Спосіб роботи універсального теплового насоса

1. Спосіб роботи універсального теплового насоса, який включає стадії, де як тепловий насос використовують універсальний тепловий насос, у корпусі якого з утворенням контуру теплового насоса розміщені теплообмінниквипарник, компресор, теплообмінник-конденсатор, два теплообмінники-підігрівники, дросель, циркуляційний насос та пристрій керування, контур теплового насоса функціонально пов'язаний із зовнішнім контуром, контуром гарячого водопостачання, контуром опалювання та контуром охолоджування, перший теплообмінникпідігрівник розміщений перед дроселем, а другий теплообмінник-підігрівник розміщений після компресора, контур охолоджування містить теплообмінник-охолоджувач, за допомогою пристрою керування вибирають режим роботи теплового насоса, за допомогою циркуляційного насоса забезпечують циркуляцію теплоносія по зовнішньому контуру, холодоагент, що міститься у циркуляційному контурі, у теплообміннику-випарнику U 2 (19) 1 3 33618 товується тепловий насос. Зовнішній контур виконується у вигляді тр уби, усередині якої циркулює незамерзаюча рідина. Труба розміщується у свердловині на глибині 30-120 метрів та забезпечує подачу у будинок теплоносія з температурою землі (+8°С). Відібране у ґр унті тепло крізь теплообмінник передається теплоносію контуру теплового насосу, у якості якого використовується холодоагент - низько кипляча рідина (температура кипіння -3°С). Вона випарюється та у газоподібному стані 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 ви ходить 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. З рівня техніки відомо спосіб роботи теплового насосу [за деклараційним патентом України №45107 А, опублікований 15.03.2002p.], який включає стиснення газоподібного теплоносія, його конденсування, дроселювання, нагріву низько потенційним теплом та підігріву, при цьому підігрів газоподібного теплоносія здійснюється теплом, відведеним від дросельних пристроїв. До недоліків даного способу можна віднести використання його тільки для системи опалювання та гарячого водопостачання. Підігрів газоподібного теплоносія теплом відведеним від дросельних пристроїв забезпечує підвищення коефіцієнту перетворення теплового насосу, але при цьому не вирішується задача відновлення джерела низько потенційного тепла, що знижує ефективність даного способу. Також вважаємо нераціональним використання для дроселювання більш ніж одного дроселя. Як найближчий аналог способу роботи теплового насосу обрано спосіб роботи теплового насосу [за патентом України №31654 на корисну модель, опублікований 10.04.2008p.], що включає стадії, де як тепловий насос використовують універсальний тепловий насос, у корпусі якого з утворенням контуру теплового насосу розміщені теплообмінник-випарник, компресор, теплообмін 4 ник-конденсатор, теплообмінник-підігрівник, дросель, циркуляційний насос та пристрій управління, контур теплового насосу функціонально пов'язаний із зовнішнім контуром, контуром опалювання та контуром охолодження, теплообмінникпідігрівник розміщений перед дроселем, контур охолоджування містить теплообмінникохолоджувач; за допомогою пристрою управління обирають режим роботи теплового насосу; за допомогою циркуляційного насосу забезпечують циркуляцію теплоносія по зовнішнього контуру; холодоагент, що міститься у циркуляційному контурі, у теплообміннику-випарнику нагрівають теплом від теплоносія, який циркулює у зовнішньому контурі; перетворений у газ холодоагент стискають за допомогою компресора; утвореним у результаті стискання холодоагенту теплом за допомогою теплообмінника-конденсатора нагрівають теплоносій, який циркулює у контурі опалювання; залишковим теплом холодоагенту у теплообмінникупідігрівнику підігрівають теплоносій, який циркулює у зовнішньому контурі; дроселюють холодоагент; повторюють цикл роботи теплового насосу; та одночасно або окремо, у теплообмінникуохолоджувачі відбирають холод у теплоносія, який циркулює у зовнішньому контурі, із додатковим нагріванням теплоносія на виході з теплообмінника-охолоджувача. До недоліків даного способу можна віднести неможливість застосування даного способу для забезпечення гарячого водопостачання, оскільки не передбачається застосування контуру гарячого водопостачання. Тобто, не раціонально використовується тепло, яке може віддавати теплоносій, що циркулює у контурі теплового насосу. Зазначених вище недоліків позбавлений спосіб роботи універсального теплового насосу за корисною моделлю, що пропонується. Метою даної корисної моделі є удосконалення способу роботи універсального теплового насоса з підвищенням коефіцієнту перетворення теплового насосу, підвищеною функціональністю та економічністю, у декількох режимах, у тому числі режимі гарячого водопостачання, з використанням залишкового тепла для відновлення джерела низько потенційного тепла. Поставлена задача досягається тим, що - як тепловий насос використовують універсальний тепловий насос, у корпусі якого з утворенням контуру теплового насосу розміщені теплообмінник-випарник, компресор, теплообмінникконденсатор, два теплообмінника-підігрівника, дросель, циркуляційний насос та пристрій управління, контур теплового насосу функціонально пов'язаний із зовнішнім контуром, контуром гарячого водопостачання, контуром опалювання та контуром охолодження, перший теплообмінникпідігрівник розміщений перед дроселем, другий теплообмінник-підігрівник розміщений після компресору, контур охолоджування містить теплообмінник-охолоджувач; - за допомогою пристрою управління обирають режим роботи теплового насосу; 5 33618 - за допомогою циркуляційного насосу забезпечують циркуляцію теплоносія по зовнішнього контуру; - холодоагент, що міститься у циркуляційному контурі, у теплообміннику-випарнику нагрівають теплом від теплоносія, який циркулює у зовнішньому контурі; - перетворений у газ холодоагент стискають за допомогою компресора; - утвореним у результаті стискання холодоагенту теплом за допомогою теплообмінникапідігрівника нагрівають теплоносій, який циркулює у контурі гарячого водопостачання, а за допомогою теплообмінника-конденсатора нагрівають теплоносій, який циркулює у контурі опалювання; - залишковим теплом холодоагенту у теплообміннику-підігрівнику підігрівають теплоносій, який циркулює у зовнішньому контурі; - дроселюють холодоагент; - повторюють цикл роботи теплового насосу; та - одночасно або окремо, у теплообмінникуохолоджувачі відбирають холод у теплоносія, який циркулює у зовнішньому контурі, із додатковим нагріванням теплоносія на виході з теплообмінника-охолоджувача. 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 хвороботворних 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 температур у води для споживачів підвищують до 75-80°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 підвищення швидкості відбору холоду та, наприклад, спрямування холодного повітря, у контурі охолоджування використовують вентилятор. Для примусової циркуляції теплоносіїв контури гарячого водопостачання, охолодження та опалювання додатково обладнують циркуляційними насосами. Зовнішній контур функціонально є контуром низько потенційного тепла. Доцільно як теплоносій у зовнішньому контурі використовува ти 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. 6 Усередині контуру теплового насосу циркулює холодоагент, який обрано з групи, що включає аміак або хладони, у тому числі R22, R32, R125, R134A, R407C, R410A то що. Спосіб роботи теплового насосу здійснюють у різних режимах: гарячого водопостачання, опалювання, охолоджування та комбінованому режимі. При цьому, режими опалювання та охолоджування надалі у цьому опису зазначені як режими «зима» та «літо». Проте, 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 способу, що заявляється, 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 досягають за рахунок того, що спосіб роботи пристрою включає режим гарячого водопостачання, опалювання, режим охолоджування та комбінований режим. Підвищення економічності досягають за рахунок того, що в системі, у якій працює пристрій, що заявляється, максимально використовують всі енергетичні ресурси, що є у системі, у тому числі залишкову теплову енергію, яка утворюється при роботі пристрою в режимі «зима», «літо» та «зималіто». 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. 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 7 33618 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 100Вт, 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. 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. Універсальний тепловий насос містить теплообмінник-випарник, компресор, теплообмінникконденсатор, два теплообмінника-підігрівника, дросель, циркуляційний насос та пристрій управління, які розміщені у корпусі та утворюють контур теплового насосу. Контур теплового насосу функціонально пов'язаний із зовнішнім контуром, контуром гарячого водопостачання, контуром опалювання та контуром охолодження. Теплообмінникпідігрівник розміщений перед дроселем підігріває залишковим теплом теплоносій, що циркулює у зовнішньому контурі, у той час, як теплообмінникпідігрівник розміщений за компресором, підігріває залишковим теплом теплоносій, який циркулює у контурі гарячого водопостачання. Контур охолоджування містить теплообмінник-охолоджувач та може бути додатково обладнаний вентилятором, який може сприяти спрямуванню охолодженого повітря. Пристрій управління забезпечує функціонування теплового насосу принаймні у дво х режи 8 мах. Контур опалювання також обладнаний циркуляційним насосом та стандартним обладнанням системи опалювання. Контур гарячого водопостачання також обладнаний циркуляційним насосом та, наприклад, бойлером непрямого нагрівання. Контур охолоджування додатково обладнаний циркуляційним насосом, який забезпечує циркуляцію теплоносія зовнішнього контуру крізь теплообмінник-охолоджувач. Надалі розглянемо спосіб роботи універсального теплового насосу у різних режимах, а саме: режимі «зима», «літо» або комбінованому режимі «зима-літо», та у режимі гарячого водопостачання 1. Режим «зима» призначений для забезпечення опалювання та гарячого водопостачання або функції «тепла підлога». Теплоносій з джерела низько потенційного тепла з температурою приблизно 8°С за допомогою циркуляційного насосу подають на вхід теплообмінника-підігрівника, який підвищує температуру теплоносія приблизно до 13-15°С. Надалі теплоносій із зазначеною температурою подають на вхід теплообмінника-випарника, де він сприяє перетворенню холодоагенту, який циркулює у контурі теплового насосу, з рідкого стану до газоподібного стану. Холодоагент у газоподібному стані подають до компресору, де за рахунок стискання його температуру підвищують приблизно до 80°С та його подають до входу теплообмінника-конденсатора. У теплообміннику-конденсаторі нагрітий холодоагент віддає частину свого тепла теплоносію, який циркулює за допомогою циркуляційного насосу у контурі опалювання. Нагрітий теплоносій контуру опалювання надалі спрямовують до системи опалювання та гарячого водопостачання та знову повертають до теплообмінника-конденсатора. На виході теплообмінника-конденсатора температуру холодоагенту знижують приблизно до 35°С та його з газоподібного стану перетворюють у рідину. Надалі холодоагент подають на вхід теплообмінникапідігрівника, де він віддає частину свого тепла теплоносію, що циркулює у зовнішньому контурі. Додатково нагрітий до температури приблизно 15°С теплоносій повертають до джерела низько потенційного тепла. Підвищена температура теплоносія сприяє відновленню (регенерації) джерела низько потенційного тепла та є додатковим захистом джерела від замерзання. Холодоагент надалі подають до дроселя, який знижує тиск та температуру холодоагенту, а потім знову на вхід теплообмінника-випарника. 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 з температурою приблизно 8°С за допомогою циркуляційного насосу подають на вхід теплообмінника-охолоджувача, який відбирає холод у теплоносія та на виході підвищує його температуру приблизно до 13-15°С. Відібраним у теплоносія холодом охолоджують об'єкти за призначенням, наприклад, повітря, яке за допомогою додаткового вентилятора спрямовують до помешкання призначеного для охолодження, або воду, наприклад, 9 33618 для споживання. Надалі нагрітий теплоносій повертають до джерела низько потенційного тепла. Підвищена температура теплоносія сприяє відновленню (регенерації) джерела низько потенційного тепла та є додатковим захистом джерела від замерзання. Якщо режим «літо» використовують для кондиціювання повітря у помешканні, то витрати електроенергії будуть у десятки разів менше у порівнянні із витратами на кондиціювання із застосуванням кондиціонерів. Наприклад, витрати електричної енергії на роботу насосу та вентилятору у контурі о холоджування складає приблизно 100Вт, 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 Комп’ютерна в ерстка Н. Лисенко 10 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 спрямовують у теплообмінник-підігрівник, де частково тепло передається теплоносію, що за допомогою циркуляційного насосу циркулює у контурі гарячого водопостачання. Нагрітий теплоносій надалі спрямовують до обладнання, що забезпечує підвищення температури води у системі гарячого водопостачання до приблизно 75-80°С, наприклад бойлеру непрямого нагрівання. За рахунок використання зазначеної схеми знижують енерговитрати, які виникають при роботі обладнання, що забезпечує гаряче водопостачання. Таким чином, з огляду на усе ви щевикладене, можна зробити висновок, що технічна задача, яка поставлена при створенні способу роботи універсального теплового насосу виконана з досягненням зазначеного технічного результату. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601