Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения

 

Изобретение относится к теплонасосным установкам и может быть использовано для горячего водоснабжения и отопления жилых зданий, коттеджей и сооружений различного типа. Установка для отопления и горячего водоснабжения содержит компрессор, первый бак-аккумулятор, конденсатор, состоящий из двух секций, испаритель, первый циркуляционный насос и пиковый подогреватель. Установка снабжена земляным трубопроводом, воздушным теплообменником, блоком адаптивной температурной селекции, испарительно-конденсаторным агрегатом, вторым циркуляционным насосом, вторым баком-аккумулятором и двумя датчиками реле температуры, причем воздушный теплообменник и земляной трубопровод через блок адаптивной температурной селекции и первый циркуляционный насос соединены соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом, который через трубопроводы первой ступени конденсатора и второй циркуляционный насос соответствующими трубопроводами соединен с первым баком-аккумулятором, в верхней части которого размещен второй бак-аккумулятор, соединенный с трубопроводами холодной воды и горячего водоснабжения, в средней части первого бака-аккумулятора размещены два датчика реле температуры, первый из которых соединен электрически с компрессором, а второй - с пиковым подогревателем, размещенным в нижней части первого бака-аккумулятора, соединенного с трубопроводами холодной воды и отопительных приборов. Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективной работы теплонасосной установки для отопления и горячего водоснабжения на протяжении всего года путем использования в качестве низкопотенциальных источников теплоты воздуха или грунта в зависимости от температуры окружающего воздуха. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемая установка относится к теплонасосным установкам и может быть использована для горячего водоснабжения и отопления жилых зданий, коттеджей и сооружений и сооружений различного типа.

Известны теплонасосные установки для утилизации вторичных энергетических ресурсов (авт. свид. СССР 311111, 458691, 606049, 918729, 1404764, 1478000, 1518626, 1537986, 1672160, 1740912, 1758370, 1783259, 1809263; патенты РФ 2008582, 2032866, 2062964, 2099663, 2117884, 2159904; патенты США 2634431, 4373346, 4592206; патент ФРГ 2712110; патенты Японии 54-47426, 56-48777, 62-60621; Хайнрих Г. и др. Теплонасосные установки для горячего водоснабжения. М.: Стройиздат, 1985, с.109, рис. 48 и другие.

Из известных установок наиболее близкой к предлагаемой является "Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения" (авт. свид. СССР 1809263, F 25 В 29/00, 1990), которая и выбрана в качестве прототипа.

Данная установка позволяет в случае необходимости осуществлять предварительный подогрев холодной воды на пути от водопроводной сети к баку-аккумулятору воздушным потоком. Водозабор может осуществляться не только из бака-аккумулятора, но также непосредственно из первой секции конденсатора. Кроме того, данная установка первой секции конденсатора позволяет повысить кратность естественной циркуляции в контуре горячего водоснабжения, образованном первой секцией конденсатора и баком-аккумулятором, а также увеличить градиент температур в баке-аккумуляторе, что позволяет снизить среднюю температуру воды в баке-аккумуляторе, в результате чего снижаются теплопотери через корпус бака-аккумулятора и, кроме того, сокращается время выхода на заданный температурный уровень горячей воды для использования у потребителя.

Эффективность данной установки определяется коэффициентом преобразования К_ПР, равным отношению производимой тепловой мощности N_Т к затрачиваемой электрической мощности N_Э Величина К_ПР в общем случае зависит от ряда факторов, в том числе от температуры воздуха и от температуры воды высокого потенциала t_ГВ, идущей потребителю.

В указанной установке в качестве низкопотенциального источника теплоты используется воздух, который полается вентилятором из вентиляционной шахты, чердака, кухни и др. в трехпоточный испаритель (теплообменник).

Однако воздушный теплообменник очень хорош весной и летом, но при температуре окружающего воздуха ниже 7^oС резко снижается возможностью его эффективного использования, так как с уменьшением температуры источника низкопотенциальной теплоты уменьшается подводимое к теплонасосной установке тепло и, как следствие, снижается величина коэффициента преобразования К_ПР теплонасосной установки.

Основное преимущество теплонасосных установок, в том числе и выбранной в качестве прототипа, заключается в том, что они функционируют с высоким коэффициентом преобразования К_ПР электрической энергии в тепловую, что приводит к значительному снижению затрат на потребляемую электроэнергию.

Величина К_ПР для современных теплонасосных установок составляет от 3 до 8, что практически означает увеличение в такое же число раз значения выделяемой тепловой мощности по сравнению с затрачиваемой электрической мощностью.

Для того чтобы величина К_ПР поддерживалась на высоком уровне (не ниже 3) в случае использования воздушного теплообменника, для отбора тепла от воздуха необходимо идти на значительное увеличение теплопередающей поверхности и создаваемого вентилятором расхода воздуха, т.е. применять оборудование больших габаритов с высоким электропотреблением. При условии, что температура воздуха выше 7^oС, габариты теплообменника и потребляемая вентилятором мощность вполне приемлемы и сравнимы с параметрами кондиционеров такой же производительности.

С целью обеспечения эффективной работы теплонасосной установки на протяжении всего года естественно использовать природные источники тепла таким образом, чтобы получение высокого коэффициента преобразования К_ПР достигалась не за счет габаритов и потребляемой мощности применяемого оборудования.

Выходом из положения является введение в состав теплонасосной установки земляного трубопровода и специального блока адаптивной температурной селекции, который в теплое время года в качестве низкопотенциального источника тепла использует воздух, а в холодное - грунт.

Технической задачей изобретения является обеспечение эффективной работы теплонасосной установки для отопления и горячего водоснабжения на протяжении всего года путем использования в качестве низкопотенциальных источников теплоты воздуха или грунта в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Поставленная задача решается тем, что теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения, содержащая компрессор, первый бак-аккумулятор, конденсатор, состоящий из двух секций, испаритель, первый циркуляционный насос и пиковый подогреватель, снабжена земляным трубопроводом, воздушным теплообменником, блоком адаптивной температурной селекции, испарительно-конденсаторным агрегатом, вторым циркуляционным насосом, вторым баком-аккумулятором и двумя датчиками реле температуры, причем воздушный теплообменник и земляной трубопровод через блок адаптивной температурной селекции и первый циркуляционный насос соединены соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом, который через трубопроводы первой ступени конденсатора и второй циркуляционный насос соответствующими трубопроводами соединен с первым баком-аккумулятором, в верхней части которого размещен второй бак-аккумулятор, соединенный с трубопроводами холодной воды и горячего водоснабжения, в средней чести первого бака-аккумулятора размещены два датчика реле температуры, первый из которых соединен электрически с компрессором, а второй - с пиковым подогревателем, размещенным в нижней части первого бака-аккумулятора, соединенного с трубопроводами холодной воды и отопительных приборов.

Блок адаптивной температурной селекции выполнен в виде соединенных механических выходных трубопроводов воздушного теплообменника и земляного трубопровода с входным трубопроводом испарительно-конденсаторного агрегата в виде соединенных шарнирно через шаровой переключатель выходного трубопровода испарительно-конденсаторного агрегата входными трубопроводами воздушного теплообменника и земляного трубопровода, причем на выходных трубопроводах воздушного теплообменника и земляного трубопровода размещены температурные датчики, подключенные электрически через блок сравнения к исполнительному блоку, кинематически связанному с шаровым переключателем.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемой теплонасосной установки для отопления и горячего водоснабжения. На фиг.2 изображена схема блока адаптивной температурной селекции.

Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения содержит компрессор 1, первый бак-аккумулятор 2, конденсатор, состоящий из двух секций 3, 4, соединенных последовательно вместе с испарителем 5 по контуру 24 циркуляции хладагента, воздушный теплообменник 6, воздушный поток к которому подается с помощью вентилятора 8, испарительно-конденсаторный агрегат 7, первый 9.1 и второй 9.2 датчики реле 9 температуры, первый 10 и второй 11 циркуляционные насосы, трубопроводы 12, 13, 14, 25, соединяющие испарительно-конденсаторный агрегат 7 и бак-аккумулятор 2, электрическую цепь 15, соединяющую компрессор 1 и первый датчики 9.1 реле температуры, пиковый подогреватель 16, земляной трубопровод 17, блок 18 адаптивной температурной селекции, второй бак-аккумулятор 19, трубопроводы 20 и 21, соединяющие первый бак-аккумулятор 2 с отопительными приборами, трубопроводы 22 и 23, соединяющие второй бак-аккумулятор 19 с водопроводной сетью, и контур 24 циркуляции хладагента. При этом воздушный теплообменник 6 и земляной трубопровод 17 через блок 18 адаптивной температурной селекции и первый циркуляционный насос 10 соединены соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом 7, который через второй циркуляционный насос 11 соответствующими трубопроводами 12, 13, 14 и 25 соединен с баком-аккумулятором 2.

В верхней части первого бака-аккумулятора 2 размещен второй бак-аккумулятор 19, соединенный с трубопроводами 22 и 23 холодной воды и горячего водоснабжения, в средней части первого бака-аккумулятора 2 размещены датчики 9.1 и 9.2 реле 9 температуры, в нижней части первого бака-аккумулятора 2 размещен пиковый подогреватель 16, соединенный электрически с датчиком 9.2 реле 9 температуры, компрессор 1 электрически соединен с первым датчиком 9.1.

Бак-аккумулятор 2 соединен трубопроводами 20 и 21 с отопительными приборами. Испарительно-конденсаторный агрегат 7 содержит компрессор 1, две секции 3, 4 конденсатора и испаритель 5, последовательно включенные в контур 24 циркуляции хладагента.

Блок 18 адаптивной температурной селекции (фиг.2) содержит температурные датчики 26, 27, блок 28 сравнения, исполнительный блок 29 и шаровой переключатель 30.

Teплонасосная установка работает следующим образом.

Весной и летом, когда температура окружающего воздуха выше ^oС, блок 18 адаптивной температурной селекции подключает к испарительно-конденсаторному агрегату 7 воздушный теплообменник 5. При этом воздух, используемый в качестве низкопотенциального источника теплоты, подается вентилятором 8 из вентиляционной шахты, чердака, кухни и др. в воздушный теплообменник 5, передает теплоту хладагенту теплонасосного контура.

Зимой, когда температура окружающего воздуха ниже 7^o, блок 18 адаптивной температурной селекции подключает к испарительно-конденсаторному агрегату 7 земляной трубопровод 17, последний может быть выполнен из полиэтиленовой трубы наружным диаметром 40 мм и внутренним 32 мм, укладываемой на глубину 1,2-1,5 м в зависимости от структуры грунта.

При небольших размерах целесообразно для уменьшения длины укладываемого в землю трубопровода, а следовательно, и длины траншеи вместо полиэтиленовой трубы применить медную трубу. Это существенно уменьшает площадь участка, необходимую для укладки земляного трубопровода, однако срок службы такого теплообменника сокращается с 50 до 20 лет.

Блок сравнения определяет максимальную из двух температур - воздуха или земли на текущий момент и дает команду на исполнительный блок с целью подключения теплообменника (воздушного или земляного соответственно), обеспечивающего более высокую температуру низкопотенциального источника тепла. Таким образом, теплонасосная установка совместно с блоком адаптивной температурной селекции всегда работает в режиме, обеспечивающем наибольшую эффективность теплового насоса.

Эти установки целесообразно использовать прежде всего в дачных домах небольшой площади 50-200 м² при условии ограниченности прилегающего земельного участка.

Потребляемая от электросети энергия затрачивается главным образом на работу компрессора 1. В экстремальных ситуациях, когда температура наружного воздуха сильно понижена или когда необходимо быстро запустить установку, используется пиковый подогреватель 16, который работает от напряжения 220 В и потребляет мало электроэнергии.

Таким образом, предлагаемая теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения по сравнению с прототипом и другими установками аналогичного назначения обеспечивает эффективную работу на протяжении всего года путем использования воздушного теплообменника или земляного трубопровода в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Установка может применяться в любых климатических условиях в жилых или нежилых отдельно стоящих помещениях в сельской и пригородных местностях, находящихся вдали от магистралей теплоснабжения. Для электропитания установки требуется трехфазная четырехпроводная электрическая сеть переменного тока частотой 50 Гц напряжением 380 В с глухозаземленной нейтралью.

Установка используется в автоматическом режиме, не требующем присутствия человека. Установка основана на экологически чистой технологии - отсутствуют выбросы в атмосферу вредных веществ и углекислоты, применяется озонобезопасный тип хладона.

Эффективность предлагаемой установки проверена опытно-конструкторским бюро "Карат" на территории Ленинградской области.

Формула изобретения

1. Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения, содержащая компрессор, первый бак-аккумулятор, конденсатор, состоящий из двух секций, испаритель, первый циркуляционный насос и пиковый подогреватель, отличающаяся тем, что она снабжена земляным трубопроводом, воздушным трубопроводом, блоком адаптивной температурной селекции, испарительно-конденсаторным агрегатом, вторым циркуляционным насосом, вторым баком-аккумулятором и двумя датчиками реле температуры, причем воздушный теплообменник и земляной трубопровод через блок адаптивной температурной селекции и первый циркуляционный насос соединены соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом, который через второй циркуляционный насос соответствующими трубопроводами соединен с первым баком-аккумулятором, в верхней части которого размещен второй бак-аккумулятор, соединенный с трубопроводами холодной воды и горячего водоснабжения, в средней части первого бака-аккумулятора размещены два датчика реле температуры, первый из которых соединен электрически с компрессором, а второй - с пиковым подогревателем, размещенным в нижней части первого бака-аккумулятора, соединенного с трубопроводами холодной воды и отопительных приборов.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что испарительно-конденсаторный агрегат содержит компрессор, испаритель и две секции конденсатора, последовательно включенные в контур циркуляции хладагента.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что блок адаптивной температурной селекции выполнен в виде соединенных механически выходных трубопроводов воздушного теплообменника и земляного трубопровода с входным трубопроводом испарительно-конденсаторного агрегата в виде соединенных шарнирно через шаровой переключатель выходного трубопровода испарительно-конденсаторного агрегата входными трубопроводами воздушного теплообменника и земляного трубопровода, причем на выходных трубопроводах воздушного теплообменника и земляного трубопровода размещены температурные датчики, подключенные электрически через блок сравнения к исполнительному блоку, кинематически связанному с шаровым переключателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2