Універсальний тепловий насос

1. Універсальний тепловий насос, що містить корпус, у якому з утворенням контуру теплового насоса розміщені теплообмінник-випарник, компресор, теплообмінник-конденсатор, теплообмінник-підігрівник, дросель, циркуляційний насос, який прокачує теплоносій із джерела низькопотенційного тепла, та пристрій керування, контур теплового насоса функціонально пов'язаний із зовнішнім контуром, контуром опалювання та контуром охолодження, теплообмінник-підігрівник розміщений перед дроселем, підігріває залишковим теплом теплоносій, що циркулює у зовнішньому контурі, контур охолоджування містить теплообмінник-охолоджувач, пристрій керування забезпечує функціонування теплового насоса принаймні у двох режимах, який відрізняється тим, що у контурі теплового насоса за компресором розташований додатковий теплообмінник U 2 (19) 1 3 подається до компресору, де у результаті стискання нагрівається до температури 80-85°С та крізь теплообмінник передає надлишок тепла теплоносію, який циркулює у контурі опалювання. За такої схеми отримана теплова енергія значно перевищує енергію витрачену на роботу компресора. Таким чином, тепловий насос здійснює трансформацію теплової енергії з низького температурного рівня на більш високий, необхідний споживачу. Відношення отриманої теплової енергії до витраченої енергії (на роботу компресора) називають коефіцієнтом перетворення теплового насосу або коефіцієнтом трансформації. Цей коефіцієнт залежить від температури первинного джерела тепла та від температури теплоносія, що виходить з контуру теплового насосу. Зазвичай коефіцієнт перетворення теплового насосу досягає у середньому значення 3 або трохи більше. Зрозуміло, що перевагу мають теплові насоси з найбільшим коефіцієнтом перетворення теплового насосу. Теплообмінник, який змінює стан теплоносія з рідкого на газоподібний, зазвичай називають випарником, а теплообмінник, який змінює стан теплоносія з газоподібного на рідкий, зазвичай називають конденсатором. Відома теплонасосна установка [Резерви природного тепла. Журн. «Техніка і наука», №5, 1982р., с.15], що містить тепловий насос з випарником і конденсатором, компресором та електродвигуном системи господарсько-питного водопостачання. Вода надходить із свердловини з температурою +40°С і розділяється на два потоки, один із яких йде на випарник, а іншій - на конденсатор теплового насоса. У випарнику геотермальна вода прохолоджується до +20°С та спрямовується до системи господарсько-питного водопостачання. Другий потік нагрівається в конденсаторі до температури +65°С та подається до системи гарячого водопостачання. До недоліків описаної конструкції можна віднести: неможливість підвищення коефіцієнту перетворення теплового насосу, неможливість підвищення функціональності та економічності пристрою. Залишкове тепло, яке має теплоносій контуру теплового насосу після передачі тепла контуру опалювання безповоротно втрачається під час дроселювання. Крім того, використання такого пристрою обмежено тільки застосуванням при наявності джерела геотермальних вод, які нажаль, не дуже поширені на території України та й інших країн Європи. Відомий тепловий насос, описаний в [Д.Рей, Д.Макмайкл. Тепловые насосы. М., с.142, 1982], який складається з послідовно розташованих постачального насоса, контуру теплоносія, випарника, компресора та конденсатора, поєднаного через дросель з випарником. Постачальний насос качає теплоносій із навколишнього середовища в випарник, в якому міститься холодоагент, холодоагент відбирає від теплоносія тепло та надходить до компресора, в якому за рахунок стиснення його температура підвищується до температури вище 33617 4 температури конденсації. З компресора холодоагент надходить до конденсатора, в якому за рахунок конденсації пара виділяється тепло, яке передається споживачу. Охолоджений в конденсаторі холодоагент, надходить через дросель, у якому він розширюється та охолоджується нижче температури навколишнього середовища, в випарник. До недоліків описаної конструкції можна віднести: неможливість підвищення коефіцієнту перетворення теплового насосу, неможливість підвищення функціональності та економічності пристрою. Температури, до якої нагрівається теплоносій недостатньо для використання його для підігріву води у системі гарячого водопостачання. Залишкове тепло, яке має теплоносій контуру теплового насосу після передачі тепла контуру опалювання безповоротно втрачається під час дроселювання. Також відомий багатофункціональний тепловий насос за [патентом України №20778 на корисну модель, опублікований 15.02.2007p.], що включає компресор для перекачування робочого тіла, три теплообмінники, конденсатор, випарник, два спонукачі витрати охолоджуваного середовища, пристрій керування, фільтри і трубопроводи, при цьому функціонально виділені конденсаторпідігрівник і випарник-охолоджувач робочого тіла. До недоліків описаної конструкції можна віднести: неможливість підвищення коефіцієнту перетворення теплового насосу, дублювання однієї операції різними пристроями, невиправдана складність пристрою. Температури, до якої нагрівається теплоносій недостатньо для використання його для підігріву води у системі гарячого водопостачання. Залишкове тепло, яке має теплоносій контуру теплового насосу після передачі тепла контуру опалювання безповоротно втрачається під час дроселювання. Неможливість відновлювати та підтримувати у робочому стані джерело низько потенційного тепла. Як найближчий аналог універсального теплового насосу обрано тепловий насос [за України №31653 на корисну модель, опублікований 10.04.2008p.], що включає компресор, теплообмінник, конденсатор, випарник, дросель, пристрій управління, при цьому, у корпусі теплового насосу з утворенням контуру теплового насосу розміщені теплообмінник-випарник, компресор, теплообмінник-конденсатор, теплообмінник-підігрівник, дросель, циркуляційний насос, який прокачує теплоносій із джерела низько потенційного тепла та пристрій управління, контур теплового насосу функціонально пов'язаний із зовнішнім контуром, контуром опалювання та контуром охолодження, теплообмінник-підігрівник розміщений перед дроселем підігріває залишковим теплом теплоносій, що циркулює у зовнішньому контурі, контур охолоджування містить теплообмінник-охолоджувач, пристрій управління забезпечує функціонування теплового насосу принаймні у двох режимах. Основним недоліком даної корисної моделі є те, що залишається невикористаною енергія теплоносія, який виходить з компресора (температура теплоносія складає приблизно 80°С). Тобто, діюча схема теплового насосу не передбачає викорис 5 тання енергії теплоносія для застосування у системі гарячого водопостачання. Зазначених вище недоліків позбавлений універсальний тепловий насос за корисною моделлю, що пропонується. Метою даної корисної моделі є завдання створення нового універсального теплового насоса з підвищеним коефіцієнтом перетворення теплового насосу, підвищеною функціональністю та економічністю, який функціонує у декількох режимах, використовує залишкове тепло для відновлення джерела низько потенційного тепла та також підвищити температуру теплоносія до рівня, що забезпечує використання його для підігріву води у системі гарячого водопостачання. Поставлена задача досягається тим, що пропонується універсальний тепловий насос, який містить компресор, теплообмінник, конденсатор, випарник, дросель, пристрій управління, при цьому, у корпусі теплового насосу з утворенням контуру теплового насосу розміщені теплообмінниквипарник, компресор, теплообмінник-конденсатор, теплообмінник-підігрівник, дросель, циркуляційний насос, який прокачує теплоносій із джерела низько потенційного тепла та пристрій управління, контур теплового насосу функціонально пов'язаний із зовнішнім контуром, контуром опалювання та контуром охолодження, теплообмінник-підігрівник розміщений перед дроселем підігріває залишковим теплом теплоносій, що циркулює у зовнішньому контурі, контур охолоджування містить теплообмінник-охолоджувач, пристрій управління забезпечує функціонування теплового насосу принаймні у двох режимах. Несподівано було знайдено, що коли у контурі теплового насосу за компресором розмістити додатковий теплообмінник-підігрівник, то його можна використати для підігріву залишковим теплом теплоносія, що циркулює у контурі гарячого водопостачання. Таким чином, утворюється додатковий контур - контур гарячого водопостачання. При цьому основна схема теплового насосу залишається практично незмінною. Слід також зауважити, що енергії теплоносія, який циркулює у контурі гарячого водопостачання, достатньо для підігріву води, що використовується споживачами лише до температури 40-50°С. Водне середовище з такою температурою є найкращою мікрофлорою для розвитку болезнеутворюючих мікробів. Якщо її додатково не підігрівати, то з урахуванням того, що система гарячого водопостачання є відкритою системою, споживачі отримають воду з великою кількістю мікробів. Отже включення у контур гарячого водопостачання бойлера непрямого нагрівання є обов'язковим. Саме з його допомогою температуру води для споживачів підвищують до 7580°С, що згубно діє на мікроби. За рахунок того, що вода для системи гарячого водопостачання частково нагрівається за допомогою контуру гарячого водопостачання, знижуються витрати енергії на роботу бойлера непрямого нагрівання та дозволяє використовувати бойлер непрямого нагрівання меншої ємності. Для примусової циркуляції теплоносіїв контур охолодження, контур опалювання та контур гаря 33617 6 чого водопостачання додатково обладнані циркуляційними насосами. Зовнішній контур функціонально є контуром низько потенційного тепла. Доцільно як теплоносій у зовнішньому контурі використовувати рідини із низькою температурою замерзання, наприклад, гліколі, температура замерзання яких змінюється від -4,3°С для триетиленгліколю до -77°С для 1,3-бутиленгліколю. Доцільно для примусового обдування теплообмінника-охолоджувача використовувати у контурі охолоджування додатковий вентилятор, який сприяє спрямуванню охолодженого повітря до помешкання. Усередині контуру теплового насосу циркулює холодоагент, який обрано з групи, що включає аміак або хладони, у тому числі R22, R32, R125, R134A, R407C, R410А тощо. Тепловий насос, крім застосування у системі гарячого водопостачання, призначений для роботи в декількох різних режимах - опалювання та охолоджування, які надалі у цьому опису зазначені як режими «зима» та «літо». При цьому робота в режимі «літо», наприклад, для кондиціювання повітря, не виключає можливості підігріву води або використання теплового насосу для забезпечення функції «тепла підлога», тобто можливим є комбінований режим «зима-літо». Крім цього, тепловий насос має можливість окремо працювати на систему опалювання або на систему охолоджування. У режимі «літо» можливо охолодження не тільки повітря, тобто реалізація функції кондиціювання, а також можна охолоджувати воду, наприклад, для споживання або з іншою метою. Зазначені вище режими роботи теплового насосу забезпечує пристрій управління, який реалізовано у вигляді електронного блоку. Між суттєвими ознаками пристрою, що заявляються, та технічним результатом, якого досягають за їх допомогою, існує наступний причиннонаслідковий зв'язок. За рахунок додаткового підігрівання теплоносія, який циркулює у зовнішньому контурі, залишковим теплом від теплоносія, який циркулює у контурі теплового насосу, збільшують значення коефіцієнта перетворення теплового насосу збільшується до 4 або навіть вище. Підвищення функціональності досягається за рахунок того, що пристрій, що заявляється, ефективно працює в режимі гарячого водопостачання, опалювання, режимі охолоджування та у комбінованому режимі. Підвищення економічності досягається за рахунок того, що в системі, у якій працює пристрій, що заявляється, максимально використовуються всі енергетичні ресурси, що є у системі, у тому числі залишкова теплова енергія, яка утворюється при роботі пристрою в режимі «зима», «літо» та «зима-літо». При цьому, при роботі пристрою у режимі «зима» задіяні зовнішній контур, контур теплового насосу та контур опалювання, при роботі пристрою у режимі «літо» задіяні зовнішній контур та контур охолоджування, а при роботі у комбінованому режимі «зима-літо» задіяні усі зазначені контури. 7 Розміщення за компресором додаткового теплообмінника-підігрівника дозволяє використовувати здійснювати передачу тепла від теплоносія, що виходить з компресора з температурою приблизно 80°С, теплоносію, що циркулює у системі гарячого водопостачання. Циркуляційний насос, розміщений у контурі гарячого водопостачання забезпечує циркуляцію зазначеного теплоносія. Підігрітий у теплообміннику теплоносій надалі спрямовується до бойлеру непрямого нагрівання, у якому здійснюється кінцеве формування води для гарячого водопостачання. При роботі у режимі охолоджування та у комбінованому режимі вартість кондиціювання повітря у помешканні у десятки разів дешевше за вартість кондиціювання із застосуванням кондиціонерів. Наприклад, витрати електричної енергії на роботу насосу та вентилятору у контурі охолоджування складає приблизно 100 Вт, у той час, як споживана потужність кондиціонера для помешкання площею 15кв.метрів складає приблизно 1500Вт. Також, при використанні системи кондиціювання з вулиці відбирають тільки до 15% свіжого повітря (дуже дорого охолоджувати усі 100% повітря), у той час, як при охолодженні повітряіз застосуванням джерела низько потенційного тепла можливим є 100%-й відбір повітря з вулиці. Несподівано було знайдено, що за допомогою додаткового нагрівання теплоносія, що повертається до джерела низько потенційного тепла, можна підтримувати стабільність джерела, сприяти його відновленню та додатково захищати його від можливого замерзання. Відновлення джерела низько потенційного тепла відбувається за допомогою залишкової теплової енергії, яка утворюється при роботі пристрою в режимі «зима», «літо» та комбінованому режимі «зима-літо», та спрямовується на підігрівання теплоносія, який циркулює у зовнішньому контурі. Температура на вході та виході теплообмінника-підігрівника змінюється у залежності від режиму роботу, тобто від навантаження. Так, якщо навантаження на тепловий насос невелике (наприклад, у літній період), йде малий відбір тепла із джерела низько потенційного тепла та джерело низько потенційного тепла не є «виснаженим», то теплоносій з джерела низько потенційного тепла приходить на вхід теплообмінника-підігрівника із температурою приблизно 8-10°С. У такому випадку температура теплоносія на виході з теплообмінника-підігрівника складає приблизно 10-15°С. Якщо навантаження на тепловий насос велике, триває постійний відбір тепла з джерела низько потенційного тепла, то теплоносій з джерела низько потенційного тепла приходить на вхід теплообмінника-підігрівник із температурою приблизно 01,5°С. У такому випадку температура теплоносія на виході з теплообмінника-підігрівника складає приблизно 5-7°С. Наведені нижче Фіг. пояснюють конструктивні особливості універсального теплового насосу, що заявляється. Фігури креслення, як і описи прикладів конкретного виконання теплового насосу та способу його роботи, наведені лише для ілюстра 33617 8 ції заявленої корисної моделі і не обмежують обсяг прав, визначений формулою корисної моделі. Фіг. - загальний схематичний вигляд теплового насосу та функціонально пов'язаних з ним зовнішнього контуру, контуру гарячого водопостачання, опалювання та контуру охолоджування. Універсальний тепловий насос 1, який містить компресор 2, теплообмінник (3, 4, 5, 12, 14), конденсатор 4, випарник 3, дросель 6, пристрій управління (не показаний), при цьому, у корпусі теплового насосу 1 з утворенням контуру теплового насосу розміщені теплообмінник-випарник 3, компресор 2, теплообмінник-підігрівник 14, теплообмінник-конденсатор 4, теплообмінник-підігрівник 5, дросель 6, циркуляційний насос 8, який прокачує теплоносій із джерела низько потенційного тепла 7 та пристрій управління (не показаний), контур теплового насосу функціонально пов'язаний із зовнішнім контуром, контуром гарячого водопостачання, контуром опалювання та контуром охолодження, теплообмінник-підігрівник 5 розміщений перед дроселем 6 підігріває залишковим теплом теплоносій, що циркулює у зовнішньому контурі, контур охолоджування містить теплообмінник-охолоджувач 12 та може бути додатково обладнаний вентилятором 13, який може сприяти спрямуванню охолодженого повітря, пристрій управління забезпечує функціонування теплового насосу принаймні у двох режимах. Контур опалювання також обладнаний циркуляційним насосом 9 та стандартним обладнанням системи опалювання та гарячого водопостачання 10. Контур охолоджування додатково обладнаний циркуляційним насосом 11, який забезпечує циркуляцію теплоносія зовнішнього контуру крізь теплообмінникохолоджувач 12. Контур гарячого водопостачання також обладнаний циркуляційним насосом 15 та бойлером непрямого нагрівання 16. Надалі розглянемо роботу універсального теплового насосу у різних режимах, а саме: режимі «зима», «літо» та комбінованому режимі «зималіто». 1. Режим «зима» призначений для забезпечення опалювання та гарячого водопостачання або функції «тепла підлога». Теплоносій з джерела низько потенційного тепла 7 з температурою приблизно 8°С за допомогою циркуляційного насосу 8 подається на вхід теплообмінника-підігрівника 5, який підвищує температуру теплоносія приблизно до 13-15°С. Надалі теплоносій із зазначеною температурою подається на вхід теплообмінника-випарника 3, де він сприяє перетворенню холодоагенту, який циркулює у контурі теплового насосу, з рідкого стану до газоподібного стану. Холодоагент у газоподібному стані подається до компресору 2, де за рахунок стискання його температура підвищується приблизно до 60°С і він подається до входу теплообмінника-конденсатора 4. У теплообмінникуконденсаторі 4 нагрітий холодоагент віддає частину свого тепла теплоносію, який циркулює за допомогою циркуляційного насосу 9 у контурі опалювання. Нагрітий теплоносій контуру опалювання надалі поступає до системи опалювання та гарячого водопостачання 10 та знову повертається до 9 33617 теплообмінника-конденсатора 4. На виході теплообмінника-конденсатора 4 температура холодоагенту знижується приблизно до 35°С та він з газоподібного стану перетворюється у рідину. Надалі холодоагент поступає на вхід теплообмінникапідігрівника 5, де він віддає частину свого тепла теплоносію, що циркулює у зовнішньому контурі. Додатково нагрітий до температури приблизно 15°С теплоносій повертається до джерела низько потенційного тепла. Підвищена температура теплоносія сприяє відновленню (регенерації) джерела низько потенційного тепла 7 та є додатковим захистом джерела 7 від замерзання. Холодоагент надалі поступає до дроселя 6, який знижує тиск та температуру холодоагенту, а потім знову на вхід теплообмінника-випарника 3. 2. Режим «літо» призначений для створення холодного повітря, наприклад, з метою кондиціювання, та охолодження, наприклад, води для споживання або господарських цілей. Теплоносій з джерела низько потенційного тепла 7 з температурою приблизно 8°С за допомогою циркуляційного насосу 11 подається на вхід теплообмінника-охолоджувача 12, який відбирає холод у теплоносія та на виході підвищує його температуру приблизно до 13-15°С. Відібраним у теплоносія холодом охолоджується повітря, яке за допомогою вентилятора 13 спрямовується до помешкання призначеного для охолодження. Надалі нагрітий теплоносій повертається до джерела низько потенційного тепла. Підвищена температура теплоносія сприяє відновленню (регенерації) джерела низько потенційного тепла 7 та є додатковим захистом джерела 7 від замерзання. Зрозуміло, що контур охолоджування води буде відрізнятися від наведеної на Фіг. схеми функціонування. Якщо режим «літо» використовують для кондиціювання повітря у помешканні, то витрати електроенергії будуть у десятки разів менше у порівнянні із витратами на кондиціювання із Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 10 застосуванням кондиціонерів. Наприклад, витрати електричної енергії на роботу насосу та вентилятору у контурі охолоджування складає приблизно 100 Вт, у той час, як споживана потужність кондиціонера для помешкання площею 15кв.метрів складає приблизно 1500Вт. Також, при використанні системи кондиціювання з вулиці відбирають тільки до 15% свіжого повітря (дуже дорого охолоджувати усі 100% повітря), у той час, як при охолодженні повітря із застосуванням джерела низько потенційного тепла можливим є 100%-й відбір повітря з вулиці. 3. Комбінований режим «зима-літо» призначений для забезпечення опалювання та гарячого водопостачання або функції «тепла підлога» та для створення холодного повітря та охолодження помешкань. У цьому режимі тепловий насос одночасно працює як у режимі «зима», так й у режимі «літо», тобто для нього характерні усі переваги, які спостерігаються для режимів «зима» та «літо». 4. Режим гарячого водопостачання призначений для забезпечення споживачів гарячою водою. Теплоносій, який циркулює у контурі теплового насосу після компресору з температурою приблизно 80°С спрямовується у теплообмінникпідігрівник 14, де частково тепло передається теплоносію, що за допомогою циркуляційного насосу 15 циркулює у контурі гарячого водопостачання. Нагрітий теплоносій надалі спрямовується до обладнання, що забезпечує гаряче водопостачання, наприклад бойлеру непрямого нагрівання. За рахунок використання зазначеної схеме знижуються енергозатрати, які виникають при роботі обладнання, що забезпечує гаряче водопостачання. Таким чином, з огляду на усе вищевикладене, можна зробити висновок, що технічна задача, яка поставлена при створенні даного універсального теплового насосу виконана з досягненням зазначеного технічного результату. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601