НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2020 года по МПК F24D3/18 

Область техники

Изобретение относится к нагревательной системе, в которой локальная нагревательная система здания взаимодействует с районной сетью охлаждения.

Уровень техники

Почти во всех крупных современных городах мира имеются встроенные в их инфраструктуры энергетические сети по меньшей мере двух типов: одна сеть для снабжения теплом и одна сеть для снабжения холодом. Сеть для снабжения теплом может, например, использоваться с целью создания комфортного и/или технологического нагрева и/или с целью получения горячей водопроводной воды. Сеть для снабжения холодом (сеть охлаждения) может, например, использоваться для создания комфортного и/или технологического охлаждения.

Обычная сеть для снабжения теплом представляет собой газовую или электрическую сеть, обеспечивающую нагрев для создания комфорта и/или для технологических целей, и/или для получения горячей водопроводной воды. Альтернативой таких сетей является районная сеть теплоснабжения, используемая для подачи нагретой теплопереносящей текучей среды, в типичном варианте в виде воды, к зданиям города. Для нагрева и распределения нагретой теплопереносящей текучей среды используется центрально расположенная нагревательная и насосная установка. Нагретая теплопереносящая текучая среда подается к зданиям по одному или более подающим трубопроводам и возвращается в нагревательную/насосную установку по одному или более обратным трубопроводам. Локально, в здании, тепло экстрагируется из нагретой теплопереносящей текучей среды тепловым насосом.

Обычная сеть для снабжения холодом является электрической сетью. Электричество может, например, использоваться для обеспечения питания бытовых холодильников и морозильников или для использования воздушных кондиционеров с целью обеспечения комфортного охлаждения. Альтернативой сети для снабжения холодом является районная сеть охлаждения, которая используется для подачи охлажденной теплопереносящей текучей среды, в типичном случае в виде воды, к зданиям города. Для охлаждения и распределения охлажденной теплопереносящей текучей среды используется центрально расположенная холодильная/насосная установка. Охлажденная теплопереносящая текучая среда подается к зданиям по одному или более подающим трубопроводам и возвращается в охлаждающую/насосную установку по одному или более обратным трубопроводам. Локально, в здании, холод экстрагируется из охлажденной теплопереносящей текучей среды тепловым насосом.

Использование энергии для нагрева и/или охлаждения стабильно возрастает, негативно влияя на окружающую среду. Негативные влияния на окружающую среду могут быть ослаблены путем оптимизации использования энергии, присутствующей в сетях распределения энергии. Таким образом, существует потребность в улучшении использования энергии, присутствующей в сетях ее распределения. Кроме того, при осуществлении реальных инженерных проектов обеспечение нагрева/охлаждения требует огромных капитальных затрат, так что имеет место постоянное стремление к их снижению.

Раскрытие изобретения

Таким образом, существует потребность в усовершенствованных решениях реальных проблем снабжения города теплом и холодом.

Соответственно, изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых проблем с целью улучшенного использования энергии в районной сети охлаждения.

Согласно первому аспекту изобретения предлагается нагревательная система, в состав которой входят:

- районная сеть охлаждения, содержащая подающий трубопровод для входного потока охлаждающей текучей среды, имеющего первую температуру в интервале 4-12°С, и обратный трубопровод для обратного потока охлаждающей текучей среды, имеющего вторую температуру в интервале 10-18°С, более высокую, чем первая, и

- локальная нагревательная система здания, сконфигурированная для обогрева здания и/или для получения горячей водопроводной воды, причем данная система снабжена тепловым насосом, вход и выход которого подключены соответственно к обратному трубопроводу районной сети охлаждения и к ее подающему трубопроводу.

Таким образом, тепло охлаждающей текучей среды, которое переносится в обратном трубопроводе районной сети охлаждения и которое до этого рассматривалось как сбросная энергия, в нагревательной системе по изобретению используется в качестве входной энергии для теплового насоса. В свою очередь, тепловой насос использует сбросное тепло охлаждающей текучей среды, чтобы повысить температуру нагревательной текучей среды, применяемой в локальной нагревательной системе, с целью обеспечения нагревания здания для создания комфорта и/или для получения горячей водопроводной воды. Получаемый при этом положительный эффект состоит в возможности уменьшить энергопотребление и соответственно уменьшить размеры теплового насоса. Кроме того, использование районной сети теплоснабжения или наличие доступа к ней в какой-то степени или в некоторых обстоятельствах может оказаться излишним. В результате в финансовом плане такой подход к проблеме снижает суммарные энергозатраты на обслуживание здания, а также суммарные капитальные вложения в здание и его оборудование. Таким образом, изобретение предлагает техническое решение для будущих инженерных проектов, приемлемое и с экологической, и с финансовой точек зрения.

Дальнейшая информация о применимости изобретения будет приведена в нижеследующем подробном описании. Однако должно быть понятно, что подробное описание и рассматриваемые в нем конкретные примеры, поясняющие предпочтительные варианты изобретения, приводятся только в качестве иллюстраций, тогда как специалистам в данной области, после изучения подробного описания, будут ясны возможные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема изобретения.

Согласно второму аспекту изобретения предлагается способ управления отбором тепла из районной сети охлаждения, которая используется для удовлетворения потребностей в комфортном охлаждении и содержит следующие компоненты:

- подающий трубопровод для входного потока охлаждающей текучей среды в виде воды, жидкого антифриза или их смесей, при этом данный поток имеет первую температуру в интервале 4-12°С,

- обратный трубопровод для обратного потока охлаждающей текучей среды, имеющего вторую температуру в интервале 10-18°С, более высокую, чем первая температура,

- районную холодильную установку, способную охлаждать охлаждающую текучую среду, поступающую в обратный трубопровод, со второй температуры до первой, и

- множество потребительских охлаждающих устройств, каждое из которых сконфигурировано для потребления холода, содержащегося в охлаждающей текучей среде, поступающей в указанные устройства, с нагревом, тем самым, охлаждающей текучей среды и с обеспечением возврата нагретой охлаждающей текучей среды в обратный трубопровод с возможностью ее циркуляции в районной сети охлаждения вследствие разности давлений между подающим трубопроводом и обратным трубопроводом, поскольку давление в подающем трубопроводе выше, чем в обратном трубопроводе.

При этом отбор тепла производят тепловым насосом, вход и выход которого подключены соответственно к обратному трубопроводу районной сети охлаждения и к ее подающему трубопроводу, а в предлагаемый способ дополнительно включена операция управления насосом, установленным на входе или выходе теплового насоса, чтобы регулировать проходящий через него поток охлаждающей текучей среды.

Данный способ может включать определение данных, относящихся к температуре охлаждающей текучей среды на выходе теплового насоса, и управление насосом на основе указанных данных.

Тепловой насос может быть подключен к нагревательному прибору. В таком варианте способ может дополнительно включать определение данных, относящихся к потребности в нагреве со стороны нагревательного прибора, и управление насосом на основе указанных данных.

Должно быть понятно, что данное изобретение не ограничено конкретными компонентами описанного устройства или операциями описанных способов, поскольку эти устройство и способ могут быть модифицированы. Кроме того, должно быть понятно, что использованная в описании терминология выбрана только для описания конкретных вариантов и не должна рассматриваться, как ограничительная.

Следует отметить, что упоминание любого элемента и объекта означает, что, если из контекста явно не следует обратное, может присутствовать один или более таких элементов. Таким образом, термины типа "компонент" или "указанный компонент" могут подразумевать присутствие нескольких таких компонентов и т.д. Далее, слова "содержащий", "включающий" и их синонимы, относящиеся к определенным элементам или операциям, не исключают присутствия других элементов или операций.

Краткое описание чертежей

Далее упомянутые и другие аспекты изобретения будут описаны более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены, в общем виде, различные варианты изобретения. Идентичные или сходные элементы имеют одинаковые обозначения на всех чертежах.

На фиг. 1 представлена схема известной районной сети охлаждения, взаимодействующей со зданиями, каждое из которых имеет локальную охлаждающую систему.

На фиг. 2 представлена схема нагревательной системы согласно изобретению.

Осуществление изобретения

Нижеследующее подробное описание изобретения приводится со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие варианты изобретения, которые рассматриваются как предпочтительные. Однако изобретение может быть осуществлено во многих различных формах и не должно интерпретироваться как ограниченное рассматриваемыми далее вариантами. Действительно, эти варианты приводятся только для того, чтобы обеспечить глубину и полноту описания изобретения и чтобы дать специалистам в данной области возможность точно оценить его объем.

Сначала, со ссылкой на фиг. 1, будет рассмотрена общая схема районной сети охлаждения, взаимодействующей со зданиями, каждое из которых оборудовано локальной охлаждающей системой.

Как показано на фиг. 1, районная сеть 1 охлаждения, сама по себе хорошо известная из уровня техники, образована одной или несколькими гидравлическими сетями (не изображены), которые доставляют охлаждающую текучую среду в локальные охлаждающие системы 3, размещенные в нуждающихся в охлаждении зданиях 2, таких как офисные здания, коммерческие помещения, жилые дома и промышленные предприятия. В типичном варианте районная сеть 1 охлаждения содержит районную холодильную установку 4, способную охлаждать охлаждающую текучую среду. Такой установкой может быть, например, электростанция, использующая озерную воду. Охлажденная охлаждающая текучая среда транспортируется по подающему трубопроводу 5, образующему часть трубопроводной системы 6, в потребительские охлаждающие устройства 7, находящиеся в зданиях 2. Разумеется, в одном и том же здании 2 может быть установлено несколько устройств 7. К примерам устройств 7 относятся воздушные кондиционеры и холодильники.

В результате потребления холода, содержащегося в охлажденной охлаждающей жидкости, потребительскими охлаждающими устройствами 7 температура данной среды повышается, после чего нагретая таким образом охлаждающая жидкость возвращается в районную холодильную установку 4 по обратному трубопроводу 8, образующему часть трубопроводной сети 6.

Районные сети 1 охлаждения используются для удовлетворения потребности в комфортном охлаждении. Температура охлаждающей жидкости в подающих трубопроводах 5 в типичном варианте составляет 4-12°С, а температура в обратных трубопроводах 8 - 10-18°С.

Поддержание разности давлений между подающими и обратными трубопроводами гидравлической сети всегда создает так называемый "конус давления", в результате которого давление в подающих трубопроводах 5 выше, чем в обратных трубопроводах 8. Эта разность давлений обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости в гидравлической сети между районной холодильной установкой и потребительскими охлаждающими устройствами.

В районной сети 1 охлаждения обычно используются нетеплоизолированные трубопроводы из пластика, рассчитанные на максимальное давление, равное 0,6 МПа или 1 МПа, и на максимальную температуру около 50°С. При этом охлаждающей текучей средой, т.е. энергоносителем, в типичном варианте является вода, хотя должно быть понятно, что могут быть использованы и другие текучие среды или их смеси. К примерам таких веществ, не имеющим ограничительного характера, относятся аммоний, жидкие антифризы (такие как гликоль), масла и спирты. Примером смеси, не имеющим ограничительного характера, является вода с добавленным антифризом, таким как гликоль. Согласно существующим оценкам, энергия, содержащаяся в возвращенной охлаждающей жидкости, рассматривается как сбросная энергия.

На фиг. 2 схематично представлена нагревательная система 100 согласно изобретению. В базовом варианте в ее состав входят районная сеть 1 охлаждения, локальная нагревательная система 200 здания 2 и тепловой насос 10. Сеть 1 имеет такую же конструкцию, которая была описана выше со ссылками на фиг. 1, и, чтобы избежать излишних повторов, в данном случае делаются ссылки на соответствующие предыдущие части описания.

Локальная нагревательная система 200 использует циркулирующую нагревательную текучую среду, такую как вода, хотя должно быть понятно, что могут быть использованы и другие текучие среды или их смеси. К примерам таких веществ, не имеющим ограничительного характера, относятся аммиак, жидкие антифризы (такие как гликоль), масла и спирты. Неограничивающим примером смеси является вода с добавкой антифриза, такого как гликоль. Локальная нагревательная система 200 содержит нагревательный прибор 12. Нагревательные приборы 12, сами по себе хорошо известные из уровня техники, могут использоваться, например, для комфортного нагрева в зданиях, таких как офисные здания, коммерческие помещения, жилые дома и предприятия, и/или для получения горячей водопроводной воды. К примерам типичных нагревательных приборов 12 относятся гидравлические радиаторные системы, гидравлические системы нагрева пола, воздушные конвекторы с гидравлическими нагревательными змеевиками и нагревательные батареи с гидравлическими нагревательными змеевиками, установленные в подающих воздуховодах вентиляционных систем. Разумеется, в одном и том же здании 2 может быть установлено несколько нагревательных приборов 12.

Нагревательный прибор 12 подключен к районной сети 1 охлаждения через тепловой насос 10. Тепловые насосы 10 сами по себе хорошо известны из уровня техники. В тепловом насосе 10 имеется замкнутый контур 13, в котором между первым теплообменником 14 и вторым теплообменником 15 циркулирует солевой раствор. У первого теплообменника 14 имеются вход 10а и выход 10b, посредством которых тепловой насос 10 подключен к первому контуру 13а, в котором циркулирует поток первой текучей среды (в данном случае это охлаждающая текучая среда районной сети 1 охлаждения). Аналогично, второй теплообменник имеет вход и выход, посредством которых тепловой насос 10 подсоединен ко второму контуру 13b, в котором циркулирует поток второй текучей среды, в этом случае нагревающей текучей среды локальной нагревательной системы 200. В процессе циркуляции происходит теплообмен между солевым раствором и текучими средами, циркулирующими соответственно в первом и втором контурах 13а и 13b.

В данном контексте термин "вход 10а теплового насоса" следует интерпретировать, как вход первого контура 13а, через который в тепловой насос 10 подается охлаждающая текучая среда из районной сети 1 охлаждения. Аналогично, термин "выход 10b теплового насоса" следует интерпретировать, как выход первого контура 13а, через который тепловой насос 10 возвращает охлаждающую жидкость в районную сеть 1 охлаждения.

Локальная нагревательная система 200 может дополнительно содержать насос 16, сконфигурированный для преодоления разности между давлением в обратных трубопроводах 8 и давлением в подающем трубопроводе 5. Насос 16 сконфигурирован также для регулирования потока охлаждающей жидкости, проходящего через тепловой насос 10. Благодаря такому регулированию потока при одновременном управлении (в качестве опции) функционированием теплового насоса 10 обеспечивается возможность контроля температуры выводимой из него охлаждающей текучей среды. Управлять насосом 16 может контроллер 17 на основе данных, относящихся к потребности в нагреве со стороны нагревательного прибора 12, и/или данных, относящихся к температуре охлаждающей жидкости на выходе 10b теплового насоса 10. Данные, характеризующие потребность в нагреве со стороны нагревательного прибора 12, могут быть получены с помощью датчика 18 потребности в нагреве, подключенного к нагревательному прибору 12. Данные, характеризующие температуру охлаждающей жидкости на выходе 10b теплового насоса 10, могут быть получены с помощью температурного датчика Т1, подключенного к выходу 10b. В варианте по фиг. 2 насос 16 подключен к входу 10а теплового насоса 10. Альтернативно, этот насос может быть включен на выходе 10b теплового насоса 10.

Изобретение основано на неожиданном решении использовать сбросную энергию, доступную в обратном трубопроводе 8 районной сети 1 охлаждения, в качестве источника нагрева здания 2, т.е. для комфортного нагрева и/или для получения горячей водопроводной воды. Более конкретно, вход 10а теплового насоса 10 подключен к обратному трубопроводу 8 районной сети охлаждения. В результате тепловая энергия охлаждающей текучей среды в обратном трубопроводе 8, которая до этого рассматривалась как сбросная, поступает в качестве входной энергии к тепловому насосу 10. В типичной ситуация температура охлаждающей текучей среды в обратном трубопроводе 8 равна 10-18°С.

Выход 10b теплового насоса 10 подключен к подающему трубопроводу 5 районной сети 1 охлаждения. В результате охлаждающая текучая среда, выводимая из теплового насоса 10, поступает в подающий трубопровод 5 локальной районной сети 1 охлаждения, где она смешивается с потоком охлажденной охлаждающей текучей среды. В зависимости от режимов работы теплового насоса 10 температура выходящей из него охлаждающей текучей среды в типичном варианте составляет 4-12°С, т.е. лежит в границах интервала температуры охлаждающей текучей среды в подающем трубопроводе 5. Поскольку расход потока, циркулирующего через тепловой насос 10, может быть небольшим по сравнению с расходом потока, проходящего через подающий трубопровод 5, применительно к нагреву охлаждающей текучей среды в трубопроводе 5 любую разность температур между двумя потоками можно не учитывать.

Изобретение предлагает техническое решение, приемлемое для будущих инженерных проектов как с экологической, так и с финансовой точек зрения. Оно позволяет уже существующую инфраструктуру районной сети охлаждения использовать не только для охлаждения, но и для нагрева. В нагревательной системе по изобретению тепловая энергия, доступная в обратном трубопроводе районной сети охлаждения, которая до этого рассматривалась как сбросная энергия, поступает в качестве входной энергии к тепловому насосу, составляющему часть локальной нагревательной системы. Таким образом, в тепловой насос подается предварительно нагретая текучая среда, что позволяет уменьшить его энергопотребление. Тем самым снижаются суммарные расходы на энергию, необходимую для обслуживания здания, а также совокупные капиталовложения в него. Уменьшение капиталовложений объясняется тем, что необходимая производительность теплового насоса может быть уменьшена. Кроме того, благодаря уменьшению нагрузки может быть увеличен ожидаемый срок службы теплового насоса.

Специалисты в данной области смогут, в процессе анализа чертежей, описания и формулы, а также при практическом осуществлении изобретения, предложить и другие модификации описанных вариантов.

Изобретение относится к нагревательной системе (100), в состав которой входят районная сеть (1) охлаждения и локальная нагревательная система (200), сконфигурированная с возможностью обогревать здание и/или обеспечивать получение горячей водопроводной воды. Предлагаемая система содержит подающий трубопровод (5) для входного потока охлаждающей текучей среды, имеющего первую температуру, и обратный трубопровод (8) для обратного потока охлаждающей текучей среды, имеющего вторую температуру, более высокую, чем первая температура. Локальная нагревательная система (200) снабжена тепловым насосом (10), у которого вход (10а) подключен к обратному трубопроводу (8) районной сети (1) охлаждения, а выход (10b) - к ее подающему трубопроводу (5). Изобретение позволяет использовать в качестве входной энергии к тепловому насосу тепловую энергию, доступную в обратном трубопроводе районной сети охлаждения, которая рассматривалась как сбросная энергия, а также увеличить ожидаемый срок службы теплового насоса. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Нагревательная система (100), в состав которой входят:

районная сеть (1) охлаждения, служащая для удовлетворения требований комфортного охлаждения и содержащая:

подающий трубопровод (5) для входного потока охлаждающей текучей среды в виде воды, жидкого антифриза или их смесей, имеющего первую температуру в интервале 4-12°С,

обратный трубопровод (8) для обратного потока охлаждающей текучей среды, имеющего вторую температуру в интервале 10-18°С, более высокую, чем первая температура,

районную холодильную установку (4), способную охлаждать охлаждающую текучую среду, поступающую в обратный трубопровод (8), со второй температуры до первой температуры, и

множество потребительских охлаждающих устройств (7), каждое из которых сконфигурировано для потребления холода, содержащегося в охлаждающей текучей среде, поступающей в указанные охлаждающие устройства, с нагревом тем самым охлаждающей текучей среды и с обеспечением возврата нагретой охлаждающей текучей среды в обратный трубопровод (8),

при этом охлаждающая текучая среда способна циркулировать в районной сети охлаждения вследствие разности давлений между подающим трубопроводом (5) и обратным трубопроводом (8), причем давление в подающем трубопроводе (5) выше, чем в обратном трубопроводе (8), и

локальная нагревательная система (200) здания (2), сконфигурированная для нагрева здания и/или для получения горячей водопроводной воды и содержащая:

тепловой насос (10), имеющий вход (10а), подключенный к обратному трубопроводу (8) районной сети (1) охлаждения, и выход (10b), подключенный к подающему трубопроводу (5) районной сети (1) охлаждения, и

насос (16), установленный на входе (10а) или на выходе (10b) теплового насоса (10) и сконфигурированный с возможностью преодоления разности между давлением в обратном трубопроводе (8) и давлением в подающем трубопроводе (5).

2. Система (100) по п. 1, в которой локальная нагревательная система (200) здания (2) дополнительно содержит контроллер (17), сконфигурированный для управления насосом (16) с целью регулирования потока охлаждающей текучей среды, проходящего через тепловой насос (10).

3. Система (100) по п. 2, в которой локальная нагревательная система (200) здания (2) дополнительно содержит датчик (Т1) температуры, сконфигурированный для получения данных, относящихся к температуре охлаждающей текучей среды на выходе (10b) теплового насоса (10), а контроллер (17) сконфигурирован для управления насосом (16) на основе указанных данных, относящихся к температуре охлаждающей текучей среды на выходе (10b) теплового насоса (10).

4. Система (100) по п. 2 или 3, в которой локальная нагревательная система (200) здания (2) дополнительно содержит нагревательный прибор (12) и датчик (18) потребности в нагреве, сконфигурированный для получения данных, относящихся к потребности в нагреве со стороны нагревательного прибора (12), при этом контроллер (17) сконфигурирован для управления насосом (16) на основе указанных данных, относящихся к потребности в нагреве со стороны нагревательного прибора (12).

5. Система (100) по любому из пп. 2-4, в которой контроллер (17) сконфигурирован также для управления функционированием теплового насоса (10).

6. Система (100) по любому из пп. 1-5, в которой насос (16) установлен на входе (10а) теплового насоса (10).

7. Система (100) по любому из пп. 1-5, в которой насос (16) установлен на выходе (10b) теплового насоса (10).

8. Система (100) по любому из пп. 1-7, в которой подающий и обратный трубопроводы представляют собой нетеплоизолированные трубопроводы из пластика.

9. Способ управления отбором тепла из районной сети (1) охлаждения, которая используется для удовлетворения потребностей в комфортном охлаждении и содержит:

подающий трубопровод (5) для входного потока охлаждающей текучей среды в виде воды, жидкого антифриза или их смесей, имеющего первую температуру в интервале 4-12°С,

обратный трубопровод (8) для обратного потока охлаждающей текучей среды, имеющего вторую температуру в интервале 10-18°С, более высокую, чем первая температура,

районную холодильную установку (4), способную охлаждать текучую среду, поступающую в обратный трубопровод (8), со второй температуры до первой температуры, и

множество потребительских охлаждающих устройств (7), каждое из которых сконфигурировано для потребления холода, содержащегося в охлаждающей текучей среде, поступающей в указанные охлаждающие устройства, с нагревом тем самым охлаждающей текучей среды и с обеспечением возврата нагретой охлаждающей текучей среды в обратный трубопровод (8),

при этом охлаждающая текучая среда циркулирует в районной сети охлаждения вследствие разности давлений между подающим трубопроводом (5) и обратным трубопроводом (8), причем давление в подающем трубопроводе (5) выше, чем в обратном трубопроводе (8),

отбор тепла производят тепловым насосом (10), у которого вход (10а) подключен к обратному трубопроводу (8) районной сети (1) охлаждения, а выход (10b) - к ее подающему трубопроводу (5),

а способ дополнительно включает операцию управления насосом (16), установленным на входе (10а) или на выходе (10b) теплового насоса (10), чтобы регулировать проходящий через него поток охлаждающей текучей среды.

10. Способ по п. 9, дополнительно включающий определение данных, относящихся к температуре охлаждающей текучей среды, на выходе (10b) теплового насоса (10),

причем операция управления насосом (16) включает его регулирование на основе указанных данных, относящихся к температуре охлаждающей текучей среды на выходе (10b) теплового насоса (10).

11. Способ по п. 9 или 10, в котором тепловой насос (10) подключен к нагревательному прибору (12) и который дополнительно включает определение данных, относящихся к потребности в нагреве со стороны нагревательного прибора (12),

причем операция управления насосом (16) включает его регулирование на основе указанных данных, относящихся к потребности в нагреве со стороны нагревательного прибора (12).