Система теплопостачання будинку на основі геліоустановки та теплового насоса

Реферат: Система теплопостачання будинку на основі геліоустановки та теплового насоса містить контури теплового насоса, сонячних колекторів, опалювальних приладів, на яких установлено теплообмінне обладнання, 2 бака-акумулятори, циркуляційні насоси, запірна арматура, контрольно-вимірювальні прилади, щит управління. Додатково має автоматичну систему підживлення контурів опалювальних приладів та теплового насоса, контур гарячого та холодного водопостачання. Між тепловим насосом та баком-акумулятором системи опалення встановлено контур резервування та покриття пікових теплових навантажень. Система теплопостачання містить також 4 додаткових багатоходових теплообмінників, які приєднані до теплового насоса і знаходяться в ґрунтовому масиві та у водозабірній свердловині, а також 4 додаткових теплообмінника, які розташовані в контурі опалювальних приладів. UA 82399 U (12) UA 82399 U UA 82399 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до систем теплопостачання будівель і може бути застосована для теплопостачання будинків невеликої площі, а саме котеджів, заміських будинків та ін. Відома система автономного теплопостачання будівель (патент України № 61943 МПК F24D 3/00 опубл. 10.08.2011 р., бюл. № 15), що складається з газового водогрійного котла, опалювальних приладів, подавальної та зворотної магістралей, теплового насоса, трубчастого колектору для відбору тепла з басейну чи ґрунтового масиву, циркуляційних насосів та запірної арматури. Така система досить проста та надійна в експлуатації, але має суттєвий недолік використання природного газу як джерела енергії. Найбільш близькою до корисної моделі, що заявляється, вибраною нами за прототип, є акумуляційна геліоґрунтова теплонасосна система теплопостачання (патент України № 68592 МПК F24J 2/42 опубл. 26.03.2012р., бюл. № 6), яка включає контури опалення, сонячного колектора, теплового насоса, ґрунтового теплообмінника, бак-акумулятор, запірну та арматуру системи автоматизації, прилади обліку теплової енергії, пластинчастий теплообмінник, сезонний бак-акумулятор гарячої води та розширювальні баки. У даній системі теплова енергія, отримана від сонячного колектору та з ґрунтового акумулятора теплоти використовується для приготування теплоносія системи опалення в баку-акумуляторі. При цьому врахована можливість зарядки ґрунтового акумулятора теплоти в теплий період року за рахунок теплової енергії, отриманої в сонячному колекторі; накопичення запасу гарячої води в сезонному бакуакумуляторі; кондиціювання повітря в теплий період року за допомогою пластинчатого теплообмінника та системи фанкойлів. Недоліками такої системи є відсутність приготування гарячої води для потреб гарячого водопостачання будинку, відсутність системи підживлення контурів, відсутність резервування джерела теплопостачання, складна система триходових клапанів, яка знижує надійність роботи системи та ускладнює її технічне обслуговування (в тому числі в разі відмови одного з вузлів). В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення системи теплопостачання шляхом додаткового її оснащення автоматичною системою підживлення контурів опалювальних приладів та теплового насоса, контурами резервування та покриття пікових навантажень, гарячого та холодного водопостачання, що забезпечить можливість роботи системи в автоматичному режимі та введення її в клас автономних. Поставлена задача вирішується тим, що система теплопостачання будинку на основі геліоустановки та теплового насоса, що містить контури теплового насоса, сонячних колекторів, опалювальних приладів, на яких установлено теплообмінне обладнання, 2 бака-акумулятори, циркуляційні насоси, запірна арматура, контрольно-вимірювальні прилади, щит управління згідно корисної моделі додатково має автоматичну систему підживлення контурів опалювальних приладів та теплового насоса, яка приєднується за допомогою електромагнітних клапанів, контур гарячого та холодного водопостачання, до складу якого входить додатковий бакакумулятор, крім того між тепловим насосом та баком-акумулятором системи опалення встановлено контур резервування та покриття пікових теплових навантажень, до складу якого входять електричний та твердопаливний водогрійні котли, система теплопостачання містить також 4 додаткових багатоходових теплообмінників, які приєднані до теплового насоса і знаходяться в ґрунтовому масиві та у водозабірній свердловині, а також 4 додаткових теплообмінника, які розташовані в контурі опалювальних приладів. Введення автоматичної системи підживлення контурів опалювальних приладів та теплового насоса забезпечує підтримання робочого тиску в контурах та зменшує витрати на обслуговування системи теплопостачання. Контур гарячого та холодного водопостачання покриває потреби будинку в гарячій та холодній воді. Контур резервування та покриття пікових теплових навантажень підтримує безперервне постачання тепловою енергією при виході з ладу теплового насоса або зниженні температури навколишнього повітря нижче від розрахункового значення. 4 додаткових багатоходових теплообмінника, які приєднані до теплового насоса і знаходяться в ґрунтовому масиві та у водозабірній свердловині забезпечують можливість використання в зимовий та перехідний періоди року окремих джерел теплоти для теплового насоса. 4 додаткових теплообмінника, які розташовані в контурі опалювальних приладів забезпечують кожне приміщення будинку необхідною тепловою енергією. Система теплопостачання на основі геліоустановки та теплового насоса, в цілому, дає можливість відмовитись від використання вичерпних джерел енергії (природний газ, вугілля, нафта та продукти її переробки). Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких зображена принципова схема системи теплопостачання будинку на основі геліоустановки та теплового насосу і схема циркуляційного вузла. 1 UA 82399 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Система теплопостачання на основі геліоустановки та теплового насоса містить (див. фіг. 1) сонячний колектор 1, тепловий насос 2, пластинчатий теплообмінний апарат 3, бак-акумулятор контуру сонячних колекторів 4, бак-акумулятор сезонний 5, бак-акумулятор контуру опалення (робоче середовище - розчин парафіну) 6, твердопаливний (резервний) водогрійний котел 7, електричний (піковий) водогрійний котел 8, трубчатий теплообмінний апарат (6 ниток 0 32×2.0 мм) 9, трубчатий теплообмінний апарат (8 ниток 0 32×2.0 мм) 10, три послідовно з'єднані трубчаті багатоходові теплообмінні апарати 11, трубчатий теплообмінний апарат свердловини водопостачання (8 ниток 0 20×2.0 мм) 12, ґрунтовий акумулятор теплоти 13, капілярна тепла підлога 14, капілярний настінний теплообмінний апарат 15, звичайна трубчата тепла підлога 16, трубчатий настінний теплообмінний апарат 17, трубчатий теплообмінний апарат бетонного простінку 18, пластинчатий радіатор 19, фанкойл 20, циркуляційний вузол 21 (див. фіг. 2), електромагнітний "нормально відкритий" клапан 22, електромагнітний "нормально закритий" клапан 23, регулятор тиску "після себе" 24, триходовий регулятор температури з електричним приводом 25, балансувальний клапан 26, прилад магнітної обробки води типу "Гідромультиполь" 27, ультразвуковий витратомір 28, зворотний клапан 29, кран кульовий 30, заглибний датчик температури 31, датчик рівня 32, датчик-реле тиску КРІ-35 33, датчик температури зовнішнього повітря 34, датчик температури внутрішнього повітря 35, автоматичний повітроспускник 36, спускний кран 37, мембранний розширювальний бак 38, манометр 39, термоманометр 40, щит управління та автоматизації 41. В свою чергу циркуляційний вузол складається з сітчастого фільтру 42, циркуляційного насоса з частотним керуванням електродвигуна 43, зворотного клапана29, манометра 37, термоманометра 38. Схема працює наступним чином. Через теплообмінники-джерела теплоти теплового насоса які розташовані над коробом теплової мережі 9, 10, 11, трубчатий теплообмінник свердловини водопостачання 12 та ґрунтовий акумулятор теплоти 13 циркулює розчин пропіленгліколя. Витрата теплоносія через кожний апарат регулюється за допомогою балансувальних клапанів 26, які розташовані на розподільчій гребінці. Балансувальні клапани дозволяють працювати кожному теплообміннику при розрахункових параметрах тиску та витрати теплоносія, а також, в разі необхідності, корегувати ці параметри для ефективної роботи апаратів. При цьому використовуватись можуть як всі теплообмінники одночасно, так і деякі з них. Це досягається встановленням циркуляційного вузла 21. В неопалювальний період року передбачена можливість кондиціювання повітря за допомогою фанкойлів 20. В цьому випадку теплоносій циркулює не через тепловий насос 2, а через пластинчатий теплообмінник 3 і охолоджує воду контуру фанкойлів 20. Встановлений витратомір 28 та датчики температури 31 дозволяють отримувати дані по отриманій тепловій енергії та дають можливість оцінки роботи кожного теплообмінного апарата. Як основне джерело тепла для системи опалення будинку виступає тепловий насос 2. Також в даній схемі передбачений піковий електричний водогрійний котел 8 для додаткового підігріву теплоносія (води) при зниженні температури навколишнього повітря нижче за розрахункове значення. При цьому реалізується повністю автоматична система увімкнення пікового котла 8 за допомогою відкривання (або закривання) відповідних соленоїдних клапанів 22, 23. Схемою передбачено встановлення зворотного клапана 29 на виході з контуру пікового електричного водогрійного котла 8 для унеможливлення руху теплоносія в зворотному напрямку. Також передбачено резервний твердопаливний водогрійний котел 9 на випадок виходу з ладу теплового насоса, або електричного котла 8. Для підтримання температури теплоносія на вході в твердопаливний котел 9 на заданому рівні (для запобігання конденсації водяної пари з димових газів на поверхні вмонтованого теплообмінника), встановлено трьохходовий регулятор температури з електричним приводом 25. Даний клапан працює від датчика температури 31, який встановлено на вході в котел. Основним елементом для приготування теплоносія для опалювальних приладів 14, 15, 16, 17, 18 слугує бак-акумулятор 6. Саме в ньому, за допомогою встановлених теплообмінних спіральних апаратів відбувається приготування теплоносія для приладів системи опалення (окрім радіаторів 19 та фанкойлів 20). При цьому, для капілярних приладів опалення 14,15 не потрібно встановлення циркуляційного вузла 21. У зв'язку з цим виникла потреба гідравлічно розв'язати контури капілярних теплообмінних апаратів, та звичайного теплого полу та настінних теплообмінників. Реалізується це за допомогою окремих спіральних теплообмінників у корпусі бака-акумулятора 6. Робочим середовищем бака є розчин парафіну, для отримання додаткової теплоти при фазових переходах парафіну. Джерелом теплоти для системи гарячого водопостачання є сонячний колектор 1. Розчин пропіленгліколя, який нагріваєтьcя за рахунок сонячної радіації в колекторі, циркулює через спіральний теплообмінник в баці-акумуляторі 4. З іншої сторони, холодна вода із свердловини через прилад магнітної обробки "гідромультиполь" 27 та регулятор тиску "після 2 UA 82399 U 5 10 15 20 25 себе" 24 надходить до циркуляційного контуру. Далі за допомогою циркуляційного вузла 21 надходить до теплообмінника в бак-акумулятор 4, нагрівається до заданої температури і поступає до споживачів. В періоди, коли немає водорозбору гарячої води відбувається заповнення сезонного бака-акумулятора 5. Встановлення регулятора тиску "після себе" 24 дозволяє максимально знизити вплив коливань тиску холодної води на роботу системи. Розроблена система підживлення працює наступним чином: при зменшенні тиску (відносно робочого) в контурі спрацьовує датчик-реле тиску 33 і відкривається відповідний електромагнітний клапан 23. При вирівнюванні тиску електромагнітний клапан 23 закривається. При цьому датчик-реле тиску конструктивно встановлюється перед циркуляційним вузлом 21 і якомога далі від місця врізання підживлюючого трубопроводу. Це дозволить коректно працювати даним датчикам. Підживлення контурів, що працюють на розчині пропіленгліколя відбувається в ручному режимі за допомогою спеціальних штуцерів 37. Також в ручному режимі відбувається підживлення контуру капілярних теплообмінних апаратів 14,15. Для компенсації температурного розширення теплоносіїв передбачено установку мембранних розширювальних баків 36 у кожному контурі. Регулювання температурного режиму приміщень відбувається завдяки встановленню датчиків температури зовнішнього 34 та внутрішнього 35 повітря. Контроль параметрів теплоносія в кожному контурі схеми відбувається за допомогою манометрів 39 та термоманометрів 40. Живлення циркуляційних насосів 43, приводів клапанів 25, 22, 23 відбувається із щита управління та автоматизації 41. Таким чином, запропонована система теплопостачання будинку на основі геліоустановки та теплового насоса дає можливість створити автоматичну систему теплопостачання, яка не залежить від систем централізованого теплопостачання за рахунок використання сонячних колекторів та теплового насоса. Корисна модель є простою і надійною в експлуатації і дозволяє підтримувати заданий температурний режим в приміщеннях та стабільно забезпечувати потреби будинку в гарячому та холодному водопостачанні. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 Система теплопостачання будинку на основі геліоустановки та теплового насоса, що містить контури теплового насоса, сонячних колекторів, опалювальних приладів, на яких установлено теплообмінне обладнання, 2 бака-акумулятори, циркуляційні насоси, запірна арматура, контрольно-вимірювальні прилади, щит управління, яка відрізняється тим, що додатково має автоматичну систему підживлення контурів опалювальних приладів та теплового насоса, яка приєднується за допомогою електромагнітних клапанів, контур гарячого та холодного водопостачання, до складу якого входить додатковий бак-акумулятор, крім того між тепловим насосом та баком-акумулятором системи опалення встановлено контур резервування та покриття пікових теплових навантажень, до складу якого входять електричний та твердопаливний водогрійні котли, система теплопостачання містить також 4 додаткових багатоходових теплообмінників, які приєднані до теплового насоса і знаходяться в ґрунтовому масиві та у водозабірній свердловині, а також 4 додаткових теплообмінника, які розташовані в контурі опалювальних приладів. 3 UA 82399 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4