Спосіб теплонасосної утилізації низькопотенційної теплової енергії вентиляційного повітря метрополітену та установка для його реалізації

1 Спосіб теплонасосної утилізації низькопотенційної теплової енергії вентиляційного повітря метрополітену, що включає циркуляцію робочого тіла з його фазовими перетвореннями в контурі теплового насоса, охолодження вентиляційного повітря у випарнику з використанням додаткового теплообмінника, підвищення потенціалу робочого тіла в компресорі та охолодження його в конденсаторі з одержанням теплоносія для теплопостачання об'єктів, який відрізняється тим, що охолоджуване повітря розділяють на два неоднакові за дебітом потоки, які поперемінно спрямовують до двох ідентичних частин випарника, рідке робоче тіло синхронно зі зміною дебіту повітряних потоків спрямовують у ту частину випарника, через яку проходить більший за дебітом потік, теплову енергію меншого за дебітом потоку використовують для очищення неробочої частини випарника від намерзлої криги, а зміни дебіту повітряних потоків і напряму руху робочого тіла через частини випарника проводять одночасно і автоматично у випадках, коли температура охолодженого у ви парнику повітря або температура поверхні робочої частини випарника перевищать задані верхні межі, при цьому співвідношення дебітів повітряних потоків визначають в залежності від теплового потенціалу охолоджуваного повітря і потужності теплового насоса, а воду з відталої криги відводять у дренажну систему метрополітену 2 Установка для теплонасосної утилізації низькопотенційної теплової енергії вентиляційного повітря метрополітену, що включає тепловий насос з контуром циркуляції робочого тіла, випарником, встановленим в потоці охолоджуваного повітря, та конденсатором, з'єднаним із системою теплопостачання, яка відрізняється тим, що випарник теплового насоса виконано з двох однакових теплообмінників, приєднаних до контуру циркуляції робочого тіла паралельно, а установка додатково включає розгалужувач-перемикач повітряних потоків, розташований перед випарником за ходом повітря, перемикач напряму руху робочого тіла, датчики температури поверхні обох частин випарника, датчик температури повітря, розташований після випарника за ходом повітря, електронну схему та пристосування для збору і відводу краплинної вологи, при цьому розгалужувач-перемикач повітряних потоків виконаний з можливістю зміни співвідношення дебітів і електрично з'єднаний з перемикачем напряму руху робочого тіла, датчиками температури і електронною схемою Винахід відноситься до енергоощадного регулювання теплового режиму підземних споруд і може знайти застосування при опаленні та кондицюнуванні підземних приміщень метрополітенів, а також підземних споруд іншого призначення Відомий спосіб регулювання температури тунельного повітря метрополітенів (див АС СРСР кл Е 21 F 3/00, Е 21 F 1/00, № 1093822, опубл 23 05 84 Бюл Изобр № 19), який з метою зниження експлуатаційних витрат на регулювання повітря в теплий період року передбачає викорис тання конструкцій тунелю і прилягаючих шарів ґрунту в якості регуляторів теплового режиму і реалізується шляхом розсередженого видалення повітря через підплатформений простір Цей спосіб взагалі не передбачає утилізації теплоти вентиляційного повітря Крім того, в разі його реалізації можливе підвищення споживання теплової енергії об'єктами метрополітену взимку саме через недостатнє літнє прогрівання конструкцій тунелю і прилягаючих шарів ґрунту Відомий також спосіб регулювання теплового О ю (О ю 56590 ператури, циркуляційний насос і два додаткові теплообмінники - для системи повітряного опалення і для відводу надлишкової теплоти трансформаторного залу СТП Система дозволяє отримувати економію витрат на енергоносії шляхом задоволення потреб службових приміщень у тепловій енергії з допомогою теплових насосів за рахунок часткової утилізації низькопотенційної теплової енергії вентиляційного повітря метрополітену Відома конструкція системи багатоелементна, громіздка, не виключає скидання частини надлишкової теплоти СТП в тунельне повітря, а далі - в атмосферу і не забезпечує можливої глибини утилізації теплової енергії В основу першого з винаходів поставлено задачу створення способу теплонасосної утилізації низькопотенційної теплової енергії вентиляційного повітря метрополітену, в якому шляхом розділення охолоджуваного повітря на два неоднакові за дебітом потоки, спрямування їх поперемінне до двох ідентичних частин випарника з синхронною зміною напряму рідкого робочого тіла до тієї частини випарника, через яку проходить більший за дебітом потік, і використання теплової енергії меншого за дебітом потоку для очищення неробочої частини випарника від намерзлої криги, досягається високий ступінь утилізації теплоти вентиляційного повітря із запобіганням підвищення термічного опору випарника при обмерзанні теплообмінної Відомий спосіб застосування енергозберігаюповерхні чого теплонасосного устаткування для теплопостачання станцій метрополітену (див статтю ЖиВ основу другого з групи винаходів поставлено дович И С, Некрасов С В Применение задачу створення установки для теплонасосної энергосберегающего оборудования и систем для утилізації теплоти вентиляційного повітря метроавтономного теплоснабжения станций Минского політенів, в якій шляхом використання двох іденметрополитена // Метро, 1997, № 1 - 2,- С 69 - 70), тичних частин теплообмінника - випарника тепловибраний в якості прототипу В цьому способі два вого насосу, приєднаних до контуру циркуляції теплові насоси використовуються, як джерела теробочого тіла паралельно, поперемінного автомаплоти для часткового енергозабезпечення процетичного включення їх в роботу за сигналами датсів опалення, вентиляції та гарячого водопостачиків температури при досягненні її заданих значання, і одночасно, як охолоджувачі припливного чень з допомогою розгалуджувача-перемикача повітря Теплові насоси типу "повітря-вода" встаповітряних потоків, перемикача напряму руху роновлені у підземній вентиляційній камері, інтегробочого тіла і електронної схеми, а також завдяки вані до систем вентиляції та опалення службових тепловому очищенню неробочої частини від намеприміщень і використані замість установок місцерзлої криги і відводу відталої води у дренажну сисвої вентиляції станційної тяглової електропідстантему метрополітену з допомогою пристосувань ції (СТП) Реалізація способу передбачає викорисдля збору краплинної вологи досягається і підтритання додаткових контурів циркуляції проміжного мується максимально можливий ступінь (глибина) теплоносія - води утилізації теплоти вентиляційного повітря режиму тунелів метрополітену (див АС СРСР кл Е 21 F 3/00, № 1567793, опубл 30 05 90 Бюл Изобр № 20), який передбачає штучне охолодження повітря метрополітену у спеціальних збійках і дозволяє при проектуванні траси за допомогою математичного виразу визначати відстань між платформою станції та центральною збійкою перегону з урахуванням перерізу тунелю, швидкості потягів, фізичних властивостей повітря, довжини платформи та величин тепловиділення на різних дільницях перегону між станціями Застосування способу, за думкою авторів, дозволяє знизити енерговитрати на штучне охолодження (кондицюнування) повітря метрополітену Але використання вказаного способу потребує значних капітальних і експлуатаційних витрат на створення спеціального підземного простору, встановлення і експлуатацію потужних холодильних установок, розрахованих на обробку всього потоку повітря тунельної вентиляції Крім того, як відомо, робота холодильних установок супроводжується виробкою додаткової теплоти Тому з точки зору загального енергетичного балансу при реалізації відомого способу назовні без утилізації викидається не тільки вся надлишкова технологічна теплота метрополітену, але й теплота від роботи холодильних установок, завдяки чому ефективність регулювання теплового режиму не підвищується, а навіть знижується Недоліками відомого способу є складність здійснення змін режимів роботи і регулювання поточних параметрів теплонасосної системи, а також недостатня ефективність (глибина) утилізації низькопотенційної теплоти, що міститься у вентиляційному повітрі метрополітену Відома конструкція енергозберігаючої теплонасосної системи для теплопостачання станцій метрополітену (див статтю Жидович И С , Некрасов С В Применение энергосберегающего оборудования и систем для автономного теплоснабжения станций Минского метрополитена // Метро, 1997, № 1 - 2 - С 69 - 70), вибрана в якості прототипу, яка включає два теплові насоси з| контурами циркуляції робочого тіла, з'єднані між собою два додаткові контури циркуляції проміжного теплоносія - води, в тому числі з опалювальними пристроями, акумулюючий бак, реле потоку, датчики тем Перша поставлена задача вирішується тим, що в способі теплонасосної утилізації низькопотенційної теплової енергії вентиляційного повітря метрополітену, що включає циркуляцію робочого тіла з його фазовими перетвореннями в контурі теплового насосу, охолодження вентиляційного повітря у випарнику з використанням додаткового теплообмінника, підвищення потенціалу робочого тіла в компресорі та охолодження його в конденсаторі з одержанням теплоносія для теплопостачання об'єктів, згідно з винаходом, охолоджуване повітря розділяють на два неоднакові за дебітом потоки, які поперемінно спрямовують до двох ідентичних частин випарника, рідке робоче тіло синхронно зі зміною дебіту повітряних потоків спрямовують у ту частину випарника, через яку проходить більший за дебітом потік, теплову енергію меншого за дебітом потоку використовують 56590 для очищення неробочої частини випарника від новленим в потоці охолоджуваного повітря та коннамерзлої криги, а зміни дебіту повітряних потоків денсатором, з'єднаним із системою і напряму руху робочого тіла через частини випартеплопостачання, згідно з винаходом, випарник ника проводять одночасно і автоматично у випадтеплового насосу виконано з двох однакових тепках, коли температура охолодженого у випарнику лообмінників, приєднаних до контуру циркуляції повітря або температура поверхні робочої частини робочого тіла паралельно, а установка додатково випарника перевищать задані верхні межі, при включає розгалуджувач-перемикач повітряних цьому співвідношення дебітів повітряних потоків потоків, розташований перед випарником за ходом визначають в залежності від теплового потенціалу повітря, перемикач напряму руху робочого тіла, охолоджуваного повітря і потужності теплового датчики температури поверхні обох частин випарнасосу, а воду з відталої криги відводять у дренаника, датчик температури повітря, розташований жну систему метрополітену після випарника за ходом повітря, електронну схему та пристосування для збору і відводу крапПри реалізації способу висока ефективність линної вологи, при цьому розгалуджувачтеплообміну забезпечується глибоким охолодженперемикач повітряних потоків виконаний з можлиням вентиляційного повітря з використанням тепвістю зміни співвідношення дебітів і електрично лоти конденсації водяної пари, що міститься в поєднаний з перемикачем напряму руху робочого охолоджуваному повітрі, та з підтриманням відсутіла, датчиками температури і електронною схетності на теплообмінній поверхні випарника шару мою намерзлої криги Для здійснення своєчасного поперемінного виЕлектричне поєднання розгалуджувачаключення з роботи частин випарника з намерзлою перемикача повітряних потоків з перемикачем накригою контролюють температуру теплообмінної пряму руху робочого тіла, датчиками температури поверхні робочої частини випарника і температуру і електронною схемою забезпечує можливість пепотоку охолодженого вентиляційного повітря і у ріодичного автоматичного синхронного переклювипадках, коли його температура або температура чення частин випарника з робочого стану до стану теплообмінної поверхні робочої частини випарнитеплового очищення теплообмінної поверхні від ка перевищать задані верхні межі (наприклад, намерзлої криги, а виконання розгалуджувачаплюс 7°С для охолодженого повітря та мінус 2°С перемикача повітряних потоків з можливістю зміни для теплообмінної поверхні), проводять синхронну співвідношення дебітів дозволяє ефективно застозміну дебіту повітряних потоків і напряму руху рідсовувати винахід на ділянках метрополітену з різкого робочого тіла через частини випарника При ними значеннями теплового потенціалу вентиляцьому робоча частина випарника виключається з ційного повітря і теплової потужності теплового роботи, а неробоча - підключається до роботи, насосу тобто функції частин випарника періодично зміСпосіб теплонасосної утилізації низькопотеннюються ційної теплової енергії вентиляційного повітря меСпіввідношення дебітів повітряних потоків, на які розділяється охолоджуване вентиляційне повітря, визначають з умови можливої мінімізації дебіту меншого за дебітом потоку, теплова енергія якого використовується лише для очищення теплообмінної поверхні неробочої частини випарника від намерзлої криги і не може бути утилізована Тому для різних значень швидкості повітря шляхом розрахунку процесів конвективного теплообміну на поверхні робочої (з обмерзанням) та неробочої (з відтаненням) частин випарника, визначають час, на протязі якого відбувається обмерзання та відтанення, і за характерними швидкостями вибирають оптимальне значення співвідношення дебітів потоків При цьому враховується не тільки тепловий потенціал охолоджуваного вентиляційного повітря і потужність теплового насосу, але й початковий вологовміст вентиляційного повітря Для запобігання надмірному зволоженню елементів будівельних конструкцій та вентиляційної системи метрополітену воду, на яку при тепловому очищенні перетворюється шар криги, що наростає з конденсату на теплообмінній поверхні робочої частини випарника, відводять у дренажну систему метрополітену Друга поставлена задача вирішується тим, що в установці для теплонасосної утилізації низькопотенційної теплової енергії вентиляційного повітря метрополітену, що включає тепловий насос з контуром циркуляції робочого тіла, випарником, вста трополітену здійснюється на заявленій установці для його реалізації Згідно з винаходом, що пропонується, вентиляційне повітря метрополітену (тунельне, або швидше викидне) піддається глибокому охолодженню у робочій частині випарника теплового насосу з випаданням на теплообмінній поверхні конденсату та його подальшим замерзанням, чим досягається максимально можливий ступінь утилізації низькопотенційної теплоти При цьому у випарнику від вентиляційного повітря метрополітену до робочого тіла теплового насосу передається теплота охолодження сухої частини повітря, теплота конденсації водяної пари, що міститься в ньому, та теплота замерзання рідкого конденсату при утворенні на теплообмінній поверхні шару криги, який є додатковим термічним опором і знижує інтенсивність теплообміну 3 метою постійного підтримання високої інтенсивності теплообміну виконання випарника передбачено з двох однакових теплообмінників, приєднаних до контуру циркуляції робочого тіла теплового насосу паралельно з можливістю поперемінного включення їх у роботу Переключення потоків вентиляційного повітря і робочого тіла відбувається синхронно і автоматично у випадках, коли температура охолодженого у випарнику вентиляційного повітря, або температура теплообмінної поверхні робочої частини випарника перевищать задані межі Саме для здійснення цієї операції установку обладнано датчиками температури охолодженого повітря та теплообмінної поверхні, електронною схемою, 56590 8 Вентиляційне повітря метрополітену за допомогою розгалуджувачем-перемикачем повітряних потоків розгалуджувача-перемикача повітряних потоків 5 та перемикачем робочого тіла Використання тепрозділяють на два неоднакові за дебітом потоки і лової енергії меншого за дебітом потоку для очибільший за дебітом потік спрямовують до робочого щення теплообмінної поверхні неробочої частини на даний момент теплообмінника-випарника 1, в випарника від намерзлої криги не призводить до якій цей піддається глибокому охолодженню з петеплових втрат, оскільки компенсується вже утиліредачею до рідкого робочого тіла теплової енергії зованою теплотою фазового переходу при утвосухої частини потоку вентиляційного повітря, тепренні цієї криги В компресорі теплового насосу лоти конденсації водяної пари, що міститься в потенціал робочого тіла підвищується шляхом ньому, а також теплоти кригоутворення при намедодавання до утилізованої низькопотенційної тепрзанні конденсату на теплообмінній поверхні Вналової енергії повітря корисної частини електричної слідок намерзання криги інтенсивність теплообміенергії, витраченої в приводі компресора Сумарна ну падає, про що сигналізують датчик температури теплова енергія може бути передана в конденсаохолодженого повітря 7 або датчик температури торі теплового насосу теплоносію (повітрю або теплообмінної поверхні робочої частини випарниводі) І використана для подальшого теплопостака 8 При перевищенні вимірюваними температучання рами бодай одного із заданих для них значень за Приклад На шляху вентиляційного повітря командою електронної схеми 10 відбувається синметрополітену встановили розгалуджувачхронна зміна положень розгалуджувачаперемикач повітряних потоків і більший за дебітом перемикача повітряних потоків 5 і перемикача напотік охолоджували у робочій частині випарника пряму руху рідкого робочого тіла 6, завдяки чому з теплового насосу до моменту, коли внаслідок нароботи виключається теплообмінник-випарник 1 і мерзання конденсату на теплообмінній поверхні до роботи підключається теплообмінник-випарник інтенсивність теплообміну знизилася і температу2 (див фіг1, фіг 2) При цьому також від електрора охолодженого повітря перевищила задану менної схеми 10 відключається датчик температури жу, наприклад +7°С, або температура теплообмінтеплообмінної поверхні 8 і до неї ВІДПОВІДНО підної поверхні випарника перевищила, наприклад ключається датчик 9 Тим часом до виключеного з +2°С За сигналом того датчика, де раніше відбуроботи теплообмінника-випарника 1 спрямовуєтьлося перевищення заданої межі, спрацювала елеся менший за дебітом потік вентиляційного повітря ктронна схема і відбулося синхронне переключенметрополітену, теплова енергія якого використоня дебітів повітряних потоків і напряму руху вується для очищення теплообмінної поверхні від рідкого робочого тіла, чим до роботи було включенамерзлої криги У випарниках 1 і 2 низькопотенно другу частину випарника, а першу було поставційна теплова енергія вентиляційного повітря метлено під очищення від намерзлої криги тепловою рополітену передається робочому тілу теплового енергією меншого за дебітом потоку з відведенням насосу, потенціал якого підвищується у компресорі відталої води у дренажну систему метрополітену З, після чого сумарна утилізована теплова і корисСуть винаходу пояснюється кресленнями, де но витрачена в компресорі електрична енергія в на фіг1, фіг 2) зображено схему установки для конденсаторі 4 теплового насосу може передана реалізації способу теплонасосної утилізації низьтеплоносіям і в подальшому використана для тепкопотенційної теплової енергії вентиляційного полопостачання Крім того, за допомогою даного вітря метрополітенів, яка включає два однакові винаходу в разі потреби можуть бути одночасно теплообмінники-випарники теплового насосу 1 і 2, або окремо вирішені задачі теплового кондицюнукомпресор теплового насосу 3, конденсатор тепвання приміщень лового насосу 4, розгалуджувач-перемикач повітряних потоків 5, перемикач напряму руху рідкого Таким чином, заявлені спосіб і установка для робочого тіла 6, датчик температури охолодженотеплонасосної утилізації низькопотенційної теплого повітря 7, датчики температури теплообмінної вої енергії вентиляційного повітря метрополітену поверхні обох частин випарника 8 і 9, електронну дозволяють здійснити принципово нову енергозсхему 10 і пристосування 11 для збору води, відберігаючу технологію регулювання теплового реталої з криги, що намерзає на теплообмінній повежиму підземних споруд, при застосуванні якої енерхні, і відводу и в дренажну систему метрополітерговитрати на опалення та кондицюнування ну підземних приміщень метрополітенів, а також підземних споруд іншого призначення можуть бути Установка для теплонасосної утилізації низьзменшені щонайменше втричі копотенційної теплової енергії вентиляційного повітря метрополітенів працює наступним чином 56590 10 ФІГ. 1 ФІГ. Підписано до друку 05 06 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24