20 лет) не должна опускаться ниже -5°С. Эту систему при перерывах в ГВС также подключают, чтобы внести полезную корректировку в температурный режим скважин в межотопительные периоды, когда тепловой насос 11 не задействован на отопление.

С этой целью при выключенных циркуляционном насосе 62 и тепловом насосе 12, перекрывая перемычки 21, 22, 25 и подключая перемычки 23, 24, тосол циркуляционным насосом 61 подают после испарителя 15 через скважинные теплообменники 14 к теплообменнику 17. Одновременно подключают температурный датчик 31 на выходе из теплообменника 17, настраиваемый перед работой в этот период на некоторую положительную температуру теплоносителя, например, 2-3°С. Контролируют датчиком температуру теплоносителя и, если она соответствует или выше заданной величины, подают полный поток теплоносителя через вилку 27 и перемычку 24 к испарителю 15 теплового насоса 11. Если контролируемая температура снижается за допускаемую величину, от датчика 31 включают вентилятор 19 и калорифер 18. Чтобы избежать обмерзания калорифера вследствие контакта воздушной стороны теплообменника 17 с другой его стороной, где циркулирующий тосол может иметь температуру около 0°С и ниже, запускают в работу регулятор 30, с помощью которого поток из теплообменника 17 после прохождения через вилку 27 разделяют на прямую ветвь 28 (далее через перемычку 24) и обратную ветвь 29 (далее к теплообменнику 17). При периодической (неоднократной) циркуляции теплоносителя через теплообменник 17 регулятор 30 используют для изменения соотношения расходов прямого и обратного потоков таким образом, чтобы теплоноситель, подаваемый от теплообменников 14, постепенно, от цикла к циклу подачи через обратную ветвь 29, подогреть до нормативной величины, контролируемой датчиком 31. После этого снова весь поток теплоносителя подают через прямую ветвь 28. Число циклов регулирования ограничивают в соответствии с заданными технологическими включениями в работу теплового насоса 12 сети ГВС, когда систему сбора и утилизации тепла удаляемого воздуха необходимо снова переключить на испаритель 20.

После окончания отопительного сезона рассмотренный метод повышения и стабилизации температуры низкопотенциального теплоносителя используют для корректировки температурного режима скважин в межотопительные периоды. Для этого в промежутки времени, определяемые технологическими перерывами в приготовлении воды для ГВС летом, низкопотенциальный теплоноситель (тосол), перекрывая перемычки 38, 39 и подключая перемычку 40, подают циркуляционным насосом 61, минуя тепловой насос 11, и далее через скважинные теплообменники 14 к теплообменнику 17 для подогрева теплоносителя теплом удаляемого из помещений, с помощью вентилятора 19, воздуха. При этом узел регулирования (позиции 29-31) подключают только при необходимости использования калорифера 18, определяемой сигналом температурного датчика 31.

Для поддержания микроклимата в помещениях в летнее время устройство может быть применено путем использования потенциала охлажденных в течение отопительного периода скважин, либо на прямое охлаждение помещений от скважин с подключением системы воздушного охлаждения (фиг.2), либо на создание более высокой ступени охлаждения с использованием холода от скважин через тепловой насос 11, который переключают в режим холодильной машины (фиг.3).

В первом случае, перекрывая перемычки 23, 24, 46, 47 и подключая перемычки 41 и 42 (фиг.1), хладоноситель (охлажденный тосол) после прохождения через скважинные теплообменники 14 и открытую перемычку 25 подают циркуляционным насосом 61, минуя тепловой насос 11, через перемычку 41, к охлаждающему коллектору, т.е. к водо-воздушному теплообменнику 54 (фиг.2), воздушную сторону которого подключают к работающему вентилятору 55, входящему, например, в качестве одного из узлов в состав кондиционера. Вариант с кондиционером предпочтительнее, поскольку в кондиционере уже предусмотрено устранение возможных отрицательных эффектов, связанных с контактом воздушной стороны теплообменника с жидким хладоносителем, проходящим через другую сторону теплообменника и имеющим температуру около 0°С и ниже. При обдуве вентилятором 55 одной стороны теплообменника 54 за счет контакта с другой стороной, через которую подают охлажденный за отопительный сезон тосол из теплообменников 14, происходит охлаждение воздуха, после чего воздух из теплообменника 54 направляют в охлаждаемые зоны помещений (на фиг.2 условно показано стрелками). Из теплообменника 54 тосол возвращают снова на входы теплообменников 14 через перемычку 42, при перекрытых перемычках 26 и 46. При этом обеспечивают невысокую ступень охлаждения, с температурой воздуха, подаваемого в помещения, 14-18°С.

В случае использования водяной системы охлаждения, которая может применяться автономно или параллельно с воздушной системой охлаждения, циркуляционный контур 48 подключают входом 56 и выходом 57 (фиг.3) к выходам и входам скважинных теплообменников 14 (на фиг. условно не показано). Охлаждение помещений производят через потолочное перекрытие, в котором расположен змеевик 49, путем подачи на вход 56 и далее в змеевик циркуляционным насосом 61 тосола из теплообменников 14 (при этом перемычка 51 на холодную воду перекрыта, фиг.3). Возможно также исполнение водяной системы охлаждения с подачей тосола из теплообменников 14 непосредственно в отопительные приборы (радиаторы), которые ранее использовались для отопления помещений.

Таким образом в контур 48 для прямого охлаждения от скважин подают тосол, а при необходимости создания более высокой ступени охлаждения переключают контур 48 на подачу холодной воды, подключая при этом контур 13 на подачу тосола в теплообменник 58 (фиг.3). Вместо холодильной емкости 59, служащей аккумулятором холода, теплообменник 58 может комплектоваться узлом воздушного охлаждения с присоединением, аналогично схеме на фиг.2, вентилятора 55. Таким образом обеспечивают более высокую ступень воздушного охлаждения, необходимую, например, для охлаждения помещений при максимальных летних температурах наружного воздуха. Однако в первую очередь используют прямое охлаждение от скважин, как это показано на фиг.2, поскольку в этом случае эксплуатационные расходы на охлаждение минимальны (ограничиваются расходами на циркуляцию).

Предлагаемое устройство, снабженное техническими средствами для обеспечения корректировки температур выходящего из СТО низкопотенциального теплоносителя, с подогревом и температурной стабилизацией теплоносителя перед подачей в испаритель теплового насоса отопительной сети, а также для корректировки температурного режима скважин в межотопительные периоды, позволит существенным образом увеличить среднесезонную величину КПТН.

Проведенные расчеты технико-экономических показателей /Калинин М.И., Хахаев Б.Н., Баранов А.В. Геотермальное теплоснабжение центральных регионов России с использованием мелких и глубоких скважин. Электрика, 2004, №4, с.8-13/ показали, что усовершенствование грунтовых ТНУ, согласно п.1 нижеприведенной формулы изобретения, даже при невысокой начальной температуре верхних, до глубины 100 м, слоев грунта (например, по Ярославской области среднее значение не более 6-8°С), позволит получить, применительно к водяной сети отопления с температурным режимом 70/50°С (фиг.1), при одинаковой длине и количестве СТО, среднесезонную величину КПТН на уровне 3,3 единицы (соответствующая диаграмма энергопотоков на фиг.4, справа). Эта величина в 1,3 раза больше достигнутого ранее среднесезонного показателя при отоплении от грунтовой ТНУ помещений школы, в одинаковых геолого-климатических условиях – 2,5 единицы /Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области. – АВОК, 2002, №5, с.22-24/, которому соответствует другая диаграмма энергопотоков (фиг.4, вверху). При этом КИПЭ для усовершенствованного проекта составит около 1,0 единицы, что превышает к.п.д. традиционных котельных и сравниваемый показатель для действующей грунтовой ТНУ (КИПЭ = 0,75, фиг.4, вверху).

Для оценки КПТН и КИПЭ были применены следующие формулы:

(для всех установок, использующих тепло грунта),

(для установок без выработки холода),

(для установок с выработкой холода),

где П_Э – вклад электрической мощности привода теплового насоса в энергопотоки, в % (принят в соответствии с потерями при транспортировке топлива на электростанцию, производстве и передаче электрической энергии);

П_Г – вклад извлекаемой из грунта тепловой мощности, в %;

П_Х – вклад прямого охлаждения от СТО летом, в %.

При этом первичную энергию от расходуемого топлива на производство электроэнергии для теплового насоса принимают за 100%.

Из диаграммы 4 видно, что исполнение устройства согласно п.2 формулы изобретения, кроме значительного расширения технологических возможностей (отопление, ГВС круглый год, две ступени охлаждения в летний период), позволит к тому же внести дополнительный вклад в энергопотоки, поступающие потребителю. При этом за счет прямого охлаждения от скважин с одновременным сбросом в них тепла из помещений через теплообменник 54 по схеме на фиг.2 КПТН возрастет до 3,7 единиц (диаграмма энергопотоков, фиг.4, внизу), поскольку в этом случае низкопотенциальный теплоноситель дополнительно подогревается в теплообменнике воздухом, подаваемым вентилятором 55 через теплообменник.

Сравнение диаграмм на фиг.4 показывает, что доля П_Г, приходящаяся на единицу приводной электроэнергии для теплового насоса, возрастает в соответствии с увеличением КПТН. Изменение соотношения между П_Э и П_Г означает, что реализуемое за счет применения изобретения повышение на 5-10°С и стабилизация среднесезонной температуры теплоносителя перед подачей в тепловой насос приведут к тому, что на каждые 10 кВт теплопроизводительности теплового насоса 7,3 кВт будут обеспечены за счет извлекаемой тепловой мощности грунта и лишь 2,7 кВт – за счет электрической мощности привода теплового насоса (фиг.4, внизу), тогда как для выбранного аналога: от тепловой мощности грунта – 6 кВт, от электропривода – 4 кВт (фиг.4, вверху). На практике это приведет к снижению расходов на энергоносители в 1,5 раза.

Следовательно, общее увеличение КИПЭ, согласно диаграмме на фиг.4, внизу, составит при использовании прямого охлаждения от скважин не менее 85% (положительный эффект от использования охлаждения с помощью теплового насоса в режиме холодильной машины здесь не учитывали). Соответственно снизится стоимость вырабатываемой тепловой энергии и улучшатся ресурсосберегающие и экологические (снижение выбросов CO₂ и других вредных выбросов) показатели по сравнению с известными аналогами ТНУ, применяемыми для энергообеспечения помещений с использованием тепла грунта и сбросного тепла воздуха.

Преимущества изобретения здесь рассмотрены на примере сравнительно низкого к.п.д. производства электроэнергии (0,3), потребляемой тепловыми насосами, и при отопительном режиме с температурой воды в прямом и обратном трубопроводах 70 и 50°С соответственно. Очевидно, в случае использования топлива на электростанции с повышенным к.п.д., а также теплоснабжения помещений на базе отопительных сетей с низкотемпературными режимами (45/35°С и ниже, реализуемыми в напольных вариантах отопления или капиллярных сетях, проложенных в стеновых панелях, и др.) КПТН с применением предлагаемого изобретения имеет перспективу увеличения до 4,0-4,5 единиц, а КИПЭ – до 1,5 единиц и более. Это примерно в 2 раза выше показателей, достигнутых к настоящему времени на грунтовых ТНУ при одинаковых геолого-климатических предпосылках.

Формула изобретения

1. Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей, содержащее подключенные к сети теплоснабжения помещений с трубопроводами подачи холодной и горячей воды через водоаккумуляторы с пиковыми догревателями и конденсаторы основного и дополнительного тепловых насосов систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую основной контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через установленные в скважинах теплообменники и испаритель основного теплового насоса, а также систему сбора и утилизации тепла удаляемого из помещений вентиляционного воздуха, включающую дополнительный контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через водовоздушный теплообменник, подсоединенный воздушной стороной к калориферу и вентилятору подачи удаляемого воздуха, а водяной стороной – к входу и выходу испарителя дополнительного теплового насоса, отличающееся тем, что водяная сторона водовоздушного теплообменника подключена к входу и выходу испарителя дополнительного теплового насоса через перемычки и связана через другие перемычки с выходами теплообменников в скважинах с возможностью передачи тепла, собираемого на воздушной стороне теплообменника, или на догрев низкопотенциального теплоносителя в основном циркуляционном контуре перед подачей теплоносителя в испаритель основного теплового насоса при отключенном через перемычки от водовоздушного теплообменника дополнительном тепловом насосе, или на восстановление теплового режима охлажденных при сборе тепла грунта скважин при отключенных через перемычки от контуров циркуляции низкопотенциального теплоносителя основном и дополнительном тепловых насосах, при этом выходы и входы теплообменников в скважинах связаны с входом и выходом испарителя основного теплового насоса через перемычки, а водяная сторона водовоздушного теплообменника снабжена на выходе вилкой для разделения потока низкопотенциального теплоносителя на прямую и обратную в теплообменник ветви, связанной с регулятором расходов теплоносителя в прямой и обратной ветвях и установленным на выходе теплообменника перед вилкой датчиком температуры теплоносителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено системой водяного, воздушного или смешанного охлаждения помещений, включающей установленные один или несколько контуров циркуляции охлаждающего энергоносителя, каждый из которых снабжен охлаждающим коллектором в виде смонтированных в ограждающих элементах помещения труб: включая один из контуров, выполненных с возможностью подключения через перемычку к трубопроводу подачи холодной воды, или в виде смонтированного дополнительного водовоздушного теплообменника, подсоединенного воздушной стороной к установленному вентилятору подачи воздуха в дополнительный теплообменник, при этом, по крайней мере, один из контуров циркуляции охлаждающего энергоносителя подключен трубами или другой стороной дополнительного теплообменника к выходам и входам теплообменников в скважинах через перемычки, с возможностью подачи низкопотенциального теплоносителя к одному или нескольким охлаждающим коллекторам при отключенном через перемычки от основного контура циркуляции низкопотенциального теплоносителя основном тепловом насосе и подключенном через перемычки к дополнительному контуру циркуляции низкопотенциального теплоносителя дополнительном тепловом насосе.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным контуром циркуляции охлаждающего энергоносителя, подключенным через перемычки к входу и выходу конденсатора основного теплового насоса и связанным через установленную на выходе из конденсатора холодильную емкость с одной из сторон смонтированного водоводяного теплообменника, другая сторона которого подключена через перемычки к выходам и входам теплообменников в скважинах, с возможностью получения холодильной мощности в реверсивном режиме включения основного теплового насоса, испаритель которого подключен при этом через дополнительные перемычки к установленному совместно с системой воздушного охлаждения помещений еще одному дополнительному контуру циркуляции охлаждающего энергоносителя, связанному через перемычку с трубопроводом подачи холодной воды, или к контуру циркуляции охлаждающего энергоносителя с трубопроводом подачи холодной воды в составе системы водяного или смешанного охлаждения помещений.

РИСУНКИ