Устройство для утилизации низкопотенциальной теплоты вытяжного воздуха метрополитена и способ его использования
Изобретение относится к устройству для утилизации низкопотенциальной теплоты вытяжного воздуха системы вентиляции метрополитена и способу его использования. Устройство содержит вытяжной канал, вентилятор, тепловой насос с теплообменником-утилизатором, компрессором, конденсатором и дроссельным устройством и размещенную рядом с упомянутым вытяжным каналом камеру, в которой расположен воздуховод, соединенный входом и выходом с упомянутым вытяжным каналом и содержащий дополнительный вентилятор и расположенный после него теплообменник-утилизатор, включенный в парокомпрессионный контур теплового насоса с компрессором, конденсатором и дроссельным устройством. Раскрыт способ использования устройства, включающий охлаждение вытяжного воздуха, при этом часть потока вытяжного воздуха дополнительным вентилятором отводят через расположенный в камере воздуховод в теплообменник-утилизатор, в котором с помощью парокомпрессионного цикла теплового насоса осуществляют его охлаждение и утилизацию его теплоты и затем возвращают в основной поток вытяжного воздуха перед основным вытяжным вентилятором с образованием параллельного потока вытяжного воздуха, причем охлаждение воздуха осуществляют до температуры ниже точки росы, а выпадающий конденсат впрыскивают в отводимый воздушный поток перед теплообменником-утилизатором, а при отсутствии спроса на низкопотенциальную тепловую энергию дополнительный вентилятор и тепловой насос выключают. Обеспечивается экономия энергии и исключение нарушения режима вытяжной вентиляции и дополнительного расхода энергии на привод основного вентиляционного агрегата повышенного напора из-за необходимости преодоления аэродинамического сопротивления теплообменника-утилизатора. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области повышения энергетической эффективности городского хозяйства, а именно к использованию сбросной теплоты городского метрополитена для выработки тепловой энергии с целью теплоснабжения объектов метрополитена или прилегающей застройки.
Известно техническое решение полезной модели РФ №120753 от 27.12.2012 г. «Система использования сбросного тепла метрополитена», согласно которому в вытяжном канале вентиляции метрополитена расположен утилизатор теплоты вытяжного воздуха, а именно теплообменник-испаритель парокомпрессионного контура теплового насоса, вырабатывающего тепловую энергию.
Недостатком такого решения является тот факт, что размещение теплообменника-испарителя в вытяжной шахте увеличивает аэродинамическое сопротивление воздушному потоку и, для сохранения параметров вентиляции, требует увеличения напора основного вентиляционного агрегата с соответствующим увеличением энергетических затрат на вентиляцию.
Предлагается устройство, в котором рядом с вытяжным каналом расположена камера с размещенным в ней воздуховодом, соединенным с упомянутым каналом входом и выходом, и содержащим дополнительный вентилятор и теплообменник-утилизатор, включенный в парокомпрессионный контур теплового насоса, снабженный компрессором, конденсатором и дроссельным устройством.
Устройство для осуществления предлагаемого способа поясняется рисунком на Фиг 1.
Рядом с основным вытяжным каналом 1 с вытяжным вентилятором 2 устраивают камеру 3, в которой установлен воздуховод 4 с размещенными в нем вентилятором 5 и теплообменником-утилизатором 6, включенным в качестве испарителя в парокомпрессионный контур теплового насоса, также содержащий компрессор 7, конденсатор 8 и дроссельный вентиль 9.
Устройство работает следующим образом. При включении вентилятора 5 необходимая для утилизации часть вытяжного воздуха отбирается из основного вытяжного канала 1 и через воздуховод 4 подается к теплообменнику-утилизатору 6, в котором охлаждается за счет испарение фреона парокомпрессионного контура, и возвращается в основной вытяжной канал 1 перед основным вытяжным вентилятором 2. Испарившийся фреон поступает в компрессор 7, затем в конденсатор 8, из которого теплота конденсации фреона передается на теплоснабжение, и через дроссельный вентиль 9 в жидком виде поступает в испаритель 6.
Такое решение позволяет избежать нарушения режима вытяжной вентиляции и дополнительного расхода энергии на привод основного вентиляционного агрегата повышенного напора из-за необходимости преодоления аэродинамического сопротивления теплообменника-утилизатора.
Также, с целью повышения эффективности теплообменника-утилизатора, предлагается охлаждать воздух в теплообменнике-утилизаторе до температуры ниже точки росы, а образовавшийся конденсат впрыскивать в поток воздуха перед теплообменником-утилизатором, повышая его влагосодержание.
Такое решение позволяет повысить тепловую эффективность работы теплообменника-утилизатора за счет использования, наряду с теплоемкостью воздушного потока, теплоты испарения влаги.
Например, при охлаждении тепловым насосом в теплообменнике-утилизаторе 1 кг воздуха без впрыска воды с 31 до 23°С (на 8°С) утилизируется 8 кДж теплоты.
При охлаждении на 5°С (23 до 18°С) 1 кг предварительно влагонасыщенного до относительной влажности ϕ=100% воздуха (и за счет этого предохлажденного с 31 до 23°С), согласно i-d диаграмме конденсируется 5,6 г воды, при этом извлекается 14 кДж тепловой энергии и дополнительно, за счет охлаждения собственно 1 кг воздуха, извлекается 5 кДж, что в сумме составляет 19 кДж, что в 2,4 раза больше по сравнению с исходным вариантом. Такое решение позволяет уменьшить теплообменную поверхность теплообменника-утилизатора и снизить его стоимость.
Кроме того, с целью экономии энергии предлагается в системе управления утилизацией предусмотреть, при отсутствии спроса на утилизируемую тепловую энергию, отключение вентилятора теплообменника-утилизатора и теплового насоса.
1. Устройство для утилизации низкопотенциальной теплоты вытяжного воздуха системы вентиляции метрополитена, содержащее вытяжной канал, вентилятор, тепловой насос с теплообменником-утилизатором, компрессором, конденсатором и дроссельным устройством, отличающееся тем, что оно снабжено размещенной рядом с упомянутым вытяжным каналом камерой, в которой расположен воздуховод, соединенный входом и выходом с упомянутым вытяжным каналом и содержащий дополнительный вентилятор и расположенный после него теплообменник-утилизатор, включенный в парокомпрессионный контур теплового насоса с компрессором, конденсатором и дроссельным устройством.
2. Способ утилизации низкопотенциальной теплоты вытяжного воздуха системы вентиляции метрополитена с использованием устройства по п. 1, включающий охлаждение вытяжного воздуха, отличающийся тем, что часть потока вытяжного воздуха дополнительным вентилятором отводят через расположенный в камере воздуховод в теплообменник-утилизатор, в котором с помощью парокомпрессионного цикла теплового насоса осуществляют его охлаждение и утилизацию его теплоты и затем возвращают в основной поток вытяжного воздуха перед основным вытяжным вентилятором с образованием параллельного потока вытяжного воздуха.
3. Способ утилизации низкопотенциальной теплоты вытяжного воздуха системы вентиляции метрополитена по п. 2, включающий охлаждение вытяжного воздуха, отличающийся тем, что охлаждение воздуха осуществляют до температуры ниже точки росы, выпадающий конденсат впрыскивают в отводимый воздушный поток перед теплообменником-утилизатором, а при отсутствии спроса на низкопотенциальную тепловую энергию дополнительный вентилятор и тепловой насос выключают.
