Автономна система гарячого водопостачання та опалення

Реферат: UA 77072 U UA 77072 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплоенергетики і може бути використана в системах теплопостачання приміщень та стосується автономної системи гарячого водопостачання (ГВП) та опалення будь-яких приміщень, будівель і споруд будь-якого призначення. Традиційні джерела енергії вимагають великих фінансових витрат, причому вони близькі до виснаження. Одним з найбільш прийнятних альтернативних джерел енергії та теплопостачання на сьогодні є використання енергії навколишнього середовища за допомогою теплових насосів. Вони відомі вже досить давно, це екологічно чистий і економічний спосіб обігріву та гарячого водопостачання приміщень і будівель. За приблизними підрахунками встановлено близько 4 млн. теплових насосів в усьому світі. Теплові насоси широко поширені в США, Японії та країнах Європейського Союзу. У цих країнах встановлено навіть будівельні норми, які передбачають обов'язкове використання теплових насосів при будівництві нових споруд. У деяких країнах, наприклад, Швеції, 70 % усього опалення забезпечують саме теплові насоси. Теплові насоси мають ряд переваг, насамперед, економічність, широкий спектр застосування, універсальність, екологічність та безпека. Тепловий насос використовує електричну енергію набагато ефективніше будь-яких котлів, які спалюють паливо. Коефіцієнт ефективності теплових насосів набагато більше одиниці. Між собою теплові насоси порівнюють по умовній величині - коефіцієнту перетворення тепла (КПТ), він показує відношення одержуваного тепла до витраченої енергії. Приміром, КПТ = 4,5 означає, що номінальна (споживана) потужність теплового насоса становить 1 кВт, а на виході можна отримати 4,5 кВт теплової потужності, тобто 3,5 кВт тепла одержується з навколишнього середовища. Теплові насоси можуть працювати як на опалення, так і на охолодження. Теплонасос може відбирати тепло з повітря будинку, прохолоджуючи його. Влітку надлишкове тепло можна використовувати для підігріву побутової води або для басейну; На нашій планеті існує безліч джерел розсіяного (низькопотенційного) тепла. Земля, вода, повітря - вони містять теплову енергію, отриману від сонця. Тепловий насос може користуватися будь-яким джерелом. При цьому він не спалює паливо, тобто не утворюються шкідливі окисли типу CO, CO2, NO2, SO2 та інші небезпечні сполуки. Тому навколо будинку на ґрунті не утворюються сліди сірчаної, азотистої, фосфорної кислот тощо і бензольних з'єднань. До того ж застосовувані у сучасних теплових насосах хладони є озонобезпечними. У процесі опалення відсутні небезпечні гази, відкритий вогонь або шкідливі суміші. Теплові насоси вибухово- і пожежобезпечні, тому що деталі теплонасоса не нагріваються до високих температур, здатних стати причиною пожежі. А його зупинка не приведе до поломки, ним можна сміливо користуватися після тривалого простою. Також при правильній установці та експлуатації виключене замерзання рідин у компресорі або інших складових частинах. В залежності від джерела відбору тепла теплові насоси поділяються на: 1. Геотермальні (використовують тепло землі, наземних або підземних ґрунтових вод), що у свою чергу підрозділяються на а) замкнутого типу: горизонтальні: колектор тепла розміщується кільцями або хвилясто у горизонтальних траншеях нижче глибини промерзання ґрунту (зазвичай від 1,20 м і більше). Цей спосіб вважається найбільш економічно ефективним для жилих об'єктів за умови відсутності дефіциту земельної площі під контур; вертикальні: колектор тепла розміщується вертикально у свердловини глибиною до 200 м. Цей спосіб застосовується у випадках, коли площа земельної ділянки не дозволяє розмістити контур горизонтально або є загроза пошкодження ландшафту; водні: колектор тепла розміщується хвилясто або кільцями у водойму (озеро, ставок, річку) нижче глибини промерзання. Це найдешевший варіант, але є вимоги до мінімальної глибини та об'єму води у водоймі для певного регіону. б) відкритого типу: така система використовує як теплообмінну рідину воду, що циркулює безпосередньо через систему геотермального теплового насоса в рамках відкритого циклу, тобто вода після проходження системою повертається у землю. Цей варіант можливо реалізувати на практиці лише при наявності достатньої кількості відносно чистої води та за умови, що такий спосіб використання ґрунтових вод є дозволеним. 2. Повітряні (джерелом відбору тепла є повітря). 3. Працюючі на вторинному теплі (наприклад тепло трубопроводу центрального опалення, тепло скидної нагрітої води тощо). Цей варіант є найбільш доцільним для промислових об'єктів, де є джерела паразитного тепла, яке потребує утилізації. 1 UA 77072 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На практиці найчастіше використовують геотермальні теплові насоси з фунтовими колекторами тепла, як такі часто використовують поліетиленові труби або капронові волокнисті капілярні трубки. Поліетиленові труби або капронові волокнисті капілярні трубки закопують у землю нижче глибини промерзання ґрунту або бурять шурфи (глибиною до 80 м), куди також вставляють поліетиленові труби. І в першому, і в другому випадку труби заповнюють незамерзаючою рідиною і підключають до теплового насоса. За допомогою насоса у замкнутому циклі прокачують незамерзаючу рідину зі швидкістю близько 90-100 л/хв. Рідина, рухаючись по трубам, набирає тепло до 4 °C улітку і до 1-1,5 °C тепла узимку. Прогріта рідина проходить через тепловий насос, який знімає тепло з рідини до - 0,5 °C. Охолоджена рідина знов надходить в поліетиленові труби, віддає холод і знову нагрівається від землі. Недоліки такої системи: 2 1. Для ГВП і опалення на 1000 м будь-якого приміщення є необхідність в земельній ділянці площею 1 га або бурінні близько 30 свердловин глибиною 60 м. 2. На цій земельній ділянці не можна саджати дерева, коріння яких можуть пошкодити труби. 3. У зимовий час, коли необхідно обігрівати приміщення, незамерзаюча рідина недостатньо набирає тепло і не може у повній мірі нагріти приміщення без додаткових джерел тепла. 4. Ще один недолік такого відбору тепла полягає в тому, що всі труби, що знаходяться в землі або в свердловинах, протягом 5-10 років ззовні обростають колоніями мікроорганізмів (бактерії, грибки, мохи, лишайники тощо), що заважають теплообміну між рідиною та землею. Труби перетворюються на термосну систему, тому з'являється необхідність встановлення нової системи трубопроводів. Чим більше труби піддані біообростанню, тим більше часу потрібно працювати тепловому насосу, тим більше споживання електроенергії для роботи компресора в тепловому насосі, а це все призводить до передчасного зносу теплового насоса, його вузлів і агрегатів. З патенту UA63570 відома система теплопостачання, що містить джерела тепла і споживач тепла з впускними та випускними патрубками, систему трубопроводів, заповнену рідким теплоносієм, якою сполучені джерела тепла із споживачем тепла. Система містить принаймні два трійники, випускні патрубки джерел тепла, через перший трійник сполучені з впускним патрубком споживача тепла, випускний патрубок споживача тепла через другий трійник сполучений з впускними патрубками джерел тепла, а між другим трійником і впускними патрубками джерел тепла послідовно вмонтовані зворотні клапани і циркуляційні насоси. З патенту UA55181 відома установка для автономного опалення, кондиціювання та гарячого водопостачання приміщень, будівель і споруд різного призначення на основі технологій із використанням теплових насосів, яка має тепловий насос, ґрунтовий теплообмінник, систему повітряного опалення/кондиціювання на основі фанкойлів, пластинчатий теплообмінник, що встановлений між тепловим насосом та системою повітряного опалення/кондиціювання на основі фанкойлів, що додатково містить систему опалення типу водяна "тепла підлога", компенсаційну ємність з розширювальним баком, систему гарячого водопостачання, теплообмінник (ґрунтовий колектор), виконаний у вигляді горизонтального змійовика (багатопетельної U-подібної конструкції) з труб для вилучення/відновлення природної низькопотенційної теплоти поверхневих шарів ґрунту, резервний трубопровід-теплообмінник, гідравлічний вузол, трійник, контрольно-вимірювальний комплекс. З патенту DE102009024314 відома система, що складається з теплового насоса та теплообмінника, причому вихід теплового насоса частково замкнений на вхід теплообмінника, що дозволяє утилізувати додаткову теплоту. З патенту KR201000128420 відома система, що може працювати в двох режимах і складається з теплового насоса, з'єднаного з земляним джерелом тепла та пластинчатим теплообмінником. Наведених вище недоліків позбавлені системи опалення та ГВП, що використовують тепло водних джерел. Такими джерелами можуть бути як техногенні джерела, наприклад вода, нагрівання якої відбулося внаслідок технологічних потреб того чи іншого виробництва та є фактично відходом такого виробництва, або зворотна вода від споживачів централізованого гарячого водопостачання. Недоліком таких джерел води є значна неуніверсальність та фактична неможливість проектування на основі таких джерел автономних систем опалення у більшості випадків через їх відсутність. Також такими джерелами можуть бути природні джерела, наприклад відкриті водойми (річки, озера, море тощо) або вода з свердловин. Як правило, для природних відкритих водойм 2 UA 77072 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 використовують колектор тепла закритого типу, тобто, теплоносій циркулює по трубам, що прокладені у водоймі і набирає тепло без безпосереднього контакту з водою шляхом теплообміну через труби. Такий спосіб потребує відносно дорогого прокладання колектора у водоймі та зусиль до підтримки його функціонування та унеможливлення витоку теплоносія у воду, зате відкидає потребу у фільтрації води, що характерна для водяних колекторів тепла відкритого типу. Проблема біообростання, тим не менш, залишається актуальною. У випадку з свердловиною її, як правило, використовують як джерело низькопотенційного тепла з колектором відкритого типу, коли вода викачується зі свердловини, віддає тепло та після цього повертається до ґрунту. При цьому немає потреби у складній системі фільтрації вхідної води, яка сама по собі є достатньо чистою, і біообростання не є перешкодою. З патенту UA61130 відома установка гарячого водопостачання для потреб банно-прального господарства, зокрема вуглевидобувних шахт, за рахунок використання тепла шахтних вод або інших джерел низькопотенційного тепла, що містить джерело низькопотенційного тепла, контур гарячого водопостачання з системою споживачів гарячої води, тепловий насос з випарником та конденсатором, проміжний контур циркуляції води через випарник з блоком теплообмінників шахтної води із запірною арматурою, проміжний контур циркуляції води через конденсатор з блоком теплообмінників остаточного нагріву чистої води із запірною арматурою, контур підготовки гарячої води з теплообмінником попереднього нагріву чистої холодної води стічною відпрацьованою гарячою водою, яка обладнана системою теплоізольованих баків-акумуляторів гарячої води із запірною арматурою, кожний з котрих підключений до теплообмінника попереднього нагріву чистої води, теплообмінника остаточного нагріву чистої води, а також до контуру подачі гарячої води споживачам з можливістю почергового наповнення та спорожнення у заданий період робочого циклу, та має насос подачі гарячої води споживачам, встановлений в контурі гарячого водопостачання, теплоізольований бак-збірник відпрацьованої гарячої води, встановлений нижче рівня споживачів і сполучений через введений насос відпрацьованої води з теплообмінником попереднього нагріву чистої води відпрацьованою водою, а також має насос подачі попередньо нагрітої чистої води до теплообмінника остаточного нагріву її. З патенту UA91568 відомий спосіб теплопостачання, що включає процес нагріву основного теплоносія джерелом теплоти, транспортування нагрітого основного теплоносія подавальною лінією від джерела теплоти до споживачів теплоти, відведення теплоти від основного теплоносія до споживачів теплоти, транспортування охолодженого основного теплоносія зворотною лінією до джерела теплоти, при цьому відведення теплоти від основного теплоносія до споживачів теплоти здійснюють проміжним теплоносієм, спочатку підведенням до нього теплоти від основного теплоносія, а потім підвищенням температури проміжного теплоносія в теплонасосному циклі та відведенням теплоти від проміжного теплоносія до споживачів теплоти. З заявки RU2008110549 відомий спосіб гарячого водопостачання будівлі, за яким теплоту для нагріву води, що живить опалювальні прилади будівлі та прилади роздачі гарячої води, отримують шляхом пропуску через тепловий насос мережної води, яку перед введенням в тепловий насос пропускають через систему акумуляції низькопотенційної теплоти, розміщеної зовні будівлі. З патенту KR20040080947 відома система, що складається з теплового насоса та теплообмінника холодоагент-вода, що дозволяє підвищити ефективність нагрівання шляхом підведення гарячого холодоагенту до теплообмінника і використання гарячої води в теплообміннику холодоагент-вода. З патенту JP5045081 відома система, що містить циркуляційний потік етиленгліколю, що з'єднаний з джерелом тепла і холоду з використанням трипозиційних вентилів, з однієї сторони, та теплообмінника, що нагріває або охолоджує воду - з іншої сторони. З патенту RU2412401 відома система автономного опалення будівель індивідуального користування, що містить розташований в підвалі будинку басейн, в якому знаходиться система вода-лід-вода і тепловий насос, розташований з можливістю охолодження повітря в повітряному шарі, розташованому над верхнім шаром води, і нагріванням повітря в опалювальному приміщенні. Крім цього, система містить водяний насос, що може перекачувати воду з нижнього шару у верхній шар, і вентилятор, що може відкачувати повітря через витяжну трубу із зазначеного повітряного шару назовні. Система забезпечує будинок тепловою енергією шляхом роботи теплового насоса за рахунок тепла, що виділяється при фазовому переході вода-лід. Задачею корисної моделі є створення автономної системи гарячого водопостачання (ГВП) та опалення будь-яких приміщень, будівель і споруд, що забезпечує високу ефективність при зручності її встановлення, обслуговування та користування. 3 UA 77072 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Автономність у контексті цієї корисної моделі означає незалежність від будь-яких джерел централізованого постачання (води, тепла тощо), крім, можливо, джерела електричного струму. Як було показано, системи ГВП та опалення на основі теплових насосів, що використовують воду як джерело низькопотенційного тепла мають істотні переваги. Ті ж з них, що використовують джерела тепла відкритого типу, до того ж мають високі експлуатаційні характеристики щодо автономності, ефективності, економічності, безпечності для навколишнього середовища та нескладності у експлуатації. Серед теплових насосів найбільш поширеними є теплові насоси парокомпресійного типу. Таки насоси містять холодоагент та діють за допомогою механічної енергії компресора (що у свою чергу, як правило, працює від електроенергії). Холодоагент у випарнику забирає тепло у теплоносія при випаровуванні, та віддає його у конденсері, переходячи у рідкий стан. Процес повторюється постійно, поки є потреба у перенесенні тепла. Холодоагенти, що використовуються у теплових насосах парокомпресійного типу, характеризуються, як правило, широким діапазоном робочих температур, при яких вони працюють, зокрема, температура кипіння холодоагенту може бути і нижче 0 °C. Тому з таким тепловим насосом, що працює на воді як джерелі низькопотенційного тепла часто використовують проміжний теплоносій-антифриз, що є низькозамерзаючою рідиною і має достатньо низьку температуру замерзання, і таким чином може переносити тепло і за від'ємною температурою за Цельсієм. З іншого боку, такий проміжний носій набирає тепло у теплообміннику з води, що надходить з джерела відкритого типу. Але при такий системі часто виникає проблема несумісності проміжного теплоносія, що повертається від теплового насоса, із водою, що подається як джерело низькопотенційного тепла, та проявляється у замерзанні води у теплообміннику та зупинці роботи системи. Таким чином, задача корисної моделі полягає в створенні автономної системи гарячого водопостачання (ГВП) та опалення, яка працює від водяного джерела низькопотенційного тепла відкритого типу, на основі парокомпресійного теплового насоса та теплообмінника, що зазнають проблеми замерзання води у теплообміннику у результаті теплового контакту з антифризом. Задача корисної моделі вирішується шляхом використання парокомпресійного теплового насоса, що підключено до водяного джерела низькопотенційного тепла відкритого типу через пластинчатий теплообмінник, причому проміжним теплоносієм між теплообмінником та тепловим насосом є антифриз, і система додатково має акумулятор антифризу, що підключено між тепловим насосом та теплообмінником у напрямку руху антифризу від теплового насоса до теплообмінника, і є ємністю, що містить антифриз. Антифризом, зазвичай, є розчин щонайменше одного спирту у воді, що має температуру замерзання нижче 0 °C. Переважно, таким спиртом або спиртами є багатоатомні спирти. Переважно, таким спиртом є етиленгліколь або пропіленгліколь. Найбільш переважно, антифризом є розчин етиленгліколю або пропіленгліколю у воді. Використання проміжного теплоносія дозволяє переносити більшу кількість тепла, тому загальна ефективність системи підвищується і дає можливість знизити кількість води низькопотенційного джерела тепла, що у свою чергу зменшує вимоги до джерела такої води та веде до економії енергії, що потрібна для утворення циркуляційного контуру теплоносіїв (для насосів). Застосування проміжного акумулятора антифризу допомагає досягти режиму безперебійної роботи системи шляхом встановлення оптимальної температури проміжного теплоносія, при якому не відбувається замерзання води джерела низькопотенційного тепла відкритого типу у пластинчатому теплообміннику, з одного боку, та перенавантаження насосів прокачки проміжного теплоносія через необхідність забезпечення надмірної швидкості його циркулювання. Нове рішення є ефективним при використанні систем на основі теплових насосів для ГВП та опалення або охолодження житлових, виробничих, соціального або іншого призначення тощо приміщень, будівель та споруд незалежно від їх об'єму чи площі. На кресленні представлено схематично систему за цією корисною моделлю. (На схемі зображено лише основні блоки заявленої системи і не зображено допоміжні пристрої, що зазвичай використовуються для створення гідравлічних та теплових систем). До пластинчатого теплообмінника системою трубок надходить вода - джерело низькопотенційного тепла. В теплообміннику тепло з води знімається та передається на антифриз, який подається до теплового насоса і є джерелом тепла для нього. Охолоджена вода виходить з теплообмінника та утилізується будь-яким прийнятним способом. Тепловий насос розігріває воду, що подається для споживання - гарячого водопостачання та опалення, а 4 UA 77072 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 охолоджений антифриз рециркулює до теплообмінника через акумулятор антифризу, що не дозволяє надмірно охолодженому теплоносієві попадати до теплообмінника відразу. Таким чином, об'єктом цієї корисної моделі є система гарячого водопостачання, що містить пластинчастий теплообмінник, з'єднаний з водяним джерелом низькопотенційного тепла, тепловий насос та акумулятор антифризу, причому антифриз є проміжним теплоносієм, який циркулює між теплообмінником та тепловим насосом, а акумулятор антифризу є ємністю, що містить антифриз, і яку підключено між тепловим насосом та теплообмінником у напрямку руху антифризу від теплового насоса до теплообмінника. Переважно, антифризом є розчин щонайменше одного спирту у воді, що має температуру замерзання нижче 0 °C. Переважно, система містить також елементи обладнання та допоміжні пристрої - наприклад труби, фітинги, патрубки, вентилі, клапани, фільтри, насоси, датчики та пристрої контролю параметрів системи чи її елементів (зокрема температури та тиску), пристрої для обліку ресурсів системи (води, етиленгліколю, теплоти, електрики тощо), блоки автоматизації (зокрема, термостатні регулятори) та керування і інші. Система гарячого водопостачання та опалення є відносно простою та дешевою у виготовленні, монтажі, обслуговуванні та користуванні. Нижче наведено приклад конкретної реалізації корисної моделі. 3 Для опалення житлової будівлі загальної площі 1020 м було створено таку систему. Зі свердловини за допомогою насоса на пластинчатого теплообмінника Alfa Laval подається потік води. У теплообміннику вода передає тепло розчину етиленгліколю, який надходить на парокомпресійний тепловий насос Т-60 виробництва Lampoassa. Тепловий насос нагріває воду, що передається в бойлер, охолоджений розчин етиленгліколю знов повертається до пластинчатого теплообмінника через акумулятор розчину етиленгліколю. З бойлера вода споживається для опалення та гарячого водопостачання будинку. Монтаж системи нескладний, після встановлення вона майже не потребує обслуговування. Характеристики використаного обладнання (до переліку не включені допоміжні пристрої та матеріали, таки як труби, вентилі, пристрої для обліку блоки контролю/керування тощо): Джерело низькопотенційного тепла: вода зі свердловини; Глибина свердловини: 60 м; 3 Потік води: 4,0-8,0 м /год.; Температура вхідної води: 10-11 °C; Температура вихідної води: 5-6 °C. Теплообмінник: паяний пластинчатий протитечійний теплообмінник CB300-64L виробництва Alfa Laval (Швеція); кількість пластин: 126; матеріал пластин: Alloy 316/Cu; 3 потік води: 4,0-8,0 м /год.; 3 потік розчину етиленгліколю: 5,0-6,0 м /год. Тепловий насос: Т-60 виробництва Lämpöässä (Фінляндія); теплова потужність: 60 кВт; холодоагент: R407C (tкип = -43,6 °C, при атм. тиску); Компресор: Maneurop MTZ; Насос (випаровувач): Grundfos CH 2-30; Насос (конденсер): Grundfos UPS 25-80. Проміжний теплоносій: 50 % мас. розчин етиленгліколю у воді. Акумулятор: 1000 л; Бойлер: 2000 л, вихід гарячої води 45-60 л/хв. Використання такої системи протягом року показало її беззаперечну спроможність забезпечити ГВП та опалення вказаного будинку. При цьому витрати електричної енергії на систему склали: за 2 місяці (січень, лютий): 18,000 кВт за 2 місяці (грудень, березень): 9,000 кВт за 8 місяців (з квітня по листопад): 12,000 кВТ за рік: 39,000 кВТ або 3,25 кВт/місяць у середньому. Отже, з результатів випробування видно, що використання системи за цією корисною моделлю забезпечує високу економічність та ефективність гарячого водопостачання та опалення будинку. 60 5 UA 77072 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 1. Автономна система для гарячого водопостачання та опалення, що містить пластинчастий теплообмінник, підключений до водяного джерела низькопотенційного тепла, та парокомпресійний тепловий насос, між якими у замкненому контурі циркулює антифриз, яка відрізняється тим, що додатково містить акумулятор антифризу, який є ємністю, що містить антифриз, і який підключено між тепловим насосом та теплообмінником у напрямку руху антифризу від теплового насоса до теплообмінника. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що антифризом є розчин щонайменше одного спирту у воді, при чому цей розчин має температуру замерзання нижче 0 °C. 3. Система за будь-яким з пп. 1-2, яка відрізняється тим, що антифризом є розчин етиленгліколю або пропіленгліколю, або їх суміш у воді, при чому цей розчин має температуру замерзання нижче 0 °C. 4. Система за будь-яким з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що антифризом є 30-70 % мас. розчин етиленгліколю у воді. 5. Система за будь-яким з пп. 1-4, яка відрізняється тим, що додатково містить щонайменше один елемент обладнання, що зазвичай використовуються для гідравлічних та теплових систем. 6. Система за п. 5, яка відрізняється тим, що елемент або елементи обладнання вибирають з труб, фітингів, патрубків, вентилів, клапанів, фільтрів, насосів, датчиків та пристроїв контролю параметрів системи чи її елементів, пристроїв для обліку ресурсів системи, блоків автоматизації, блоків керування. Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 6