Способ теплохолодоснабжения на базе теплового насоса и комплекс для его реализации Российский патент 2025 года по МПК F24D11/02 F24D15/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах теплохолодоснабжения, в частности для применения в схемах с тепловыми насосами, использующими тепло низкотемпературных источников естественного или искусственного происхождения для отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования совместно с системами возобновляемой энергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известна теплонаносная система теплохладоснабжения (патент RU № 2351850, МПК F24D 11/02, F28D 1/00, публ. 10.04.2009, бюл. № 10). Система включает в себя теплонасосное оборудование, систему теплового аккумулирования, систему сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и систему утилизации вторичных тепловых ресурсов в виде тепла вентиляционных выбросов. Испарители тепловых насосов последовательно включены в гидравлический контур системы сбора низкопотенциального тепла грунта непосредственно перед грунтовыми теплообменниками. Система утилизации вторичных тепловых ресурсов (тепла вентиляционных выбросов) включена в гидравлический контур системы сбора низкопотенциального тепла грунта после грунтовых теплообменников, но перед испарителями тепловых насосов. Параллельно в гидравлический контур системы сбора низкопотенциального тепла грунта включена система холодоснабжения или кондиционирования. Система теплового аккумулирования содержит две ступени: низкотемпературную, питаемую от тепловых насосов, и высокотемпературную, питаемую от традиционных источников энергии.

Недостатками этого технического решения является использование единого гидравлического контура системы сбора низкопотенциального тепла грунта, что влечет снижение надежности из-за использования единой системы с большим количеством запорной арматуры и узлами распределения. Это также повышает гидравлическую нагрузку на насос. В системе отсутствует способ регенерации подземного тепла. Из-за этого может образовываться ледяная шуба вокруг грунтовых теплообменников, которая существенно снижает эффективность.

Известна система теплоснабжения и горячего водоснабжения на основе возобновляемых источников энергии (патент RU № 2445554, МПК F24J 2/42, F24J 3/08, публ. 20.03.2012, бюл. № 8), содержащая скважину-теплообменник для отбора низкопотенциального тепла горных пород, тепловой насос, пиковый электродоводчик и контуры горячего водоснабжения и низкотемпературного напольного отопления, которые соединены между собой трубами с двумя насосами для циркуляции теплоносителей. Система дополнительно снабжена контуром с солнечными коллекторами и баком-аккумулятором. Контур с солнечными коллекторами эксплуатируется круглогодично и обеспечивает потребителя горячей водой, а блок низкотемпературного напольного отопления с тепловым насосом и скважиной-теплообменником глубиной 100-200 м включается в эксплуатацию только в отопительный период. За отопительный период при постоянной циркуляции воды в скважине происходит постепенное охлаждение горной породы вокруг скважины. В летний период часть горячей воды из бака-аккумулятора направляется в скважину для полного восстановления температуры в горной породе вокруг скважин.

Недостатками этого технического решения является использование воды в качестве теплоносителя, что не позволяет опускать температуру теплоносителя, подающегося в грунтовые теплообменники ниже или близко к 0°С. Это снижает эффективность и ограничивает температурный диапазон по сравнению с использованием антифриза (пропилен гликоль). В схеме отсутствует разделение на отдельный тепловой контур для гуртовых теплообменников. Из-за этого в грунтовые теплообменники подается вода, которая используется для нужд ГВС. Это повышает требования для очистки воды, а также снижает надежность по сравнению с использованием независимых контуров. Предложенной схеме не используется холод от грунтовых теплообменников. Вода с температурой 5 градусов подается сразу на нагрев для нужд ГВС, без использования для систем охлаждения и кондиционирования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ управления и устройство грунтового теплообменника (патент RU № 2647263, МПК F24J 3/08, F24D 11/02, публ. 15.03.2018, бюл. № 8), представляющий собой систему грунтовых теплообменников, использующую тепловую энергию или хладагент из грунтового массива с помощью теплового насоса. В этой системе несколько вертикальных грунтовых теплообменников размещены в грунтовом массиве, используя "ледяную воду" содержащую ледяную шугу, в качестве низкопотенциального теплоносителя. Принцип работы устройства заключается в том, что вода с ледяной шугой циркулирует через грунтовые теплообменники, где под воздействием теплоты из грунта ледяная шуга тает, а вода возвращается в генератор ледяной шуги для повторного цикла. В летний период вода из обратных трубопроводов системы кондиционирования подается в грунтовые теплообменники, а затем, после предварительного охлаждения в них, подается в генератор ледяной шуги и оттуда в систему кондиционирования.

Недостатками этого технического решения являются то, что в летнем режиме, когда требуется охлаждение, холод от грунта поступает в систему кондиционирования через тепловой насос, что является неоптимальным решением, так как это требует работы компрессора для генерации ледяной шуги.

Работа компрессора является наиболее затратной по сравнению с работой циркуляционного насоса. Тепла от системы кондиционирования недостаточно для регенерации грунта. Это ограничение может негативно сказываться на общей эффективности системы, в связи с возможным переохлаждением грунта. Использование ледяной шуги с минимальной температурой минус 0,5°С может не в полной мере использовать потенциал грунта для целей обогрева. Это ограничение может приводить к снижению эффективности и производительности системы отопления.

Выявленные недостатки указывают на области, где конструкция, описанная в патенте RU № 2647263, может не обеспечивать максимальную эффективность и производительность системы грунтового теплообменника.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности теплохолодоснабжения за счет использования грунтовых теплообменников и использования энергии солнца.

Технический результат заключается в повышении эффективности теплохолодоснабжения, снижении затрат электроэнергии.

Это достигается способом теплохолодоснабжения на базе теплового насоса, в котором используют тепловую энергию и хладоресурс грунта путем размещения в нем по крайней мере одного грунтового теплообменника с циркулирующим в нем теплоносителем, согласно изобретению используют солнечный коллектор в качестве источника тепла, нагревают теплоноситель от солнечного коллектора для покрытия тепловой нагрузки, при необходимости используют тепловой насос, в режиме охлаждения при необходимости движение теплоносителя осуществляют от грунтового теплообменника, минуя испаритель теплового насоса.

Дополнительно запасают тепло от солнца в грунте и размораживают грунт в случае необходимости.

Кроме того, в способе в качестве теплоносителя используют антифриз.

Это достигается комплексом теплохолодоснабжения, содержащим систему теплоснабжения, подключенную к тепловому насосу, циркуляционный насос, по крайней мере один грунтовый теплообменник, систему кондиционирования, согласно изобретению снабжен солнечным коллектором и двумя теплообменниками, при этом выход солнечного коллектора подключен к входу в первый трехходовой клапан, первый выход из первого трехходового клапана подключен к первому входу системы теплоснабжения, которая первым выходом подключена к входу солнечного коллектора, а вторым выходом к первому входу теплового насоса, первый выход теплового насоса подключен ко второму входу системы теплоснабжения, второй выход теплового насоса подключен к входу первого клапана, выход первого клапана подключен ко входу по крайней мере одного грунтового теплообменника, выход которого последовательно подключен к циркуляционному насосу и к входу второго трехходового клапана, первый выход второго трехходового клапана подключен ко второму входу теплового насоса, а второй выход второго трехходового клапана подключен к соответствующим входам первого и второго клапанов, выход второго клапана подключен к первому входу первого теплообменника, который своими первым выходом и вторым входом подключен к соответствующим входу и выходу системы кондиционирования, второй выход первого теплообменника подключен к первому входу второго теплообменника, первый выход второго теплообменника подключен к входу в грунтовый теплообменник через трубопровод, имеющий общую точку подключения с выходом первого клапана, второй выход второго теплообменника подключен ко входу в солнечный коллектор трубопроводом, имеющим общую точку подключения с трубопроводом, соединяющим первый выход системы теплоснабжения и вход солнечного коллектора, ко второму входу второго теплообменника подключен второй выход первого трехходового клапана.

Дополнительно комплекс может быть выполнен с возможностью использования в качестве теплоносителя антифриза.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен комплекс теплохолодоснабжения на базе теплового насоса и приняты следующие обозначения:

1 - солнечный коллектор;

2 - первый трехходовой клапан;

3 - система теплоснабжения;

4 - тепловой насос;

4.1- конденсатор теплового насоса;

4.2 - испаритель теплового насоса;

5 - первый клапан;

6 - грунтовый теплообменник;

7 - циркуляционный насос;

8 - второй трехходовой клапан;

9 - второй клапан;

10 - первый теплообменник;

11 - система кондиционирования;

12 - второй теплообменник.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ теплохолодоснабжения на базе теплового насоса реализуют следующим образом.

Используют тепловую энергию и хладоресурс грунта путем размещения в нем по крайней мере одного грунтового теплообменника с циркулирующим в нем теплоносителем.

В режиме отопления и горячего водоснабжения:

- используют солнечный коллектор в качестве источника тепла,

- нагревают теплоноситель от солнечного коллектора для покрытия тепловой нагрузки,

- при необходимости, когда недостаточно тепловой мощности, используют тепловой насос,

В режиме охлаждения при необходимости движение теплоносителя осуществляют от грунтового теплообменника, минуя испаритель теплового насоса,

- нагревая теплоноситель, отдают холод в систему кондиционирования,

- после чего при необходимости теплоноситель нагревают от солнечного коллектора,

- далее теплоноситель направляют в грунтовый теплообменник.

Запасают тепло от солнца в грунте и размораживают грунт в случае необходимости.

В качестве теплоносителя используют антифриз.

Способ теплохолодоснабжения на базе теплового насоса может быть реализован с использованием комплекса теплохолодоснабжения (см. фиг.).

Комплекс теплохолодоснабжения содержит солнечный коллектор 1, выход которого подключен к входу в первый трехходовой клапан 2, первый выход из первого трехходового клапана 2 подключен к первому входу системы теплоснабжения 3. Система теплоснабжения 3 включает в себя: накопительный бак для аккумуляции тепла, насосы, бойлер для горячего водоснабжения, трубопроводы отопления, водяной теплый пол, водяной теплый потолок, радиаторы отопления, запорную и регулирующую арматуру трубопроводов. Система теплоснабжения 3 первым выходом подключена к входу солнечного коллектора 1, а вторым выходом к первому входу теплового насоса 4, а именно к входу в конденсатор 4.1. Первый выход теплового насоса 4, а именно выход из конденсатора 4.1, подключен ко второму входу системы теплоснабжения 3. Второй выход теплового насоса 4, а именно выход испарителя 4.2, подключен к входу первого клапана 5. Выход первого клапана 5 подключен ко входу по крайней мере одного грунтового теплообменника 6, выход которого последовательно подключен к циркуляционному насосу 7 и к входу второго трехходового клапана 8. Первый выход второго трехходового клапана 8 подключен ко второму входу теплового насоса 4, а именно ко входу в испаритель, а второй выход второго трехходового клапана 8 подключен, например, через равно проходной тройник, к соответствующим входам первого и второго клапанов 5 и 9. Выход второго клапана 9 подключен к первому входу первого теплообменника 10. Теплообменник 10 своими первым выходом и вторым входом подключен к соответствующим входу и выходу системы кондиционирования 11 трубопроводами подачи и возврата теплоносителя. Система кондиционирования 11 состоит из теплообменников системы вентиляции, водяного холодного потолка, трубопроводов, распределительных коллекторов запорной и регулирующей арматуры. Второй выход первого теплообменника 10 подключен к первому входу второго теплообменника 12. Первый выход второго теплообменника 12 подключен к входу в грунтовый теплообменник 6 через трубопровод, имеющий общую точку подключения с выходом первого клапана 5. Второй выход второго теплообменника 12 подключен ко входу в солнечный коллектор 1 трубопроводом, имеющим общую точку подключения с трубопроводом, соединяющим первый выход системы теплоснабжения 3 и вход солнечного коллектора 1. Ко второму входу второго теплообменника 12 подключен второй выход первого трехходового клапана 2.

Комплекс теплохолодоснабжения эксплуатируется в двух режимах. В режиме отопления и горячего водоснабжения используют солнечный коллектор 1 в качестве источника тепла. В качестве теплоносителя в контуре солнечного коллектора 1 используют антифриз, пропиленгликоль, пищевые спирты или другой теплоноситель, который выдерживает охлаждение до температур ниже 0°С и нагрев до температуры выше 100°С. Теплоноситель нагревают от солнечного излучения в солнечном коллекторе 1, далее через первый трехходовой клапан 2, которым управляют автоматикой, подают в систему теплоснабжения 3 для покрытия тепловой нагрузки. Работу этого контура, включающего солнечный коллектор 1, первый трехходовой клапан 2, и систему теплоснабжения 3, контролируют автоматикой в зависимости от времени суток и/или температуры теплоносителя на выходе из солнечного коллектора 1 и теплоносителя, который находится в нем. При недостаточной тепловой мощности используют тепловой насос 4, конденсатор 4.1 которого подключен к тепловой нагрузке системы теплоснабжения 3. В качестве теплоносителя в грунтовом контуре теплового насоса 4 используют, например, антифриз, пропиленгликоль, пищевые спирты или другой теплоноситель, который может охлаждаться до температуры минус 10°С. В отличии от прототипа, где используют воду и ледяную шугу с минимальной температурой минус 0,5. Использование теплоносителя с меньшей температурой позволяет увеличить эффективность использования теплового насоса 4 за счет большего диапазона температур и в полной мере использовать потенциал грунта для целей покрытия тепловых нагрузок. При использовании теплового насоса 4 в режиме отопления и горячего водоснабжения теплоноситель, который получил запасенное в грунте тепло для этого, через открытый первый клапан 5 направляют в грунтовый теплообменник 6, прокачиваемый циркуляционным насосом 7, через управляемый автоматикой второй трехходовой клапан 8 направляют в испаритель 4.2 теплового насоса 4. В испарителе 4.2 отдают часть тепла теплоносителя и охлаждают. Тепло посредством теплового насоса 4 передают в систему теплоснабжения 3. Таким образом цикл работы теплового насоса в данном режиме замыкают.

В режиме охлаждения теплоноситель, охлажденный в грунтовом теплообменнике 6 с помощью циркуляционного насоса 7, направляют на вход второго трехходового клапана 8, для которого может быть организована работа в автоматическом режиме в зависимости от режима работы. Благодаря использованию солнечного коллектора 1, в солнечные дни есть возможность не использовать тепловой насос 4 для покрытия тепловой нагрузки 3. При этом режиме работы в солнечном коллекторе 1 нагревают теплоноситель, а дальше через первый трехходовой клапан 2 теплоноситель передают в систему теплоснабжения 3 для полного покрытия всех тепловых нагрузок. В отличие от прототипа, где источником тепла является только тепловой насос. Следовательно, в это время тепловой насос 4 не работает, сокращаются гидравлические потери и, как следствие, снижают потреблении электроэнергии на насосе 7. Движение теплоносителя осуществляют через второй трехходовой клапан 8, минуя испаритель 4.2 теплового насоса 4, в отличие от прототипа, где теплоноситель всегда проходит через испаритель что увеличивает гидравлическую нагрузку на насос. После второго трехходового клапана 8 теплоноситель передают во второй клапан 9, а при этом первый клапан 5 закрывают. Через второй клапан 9 теплоноситель передают в первый теплообменник 10 где нагревают, отдавая холод в систему кондиционирования 11, которой обеспечивают охлаждение и поддержание необходимой температуры в помещениях. Дальше теплоноситель направляют во второй теплообменник 12, где его могут нагревать от солнечного коллектора 1, если в этот момент нет необходимой нагрузки на систему теплоснабжения 3. Для этого нагретый в солнечном коллекторе 1 другой поток теплоносителя передают через первый трехходовой клапан 2 во второй теплообменник 12, где отдают тепло и возвращают обратно в солнечный коллектор 1. После второго теплообменника 12 теплоноситель направляют в грунтовый теплообменник 6, таким образом цикл работы схемы в данном режиме замыкают. Тепло получение в первом и втором теплообменниках 10 и 12 играет важную роль, позволяя регенерировать грунт и размораживать его для использования в режиме отопления и горячего водоснабжения. В отличие от прототипа, где для регенерации используют только тепло от системы кондиционирования, в данной схеме использование солнечного коллектора 1 позволяет повысить эффективность регенерации. В случае полной заморозки грунта вокруг грунтового теплообменника 6 существует возможность размораживания, за счет высокотемпературного тепла от солнечного коллектора 1.

В предлагаемом изобретении (по сравнению с прототипом) в системе теплоснабжения предусмотрено использование солнечного коллектора 1, который позволяет получать тепло без использования теплового насоса 4. Также использование солнечного коллектора 1 позволяет запасать тепло от солнца в грунте и размораживать грунт в случае необходимости следующим образом. Нагретым от солнечного коллектора 1 теплоносителем нагревает грунт и размораживает его, если он был заморожен из-за использования теплового насоса 4 в зимнее время, дальнейшая подача теплоносителя позволяет локально нагревать участок грунта и запасть в нем тепло.

В качестве теплоносителя в предложенной схеме используют антифриз (раствор воды с пропиленгликолем) с минимальной температурой -10°С или другой теплоноситель, который выдерживает охлаждение до температур ниже 0°С и нагрев до температуры выше 100°С, что позволяет увеличить разницу температур во время использования теплового насоса 4 в режиме отопления и горячего водоснабжения. В прототипе используют в качестве теплоносителя воду с минимальной температурой минус 0.5 градуса Цельсия. При равной площади грунтового теплообмена заявленное техническое решение приведет к большей эффективности теплообменника, позволит получать необходимое количество тепла при меньшем времени использовании теплового насоса.

Использование изобретения позволяет повысить эффективность теплохолодоснабжения на базе теплового насоса за счет использования солнечных коллекторов и использования холода грунта. Применение энергии от солнца для покрытия тепловых нагрузок снижает затраты электроэнергии за счет сокращения времени использования теплового насоса. Использование холода, получаемого от грунта, позволяет работать системе охлаждения без использования холодильных установок. Использование солнечного коллектора для регенерации и размораживания грунта повышает эффективность применения грунтового теплообменника.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах теплохолодоснабжения, в частности, для применения в схемах с тепловыми насосами, использующими тепло низкотемпературных источников естественного или искусственного происхождения. Предлагается способ теплохолодоснабжения на базе теплового насоса, в котором используют тепловую энергию и хладоресурс грунта путем размещения в нем по крайней мере одного грунтового теплообменника с циркулирующим в нем теплоносителем. Используют солнечный коллектор в качестве источника тепла, нагревают теплоноситель от солнечного коллектора для покрытия тепловой нагрузки, при необходимости используют тепловой насос, в режиме охлаждения при необходимости движение теплоносителя осуществляют от грунтового теплообменника, минуя испаритель теплового насоса. Запасают тепло от солнца в грунте и размораживают грунт в случае необходимости. В качестве теплоносителя используют антифриз. Также заявлен комплекс для реализации данного способа. При реализации изобретения обеспечивается повышение эффективности теплохолодоснабжения, снижение затрат электроэнергии. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ теплохолодоснабжения на базе теплового насоса, в котором используют тепловую энергию и хладоресурс грунта путем размещения в нем по крайней мере одного грунтового теплообменника с циркулирующим в нем теплоносителем, отличающийся тем, что дополнительно используют солнечный коллектор, при этом в грунтовом и солнечном контурах используют теплоноситель, который выдерживает охлаждение до температуры ниже 0°С и нагрев до температуры выше 100°С, при реализации режима отопления и горячего теплоснабжения теплоноситель нагревают от солнечного излучения в солнечном коллекторе, далее через первый трехходовой клапан, которым управляют автоматикой, нагретый теплоноситель подают в систему теплоснабжения, при этом работу этого контура, включающего солнечный коллектор, первый трехходовой клапан и систему теплоснабжения, контролируют автоматикой в зависимости от времени суток и/или теплоносителя на выходе из солнечного коллектора и теплоносителя, который находится в нем; при недостаточной тепловой мощности коллектора используют тепловой насос, конденсатор которого подключен к тепловой нагрузке системы теплоснабжения, при этом теплоноситель через открытый первый клапан направляют в грунтовый теплообменник, прокачиваемый циркуляционным насосом, после выхода из теплообменника через управляемый автоматикой второй трехходовой клапан направляют в испаритель теплового насоса, в испарителе отдают часть тепла теплоносителя при его охлаждении, тепло посредством теплового насоса передают в систему теплоснабжения; при реализации режима охлаждения теплоноситель, охлажденный в грунтовом теплообменнике, с помощью циркуляционного насоса, минуя испаритель теплового насоса, направляют на вход второго трехходового клапана, который может работать в автоматическом режиме, после второго трехходового клапана теплоноситель передают во второй клапан, а при этом первый клапан закрывают, через второй клапан теплоноситель передают в первый теплообменник, где нагревают, отдавая холод в систему кондиционирования, которой обеспечивают охлаждение и поддержание необходимой температуры в помещениях, дальше теплоноситель направляют во второй теплообменник, где он может нагреваться от солнечного коллектора, если в данный момент нет необходимой нагрузки на систему теплоснабжения, для этого нагретый в солнечном коллекторе поток теплоносителя солнечного контура передают через первый трехходовой клапан во второй теплообменник, где этот поток отдает тепло теплоносителю грунтового контура и возвращается обратно в солнечный коллектор, после второго теплообменника теплоноситель грунтового контура направляют на вход грунтового теплообменника.

2. Способ теплохолодоснабжения на базе теплового насоса по п. 1, отличающийся тем, что запасают тепло от солнца в грунте и размораживают грунт в случае необходимости.

3. Способ теплохолодоснабжения на базе теплового насоса по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют антифриз.

4. Комплекс теплохолодоснабжения, содержащий систему теплоснабжения, подключенную к тепловому насосу, циркуляционный насос, по крайней мере один грунтовый теплообменник, систему кондиционирования, отличающийся тем, что снабжен солнечным коллектором и двумя теплообменниками, при этом выход солнечного коллектора подключен к входу в первый трехходовой клапан, первый выход из первого трехходового клапана подключен к первому входу системы теплоснабжения, которая первым выходом подключена к входу солнечного коллектора, а вторым выходом к первому входу теплового насоса, первый выход теплового насоса подключен ко второму входу системы теплоснабжения, второй выход теплового насоса подключен к входу первого клапана, выход первого клапана подключен ко входу по крайней мере одного грунтового теплообменника, выход которого последовательно подключен к циркуляционному насосу и к входу второго трехходового клапана, первый выход второго трехходового клапана подключен ко второму входу теплового насоса, а второй выход второго трехходового клапана подключен к соответствующим входам первого и второго клапанов, выход второго клапана подключен к первому входу первого теплообменника, который своими первым выходом и вторым входом подключен к соответствующим входу и выходу системы кондиционирования, второй выход первого теплообменника подключен к первому входу второго теплообменника, первый выход второго теплообменника подключен к входу в грунтовый теплообменник через трубопровод, имеющий общую точку подключения с выходом первого клапана, второй выход второго теплообменника подключен ко входу в солнечный коллектор трубопроводом, имеющим общую точку подключения с трубопроводом, соединяющим первый выход системы теплоснабжения и вход солнечного коллектора, ко второму входу второго теплообменника подключен второй выход первого трехходового клапана.

5. Комплекс теплохолодоснабжения по п. 4, отличающийся тем, что выполнен с возможностью использования в качестве теплоносителя антифриза.