Способ управления и устройство грунтового теплообменника
Изобретение относится к области энергосбережения, в частности к использованию низкопотенциальной тепловой энергии грунтового массива с помощью тепловых насосов. Способ работы системы грунтовых теплообменников, использующей с помощью теплового насоса тепловую энергию или хладоресурс грунтового массива. При этом в грунтовом массиве размещено несколько грунтовых теплообменников вертикального типа с применением в качестве низконотенциального теплоносителя «ледяной воды». Так, в качестве теплоносителя используется вода, содержащая ледяную шугу, что позволяет обеспечить адаптацию системы к изменяющимся условиям поступления низкопотенциальной теплоты из грунтового массива. Также представлено устройство для реализации способа. Изобретение позволяет обеспечить авторегулирование системы грунтовых теплообменников без использования специальной регулирующей аппаратуры. 2 н. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Грунтовый теплообменник относится к области энергосберегающего теплохладоснабженя с использованием теплонасосных систем, использующих нетрадиционных возобновляемые источники энергии, в данном случае - теплоту грунтового массива.
Известна геотермальная теплонасосная система (патент РФ на полезную модель №120196), содержащая систему сбора низкопотенциального тепла грунта, состоящую из двух и более зон, параллельно подключенных к теплонасосному оборудованию, каждая из которых, в свою очередь, включает один и более герметичный вертикальный грунтовый теплообменник (термоскважину), а при эксплуатации теплонасосной системы теплоснабжения зоны включаются в работу поочередно, причем в режиме теплоснабжения приоритетом пользуются зоны с наивысшим температурным потенциалом грунта и наименьшим числом отработанных часов, а в режиме кондиционирования - зоны с наименьшим температурным потенциалом грунта.
Недостатком такой системы является то, что зоны подключаются непосредственно к теплонасосному оборудованию, что влечет за собой устройство в испарителе теплового насоса нескольких теплообменников от системы сбора низкопотенциального тепла грунта, что усложняет и удорожает теплонасосное оборудование. Кроме того, в этом случае управление подключением теплообменников должно осуществляться внешней отдельной системой автоматизации, содержащей датчики температур и регулирующие устройства.
В технике кондиционирования известны системы с использованием в качестве теплоносителя «ледяной воды», содержащей взвеси ледяной шуги (http://www.thermocool-group.ru/ftpgetfile.php?id=84&module=files). В связи с тем, что к теплоемкости теплоносителя добавляется теплота фазового перехода, тепловая эффективность увеличивается в 4-5 раз. Однако в рассматриваемом прототипе ледяная шуга играет лишь роль теплового аккумулятора, предназначенного для сглаживания пиковых нагрузок.
Недостатком такого технического решения для рассматриваемой задачи является то, что ледяная шуга не участвует в теплообменных процессах, проходящих непосредственно в теплообменнике, и не влияет на его эффективность.
Предлагаемое изобретение касается способа работы и устройства системы грунтовых теплообменников, использующей теплоту или хладоресурс грунтового массива при помощи теплового насоса, содержащей нескольких зон грунтовых теплообменников, с применением в качестве низкопотенциального теплоносителя «ледяной воды» - воды, содержащей ледяную шугу, и устройства для его реализации, содержащего тепловой насос, генератор ледяной шуги, циркуляционный насос, циркуляционные трубопроводы и несколько грунтовых теплообменников.
Устройство поясняется чертежом.
Устройство содержит несколько соединенных параллельно грунтовых теплообменников 1, генератор ледяной шуги 2, циркуляционный насос 3, объединенные в единый циркуляционный контур трубопроводами 4, заполненный водой, причем генератор ледяной шуги 2 расположен перед грунтовыми теплообменниками 1. В генераторе ледяной шуги 2 размещен испаритель И теплового насоса 5, который со стороны конденсатора К подключен к системе теплоснабжения 6. На выходе циркуляционного насоса 3 расположен трехходовой кран 7, соединенный с системой кондиционирования 8 прямым трубопроводом, а перед грунтовыми теплообменниками в циркуляционный контур через запорный кран 9 подключен обратный трубопровод системы кондиционирования 8.
Устройство работает следующим образом. При работе теплового насоса 5 в режиме теплоснабжения его испаритель, размещенный в генераторе 2, вырабатывает ледяную шугу, которая вместе с водой циркуляционным насосом подается в грунтовые теплообменники 1. Под воздействием теплоты грунтового массива ледяная шуга плавится и вода поступает в генератор 2, где процесс повторяется. При этом температура теплоносителя - воды с ледяной шугой, колеблется в пределах от 0°C до минус 0,5°C, что повышает эффективность работы теплового насоса. В случае неравномерности поступления грунтовой теплоты в различные грунтовые теплообменники происходит автоматическое выравнивание режимов теплообменников: там, где поступление теплоты выше, происходит более интенсивное таяние ледяной шуги, что приводит к уменьшению гидравлического сопротивления соответствующего теплообменника и увеличению подачи теплоносителя по сравнению с остальными теплообменниками, и система обретает способность автоматически адаптироваться к изменяющимся условиям теплового состояния различных участков грунтового массива.
Таким образом, известное в технике применение ледяной воды, содержащей шугу, в данном случае дает новый технический эффект авторегулирования, что позволяет обойтись без специальной регулирующей аппаратуры.
При работе теплонасосной системы на холодоснабжение системы кондиционирования трехходовой кран 7 переключается на подачу теплоносителя в систему кондиционирования, а запорный кран 9 открывается на подачу обратного потока из системы кондиционирования в грунтовые теплообменники 1, где предварительно охлаждается, затем поступает в генератор ледяной шуги 2 и оттуда в систему кондиционирования. Предварительное охлаждение теплоносителя системы кондиционирования за счет хладоресурса грунта позволяет снизить нагрузку на генератор ледяной шуги и, как следствие, расход энергии на привод теплового насоса 5.
1. Способ работы системы грунтовых теплообменников, использующей с помощью теплового насоса тепловую энергию или хладоресурс грунтового массива путем размещения в последнем двух и более зон грунтовых теплообменников с циркулирующим в них теплоносителем, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используется вода, содержащая ледяную шугу, обеспечивающая адаптацию системы к изменяющимся условиям поступления низкопотенциальной теплоты из грунтового массива.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в летний период вода из обратных трубопроводов системы кондиционирования подается в грунтовые теплообменники, а затем, после предварительного охлаждения в них, подается в генератор ледяной шуги и оттуда в систему кондиционирования.
3. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее две или более зон грунтовых теплообменников, тепловой насос, циркуляционный насос и циркуляционные трубопроводы, образующие циркуляционный контур, отличающееся тем, что циркуляционный контур заполнен водой и в нем перед грунтовыми теплообменниками расположен генератор ледяной шуги с размещенным внутри испарителем теплового насоса.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что трубопровод подачи теплоносителя в грунтовые теплообменники соединен через трехходовой кран с обратным трубопроводом системы кондиционирования, а генератор ледяной шуги соединен через трехходовой кран с прямым трубопроводом системы кондиционирования.
