Геотермальна теплонасосна система з паралельно підключеним геліоколектором

Реферат: Геотермальна теплонасосна система з паралельно підключеним геліоколектором містить колектор сонячної енергії, тепловий насос, геотермальний теплообмінник. До системи введено універсальний теплообмінник та ґрунтовий колектор, змонтований в свердловині глибиною від 5 до 100 метрів (нижче глибини промерзання ґрунту), який поєднаний з паралельно підключеним до нього геліоколектором. При цьому ґрунтовий колектор виконує функцію як збирача тепла приповерхневих шарів Землі для роботи теплового насосу в зимовий період року, так і функцію акумулятора Сонячної енергії, перетвореної в теплову геліоколектором в літній період року. UA 98993 U (12) UA 98993 U UA 98993 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплонасосних систем, які як первинне джерело енергії використовують тепло верхніх шарів Землі та енергію сонячного випромінювання і можуть бути застосовані в системах генерування та акумулювання теплової енергії для потреб комунального господарства та промисловості. Відомий пристрій, сонячно-теплова система та спосіб дії даної системи [1], що містить сонячний колектор, перепускний клапан, трубу подачі теплоносія, зворотну трубу та перепускну труби, циркуляційний насос, резервуар накопичення тепла. Клапан системи переключається таким чином, що теплоносій тече з колектора до резервуара, коли виміряна температура колектора перевищує задану температуру. Після закінчення певного часу коли температура між колектором і температурою в резервуарі становить менше заданого значення. Основним недоліком відомого пристрою [1] є те, що пристрій може тільки частково застосовуватися в системі гарячого водопостачання та зовсім не може самостійно застосовуватись в системі теплозабезпечення. Відомий пристрій, тепловий насос та спосіб керування ним [2], що містить тепловий насос, який використовує сонячне тепло як джерело тепла випаровування холодоагенту. Тепловий насос включає в себе колектор сонячного тепла, компресор для стиснення холодоагенту. Перший теплообмінник для конденсації холодоагенту, який стискається компресором і виконує теплообмін між холодоагентом конденсованої води і другим теплообмінник. Другий теплообмінник для здійснення теплообміну між холодоагентом, що пройшов через перший теплообмінник, і теплом, зібраним сонячним колектором. Третій теплообмінник для здійснення теплообміну між холодоагентом, який пройшов через перший теплообмінник і зовнішнє повітря. Перемикач потоку теплоносія для керування потоком теплоносія між сонячним колектором і теплообмінниками. Недоліком відомого пристрою [2] є те, що система не може працювати стабільно, так як суттєво залежить від добових, місячних та сезонних коливань сонячної інсоляцій та температури зовнішнього повітря. Найбільш близьким технічним рішенням до корисної моделі за технічною суттю (прототип) є система нагріву води [3], що містить колектор сонячної енергії, тепловий насос, геотермальний теплообмінник, який розташований на глибині від 0,5 до 5 м в землі. Теплоносій передається від теплообмінника до насоса, коли температура середовища, яку передає колектор, менша, ніж температура середовища, що протікає через теплообмінник. Основним недоліком відомого пристрою [3] є відсутність можливості акумулювання теплової енергії в літній період для подальшого використання в зимовий. В основу корисної моделі поставлено задачу створення конструкції геотермальної теплонасосної системи, що дозволить підвищити її ефективність та функціональність за рахунок додаткового використання теплової енергії в зимовий період, що була акумульована в літній період роботи системи, бути при цьому максимально технологічною при виготовленні та зручною при проведенні монтажних робіт. Поставлена задача вирішується тим, що до випарника теплового насоса як систему постачання низькотемпературної теплоти підключено паралельно через універсальний теплообмінник ґрунтовий колектор, змонтований в свердловині глибиною від 5 до 100 метрів (нижче глибини промерзання ґрунту), та геліоколектор. Додаткове паралельне підключення цих пристроїв дозволить підтримувати оптимальну температуру теплоносія на вході в випарник теплового насоса в зимовий період та забезпечити акумулювання теплової енергії в верхніх шарах Землі в літній період роботи геотермальної системи. Геотермальна теплонасосна система з паралельно підключеним геліоколектором містить тепловий насос, функціонально пов'язаний з паралельно поєднаними через універсальний теплообмінник ґрунтовим колектором, змонтований в свердловині глибиною від 5 до 100 метрів (нижче глибини промерзання ґрунту), та геліоколектором, три циркуляційні насоси та датчики температури. При цьому ґрунтовий колектор виконує функцію як збирача тепла приповерхневих шарів Землі для роботи теплового насоса в зимовий період року, так і функцію акумулятора Сонячної енергії, перетвореної в теплову геліоколектором в літній період року. Завдяки поєднанню в одній системі теплового насоса з паралельно підключеними ґрунтовим колектором та геліоколектором підтримується необхідна температура на вході в тепловий насос, внаслідок чого досягається оптимальний ступінь охолодження теплоносія в випарнику, що забезпечує мінімальні сумарні витрати енергії на систему в цілому, підвищення ефективності теплонасосної системи та максимальний термодинамічний потенціал отриманої сонячної енергії та енергії приповерхневих шарів Землі. Крім того завдяки тому, що відповідно до запропонованої корисної моделі геліосистема з паралельно поєднаним універсальним теплообмінником з ґрунтовим колектором, змонтованим 1 UA 98993 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 в свердловині глибиною від 5 до 100 метрів (нижче глибини промерзання ґрунту), досягається можливість акумулювання теплової енергії, отриманої сонячним колектором в літній період в верхніх шарах Землі, завдяки чому забезпечується підвищення функціональності системи та її коефіцієнта корисної дії. Також завдяки тому, що відповідно до запропонованої корисної моделі геотермальна теплонасосна система з паралельно підключеним геліоколектором містить окремий універсальний теплообмінник, який конструктивно може монтуватися на вже існуючі конструкції теплонасосних систем, що використовують як первинне джерело тепла енергію приповерхневих шарів Землі і енергію Сонця, виконується поставлене завдання, щодо максимальної технологічності виготовлення таких систем та зручності при проведенні монтажних робіт. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому схематично зображено геотермальна теплонасосна система з паралельно підключеним геліоколектором. Запропонована згідно з корисною моделлю геотермальна теплонасосна система з послідовно підключеним геліоколектором складається з геліоколетора 1; ґрунтового колектора 2; універсального теплообмінника 3; датчиків температури на виході з геліоколектора ТІ та виході з ґрунтового колектора Т2; теплового насоса 4, який складається з функціонально пов'язаних випарника 5, конденсатора 6 та компресора 7, з терморегулюючим клапаном 8; циркуляційних насосів 9, 10, 11. Геотермальна теплонасосна система з послідовно паралельно підключеним геліоколектором працює таким чином: 1. Режим "Зима" призначений для отримання екологічно безпечної теплової енергії на виході з конденсатора теплового насоса за рахунок використання як первинної енергії теплоти приповерхневих шарів Землі та енергії сонячного випромінювання, яка перетворюється на теплову ґрунтовим колектором та геліоколектором відповідно та подаються на випарник теплового насоса. Режим "Зима" передбачає два режими: "Зима Міn" та "Зима Мах". Режим "Зима Міn" призначений для роботи системи в опалювальний сезон та період низької сонячної інтенсивності (Т1Т2), коли на випарник теплового насоса подається тепло як від геліосистеми, так і від ґрунтового колектора. Режим "Аварія" призначений для роботи системи в опалювальний сезон та період достатньо високої сонячної інтенсивності (Т1>Т2), коли по технічних причинах циркуляція теплоносія через ґрунтовий колектор відсутня та на випарник теплового насоса подається тепло тільки від геліосистеми. Перетворена ґрунтовим колектором 2 енергія приповерхневих шарів Землі в теплову передається теплоносієм за допомогою циркуляційного насоса 10 в універсальний теплообмінник 3, одночасно до універсального теплообмінника 3 передається теплоносієм за допомогою циркуляційного насоса 9 перетворена геліоколектором енергія сонячного випромінювання, за допомогою циркуляційного насоса 11 отримане сумарне тепло від обох відновлювальних джерел енергії потрапляє в випарник 5 теплового насоса 4, де нагріває робоче тіло теплового насоса, яке після стискання компресором 7 віддає своє тепло у конденсаторі 6 теплоносію системи теплозабезпечення та через терморегулюючий клапан 8 знову потрапляє у випарник (режим "Зима Мах"). В разі, коли температура теплоносія Т1>Т2, але при цьому циркуляція в контурі ґрунтового теплообмінника за технічних причин відсутня,до універсального теплообмінника 3 пов'язаним з ним циркуляційним насосом 9 подається теплоносій, нагрітий в геліоколекторі 1 енергією сонячного випромінювання, циркуляційним насосом 11 тепло від універсального теплообмінника 3 потрапляє в випарник 5 теплового насоса 4, де нагріває робоче тіло теплового насоса, яке після стискання компресором 7 віддає своє тепло у конденсаторі 6 теплоносію системи теплозабезпечення та через терморегулюючий клапан 8 знову потрапляє у випарник. Таким чином тепловий насос працює тільки від енергії сонячного випромінювання (режим "Аварія"). В разі, коли температура теплоносія Т1 на виході з геліоколектора 1 досягає критичної відмітки, близької до температури Т2 на виході з ґрунтового колектора 2, або співвідношення температур стає (Т1Т2) циркуляційний насос 11 вимикається, що забезпечує те, що перетворена геліоколектором 1 енергія сонячного випромінювання в теплову передається теплоносієм через універсальний теплообмінник 3 в ґрунтовий колектор 2, де віддає своє тепло ґрунту. Коли співвідношення температур на виході з геліоколектора та виході з ґрунтового колектора досягає критичної відмітки (Т1