Система теплоснабжения Российский патент 2017 года по МПК F24D10/00 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для экономичного, экологически эффективного, автономного отопления и вентиляции зданий и сооружений, в том числе с применением тепловых насосов в резко континентальных и суровых климатических условиях, включая зону вечной мерзлоты.

Известны различные системы теплоснабжения. Важным направлением существенного снижения затрат на отопление является наружная теплоизоляция стен здания. Из технических решений наиболее перспективны вентилируемые фасады, содержащие закрепленный на стене слой теплоизоляции и воздушный зазор, закрытый слоем облицовки, например [1. Патент РФ №2229573] обеспечивающие теплоизоляцию, удаление влаги из конструкции через воздушный зазор и эффектный наружный вид здания.

Недостатками этого аналога являются: повышенные затраты на теплоснабжение, необходимость использования в здании отопительных приборов большой мощности, рассчитанных на максимально низкую наружную температуру, некомфортные условия из-за сухого воздуха в здании. Кроме того, воздушный зазор не закрыт теплоизоляцией и не может использоваться для обогрева здания.

Известны применяемые, возможно, и для зданий с вентилируемым фасадом широко распространенные системы теплоснабжения, содержащие котлы, в том числе котлы с обогревом электричеством [2. Патент РФ №2075701], и установки, использующие тепловые насосы - ТН [3. Рей Д., Макмайкл Д Тепловые насосы. - М.: Энергоиздат. 1982]. ТН имеют испаритель, который отбирает при низкой температуре рабочего тела T_LК тепло от внешних (бесплатных) источников тепла низкого потенциала (воздух, вода, грунт и др.), конденсатор, через который в помещение выделяется необходимое для теплоснабжения тепло при температуре рабочего тела Т_НК. ТН также включает обеспечивающие работу установки расширительную машину и компрессор с общим приводом [3. Рей Д. …, рис. 2.1 и 2.2, стр. 16 и 17]. Отбор тепла ТН от внешнего источника позволяет существенно, в разы, снизить затраты энергии на теплоснабжение. Это экономично, экологически чисто и поэтому ТН широко применяются в технически развитых странах, таких как Германия и др., с использованием низкопотенциального тепла воздуха и грунта, причем возможно и с полным автономным обеспечением электроэнергий от солнечных батарей, работающих совместно с аккумуляторами электроэнергии.

Коэффициент преобразования работы привода W в полезное тепло Q-Кt=Q/W для ТН максимален в варианте цикла Карно. В этом случае он определяется простым соотношением Кt=T_H/(T_H-T_L) [3. Рей Д. …, стр. 17]. Иными словами, при одинаковой затрате работы привода возможно получить тем больше тепла, чем меньше разница температур рабочего тела в конденсаторе T_H и испарителе T_L, или, соответственно, чем меньше разница температур в помещении и источника тепла низкого потенциала. Поэтому ТН особенно эффективны с системой отопления «теплый пол», так как «теплый пол» [4. Патент РФ №2148211], благодаря большой площади теплообмена и нижнему расположению приборов отопления, позволяет существенно снизить необходимую для отопления температуру рабочего тела T_H, соответственно уменьшить разницу температур (T_H-T_L) и увеличить Кt.

ТН, использующие тепло наружного воздуха, эффективны и применяются при температуре окружающей среды не ниже -15 С. При этом, например, если для условий Германии разница температур (T_H-T_L) достаточно мала и ТН эффективны, то для суровых климатических условий России, особенно в зонах вечной мерзлоты, ТН не применяются из-за большой разницы температур и малой эффективности, даже и с системой отопления «теплый пол». В целом рассмотренные аналоги не достаточно эффективны с целью их применения для теплоснабжения.

Известна выбранная в качестве прототипа система теплоснабжения [5. Патент РФ №2412401], которая использует теплоту замерзания воды и пригодна для суровых климатических условий. Эта система теплоснабжения включает расположенный в подвале, под полом, закрытый льдом бассейн с насосом, который разбрызгивает воду надо льдом, ТН с испарителем, расположенным также надо льдом, и конденсатором, вынесенным в отапливаемом помещении. При этом зазор между полом и льдом (подвал) имеет приточно-вытяжную атмосферную вентиляцию. Зимой, при работе, разбрызгиваемая над льдом вода замерзает и подогревает воздух в подвале, затем это тепло воспринимается испарителем ТН при достаточно высокой температуре T_L, близкой к 0°С, и передается через конденсатор на отопление жилого дома.

Недостатками прототипа являются: повышенные затраты на теплоснабжение, необходимость использования в здании отопительных приборов большой мощности, рассчитанных на максимально низкую наружную температуру, некомфортные условия из-за сухого воздуха в здании.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение экономичного, экологически эффективного автономного теплоснабжения и создание комфортных условий в условиях резко континентального и сурового климата, включая зону вечной мерзлоты, с применением отопительных приборов, в том числе тепловых насосов (ТН), которые типично используются для теплоснабжения в условиях теплого и умеренного климата.

Поставленные задачи решаются тем, что по изобретению предлагается использовать систему теплоснабжения, имеющую вентилируемый фасад, выполненный с воздушными зазорами и каналами, закрытыми с внешней стороны слоем теплоизоляции и облицовкой, внутренние приборы обогрева и камеру подогрева воздуха с вентиляторами, разбрызгивателями воды и устройствами улавливания и удаления льда и снега, включенную с помощью раздающих и сборных коллекторов в контуры циркуляции подогретого воздуха через воздушные зазоры и каналы вентилируемого фасада здания.

При работе предлагаемой системы теплоснабжения через воздушные зазоры и каналы вентилируемого фасада и камеру подогрева воздуха с помощью вентиляторов, раздающих и сборных коллекторов организуется циркуляция теплого воздуха, подогреваемого за счет выделяющегося при замерзании разбрызгиваемой воды. Соответственно, вне зависимости от наружной температуры и климатических условий, благодаря постоянной температуре, поддерживаемой в воздушных зазорах и каналах вентилируемого фасада на уровне -5°С ÷ -10°С, обеспечивается в течение всего отопительного периода постоянный невысокий расход тепла, необходимый для теплоснабжения здания на уровне, характерном для теплого и умеренного климата с температурой наружного воздуха -5°С ÷ -10°С. Таким образом, для теплоснабжения в здании достаточно установить внутренние приборы обогрева небольшой мощности, которые типично используются для теплоснабжения в условиях теплого и умеренного климата. Кроме того, приборы обогрева будут работать при постоянной нагрузке, в оптимальном, наиболее экономичном режиме, которые типично используются для теплоснабжения в условиях теплого и умеренного климата при минимуме затрат.

Компенсация тепловых потерь здания осуществляется за счет условно бесплатного выделения тепла от замерзания воды: при понижении наружной температуры увеличивается расход воды, разбрызгиваемой в камере подогрева воздуха. При этом, увеличивая толщину теплоизоляции, которая закрывает воздушные зазоры и каналы вентилируемого фасада с внешней стороны, расход воды и соответственно эксплуатационные затраты можно снизить.

Кроме этого основного в дополнительных, зависимых пунктах изобретения, п. 2 - п. 10, предлагаются уточнения, увеличивающие его эффективность.

Дополнительно предлагается камеру подогрева воздуха выполнить в виде осадительной камеры с расположенными в ней сверху разбрызгивателями воды и устройством удаления льда и снега снизу. Улавливание образующихся при замерзании воды частиц льда и снега из потока воздуха можно производить в известные устройства, как, например, в циклоны, в рукавные или электростатические фильтры. Осадительная камера - это наиболее простое устройство, но она позволяет не только улавливать более плотные частицы осаждением за счет гравитации, но и организовать межфазный тепло- и массообмен при минимуме аэродинамического сопротивления по наиболее эффективной противоточной схеме. Согласно дополнительному п. 3, установка в камере подогрева воздуха инфракрасных обогревателей позволяет решить проблему дефростации (очистки стен этой камеры и испарителей ото льда). За счет периодического обогрева поверхностей проникающим через лед тепловым излучением обеспечивается образование подо льдом на них пленки воды, естественное соскальзыание и сброс льда.

Кроме того, п. 4-7 предлагается в качестве по меньшей мере части из приборов обогрева использовать конденсаторы ТН (тепловых насосов), в том числе включенные по наиболее эффективной схеме «теплый пол». Испарители ТН предлагается устанавливать в контурах циркуляции подогретого воздуха, в камере подогрева воздуха или подключать к другим типам возобновляемых источников тепла, и это снижает эксплуатационные затраты. При этом предлагаемое в п. 7 использование солнечных батарей совместно с аккумуляторами электроэнергии для электроснабжения приводов ТН, вентиляторов и другого оборудования системы теплоснабжения не только экономит затраты электроэнергии, но и обеспечивает экологически эффективное и полностью автономное теплоснабжение здания на бесплатных источниках.

Дополнительно предлагается подключать к камере подогрева воздуха или к контуру его циркуляции систему вентиляции. При этом в здание поступает не сухой холодный атмосферный воздух, а воздух, насыщенный парами замерзающей воды, подогретый и комфортно влажный, исключаются затраты тепла на вентиляцию и используемые зимой увлажнители воздуха.

Кроме того, в п. 9 и п. 10 предлагается в системе использовать регулирование обогрева стен здания за счет включения некоторых из стен здания в индивидуальные контуры циркуляции подогретого воздуха. Например, можно увеличивать подачу воздуха на наветренную сторону или снимать и передавать тепло с солнечной стороны на северную потоком воздуха путем управления шиберами и вентиляторами. При этом раздающие и сборные коллекторы предлагается располагать на чердаке и в подвале здания.

Дополнительное предложение п. 11 по использованию естественной циркуляции воздуха в контурах циркуляции подогретого воздуха с опускным движением вдоль стен здания и подъемным в камере подогрева воздуха дополнительно снижает затраты энергии на привод вентиляторов.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где показана принципиальная схема предлагаемой системы теплоснабжения и разрезы вентилируемого фасада, фиг. 2 и фиг. 3.

Система теплоснабжения, фиг. 1, имеет внутренние приборы обогрева, камеру подогрева воздуха, которая выполнена в виде осадительной камеры 1 с расположенными в ней сверху разбрызгивателями 2 воды и устройствами 3 удаления образующегося при замерзании воды льда и снега снизу. Камера 1 с помощью установленных на чердаке и в подвале здания раздающих 4 и сборных 5 коллекторов включена в контуры циркуляции подогретого воздуха с вентиляторами 6 и шиберами 7 через воздушные зазоры 8 и каналы 9 секций 10, 11, 12, 13 вентилируемого фасада здания.

Вентилируемый фасад, фиг. 2 и фиг. 3, навешивается на стены 14 здания, имеет облицовку 15 и выполнен с воздушными зазорами 8 и каналами 9, которые для их тепловой защиты закрыты с внешней стороны слоем теплоизоляции 16. При необходимости на стены 14 может наноситься еще и дополнительный слой теплоизоляции здания.

Внутренние приборы обогрева типовые, работающие от центрального отопления или от установленных в здании угольных, газовых или электрических котлов, но они выбираются с уменьшенной мощностью. Более конкретно на схеме, фиг. 1, показано применение для теплоснабжения теплового насоса (ТН). ТН имеет электродвигатель 17 с установленными на его валу компрессором 18 и детандером 19. ТН также включает испаритель 20 и используемые в качестве приборов обогрева конденсаторы 21, включенные по схеме «теплый пол». При этом электродвигатель 17, как и приводы вентиляторов 6, через блок управления 22 подключен к установленным на здании солнечным батареям 23 и аккумуляторам 24. Кроме того, здание имеет приточную систему 25 вентиляции помещений, которая подключена к камере 1, и другие системы жизнеобеспечения.

При работе системы теплоснабжения холод, проникающий извне через облицовку 15 и теплоизоляцию 16, поглощается теплым воздухом в зазорах 8 и каналах 9 секций 10, 11, 12, 13 вентилируемого фасада. Далее холодный воздух по сборным коллекторам 5 вентиляторами 6 нагнетается в осадительную камеру 1 (камеру подогрева) и здесь подогревается за счет теплоты фазового перехода, выделяющейся при замерзании воды, разбрызгиваемой разбрызгивателями 2. Затем подогретый воздух по раздающим коллекторам 4 поступает на обогрев секций 10, 11, 12, 13 вентилируемого фасада через воздушные зазоры 8 и каналы 9. Распределение воздуха по секциям 10, 11, 12, 13 регулируется работой вентиляторов 6 и шиберами 7. Кроме того, часть влажного подогретого воздуха подается в систему 25 вентиляции помещений и обеспечивает в них комфортные условия по влажности, что особенно важно зимой, при практически нулевом влагосодержании наружного воздуха.

В итоге, независимо от наружных условий, в воздушных зазорах и каналах вентилируемого фасада поддерживается постоянная температура на уровне не ниже -5°С ÷ -10°С. Поэтому в течение всего отопительного периода требуется только постоянный, небольшой расход тепла для теплоснабжения здания на уровне, характерном для теплого и умеренного климата с наружной температурой воздуха не ниже -5°С ÷ -10°С, и достаточно иметь более дешевые приборы обогрева небольшой мощности, причем они будут работать при постоянной нагрузке, в оптимальном, наиболее экономичном режиме. Теплота фазового перехода для замерзания воды достаточно велика 334 кДж/кг, тогда как, например, для изменения температуры 1 кг воды на 1°С требуется 4,2 кДж тепла, теплоемкость воздуха Ср=1 кДж/кг×°С, и расход потребляемой воды сравнительно мал, увеличивая толщину 16 теплоизоляции, можно дополнительно снизить его и эксплуатационные затраты.

В осадительной камере 1 улавливание образующихся при замерзании воды частиц льда и снега осуществляется при минимуме аэродинамического сопротивления путем простого гравитационного осаждения в расположенное ниже устройство 3 удаления льда и снега, и удаляется им из системы.

Обогрев помещений до комфортной температуры 18-20°С компенсирует потери тепла через стены 14 здания и осуществляется ТН. Электродвигатель 17 вращает установленный на его валу компрессор 18, он подает нагретое при сжатии рабочее тело в конденсаторы 21 - приборы обогрева «теплый пол», и они, благодаря большой площади, обогревают помещение при минимальном уровне температуры рабочего тела. Далее рабочее тело охлаждается с полезной работой в детандере 19 и воспринимает из камеры 1 тепло испарителем 20 от воздуха. При этом за счет малой разницы температур T_H-T_L может быть обеспечен высокий коэффициент преобразования работы привода в полезное тепло, что обеспечивает применимость ТН даже при суровом климате и сокращает затраты на отопление.

Кроме того, ТН может быть подключен к другим более теплым типам возобновляемых источников тепла (грунт, река) при их наличии. Наиболее экономично теплоснабжение работает при автономном электроснабжении. Электроэнергия вырабатывается установленными на здании солнечными батареями 23 с накоплением ее избытка в аккумуляторах 24. По мере необходимости электроэнергия через блок управления 22 расходуется электродвигателем 17, приводами вентиляторов 6 и другими потребителями, включая электромобили, причем экологически безвредно, от Солнца.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для экономичного, экологически эффективного, автономного отопления и вентиляции зданий и сооружений, в том числе с применением тепловых насосов в резко континентальных и суровых климатических условиях, включая зону вечной мерзлоты. Система теплоснабжения здания выполняется с вентилируемым фасадом с внешним теплоизолирующим слоем, имеет внутренние приборы обогрева в здании и камеру подогрева воздуха с вентиляторами, разбрызгивателями воды и устройствами улавливания и удаления льда и снега. Камера подогрева воздуха включена с помощью раздающих и сборных коллекторов в контуры циркуляции подогретого воздуха через вентилируемый фасад здания и испарители тепловых насосов, используемых в качестве по меньшей мере части приборов обогрева. Для электроснабжения предлагается использовать солнечные батареи, совместно с аккумуляторами электроэнергии это обеспечит полностью автономное, экологически безвредное теплоснабжение. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система теплоснабжения, имеющая вентилируемый фасад, выполненный с воздушными зазорами и каналами, закрытыми с внешней стороны слоем теплоизоляции и облицовкой, внутренние приборы обогрева и камеру подогрева воздуха с вентиляторами, разбрызгивателями воды и устройствами улавливания и удаления льда и снега, включенную с помощью раздающих и сборных коллекторов в контуры циркуляции подогретого воздуха через воздушные зазоры и каналы вентилируемого фасада здания.

2. Система теплоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что камера подогрева воздуха выполнена в виде осадительной камеры с расположенными в ней сверху разбрызгивателями воды и устройством удаления льда и снега снизу.

3. Система теплоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что в камере подогрева воздуха установлены инфракрасные обогреватели.

4. Система теплоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве по меньшей мере части приборов обогрева используются конденсаторы тепловых насосов, причем испарители тепловых насосов установлены в контурах циркуляции подогретого воздуха или в камере подогрева воздуха.

5. Система теплоснабжения по п. 4, отличающаяся тем, что конденсаторы тепловых насосов включены по схеме «теплый пол».

6. Система теплоснабжения по п. 4, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть испарителей тепловых насосов подключена к другим типам возобновляемых источников тепла.

7. Система теплоснабжения по п. 4, отличающаяся тем, что на здании установлены солнечные батареи, используемые совместно с аккумуляторами электроэнергии для электроснабжения приводов тепловых насосов, вентиляторов и другого оборудования системы теплоснабжения.

8. Система теплоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что к камере подогрева воздуха или к контуру циркуляции подогретого воздуха подключена система вентиляция здания.

9. Система теплоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из стен здания включены в индивидуальные контуры циркуляции подогретого воздуха, причем эти контуры циркуляции оснащены индивидуальными шиберами и вентиляторами.

10. Система теплоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что раздающие и сборные коллекторы расположены на чердаке и в подвале здания.

11. Система теплоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что в контурах циркуляции подогретого воздуха используется естественная циркуляция воздуха с подъемным движением вдоль стен здания и опускным в камере подогрева воздуха.