Теплонасосная система
Изобретение относится к теплонасосной системе, используемой для отопления или охлаждения зданий, например - обеспечения горячей водой. Теплонасосная система (10), содержит тепловой насос (5), выполненный с возможностью отбора тепловой энергии от наружного воздуха и отдачи тепловой энергии другой среде (20); внешнее пространство (2), выполненное с возможностью нагревания наружного воздуха за счет солнечного излучения (12); причем теплонасосная система (10) выполнена с возможностью пропускать наружный воздух в тепловой насос (5) через внешнее пространство (2), теплонасосная система (10) содержит средства (3, 6, 7, 7а, 7b, 9) регулирования потока наружного воздуха, идущего во внешнее пространство (2), согласно изобретению она дополнительно содержит температурный датчик для определения температуры (Т1) наружного воздуха и температурный датчик для определения температуры (Т4) потока воздуха, контактировавшего с тепловым насосом (5), при этом средства (3, 6, 7, 7а, 7b, 9) регулирования потока наружного воздуха выполнены с возможностью пропускания потока воздуха, контактировавшего с тепловым насосом (5), и распределения упомянутого потока воздуха между первым выходным воздуховодом (7а), находящимся внутри внешнего пространства (2), и вторым выходным воздуховодом (7b), находящимся вне внешнего пространства (2). Способ управления теплонасосной системой (10) содержит этапы, на которых определяют температуру (Т1) наружного воздуха, определяют температуру (Т4) потока воздуха, контактировавшего с тепловым насосом (5), распределяют вышеупомянутый поток воздуха между первым выходным воздуховодом (7а), находящимся внутри внешнего пространства (2), и вторым выходным воздуховодом (7b), находящимся вне внешнего пространства (2), в зависимости от определенных значений температур (Т1) и (Т4). 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к теплонасосной системе, содержащей тепловой насос, выполненный с возможностью взятия тепловой энергии от наружного воздуха и отдачи тепловой энергии другой среде; и внешнее пространство, выполненное с возможностью нагревания наружного воздуха за счет солнечного излучения; причем система выполнена с возможностью подачи наружного воздуха в тепловой насос через внешнее пространство.
Уровень техники
Отопление или охлаждение зданий, например - обеспечение горячей воды, являются процессами, требующими большого количества энергии, и поэтому есть и экономические, и экологические причины для уменьшения количества энергии, используемой для этих целей. Потребности здания или установки в отоплении/охлаждении, разумеется, разные в зависимости от их конструкции, использования и местонахождения. Например, жилому дому в Швеции необходимо отопление с сентября по апрель, и при этом некоторая потребность в охлаждении может существовать с мая по август. Причем имеющему хорошую теплоизоляцию служебному зданию в Швеции с большим числом работников и многими единицами офисного оборудования может потребоваться охлаждение в дневное время в течение значительной части года. Для здания в более южной стране может потребоваться охлаждение в дневное время, но отопление ночью, и т.д.
В последние десятилетия разработано и выпущено большое число продукции для повышения КПД этих процессов отопления и охлаждения. Тепловые насосы являются одним видом продукции из числа этой продукции, и они в последние годы получают все большее распространение. Тепловой насос обычно представляет собой систему с испарителем, компрессором, конденсатором и дроссельным клапаном; и в этой системе осуществляется циркуляция охлаждающей среды. При испарении охлаждающей среды под пониженным давлением, и при ее конденсации при повышенном давлении тепловую энергию можно отбирать при пониженной энергии (тепло испарения), и отдавать при более высокой температуре (тепло конденсации). Тепловые насосы выполнены с возможностью взятия тепла, например - из озер, скважин («тепло горной породы»), от наружного воздуха, и с возможностью брать воздух (т.е., воздух, выпускаемый из здания вентиляцией), и с возможностью отдавать тепло воздуху помещения, например - для нагревания воды. Тепловые насосы также довольно давно используются для охлаждения зданий в виде кондиционеров воздуха, в которых воздух берется из здания и выводится наружу. Для теплового насоса требуется электроэнергия, чтобы работал компрессор, и цена электричества, соответственно, является важным параметром для экономичности теплового насоса. В более холодном климате действие теплового насоса обычно не достаточно для самостоятельного осуществления отопления, и по этой причине здания оборудованы дополнительными системами отопления.
Для повышения КПД отопительных систем обычно применяют солнечное излучение. Например, для осуществления циркуляции воды в нагреваемой солнцем системе, что получить «бесплатный» фактор при нагревании воды. Еще один пример излагается в документе US 4378787, согласно которому тепловой насос наружного воздуха установлен в чердачном помещении с окном, что позволяет нагревать наружный воздух солнечным излучением.
В последние годы разработки направлены в значительной степени на создание компонентов теплового насоса и охлаждающей среды с целью, помимо прочего, обеспечения эффективности теплового насоса для наружного воздуха в условиях снижающейся наружной температуры.
Раскрытие изобретения
Одной задачей изобретения является повышение эффективности теплонасосной системы, содержащей тепловой насос для наружного воздуха или т.п. Эта задача реализуется техническими признаками, излагаемыми в Пункте 1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения излагают предпочтительные осуществления, прочие виды развития и варианты изобретения.
Изобретение предлагает теплонасосную систему, содержащую тепловой насос, выполненный с возможностью взятия тепловой энергии от наружного воздуха и отдачи тепловой энергии другой среде; и наружное пространство, выполненное с возможностью нагревания наружного воздух за счет солнечного излучения; причем система выполнена с возможностью подачи наружного воздуха в тепловой насос через внешнее пространство. Изобретение отличается тем, что теплонасосная система содержит средства регулирования потока наружного воздуха во внешнее пространство. То есть, система имеет средства для увеличения или уменьшения вентиляции/замены воздуха во внешнем пространстве, при необходимости. Выгодная особенность этой конструкции состоит в том, что путем регулирования идущего внутрь потока наружного воздуха можно регулировать температуру во внешнем пространстве, и это обстоятельство можно использовать в свою очередь для повышения эффективности теплового насоса. В первом примере идущий внутрь поток наружного воздуха можно сводить к минимуму, т.е. можно осуществить циркуляцию воздуха внутри внешнего пространства, пока температура во внешнем пространстве благодаря излучаемой солнечной энергии остается более высокой, чем температура окружающего наружного воздуха. В большинстве случаев это обстоятельство положительно влияет на эффективность теплового насоса. Во втором примере идущий внутрь поток наружного воздуха можно довести до максимума, когда температура внутри внешнего пространства ниже - или понижается - чем температура окружающего воздуха; и это может происходить, когда количество излучаемого тела меньше количества тепла, отбираемого тепловым насосом. Благодаря техническому решению в соответствии с настоящим изобретением снижение температуры внутри внешнего пространства ниже температуры наружного воздуха можно предотвратить. Таким образом, исключается ситуация, в которой эффективность теплового насоса снижается из-за того, что ему приходится работать с охлажденным наружным воздухом, что может происходить, например, в конструкции согласно документу US4378787, которая не имеет средств регулирования замены воздуха во внешнем пространстве. Тепловую энергию, передаваемую второй среде, согласно изобретению можно использовать, например, для нагревания непосредственно или опосредовано одной или нескольких водных систем в здании, объекта или процесса, например, для нагревания бытовой системы горячего водоснабжения в соседнем здании, водяного отопления или для нагревания такого объекта, как плавательный бассейн.
В первом предпочтительном варианте осуществления изобретения теплонасосная система содержит первый вентилятор, выполненный с возможностью создания идущего внутрь потока наружного воздуха во внешнее пространство. Это обстоятельство обеспечивает возможность простого и эффективного регулирования идущего внутрь потока. Вентилятор предпочтительно выполнен с возможностью создания идущего наружу потока воздуха из внешнего пространства, и система также предпочтительно имеет вход, по которому идущий внутрь поток наружного воздуха выходит во внешнее пространство. Таким образом, вентилятор косвенно создает идущий внутрь поток наружного воздуха во внешнее пространство; причем повышена возможность определения того количества воздуха, которое выйдет из внешнего пространства. Вентилятор может составлять неотъемлемую часть теплового насоса, за счет чего обеспечивается возможность использования многих известных тепловых насосов для наружного воздуха.
Во втором предпочтительном варианте осуществления изобретения средства регулирования потока выполнены с возможностью подачи контактировавшего с тепловым насосом потока воздуха, и с возможностью распределения упомянутого потока воздуха между первым выходным воздуховодом (выходом), расположенным внутри внешнего пространства, и вторым выходным воздуховодом (выходом), расположенным вне внешнего пространства. Поскольку контактировавший с тепловым насосом воздух отдал тепло второй среде, поэтому этот воздух будет обычно холоднее, чем остальной воздух во внешнем пространстве. Возможность распределения этого потока воздуха упомянутым выше образом повышает возможности регулирования температуры внутри внешнего пространства. Например, можно, в целях снижения температуры внутри внешнего пространства, выполнять рециркуляцию воздуха во внешнем пространстве, когда поток воздуха теплее наружного воздуха, и выполнять подачу потока воздуха непосредственно наружу, когда поток воздуха холоднее наружного воздуха. Средства регулирования потока предпочтительно содержат воздуховод для прохождения контактировавшего с тепловым насосом потока воздуха, и клапанное устройство, которое регулирует распределение упомянутого потока воздуха между первым выходным воздуховодом, который выходит внутрь внешнего пространства, и вторым выходным воздуховодом, который выходит наружу внешнего пространства. В этом случае первый вентилятор установлен соединенным с воздуховодом.
В третьем предпочтительном варианте осуществления изобретения теплонасосная система выполнена в соединении со зданием, и теплонасосная система дополнительно содержит соединительный воздуховод для прохождения воздуха между внешним пространством и зданием. Преимущество этого осуществления в том, что воздух внутри внешнего пространства можно вводить в здание; и в том, что воздух внутри здания можно подавать во внешнее пространство. Так как комбинация теплового насоса и регулирования идущего внутрь потока воздуха во внешнее пространство позволяет выдерживать воздух внутри внешнего пространства, поэтому система согласно изобретению способна не только снабжать тепловую энергию по тепловому насосу, но также снабжать и выдержанный воздух в здание. В одном примере здание необходимо охлаждать внутри, как в теплый летний день в Швеции, и при этом тепловой насос может отбирать тепло от внешнего пространства и отдавать его, например, в бытовую систему горячего водоснабжения здания. Тогда температуру воздуха можно понизить во внешнем пространстве. Если эта температура достаточно низкая, и ниже, чем наружная температура и температура внутри здания, то система согласно изобретению дает возможность подавать охлажденный воздух из внешнего пространства в здание по соединительному воздуховоду. Эта возможность отсутствует в известном тепловом насосе для наружного воздуха, который обычно установлен на стене здания, и даже не имеет пространства, чтобы в нем можно было выдерживать наружный воздух. В другом примере имеется необходимость отопления внутри здания. Соответствующим образом можно осуществить достаточное нагревание воздуха солнечным излучением внутри внешнего пространства и затем подавать воздух прямо в здание. Техническое решение согласно изобретению также обеспечивает возможность использования тепла выводимого воздуха тепловым насосом путем изменения направления потока по соединительному воздуховоду из здания во внешнее пространство. Теплонасосная система предпочтительно содержит средства регулирования потока воздуха по соединительному воздуховоду, например - второй вентилятор и/или клапан, соединенный с соединительным воздуховодом.
В четвертом предпочтительном варианте осуществления изобретения теплонасосная система содержит регулируемое экранирующее солнце устройство, выполненное с возможностью экранирования солнечного излучения и, за счет этого, с возможностью ограничения нагревания наружного воздуха внутри внешнего пространства. Таким образом, обеспечиваются дополнительные возможности регулирования температуры внутри внешнего пространства.
Краткое описание чертежей
Изобретение далее излагается со ссылкой на чертеж, который схематически показывает предпочтительное осуществление изобретения.
Осуществление изобретения
Чертеж схематически показывает предпочтительное осуществление теплонасосной системы 10 согласно изобретению. Тепловой насос 5 выполнен с возможностью взятия тепловой энергии от наружного воздуха из внешнего пространства 2, выполненного с возможностью позволить нагревание наружного воздуха солнечным излучением 12, и с возможностью отдавать тепловую энергию зданию 4 путем нагревания воды. Внешнее пространство 2 может быть теплицей, стеклянным куполом, застекленным двором или др. застекленным сооружением на стене 8 или на крыше здания 4, или сооружением, с ними связанным. Обычно тепловой насос 5 содержит такие компоненты, как испаритель, компрессор, конденсатор, расширительный клапан и канал охлаждающей среды для циркуляции охлаждающей среды (эти компоненты не представлены на чертеже). Тепловой насос 5 в свою очередь выполнен в, или связан с внешним пространством 2 и зданием 4 таким образом, что воздух внутри внешнего пространства 2 контактирует с испарителем теплового насоса; и другая среда 20 (поток воды) в здании 4 контактирует с конденсатором теплового насоса. Тепло, отбираемое у наружного воздуха в испарителе, затем можно отдать потоку 20 воды в конденсаторе. Поток 20 воды можно предназначить - либо непосредственно, или опосредованно через теплообменник - для использования в системе водяного отопления (не показано) или для нагревания бытовой горячей воды. Тепловую энергию, взятую в потоке 20 воды, разумеется, не обязательно использовать непосредственно, и вместо этого ее можно использовать для создания резервуара горячей воды для последующего использования. Стены и крыша 13 внешнего пространства 2 большей частью стеклянные, и пропускают солнечное излучение 12, чтобы нагревать воздух внутри внешнего пространства 2. Стена 8 и пол внешнего пространства 2, открытые для солнечного излучения, покрыты, или выполнены из такого накапливающего тепло материала, как камень или бетон. Внешнее пространство 2 также имеет экранирующее солнце устройство 14 в виде жалюзи, чтобы можно было ограничивать излучаемое количество солнечного излучения. Первый вентилятор 6 связан с тепловым насосом 5, чтобы нагнетать воздух в контакт с тепловым насосом 5. Первый вентилятор 6 обычно всегда включен во время работы теплового насоса 5. Воздуховод 7 для проведения потока воздуха, контактировавшего с тепловым насосом 10, также связан с первым вентилятором 6 и тепловым насосом 5 таким образом, что воздух, прошедший через тепловой насос 5, вводится в воздуховод 7. Воздуховод 7, пройдя небольшое расстояние, ответвляется и образует первый выходной воздуховод 7а, по которому выходит воздух внутри внешнего пространства 2, и второй выходной воздуховод 7b, который выводит воздух из внешнего пространства 2. Клапанное устройство в виде задвижки 9 расположено на ответвлении, чтобы регулировать поток воздуха между первым и вторым выходными воздуховодами 7а, 7b, в зависимости от режима работы. Наружный воздух поступает в, или в необходимых случаях, отбирается из внешнего пространства 2 через вход (отверстие) 3, пропускающее сквозной поток, когда разность давлений имеется между наружным воздухом и воздухом внутри внешнего пространства 2; например - когда воздух, контактировавший с тепловым насосом 5, выводится из внешнего пространства 2 по второму выходному воздуховоду 7b. Выбирая распределение между выходными воздуховодами 7а, 7b, можно регулировать поток наружного воздуха во внешнее пространство 2. Теплонасосная система 10 также имеет соединительный воздуховод 15, предназначенный - в определенных обстоятельствах работы - для того, чтобы проводить воздух между внешним пространством 2 и зданием 4. Соединительный воздуховод 15 имеет средства 16 (второй вентилятор), 17 (клапан) для регулирования потока воздуха между внешним пространством 2 и зданием 4. Стрелки на чертеже указывают разные пути, по которым может идти воздух. Как выше уже упомянуто, стрелки указывают, что воздух входит в тепловой насос 5 на стороне теплового насоса 5, обращенный к стене 8 здания.
Обозначения Т1, Т2 и Т3 в приводимом ниже описании примеров работы теплонасосной системы 10 указаны на чертеже: Т1 указывает температуру наружного воздуха, Т2 - температуру воздуха внутри внешнего пространства 2, и Т3 - температуру воздуха внутри здания 4. Температура Т2 во внешнем пространстве 2 может изменяться, разумеется, между разными положениями в пространстве 2. Если не указано иначе: Т2 обозначает среднюю температуру, например - температуру, измеренную вблизи входа потока воздуха в тепловой насос. Тот или иной температурный датчик из числа известных их типов используется для определения температур.
Теплонасосная система 10 может работать в разных режимах в зависимости от преобладающих условий. Примеры важных условий включают в себя требования по охлаждению/отоплению здания 4, температуру Т1 наружного воздуха, и интенсивность солнечного излучения в данное время. Обычно здание 4 может быть хорошо оснащено дополнительными системами отопления и охлаждения. Но наличие этих систем принципиально не влияет на теплонасосную систему 10 согласно изобретению.
Рабочая Ситуация А
В первом примере рабочей ситуации необходимо нагревать наружный воздух внутри здания 4. В этом случае Т1 обычно ниже нужного значения Т3. Типичный пример этой ситуации: жилой дом в Швеции в холодное время года. В этой ситуации экранирующее солнце устройство 14 находится в открытом положении в течение дня, и тепловой насос 5 поставляет максимально возможное количество тепла для потока 20 воды в здание 4. В начальной фазе: клапан 17 можно держать закрытым, и задвижка 9 может находиться в положении, в котором воздух поступает по первому выходному воздуховоду 7а, вследствие чего наружный воздух во внешнее пространство 2 по существу не поступает. В зависимости, помимо прочего, от энергии, потребляемой тепловым насосом 5, объема внешнего пространства 2, температуры Т1 наружного воздуха, первоначальной температуры Т2 внутри внешнего пространства 2 и от солнечного излучения 12 в данный момент: температура Т2 воздуха во внешнем пространстве 2 будет расти, оставаться неизменной или снижаться.
Если температура Т2 выше Т3, и если, в частности, Т2 повышается, то клапан 17 можно открыть, чтобы нагретый воздух мог идти по соединительному воздуховоду 15 из внешнего пространства 2 в здание 4. Второй вентилятор 16 используется надлежащим образом, чтобы увеличить этот поток. Клапан 17 и вентилятор 16 можно закрыть и выключить, например если температура Т2 снизилась до уровня Т3. Либо, или дополнительно к подаче нагретого воздуха в здание 4 по соединительному воздуховоду 15: задвижку 9 можно установить в таком положении, чтобы воздух шел, по меньшей мере, частично по второму выходному воздуховоду 7b. Эта мера позволит заменять воздух во внешнем пространстве 2, что в свою очередь позволит снизить температуру Т2 (при условии, что Т1 ниже Т2). Эти меры могут быть целесообразными для того, чтобы тепловой насос 5 работал в определенном температурном диапазоне, или сохранял температуру во внешнем пространстве 2 ниже определенной температуры по какой-либо другой причине, например - если во внешнем пространстве 2 находятся чувствительные к температуре растения.
Если температура Т2 ниже Т1, или если Т2 опустится ниже Т1, то положение задвижки 9 изменяют таким образом, что воздух, выходящий из теплового насоса 5, выводится по второму выходному воздуховоду 7b. Так как воздух, вошедший в контакт с тепловым насосом 5, отдал тепло потоку 20 воды, то этот воздух будет холоднее Т2. В результате этой ситуации наружный воздух при температуре Т1 будет идти через отверстие 3 и повысит Т2; если прочие условия, такие как солнечное излучение и энергопотребление, не изменятся. При достаточно значительной замене воздуха создастся рабочая ситуация, при которой Т2 будет равна Т1. При надлежащей замене воздуха во внешнем пространстве 2 температура Т2 во внешнем пространстве 2 понизится на значение, не ниже значения наружной температуры Т1. Если эта минимальная температура будет ниже желательной, в зависимости от КПД теплового насоса 5, то может быть целесообразным несколько уменьшить влияние теплового насоса 5, чтобы воздух смог нагреться в достаточной степени солнечным излучением. Такая ситуация может обычно преобладать в холодный и солнечный зимний день.
Согласно одному из вариантов изобретения Т4 определяется (более холодным) потоком воздуха, когда он выходит из теплового насоса 5, например - в положении намного до местонахождения воздуховода 7. Поскольку воздух, выходящий из теплового насоса 5, отдал тепло потоку 20 воды, поэтому Т4 обычно будет ниже Т2. Чтобы Т2 была как можно более высокой, систему 10 можно регулировать таким образом, чтобы когда Т4 будет ниже Т1, но в случае, когда Т2 может быть выше Т1, положение задвижки 9 изменялось так, чтобы воздух выводился из внешнего пространства 2 по второму выходному воздуховоду 7b. Таким образом, подаваемый во внешнее пространство 2 воздух теплее, чем он был бы при циркуляции по первому выходному воздуховоду 7а, и таким образом можно исключить ситуацию, например, когда Т2 станет ниже Т1.
Экранирующее солнце устройство 14 установлено в закрытое положение, когда уровень солнечного излучения пренебрежимо низкий, т.е. вечером или в очень пасмурные дни. Тогда тепловое излучение из внешнего пространства 2 можно понизить. Эффект повышения температуры можно также реализовать при помощи хорошей теплоизоляции внешнего пространства 2. Утечка тепла из компрессора теплового насоса 5, здания 4 или из других источников, отдаваемого внешнему пространству 2, можно тогда будет использовать эффективнее. Если вместо этого желательно охлаждать воздух внутри внешнего пространства 2, см. ниже, то тепло из компрессора теплового насоса 5 можно выводить в соответствующее местоположение вне внешнего пространства 2.
Рабочая Ситуация В
Во втором примере рабочей ситуации необходимо охлаждать наружный воздух внутри здания 4. В этом случае Т1 обычно выше нужного значения Т3. При этом необходимо нагревать поток 20 воды для получения бытовой горячей воды. Типичный пример этой ситуации: жилой дом в Швеции летом, особенно в дневное время, иногда и в ночное. В этой ситуации тепловой насос 5 должен создавать холодный воздух внутри внешнего пространства 2 для охлаждения здания 4, и одновременно он должен по-прежнему продолжать нагревать поток 20 воды. Экранирующее солнце устройство 14 можно установить в закрытое положение, по меньшей мере, в течение дневного времени, чтобы уменьшить солнечное излучение 12. Степень, в которой будет открыто экранирующее солнце устройство 14, можно регулировать в зависимости от интенсивности солнечного излучения 12 и от отвода тепла тепловым насосом 5. Тепловой насос 5 также может подавать максимально возможное количество тепла потоку 20 воды в здание 4. В первоначальной фазе задвижка 9 установлена в положение, при котором воздух идет по первому выходному воздуховоду 7а - при закрытом клапане 17, и поэтому во внешнем пространстве 2 замена воздуха по существу не происходит. В зависимости от отбора тепловой энергии из воздуха во внешнем пространстве 2 тепловым насосом 5 температура Т2 будет последовательно снижаться. После того, как температура Т2 будет ниже Т1 и Т3, здание 4 можно будет охлаждать подачей воздуха из внешнего пространства 2 в здание 4 по соединительному воздуховоду 15, открыв клапан 17. Второй вентилятор 16 предпочтительно используется для увеличения потока подаваемого воздуха. Наружный воздух затем будет идти во внешнее пространство 2 по отверстию 3. В зависимости, помимо прочего, от температуры наружного воздуха Т1, отбора тепла и фактического уровня солнечного излучения: температура воздуха Т2 во внешнем пространстве 2 теперь будет повышаться, оставаться неизменной или снижаться далее. Для того, чтобы в этой ситуации найти стабильное рабочее положение, можно, например, регулировать степень открытия клапана 17 и экранирующего солнце устройства 14, и/или регулировать эффект действия второго вентилятора 16. Если температура Т2 во внешнем пространстве 2 продолжает повышаться, то может быть необходимым полное перекрытие клапана 17 и экранирующего солнце устройства 14 - для понижения Т2.
Согласно еще одному варианту изобретения теплонасосную систему 10 можно обеспечить дополнительным воздуховодом (не показан), который будет проводить воздух, контактировавший с тепловым насосом 5, непосредственно в соединительный воздуховод 15. Как упомянуто выше, этот воздух обычно холоднее температуры Т2. Поток воздуха по упомянутому дополнительному воздуховоду соответствующим образом осушают перед его поступлением в здание 4. В этом варианте также целесообразно определить температуру Т4 в (более холодном) потоке воздуха при его выходе из теплового насоса 5, например - в положении намного до воздуховода 7, чтобы можно было определить, как надо регулировать систему 10. При помощи этого варианта изобретения обеспечивается возможность более быстрого создания потока воздуха при достаточно низкой температуре, чтобы охлаждать здание 4. Например, этот дополнительный воздуховод может состоять из ответвления в первом выходном воздуховоде 7а, вместе с дополнительной задвижкой (не показана), распределяющей поток воздуха между первым выходным воздуховодом 7а и упомянутым дополнительным воздуховодом.
В одном из примеров в первоначальной фазе этой второй рабочей ситуации температура Т1 наружного воздуха=25оС, температура наружного пространств 2 Т2=25оС, и температура воздуха в помещении Т3=24оС. Нужная температура внутри помещения, т.е. нужное значение Т3=21оС. В соответствии с вышеизложенным Т2 будет последовательно снижаться, когда будет работать теплонасосная система 10. После снижения Т2, например - до 23оС, станет возможной подача воздуха в здание 4 по соединительному воздуховоду 15. Это может продолжаться до тех пор, пока Т2 будет ниже Т3, и Т3 будет выше 21оС. Либо+подачу воздуха в здание по соединительному воздуховоду 15 можно будет задержать, пока Т2 не достигнет 20оС, например.
Внешнее пространство 2 можно выполнить по-разному. Самая крупная, или, по меньшей мере, крупная, часть его стен и/или его крыши предпочтительно сделана из стекла или др. материала, прозрачного для солнечного излучения. Термин «прозрачный» используется в этом контексте для обозначения того, что материал достаточно прозрачный для достаточно большой части волнового спектра солнечного излучения, чтобы воздух или др. материал за этим прозрачным материалом смог нагреваться. Этой цели соответствует обычное оконное стекло, например. Пластмассовые материалы тоже хорошо функционируют, при том условии, что они достаточно стойкие. Также применяют т.н. энергосберегающее стекло, которое в большей, чем обычное оконное стекло, степени отражает длинноволновое тепловое излучение обратно во внешнее пространство 2 и больше пропускает коротковолновую тепловую энергию. Прозрачные компоненты должны иметь должную ориентацию под надлежащим углом к небу, чтобы получать надлежащее облучение от солнечного излучения. Помимо этого, прозрачные компоненты, разумеется, должны иметь по существу южное расположение в северном полушарии. Кроме упоминаемых выше моментов внешнее пространство 2 может состоять из полностью остекленного фасада. Например, крупное офисное здание может иметь внешние поверхности 2, расположенные на полностью застекленном фасаде. Если первостепенное внимание уделяется функции охлаждения (рабочая ситуация В), то обычно достаточно, чтобы прозрачные компоненты были вертикально ориентированы. Внешнее пространство 2 может также иметь средство увеличения поглощения солнечного излучения, такое как окрашенные в черное поверхности и накапливающие тепло материалы 18, например - камень и бетон. Внешнее пространство также может содержать такие средства, как вентилятор и дефлекторы, для создания циркуляции воздуха или для введения его во внешнее пространство 2. Эти средства обеспечивают возможность единообразного температурного распределения во внешнем пространстве 2. Как упомянуто выше, система 10 выполнена таким образом, что в целях максимально возможного повышения температуры Т2: воздух, контактировавший с тепловым насосом 5, можно направлять непосредственно наружу по второму выходному воздуховоду 7b, чтобы он не смешивался с другим, обычно гораздо более теплым, воздухом во внешнем пространстве 2. Также возможно, для обеспечения как можно более низкой Т2, выполнить систему 10 таким образом, чтобы смог выходить воздух, находящийся в самой высокой точке во внешнем пространстве 2, который в обычных условиях является самым теплым воздухом. Внешнее пространство 2 может также иметь осушители, воздушные фильтры и т.п. для обработки воздуха. Внешнее пространство 2 также предпочтительно должно иметь хорошую теплоизоляцию, чтобы температура Т2 во внешнем пространстве 2 определялась, как можно в большей степени, излучаемой солнечной энергией, заменой воздуха (по воздуховодам 7b, 15 и отверстию 3), и теплом, отбираемым тепловым насосом 5. Энергия наиболее оптимально используется этим способом, и это также означает возможность более эффективного регулирования отопительной системы. Внешнее пространство 2 в основном предназначено для того, чтобы функционировать как пространство для выдерживания воздуха, т.е. оно не служит помещением, построенным для (длительного) пребывания в нем людей.
Предпочтительный объем внешнего пространства 2 зависит от нескольких факторов, включая конструкцию внешнего пространства 2, влияние со стороны теплового насоса 5, климатическую зону местонахождения здания, и потребности в отоплении/охлаждении здание. Для отдельного дома обычного размера в Швеции и для обычного теплового насоса для наружного воздуха эта функция будет эффективно обеспечиваться обычной теплицей, т.е. сооружением с объемом порядка 30 куб.м. Но можно предусмотреть как более крупный, так и меньший объем.
Теплонасосная система 10 согласно изобретению хорошо действует с тепловым насосом для наружного воздуха обычного типа, например - с точки зрения ее эффективности и соответствующего температурного диапазона. Эти тепловые насосы обычно имеют встроенный вентилятор, действующий как первый вентилятор 6, показанный на чертеже.
Для регулирования теплонасосной системы 10 согласно изобретению значение могут иметь некоторые параметры, в зависимости от нужной развитости системы управления: наружная температура Т1; температура воздуха внутри внешнего пространства Т2; температура воздуха внутри здания Т3; температура воздуха, контактировавшего с тепловым насосом Т4; энергопотребление теплового насоса 5; интенсивность солнечного излучения 12; степень открытия задвижек/клапанов 9, 17 и экранирующего солнце устройства 14; мощность вентиляторов 6, 16, и требуемая мощность для потока 20 воды. Давление наружного воздуха, внутри внешнего пространства 2 и внутри здания 4 тоже можно использовать для регулирования; в частности - если отверстие 3 имеет регулируемый клапан. Система 10 предпочтительно оснащена температурными датчиками и датчиками излучения и положения, например, для определения нужных параметров, и также оснащена исполнительными устройствами, которые изменяют задаваемые значения. Разумеется, специалист, исходя из этого описания, сможет автоматизировать регулирование теплонасосной системы 10 - аналогично известным отопительным или вентиляционным системам. Регулирование теплонасосной системы 10 предпочтительно интегрировано с прочими имеющимися системами вентиляции и отопления в здании 4.
Система также обеспечивает возможность выведения воздуха из здания 4 во внешнее пространство 2 по соединительному воздуховоду 15, например - при помощи обращения работы второго вентилятора 16 (тогда вентилятор 16 будет выполнять функцию вытяжного вентилятора вместо нагнетающего воздух вентилятора). Это может быть целесообразным, например, для использования тепла в воздухе внутри здания 4.
Изобретение не ограничивается излагаемыми выше осуществлениями, и в него можно вносить изменения в рамках объема приводимой ниже формулы изобретения. По меньшей мере, можно использовать некоторые преимущества изобретения, например: даже если воздух, контактировавший с тепловым насосом 5, невозможно выводить напрямую, то это можно сделать, как в примере с обращением к чертежу, с помощью первого вентилятора 6 и воздуховода 7 вместе с его вторым выходным воздуховодом 7b. Это делается для того, чтобы обеспечить надлежащее регулирование замены воздуха во внешнем пространстве 2. Вместо воздуховода 7 и его выходов 7а, 7b можно установить дополнительный регулируемый вентилятор в дополнительном отверстии, чтобы таким образом позволить регулируемую замену воздуха во внешнем пространстве 2. В варианте такого типа воздух, контактировавший с тепловым насосом 5, таким образом смешивается с другим воздухом внутри внешнего пространства 2. Но значительное преимущество изобретения согласно варианту осуществления, показанному на чертеже, как упомянуто выше, состоит в том, что оно позволяет более эффективное регулирование температуры за счет возможности направления более холодного воздуха, контактировавшего с тепловым насосом 5, непосредственно из соединительного воздуховода 15 или непосредственно в него, без предварительного смешивания.
Вентиляторы, задвижки, клапаны, воздуховоды и отверстия можно, разумеется, расположить и в ином порядке по сравнению со схематическим изображением на чертеже. Например, задвижку 9 можно заменить на клапан в каждом выходном воздуховоде 7а, 7b. Воздуховоды 7, 7а, 7b можно также расположить вне внешнего пространства 2; разумеется, важным обстоятельством будет являться положение его входа и выхода. Отверстие 3 может находиться в других положениях. Размер отверстия не имеет существенного значения, хотя оно должно быть достаточно крупным, чтобы не препятствовать необходимому входу и выходу воздуха в, и из внешнего пространства 2 в необходимых случаях, и достаточно небольшим, чтобы не было излишнего потока воздуха. Разумеется, можно использовать несколько отверстий. Помимо этого, отверстие 3, при необходимости, может иметь и клапан, и вентилятор.
Здание 4 может быть жилым или офисным зданием, или помещением иного назначения. Поток 20 не обязательно должен быть потоком воды; им может быть другая среда, которая отбирает тепловую энергию от теплового насоса 5. Также не обязательно, чтобы здание 4 отбирало всю тепловую энергию; например - эту энергию можно использовать для одного или нескольких соседних зданий или сооружений, таких как плавательные бассейны, нагреваемые тротуары или мостовые, сельскохозяйственные объекты или технологические процессы. Соответственно, не обязательно, чтобы теплонасосная система 10 была выполнена совместно со зданием; например - система 10 с ее соответствующим внешним пространством 2 может быть отдельным объектом, выполненным совместно с плавательным бассейном, например. Тем не менее, для использования функции охлаждения через посредство соединительного воздуховода 15 особо целесообразно, чтобы система 10 была выполнена совместно со зданием, для которого, по меньшей мере, время от времени, необходимо охлаждение.
Что касается экранирующего солнце устройства 14, то оно может представлять собой перемещаемые вперед и назад, или вверх и вниз листы, например - как альтернатива жалюзи. Также не обязательно, чтобы экранирующее солнце устройство 14 находилось внутри внешнего пространства 2; с точки зрения экранирования может быть целесообразным его внешнее расположение, например - в виде устройства, подобного маркизам. С другом стороны, внешнерасположенное устройство 14 экранирования солнца более подвержено воздействию на него погодных условий, что может сказываться на его функционировании. Экранирующее солнце устройство 14 предпочтительно имеет электропривод, чтобы облегчить его автоматическое регулирование.
1. Теплонасосная система (10), содержащая:
- тепловой насос (5), выполненный с возможностью отбора тепловой энергии от наружного воздуха и отдачи тепловой энергии другой среде (20); и
- внешнее пространство (2), выполненное с возможностью нагревания наружного воздуха за счет солнечного излучения (12);
причем теплонасосная система (10) выполнена с возможностью пропускать наружный воздух в тепловой насос (5) через внешнее пространство (2), теплонасосная система (10) содержит средства (3, 6, 7, 7а, 7b, 9) регулирования потока наружного воздуха, идущего во внешнее пространство (2), отличающаяся тем, что теплонасосная система (10) дополнительно содержит температурный датчик для определения температуры (Т1) наружного воздуха и температурный датчик для определения температуры (Т4) потока воздуха, контактировавшего с тепловым насосом (5),
при этом средства (3, 6, 7, 7а, 7b, 9) регулирования потока наружного воздуха выполнены с возможностью пропускания потока воздуха, контактировавшего с тепловым насосом (5), и распределения упомянутого потока воздуха между первым выходным воздуховодом (7а), находящимся внутри внешнего пространства (2), и вторым выходным воздуховодом (7b), находящимся вне внешнего пространства (2).
2. Теплонасосная система (10) по п.1, отличающаяся тем, что теплонасосная система (10) содержит первый вентилятор (6), создающий поток наружного воздуха, идущий во внешнее пространство (2).
3. Теплонасосная система (10) по п.2, отличающаяся тем, что первый вентилятор (6) выполнен с возможностью создания идущего наружу потока воздуха из внешнего пространства (2), а теплонасосная система (10) содержит вход (3), позволяющий прохождение идущего внутрь потока наружного воздуха во внешнее пространство (2).
4. Теплонасосная система (10) по п.2 или 3, отличающаяся тем, что первый вентилятор (6) является составной частью теплового насоса (5).
5. Теплонасосная система (10) по п.1, отличающаяся тем, что средства (6, 7, 7а, 7b, 9) регулирования потока наружного воздуха содержат воздуховод (7) для проведения потока воздуха, контактировавшего с тепловым насосом (5), и клапанное устройство (9), осуществляющее регулируемое распределение упомянутого потока воздуха между первым выходным воздуховодом (7а), который осуществляет выпуск внутрь внешнего пространства (2), и вторым выходным воздуховодом (7b), который осуществляет выпуск наружу внешнего пространства (2).
6. Теплонасосная система (10) по п.3 или 5, отличающаяся тем, что первый вентилятор (6) соединен с воздуховодом (7).
7. Теплонасосная система (10) по любому из пп.1-3 и 5, отличающаяся тем, что теплонасосная система (10) выполнена в соединении со зданием (4), при этом теплонасосная система (10) содержит соединительный воздуховод (15), выполненный так, что по нему проходит воздух между внешним пространством (2) и зданием (4).
8. Теплонасосная система (10) по п.7, отличающаяся тем, что теплонасосная система (10) содержит средство (16, 17) регулирования потока воздуха, идущего по соединительному воздуховоду (15).
9. Теплонасосная система (10) по п.7 или 8, отличающаяся тем, что она содержит температурный датчик для определения температуры (Т2) воздуха во внешнем пространстве (2) и температурный датчик для определения температуры (ТЗ) воздуха внутри здания (4).
10. Теплонасосная система (10) по любому из пп.1-3, 5 и 8, отличающаяся тем, что внешнее пространство (2) имеет стены и/или крышу (13), которые, по меньшей мере, частично выполнены из прозрачного для солнечного излучения материала.
11. Теплонасосная система (10) по любому из пп.1-3, 5 и 8, отличающаяся тем, что теплонасосная система (10) содержит регулируемое экранирующее солнце устройство (14), выполненное с возможностью экранирования солнечного излучения (12) и тем самым ограничения нагревания наружного воздуха во внешнем пространстве (2).
12. Теплонасосная система (10) по п.1, отличающаяся тем, что тепловой насос (5) выполнен с возможностью отдачи тепловой энергии непосредственно или опосредованно одной или нескольким водным системам в здании (4), объекту или процессу.
13. Способ управления теплонасосной системой (10), выполненной согласно п.1, отличающийся тем, что он содержит этапы, на которых:
- определяют температуру (Т1) наружного воздуха,
- определяют температуру (Т4) потока воздуха, контактировавшего с тепловым насосом (5), и
- распределяют вышеупомянутый поток воздуха между первым выходным воздуховодом (7а), находящимся внутри внешнего пространства (2), и вторым выходным воздуховодом (7b), находящимся вне внешнего пространства (2), в зависимости от определенных значений температур (Т1) и (Т4).
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором:
- пропускают поток воздуха к первому выходному воздуховоду (7а), если температура (Т4) воздуха, контактировавшего с тепловым насосом (5), выше температуры (Т1) наружного воздуха.
15. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором:
- пропускают поток воздуха ко второму выходному воздуховоду (7b), если температура (Т4) воздуха, контактировавшего с тепловым насосом (5), ниже температуры (Т1) наружного воздуха.
16. Способ по п.13 или 14, в котором теплонасосная система (10) дополнительно содержит здание (4), выполненное соединенным с теплонасосной системой (10), причем теплонасосная система (10) включает в себя соединительный воздуховод (15), выполненный с возможностью пропускания воздуха между внешним пространством (2) и зданием (4), отличающийся тем, что способ содержит этапы, на которых:
- определяют температуру (Т2) во внешнем пространстве (2),
- определяют температуру (ТЗ) внутри здания (4) и
- пропускают воздух между внешним пространством (2) и зданием (4), в зависимости от определенных температур (Т2) и (Т3).
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором:
- пропускают воздух из внешнего пространства (2) в здание (4) в случае, если требуется нагревание внутреннего воздуха внутри здания (4) и (Т2) выше (Т3), или в случае, если требуется охлаждение внутреннего воздуха внутри здания (4) и (Т2) ниже (Т3).
18. Способ по п.16, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором:
- пропускают воздух из здания (4) во внешнее пространство.
