Універсальний тепловий насос та спосіб його роботи

1. Універсальний тепловий насос, що містить компресор, теплообмінник, конденсатор, випарник, дросель, пристрій керування, який відрізняється тим, що у корпусі теплового насоса з утворенням контуру теплового насоса розміщені теплообмінник-випарник (3), компресор (2), теплообмінникконденсатор (4), теплообмінник-підігрівник (5), дросель (6), циркуляційний насос (8), який прокачує теплоносій через джерело (7) низькопотенційного тепла, та пристрій керування, контур теплового насоса функціонально зв'язаний із зовнішнім контуром, контуром опалювання та контуром охолодження, теплообмінник-підігрівник (5) розміщений перед дроселем (6) з можливістю підігріву залишковим теплом теплоносія, що циркулює у зовнішньому контурі, контур охолодження містить циркуляційний насос (11) і теплообмінникохолоджувач (12), пристрій керування забезпечує функціонування теплового насоса принаймні у двох режимах. 2. Насос за п. 1, який відрізняється тим, що теплоносій, який циркулює у зовнішньому контурі, вибрано з рідин, що мають низьку температуру замерзання. 3. Насос за п. 2, який відрізняється тим, що рідиною з низькою температурою замерзання є гліколі. C2 2 (19) 1 3 88723 4 рел природного або штучного походження, що р., с. 15], що містить тепловий насос з випарником відносяться до категорії так званих вторинних реі конденсатором, компресором та електродвигусурсів, та може бути використана при теплопостаном системи господарсько-питного водопостачанчанні споживачів та в системах кондиціонування ня. Вода надходить із свердловини з температуповітря, та способів їх роботи. рою +40°С и розділяється на два потоки, один із До вторинних ресурсів можна віднести: тепло яких йде на випарник, а іншій - на конденсатор ґрунтових, артезіанських та термальних вод, вод теплового насоса. У випарнику геотермальна вода рік, озер, морів, обертового водоохолодження, прохолоджується до +20°С та спрямовується до очищені промислові та побутові стоки, вода відкасистеми господарсько-питного водопостачання. чки з кар'єрів та шахт, вода виробничих технологіДругий потік нагрівається в конденсаторі до темчних циклів, а також вентиляційні викиди і димові ператури +65°С та подається до системи гарячого гази та взагалі будь-яке так зване "викидне" тепло, водопостачання. яке має позитивну температуру. До недоліків описаної конструкції можна віднеПринцип роботи теплового насоса відомий. сти: неможливість підвищення коефіцієнту переРобота теплового насосу базується на процесі творення теплового насосу, неможливість підвивиділення тепла з ґрунту за допомогою теплообміщення функціональності та економічності ну між трьома контурами: зовнішнім (земляним) пристрою. Залишкове тепло, яке має теплоносій контуром, контуром теплового насосу та опалюваконтуру теплового насосу після передачі тепла льним контуром. При цьому застосовується принконтуру опалювання безповоротно втрачається під цип, за яким працюють холодильні машини, а сачас дроселювання. Крім того, використання такого ме: зворотний цикл Карно. пристрою обмежено тільки застосуванням при Температура ґрунту на глибині до 100 метрів є наявності джерела геотермальних вод, які нажаль, постійною протягом року, не залежить від пори не дуже поширені на території України та й інших року та складає у середньому +8°С. Для перетвокраїн Європи. рення цього температурного потенціалу з метою Відомий тепловий насос, описаний в [Д.Рей, опалювання та гарячого водопостачання викорисД.Макмайкл.. Тепловые насосы. М., с.142,.1982], товується тепловий насос. Зовнішній контур викоякий складається з послідовно розташованих понується у вигляді труби, усередині якої циркулює стачального насоса, контуру теплоносія, випарнинезамерзаюча рідина. Труба розміщується у сверка, компресора та конденсатора, поєднаного через дловині на глибині 30-120 метрів та забезпечує дросель з випарником. Постачальний насос качає подачу у будинок теплоносія з температурою земтеплоносій із навколишнього середовища в випарлі (+8°С). Відібране у ґрунті тепло крізь теплообник, в якому міститься холодоагент, холодоагент мінник передається теплоносію контуру теплового відбирає від теплоносія тепло та надходить до насосу, у якості якого використовується холодоакомпресора, в якому за рахунок стиснення його гент - низько кипляча рідина (температура кипіння температура підвищується до температури вище -3°С). Вона випарюється та у газоподібному стані температури конденсації. З компресора холодоаподається до компресору, де у результаті стискангент надходить до конденсатора, в якому за рахунок конденсації пара виділяється тепло, яке переня нагрівається до температури 80-85°С та крізь дається споживачу. Охолоджений в конденсаторі теплообмінник передає надлишок тепла теплонохолодоагент, надходить через дросель, у якому сію, який циркулює у контурі опалювання. він розширюється та охолоджується нижче темпеЗа такої схеми отримана теплова енергія знаратури навколишнього середовища, в випарник. чно перевищує енергію витрачену на роботу компДо недоліків описаної конструкції можна віднересора. сти: неможливість підвищення коефіцієнту переТаким чином, тепловий насос здійснює транстворення теплового насосу, неможливість підвиформацію теплової енергії з низького температурщення функціональності та економічності ного рівня на більш високий, необхідний споживапристрою. Залишкове тепло, яке має теплоносій чу. контуру теплового насосу після передачі тепла Відношення отриманої теплової енергії до виконтуру опалювання безповоротно втрачається під траченої енергії (на роботу компресора) називають час дроселювання. коефіцієнтом перетворення теплового насосу або Як найближчий аналог універсального теплокоефіцієнтом трансформації. Цей коефіцієнт завого насосу обрано багатофункціональний теплолежить від температури первинного джерела тепвий насос за патентом України №20778 на корисну ла та від температури теплоносія, що виходить з модель, опублікований 15.02.2007 p., що включає контуру теплового насосу. Зазвичай коефіцієнт компресор для перекачування робочого тіла, три перетворення теплового насосу досягає у середтеплообмінники, конденсатор, випарник, два споньому значення 3 або трохи більше. нукачі витрати охолоджуваного середовища, приЗрозуміло, що перевагу мають теплові насоси стрій керування, фільтри і трубопроводи, при цьоз найбільшим коефіцієнтом перетворення теплому функціонально виділені конденсатор-підігрівник вого насосу. і випарник-охолоджувач робочого тіла. Теплообмінник, який змінює стан теплоносія з До недоліків описаної конструкції можна віднерідкого на газоподібний, зазвичай називають висти: неможливість підвищення коефіцієнту перепарником, а теплообмінник, який змінює стан тептворення теплового насосу, дублювання однієї лоносія з газоподібного на рідкий, зазвичай назиоперації різними пристроями, невиправдана склавають конденсатором. дність пристрою. Залишкове тепло, яке має тепВідома теплонасосна установка [Резерви прилоносій контуру теплового насосу після передачі родного тепла. Журн. «Техніка і наука», №5, 1982 5 88723 6 тепла контуру опалювання безповоротно втрачасприяє спрямуванню охолодженого повітря до ється під час дроселювання. Неможливість віднопомешкання. влювати та підтримувати у робочому стані джереУсередині контуру теплового насосу циркулює ло низько потенційного тепла. холодоагент, який обрано з групи, що включає Як найближчий аналог способу функціонуванаміак або хладони, у тому числі R22, R32, R125, ня теплового насосу обрано спосіб роботи теплоR134A, R407C, R410A тощо. вого насосу за деклараційним патентом України Тепловий насос призначений для роботи при№45107 А, опублікований 15.03.2002 p., який наймні в двох різних режимах - опалювання та включає стиснення газоподібного теплоносія, його охолоджування, які надалі у цьому опису зазначені конденсування, дроселювання, нагріву низько пояк режими «зима» та «літо». При цьому робота в тенційним теплом та підігріву, при цьому підігрів режимі «літо», наприклад, для кондиціювання погазоподібного теплоносія здійснюється теплом, вітря, не виключає можливості підігріву води або відведеним від дросельних пристроїв. використання теплового насосу для забезпечення До недоліків даного способу можна віднести функції «тепла підлога», тобто можливим є комбівикористання його тільки для системи опалювання нований режим «зима-літо». Крім цього, тепловий та гарячого водопостачання. Підігрів газоподібного насос має можливість окремо працювати на систеплоносія теплом відведеним від дросельних тему опалювання або на систему охолоджування. пристроїв забезпечує підвищення коефіцієнту пеУ режимі «літо» можливо охолодження не тільки ретворення теплового насосу, але при цьому не повітря, тобто реалізація функції кондиціювання, а вирішується задача відновлення джерела низько також можна охолоджувати воду, наприклад, для потенційного тепла, що знижує ефективність даноспоживання або з іншою метою. Зазначені вище го способу. Також вважаємо нераціональним вирежими роботи теплового насосу забезпечує прикористання для дроселювання більш ніж одного стрій керування, який реалізовано у вигляді електдроселя. ронного блоку. Зазначених вище недоліків позбавлений уніЩе одним об'єктом даного винаходу є спосіб версальний тепловий насос та спосіб його функціроботи універсального теплового насосу, який онування за винаходом, що пропонується. включає стадії, де Метою даного винаходу є завдання створення - за допомогою пристрою керування обирають нового універсального теплового насоса з підвирежим роботи теплового насосу; щеним коефіцієнтом перетворення теплового на- за допомогою циркуляційного насосу забезсосу, підвищеною функціональністю та економічніпечують циркуляцію теплоносія по зовнішнього стю, який функціонує у декількох режимах та контуру; використовує залишкове тепло для відновлення - холодоагент, що міститься у циркуляційному джерела низько потенційного тепла. контурі, у теплообміннику-випарнику нагрівають Поставлена задача досягається тим, що протеплом від теплоносія, який циркулює у зовнішпонується універсальний тепловий насос, який ньому контурі; містить компресор, теплообмінник, конденсатор, - перетворений у газ холодоагент стискають за випарник, дросель, пристрій керування, при цьому, допомогою компресора; у корпусі теплового насосу з утворенням контуру - утвореним у результаті стискання холодоатеплового насосу розміщені теплообмінникгенту теплом за допомогою теплообмінникавипарник, компресор, теплообмінник-конденсатор, конденсатора нагрівають теплоносій, який циркутеплообмінник-підігрівник, дросель, циркуляційний лює у контурі опалювання; насос, який прокачує теплоносій із джерела низько - залишковим теплом холодоагенту у теплопотенційного тепла та пристрій керування, контур обміннику-підігрівнику підігрівають теплоносій, теплового насосу функціонально пов'язаний із який циркулює у зовнішньому контурі; зовнішнім контуром, контуром опалювання та кон- дроселюють холодоагент; туром охолодження, теплообмінник-підігрівник - повторюють цикл роботи теплового насосу; розміщений перед дроселем підігріває залишкота вим теплом теплоносій, що циркулює у зовніш- одночасно або окремо, у теплообмінникуньому контурі, контур охолоджування містить тепохолоджувачі відбирають холод у теплоносія, який лообмінник-охолоджувач, пристрій керування циркулює у зовнішньому контурі, із додатковим забезпечує функціонування теплового насосу принагріванням теплоносія на виході з теплообміннинаймні у двох режимах. ка-охолоджувача; Для примусової циркуляції теплоносіїв контур Доцільно для підвищення швидкості відбору охолодження та контур опалювання додатково холоду та, наприклад, спрямування холодного обладнані циркуляційними насосами. повітря, використовувати вентилятор. Зовнішній контур функціонально є контуром Між суттєвими ознаками пристрою та способу, низько потенційного тепла. що заявляються, та технічним результатом, якого Доцільно як теплоносій у зовнішньому контурі досягають за їх допомогою, існує наступний привикористовувати рідини із низькою температурою чинно-наслідковий зв'язок. замерзання, наприклад, гліколі, температура заЗа рахунок додаткового підігрівання теплоносія, який циркулює у зовнішньому контурі, залишмерзання яких змінюється від -4,3°С для триетиковим теплом від теплоносія, який циркулює у конленгліколю до -77°С для 1,3-бутиленгліколю. турі теплового насосу, збільшують значення Доцільно для примусового обдування теплокоефіцієнта перетворення теплового насосу збіобмінника-охолоджувача використовувати у конльшується до 4 або навіть вище. турі охолоджування додатковий вентилятор, який 7 88723 8 Підвищення функціональності досягається за що заявляється. Фігури креслення, як і описи прирахунок того, що пристрій, що заявляється, ефеккладів конкретного виконання теплового насосу та тивно працює в режимі опалювання, режимі охоспособу його роботи, наведені лише для ілюстралоджування та у комбінованому режимі. ції заявленого винаходу і не обмежують обсяг Підвищення економічності досягається за раправ, визначений формулою винаходу. хунок того, що в системі, у якій працює пристрій, Фіг.1 - загальний схематичний вигляд тепловощо заявляється, максимально використовуються го насосу та функціонально пов'язаних з ним зоввсі енергетичні ресурси, що є у системі, у тому нішнього контуру, контуру опалювання та контуру числі залишкова теплова енергія, яка утворюється охолоджування. при роботі пристрою в режимі «зима», «літо» та Універсальний тепловий насос 1, який містить «зима-літо». При цьому, при роботі пристрою у компресор 2, теплообмінник (3, 4, 5, 12), конденсарежимі «зима» задіяні зовнішній контур, контур тор 4, випарник 3, дросель 6, пристрій керування теплового насосу та контур опалювання, при ро(не показаний), при цьому, у корпусі теплового боті пристрою у режимі «літо» задіяні зовнішній насосу 1 з утворенням контуру теплового насосу контур та контур охолоджування, а при роботі у розміщені теплообмінник-випарник 3, компресор 2, комбінованому режимі «зима-літо» задіяні усі затеплообмінник-конденсатор 4, значені контури. теплообмінник-підігрівник 5, дросель 6, циркуПри роботі у режимі охолоджування та у комляційний насос 8, який прокачує теплоносій із бінованому режимі вартість кондиціювання повітря джерела низько потенційного тепла 7 та пристрій у помешканні у десятки разів дешевше за вартість керування (не показаний), контур теплового насосу кондиціювання із застосуванням кондиціонерів. функціонально пов'язаний із зовнішнім контуром, Наприклад, витрати електричної енергії на роботу контуром опалювання та контуром охолодження, насосу та вентилятору у контурі охолоджування теплообмінник-підігрівник 5 розміщений перед складає приблизно 100Вт, у той час, як споживана дроселем 6 підігріває залишковим теплом теплопотужність кондиціонера для помешкання площею носій, що циркулює у зовнішньому контурі, контур 15кв.метрів складає приблизно 1500Вт. Також, при охолоджування містить теплообмінниквикористанні системи кондиціювання з вулиці відохолоджувач 12 та може бути додатково обладнабирають тільки до 15% свіжого повітря (дуже дороний вентилятором 13, який може сприяти спрямуго охолоджувати усі 100% повітря), у той час, як ванню охолодженого повітря, пристрій керування при охолодженні повітря із застосуванням джерезабезпечує функціонування теплового насосу прила низько потенційного тепла можливим є 100%-й наймні у двох режимах. Контур опалювання також відбір повітря з вулиці. обладнаний циркуляційним насосом 9 та стандарНесподівано було знайдено, що за допомогою тним обладнанням системи опалювання та гарядодаткового нагрівання теплоносія, що повертачого водопостачання 10. Контур охолоджування ється до джерела низько потенційного тепла, мододатково обладнаний циркуляційним насосом 11, жна підтримувати стабільність джерела, сприяти який забезпечує циркуляцію теплоносія зовнішньойого відновленню та додатково захищати його від го контуру крізь теплообмінник-охолоджувач 12. можливого замерзання. Відновлення джерела ниНадалі розглянемо роботу універсального тезько потенційного тепла відбувається за допомоплового насосу у різних режимах, а саме: режимі гою залишкової теплової енергії, яка утворюється «зима», «літо» та комбінованому режимі «зимапри роботі пристрою в режимі «зима», «літо» та літо». комбінованому режимі «зима-літо», та спрямову1. Режим «зима» призначений для забезпеється на підігрівання теплоносія, який циркулює у чення опалювання та гарячого водопостачання зовнішньому контурі. або функції «тепла підлога». Температура на вході та виході теплообмінниТеплоносій з джерела низько потенційного тека-підігрівника змінюється у залежності від режиму пла 7 з температурою приблизно 8°С за допомороботу, тобто від навантаження. Так, якщо навангою циркуляційного насосу 8 подається на вхід таження на тепловий насос невелике (наприклад, теплообмінника-підігрівника 5, який підвищує тему літній період), йде малий відбір тепла із джерела пературу теплоносія приблизно до 13-15°С. Наданизько потенційного тепла та джерело низько полі теплоносій із зазначеною температурою податенційного тепла не є «виснаженим», то теплоноється на вхід теплообмінника-випарника 3, де він сій з джерела низько потенційного тепла прихосприяє перетворенню холодоагенту, який циркудить на вхід теплообмінника-підігрівника із лює у контурі теплового насосу, з рідкого стану до температурою приблизно 8-10°С. У такому випадгазоподібного стану. Холодоагент у газоподібному ку температура теплоносія на виході з теплообстані подається до компресору 2, де за рахунок мінника-підігрівника складає приблизно 10-15°С. стискання його температура підвищується приблиЯкщо навантаження на тепловий насос велике, зно до 60°С і він подається до входу теплообмінтриває постійний відбір тепла з джерела низько ника-конденсатора 4. У теплообмінникупотенційного тепла, то теплоносій з джерела низьконденсаторі 4 нагрітий холодоагент віддає частико потенційного тепла приходить на вхід теплообну свого тепла теплоносію, який циркулює за домінника-підігрівник із температурою приблизно 0помогою циркуляційного насосу 9 у контурі опалю1,5°С. У такому випадку температура теплоносія вання. Нагрітий теплоносій контуру опалювання на виході з теплообмінника-підігрівника складає надалі поступає до системи опалювання та гарячого водопостачання 10 та знову повертається до приблизно 5- 7°С. теплообмінника-конденсатора 4. На виході теплоНаведені нижче Фігури пояснюють конструктиобмінника-конденсатора 4 температура холодоавні особливості універсального теплового насосу, 9 88723 10 що контур охолоджування води буде відрізнятися генту знижується приблизно до 35°С та він з газовід наведеної на Фіг.1 схеми функціювання. подібного стану перетворюється у рідину. Надалі Якщо режим «літо» використовують для конхолодоагент поступає на вхід теплообмінникадиціювання повітря у помешканні, то витрати елепідігрівника 5, де він віддає частину свого тепла ктроенергії будуть у десятки разів менше у порівтеплоносію, що циркулює у зовнішньому контурі. нянні із витратами на кондиціювання із Додатково нагрітий до температури приблизно застосуванням кондиціонерів. Наприклад, витрати 15°С теплоносій повертається до джерела низько електричної енергії на роботу насосу та вентиляпотенційного тепла. Підвищена температура тептору у контурі охолоджування складає приблизно лоносія сприяє відновленню (регенерації) джерела 100Вт, у той час, як споживана потужність кондинизько потенційного тепла 7 та є додатковим захиціонера для помешкання площею 15кв. метрів стом джерела 7 від замерзання. Холодоагент наскладає приблизно 1500Вт. Також, при викорисдалі поступає до дроселя 6, який знижує тиск та танні системи кондиціювання з вулиці відбирають температуру холодоагенту, а потім знову на вхід тільки до 15% свіжого повітря (дуже дорого охолотеплообмінника-випарника 3. джувати усі 100% повітря), у той час, як при охо2. Режим «літо» призначений для створення лодженні повітря із застосуванням джерела низько холодного повітря, наприклад, з метою кондиціюпотенційного тепла можливим є 100%-й відбір повання, та охолодження, наприклад, води для сповітря з вулиці. живання або господарських цілей. 3. Комбінований режим «зима-літо» призначеТеплоносій з джерела низько потенційного тений для забезпечення опалювання та гарячого пла 7 з температурою приблизно 8°С за допомоводопостачання або функції «тепла підлога» та гою циркуляційного насосу 11 подається на вхід для створення холодного повітря та охолодження теплообмінника-охолоджувача 12, який відбирає помешкань. холод у теплоносія та на виході підвищує його У цьому режимі тепловий насос одночасно температуру приблизно до 13-15°С. Відібраним у працює як у режимі «зима», так й у режимі «літо», теплоносія холодом охолоджується повітря, яке за тобто для нього характерні усі переваги, які сподопомогою вентилятора 13 спрямовується до постерігаються для режимів «зима» та «літо». мешкання, призначеного для охолодження. Надалі Таким чином, з огляду на усе вищевикладене, нагрітий теплоносій повертається до джерела ниможна зробити висновок, що технічна задача, яка зько потенційного тепла. Підвищена температура поставлена при створенні даного універсального теплоносія сприяє відновленню (регенерації) джетеплового насосу виконана з досягненням зазнарела низько потенційного тепла 7 та є додатковим ченого технічного результату. захистом джерела 7 від замерзання. Зрозуміло, Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Підписне Тираж 28 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