RU123503U1

RU123503U1 - AUTONOMOUS SYSTEM OF HEAT SUPPLY AND HOT WATER SUPPLY OF BUILDINGS AND STRUCTURES USING HEAT PUMPS AND BASE PILES WITH BUILT-IN HEAT EXCHANGERS

Info

Publication number: RU123503U1
Application number: RU2012134968/12U
Authority: RU
Inventors: Владимир Павлович Петровский
Original assignee: Владимир Павлович Петровский
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2012-12-27

Abstract

Автономная система теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений, состоящая из тепловых насосов со схемой управления, системы трубопроводов, буферных, питательных и сетевых резервуаров, систем управления, контроля и защиты, отличающаяся тем, что для преобразования и использования геотермальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта как природного, так и техногенного происхождения используются теплообменники, встроенные в стволовое тело железобетонных свай фундаментов зданий и сооружений, что также позволяет повторно использовать часть тепловой энергии физических потерь непосредственно от свайных конструкций фундаментов зданий и сооружений для нужд теплоснабжения.An autonomous system of heat supply and hot water supply of buildings and structures, consisting of heat pumps with a control scheme, a system of pipelines, buffer, feed and network reservoirs, control systems, control and protection, characterized in that for the conversion and use of geothermal thermal energy of surface soil layers as of natural and man-made origin, heat exchangers are used built into the stem body of reinforced concrete piles of the foundations of buildings and structures, which also allows reusing part of the thermal energy of physical losses directly from the pile structures of the foundations of buildings and structures for heating needs.

Description

Полезная модель относится к области строительной теплотехники, а именно, к системам автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения (ГВС) зданий и сооружений, с оригинальным способом съема и преобразования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта, а также возможностью использования части энергии физических тепловых потерь зданий и сооружений, имеющих свайный фундамент, для нужд теплоснабжения и ГВС указанных объектов при помощи тепловых насосов и фундаментных свай со встроенными теплообменниками. Тепловые насосы для отопления жилых домов, зданий и сооружений, с отбором и утилизацией тепловой энергии поверхностных и коренных слоев грунта, при массовом строительстве ранее в России широко не применялись, ввиду отсутствия целого ряда специальных систем и устройств. Не существовало научно обоснованных методик расчетов, объективных критериев оценки исходных данных и полученных результатов. Также отсутствовал опыт успешной практической реализации указанных методов, способов и устройств.The utility model relates to the field of building heat engineering, namely, to autonomous heat supply and hot water supply (DHW) systems of buildings and structures, with an original method for removing and converting low-grade thermal energy of the surface layers of the soil, as well as the ability to use part of the energy of physical heat loss of buildings having a pile foundation for the needs of heat supply and domestic hot water of the indicated facilities using heat pumps and foundation piles with built-in heat exchangers. Heat pumps for heating residential buildings, buildings and structures, with the selection and utilization of thermal energy of the surface and primary layers of the soil, were not widely used in Russia for mass construction, due to the lack of a number of special systems and devices. There were no scientifically based calculation methods, objective criteria for evaluating the source data and the results obtained. There was also no experience in the successful practical implementation of these methods, methods and devices.

Имеется Заявка на выдачу патента РФ на полезную модель «Фундаментная свая со встроенным теплообменником и способ ее изготовления» №2012127509, дата приоритета 02.07.2012. Указанное устройство позволяет осуществить оптимальный съем и передачу геотермальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта в первичный контур теплового насоса, применяемого в автономных системах теплоснабжения зданий и сооружений. Преимущества данного устройства и принцип его работы использованы при разработке настоящей полезной модели.There is an Application for the grant of a patent of the Russian Federation for the utility model “Foundation pile with a built-in heat exchanger and method for its manufacture” No. 2012127509, priority date 02.07.2012. The specified device allows for optimal removal and transfer of geothermal thermal energy of the surface layers of the soil to the primary circuit of the heat pump used in autonomous heat supply systems of buildings and structures. The advantages of this device and the principle of its operation are used in the development of this utility model.

Существует патентное решение, аналогичное заявляемому образцу, например, «Система отопления жилого дома» (патент на изобретение РФ №2412401, 27.08.2009). Система содержит расположенный в подвале жилого дома бассейн, в котором находится тепловая система типа вода-лед-вода, тепловой насос, расположенный с возможностью охлаждения воздуха в воздушном слое, расположенном над верхним слоем воды, и нагревом воздуха в отапливаемом помещении. Кроме того, система содержит водяной насос, установленный с возможностью перекачивания воды из нижнего слоя в верхний слой, и вентилятор, установленный с возможностью откачивания воздуха через вытяжную трубу из указанного воздушного слоя в атмосферу вне дома, при этом указанный воздушный слой обязательно сообщен с атмосферой. Такая система обеспечивает тепловой энергией отдельно стоящее здание при работе теплового насоса за счет тепла, выделяющегося при фазовом переходе вода-лед.There is a patent solution similar to the claimed model, for example, “The heating system of a residential building” (RF patent No. 2412401, 08/27/2009). The system comprises a pool located in the basement of a residential building, in which there is a water-ice-water type thermal system, a heat pump located with the possibility of cooling the air in the air layer located above the upper water layer, and heating the air in a heated room. In addition, the system includes a water pump installed with the possibility of pumping water from the lower layer to the upper layer, and a fan installed with the possibility of pumping air through an exhaust pipe from the specified air layer into the atmosphere outside the house, while the specified air layer is necessarily connected with the atmosphere. Such a system provides thermal energy to a detached building during the operation of the heat pump due to the heat generated during the water-ice phase transition.

Главным и самым существенным недостатком указанного патентного решения является то, что в подвальных помещениях новых проектируемых и строящихся объектов, изначально создаются условия с постоянной избыточной влажностью, конденсатом на конструкциях фундамента и подвального потолочного перекрытия. Для исключения указанных выше недостатков потребуются дополнительные, весьма существенные затраты, связанные с гидроизоляцией, возможно с частичной герметизацией всего рабочего объема теплотехнической системы вода-лед-вода, расположенного в подвальной части здания.The main and most significant drawback of this patent solution is that in the basements of new designed and under construction objects, conditions are created initially with constant excess humidity, condensate on the structures of the foundation and basement ceiling. To eliminate the above disadvantages, additional, very substantial costs associated with waterproofing, possibly with partial sealing of the entire working volume of the water-ice-water heating system located in the basement of the building, will be required.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности, совокупности совпадающих признаков и получаемому результату к заявляемой полезной модели является «Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей» (Патент на изобретение РФ №2292000, 20.04.2005.) Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей, содержащее подключенные к сети теплоснабжения помещений с трубопроводами подачи холодной и горячей воды через водоаккумуляторы с пиковыми догревателями и конденсаторы основного и дополнительного тепловых насосов, систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую основной контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через установленные в отдельных скважинах теплообменники и испаритель основного теплового насоса.The closest analogue (prototype) in terms of technical nature, the set of coinciding features and the result to the claimed utility model is “Device for energy supply of premises using low-potential energy carriers” (RF patent for invention №2292000, 04/20/2005.) Device for energy supply of rooms using low-potential energy carriers, containing connected to the heat supply network of the premises with pipelines for supplying cold and hot water through the accumulators with peak and preheaters and condensers of the main and additional heat pumps, a system for collecting and utilizing soil heat, which includes the main circulation circuit of a low-grade heat carrier passing through heat exchangers installed in individual wells and the evaporator of the main heat pump.

Недостатком данного патента, во-первых, является то, что использование нескольких отдельных вертикальных глубинных геотермальных скважин для организации работы первичного контура тепловых насосов значительно увеличивает стоимость любого теплофицируемого строительного объекта. Во-вторых, теплотехнические параметры и характеристики глубинных вертикальных геотермальных скважин являются менее эффективными по сравнению с термопреобразующими системами, расположенными в поверхностных слоях грунта. Указанные недостатки рассмотренных патентных решений исключаются в предлагаемой патентной модели.The disadvantage of this patent, firstly, is that the use of several separate vertical deep geothermal wells for organizing the operation of the primary circuit of heat pumps significantly increases the cost of any heat-insulated construction site. Secondly, the thermotechnical parameters and characteristics of deep vertical geothermal wells are less effective compared to thermoconversion systems located in the surface layers of the soil. These disadvantages of the considered patent solutions are excluded in the proposed patent model.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая модель, является создание теплотехнической автономной системы с использованием геотермальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта для теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений с помощью тепловых насосов.The technical problem to be solved by the claimed model is the creation of a thermotechnical autonomous system using geothermal thermal energy of the surface layers of the soil for heat supply and hot water supply of buildings and structures using heat pumps.

Техническое решение достигается за счет того, что указанная автономная система теплоснабжения использует геотермальную тепловую энергию поверхностных слоев грунта, которая преобразуется с помощью встроенных свайных теплообменников и используется в первичном контуре тепловых насосов автономной системы теплоснабжения.The technical solution is achieved due to the fact that the specified autonomous heat supply system uses geothermal thermal energy of the surface layers of the soil, which is converted using built-in pile heat exchangers and is used in the primary circuit of the heat pumps of the autonomous heat supply system.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является создание автономной системы теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений с помощью тепловых насосов и фундаментных свай со встроенными теплообменниками, которую можно эксплуатировать автономно, круглогодично и с минимальным потреблением электрической энергии.The technical result provided by the claimed utility model is the creation of an autonomous system of heat supply and hot water supply of buildings and structures using heat pumps and foundation piles with built-in heat exchangers, which can be operated autonomously, year-round and with minimal consumption of electric energy.

Преимуществом предлагаемой автономной системы теплоснабжения и ГВС, является возможность автономного всесезонного бесперебойного получения необходимого количества тепловой энергии и горячей воды для горячего водоснабжения, с минимальным потреблением электрической энергии, при преобразовании и использовании геотермальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта, как природного, так и техногенного происхождения, при помощи тепловых насосов и фундаментных свай со встроенными теплообменниками, по сравнению с любым из существующих классических способов автономной тепловой генерации. Вторым существенным преимуществом указанной системы является использование фундаментных свай со встроенными теплообменниками в качестве первичных термопреобразующих устройств, что исключает потребность в бурении специальных (глубиной до 50-200 метров, диаметром 300-400 мм) геотермальных скважин с их обустройством, для установки в них первичных теплообменников, предназначенных для отбора тепловой энергии от поверхностных и коренных слоев грунта. Это существенно снижает затраты на создание автономной системы теплоснабжения. Например, затраты только на бурение и обустройство нескольких геотермальных скважин (дренаж, заполняющий материал, обсадные перфорированные трубы диаметром 300-400 мм, тампонирующие материалы) для монтажа в них вертикальных скважинных теплообменников первичного контура теплового насоса будут соизмеримы со стоимостью значительной части свайного фундамента для строительного объекта. Для выполнения оценочных расчетов можно использовать следующее соотношение - на один погонный метр единичной вертикальной скважины в среднем приходится до 50-60 Вт преобразуемой геотермальной тепловой энергии. Следовательно, для теплового насоса с производительностью 10 кВт тепловой энергии, потребуется единичная вертикальная скважина с глубиной до 170-200 метров. Можно использовать несколько менее глубоких скважин, но существенно снизит затраты не удастся, поскольку пропорционально возрастет количество теплообменников, запорной арматуры, появятся дополнительные участки сборных коллекторов. Известно, что средняя температура поверхностных слоев грунта всегда на несколько градусов выше, чем температура коренных грунтовых образований и эффективность работы указанной или иной системы автономного теплоснабжения, при использовании тепловой энергии именно поверхностных слоев грунта существенно возрастает. Например, для различных по геологическим свойствам поверхностных слоев грунта, с учетом водо-насыщенности и пористости структуры геологических отложений, солесодержания и удельной теплоемкости, снимаемая тепловая мощность может находиться в диапазоне от 10 до 35 Вт/кв.м. Для коренных, более глубоких по геологическому залеганию, слоев грунта, указанные параметры находятся уже в диапазоне 0,063-0,1 Вт/кв.м, что на два порядка ниже чем для поверхностных слоев. Таким образом, полезная доля тепловой энергии коренных грунтов, в суммарном объеме извлекаемой тепловой энергии для первичного контура теплового насоса, составляет единицы процента и ею практически можно пренебречь. С другой стороны, при использовании достаточно глубоких единичных геотермальных скважин, потребуется и более мощный циркуляционный насос первичного теплового контура, для обеспечения устойчивой циркуляции теплоносителя с увеличенным диапазоном перепада уровня давлений в первичном контуре (с учетом глубины скважин). Это может привести к увеличению потребляемой тепловым насосом электрической мощности, что, в свою очередь, приведет к снижению к.п.д. всей системы.The advantage of the proposed autonomous heat supply system and hot water supply is the possibility of an autonomous all-weather uninterrupted receipt of the required amount of thermal energy and hot water for hot water supply, with minimal consumption of electric energy, when converting and using geothermal thermal energy of the surface layers of the soil, both natural and technogenic, using heat pumps and foundation piles with integrated heat exchangers, compared to any existing x classic methods of autonomous thermal generation. The second significant advantage of this system is the use of foundation piles with built-in heat exchangers as primary thermal converting devices, which eliminates the need for drilling special (up to 50-200 meters deep, 300-400 mm diameter) geothermal wells with their arrangement for installing primary heat exchangers in them designed for the selection of thermal energy from the surface and root layers of the soil. This significantly reduces the cost of creating an autonomous heating system. For example, the costs of only drilling and equipping several geothermal wells (drainage, filling material, casing perforated pipes with a diameter of 300-400 mm, plugging materials) for mounting vertical downhole heat exchangers in the primary circuit of the heat pump in them will be commensurate with the cost of a significant part of the pile foundation for the construction object. To perform the estimated calculations, you can use the following ratio - per linear meter of a single vertical well, on average, up to 50-60 watts of converted geothermal thermal energy are produced. Therefore, for a heat pump with a capacity of 10 kW of thermal energy, a single vertical well with a depth of up to 170-200 meters will be required. You can use several less deep wells, but it will not be possible to significantly reduce costs, since the number of heat exchangers, shutoff valves will proportionally increase, additional sections of prefabricated collectors will appear. It is known that the average temperature of the surface soil layers is always several degrees higher than the temperature of the primary soil formations and the efficiency of this or another autonomous heat supply system, when the thermal energy of the surface soil layers is used increases significantly. For example, for surface layers of the soil with different geological properties, taking into account the water saturation and porosity of the structure of geological deposits, salinity and specific heat, the removed heat capacity can be in the range from 10 to 35 W / sq.m. For the primary, deeper in the geological occurrence, soil layers, these parameters are already in the range of 0.063-0.1 W / sq.m, which is two orders of magnitude lower than for the surface layers. Thus, the useful fraction of the thermal energy of primary soils, in the total amount of extracted thermal energy for the primary circuit of the heat pump, is a few percent and it can almost be neglected. On the other hand, when using sufficiently deep single geothermal wells, a more powerful primary heat circuit circulation pump will be required to ensure stable circulation of the coolant with an increased range of pressure drop in the primary circuit (taking into account the depth of the wells). This can lead to an increase in the electric power consumed by the heat pump, which, in turn, will lead to a decrease in the efficiency. the whole system.

Количество низкопотенциальной тепловой энергии, необходимой для устойчивой работы теплового насоса, в соответствии со среднесуточной циклограммой работы автономной системы теплоснабжения (структура циклограммы - дневной, ночной, пиковый, аварийный режимы работы), может регулироваться за счет изменения скорости циркуляции теплоносителя в первичном низкопотенциальном контуре, при управляемом (в соответствии с алгоритмом циклограммы) изменении скорости вращения ротора приводного двигателя циркуляционного насоса первичного контура. Принудительная циркуляция теплоносителя во внутреннем объеме встроенного свайного теплообменника позволяет снимать и переносить тепловую энергию от внутренних стенок свайного металлического теплообменника на сборный коллектор, входящий в состав первичного контура теплового насоса.The amount of low-grade thermal energy necessary for the stable operation of the heat pump, in accordance with the average daily sequence of operation of the autonomous heat supply system (the structure of the cycle — day, night, peak, emergency operation), can be controlled by changing the circulation rate of the coolant in the primary low-potential circuit, at controlled (in accordance with the algorithm of the cyclogram) change in the rotational speed of the rotor of the drive motor of the primary circulation pump. Forced circulation of the coolant in the internal volume of the integrated pile heat exchanger allows you to remove and transfer thermal energy from the inner walls of the pile metal heat exchanger to the collection manifold, which is part of the primary circuit of the heat pump.

В предлагаемом устройстве встроенный в тело железобетонной сваи трубчатый U-образный металлический теплообменник работает по принципу проточного нагревательного бойлера. Для всех режимов тепловых нагрузок автономной системы теплоснабжения, в проектном диапазоне изменений температуры окружающей среды, рабочая температура теплоносителя на входе в свайный теплообменник (обязательное начальное условие для обеспечения режима оптимальной теплопередачи) должна быть всегда ниже, чем температура примыкающих к наружным стенкам сваи поверхностных слоев грунта и температура стволового тела фундаментной сваи. За счет эффекта теплопередачи материала свайного тела, происходит нагрев стенок теплообменника и, следовательно, нагрев теплоносителя, заключенного во внутреннем объеме теплообменника. При соблюдении указанных начальных условий, температура теплоносителя на выходе из свайного теплообменника всегда будет выше, чем на его входе. Диапазон разности температур между входом и выходом единичного встроенного свайного теплообменника (сети свайных теплообменников, объединенных параллельно по входу и выходу между собой на тепловом коллекторе) зависит от требований технического задания на автономное теплоснабжение и ГВС объекта, типа, параметров и характеристик теплоносителя, количества, типа, тепловой мощности и входных параметров теплового насоса, количества свай со встроенным теплообменником и др.In the proposed device, a tubular U-shaped metal heat exchanger built into the body of the reinforced concrete pile is working on the principle of a flow-through heating boiler. For all heat load modes of an autonomous heat supply system, in the design range of changes in the ambient temperature, the working temperature of the coolant at the inlet to the pile heat exchanger (a prerequisite for ensuring optimal heat transfer) must always be lower than the temperature of the surface soil layers adjacent to the outer walls of the pile and stem stem temperature of the foundation pile. Due to the heat transfer effect of the material of the pile body, the walls of the heat exchanger are heated and, therefore, the heat carrier enclosed in the internal volume of the heat exchanger is heated. Subject to the indicated initial conditions, the temperature of the coolant at the outlet of the pile heat exchanger will always be higher than at its inlet. The range of temperature differences between the input and output of a single integrated pile heat exchanger (a network of pile heat exchangers connected in parallel at the input and output to each other on a heat collector) depends on the requirements of the technical specifications for autonomous heat supply and DHW of an object, type, parameters and characteristics of a heat carrier, quantity, type, , thermal power and input parameters of the heat pump, the number of piles with a built-in heat exchanger, etc.

Отличительной особенностью поверхностного слоя грунта, расположенного внутри периметра свайного поля фундамента любого здания и сооружения, является тот факт, что глубина промерзания (градиент температуры) значительно ниже и средняя температура в объеме указанного грунтового пространства значительно выше, чем для открытого, аналогичного по геологической структуре и свойствам участка, поскольку часть тепловых потерь от любого теплофицированного инженерного объекта, за счет теплопередачи элементов конструкций фундамента и ростверка (даже при использовании самых эффективных способов и материалов для теплоизоляции конструкций фундамента от теплового воздействия со стороны конструкций зданий и сооружений), в основном «сбрасываются» в смежный объем грунта, примыкающего к конструкции фундамента. В 60-е годы указанный «парниковый эффект» от зданий и сооружений на свайных фундаментах, построенных в районах крайнего Севера и Сибири (зона вечной мерзлоты), часто приводил к протаиванию грунта и оседанию фундаментных конструкций. Указанное обстоятельство является определяющим фактором при использовании именно участка, расположенного внутри периметра свайного поля фундамента, в качестве наиболее оптимальной локальной геотермальной зоны для съема и утилизации тепловой энергии грунтов, в целях обеспечения устойчивой работы тепловых насосов автономной системы теплоснабжения инженерных объектов со свайными фундаментами, оборудованными встроенными теплообменниками. С другой стороны, стоимость участка земли для строительства, особенно в густонаселенных регионах страны составляет значительную сумму, следовательно, использование горизонтальных или наклонных теплообменников в инфраструктуре центральной части большого города будет весьма дорого и нерационально.A distinctive feature of the surface soil layer located inside the perimeter of the pile field of the foundation of any building is the fact that the freezing depth (temperature gradient) is much lower and the average temperature in the volume of the indicated soil space is much higher than for an open, similar in geological structure and the properties of the site, since part of the heat loss from any heat-fed engineering object, due to the heat transfer of structural elements of the foundation and grillage (even when using the most effective methods and materials for thermal insulation of foundation structures from thermal effects from the structures of buildings and structures), they are mainly "dumped" into an adjacent volume of soil adjacent to the foundation structure. In the 60s, the indicated “greenhouse effect” from buildings and structures on pile foundations built in the Far North and Siberia (permafrost zone) often led to thawing of the soil and subsidence of foundation structures. This circumstance is a determining factor when using the site located inside the perimeter of the foundation pile field as the most optimal local geothermal zone for removing and utilizing the thermal energy of soils, in order to ensure the stable operation of the heat pumps of the autonomous heat supply system of engineering facilities with pile foundations equipped with built-in heat exchangers. On the other hand, the cost of a plot of land for construction, especially in densely populated regions of the country, is a significant amount, therefore, the use of horizontal or inclined heat exchangers in the infrastructure of the central part of a big city will be very expensive and irrational.

Следует особо подчеркнуть, что предлагаемая и описанная выше система и устройство на ее основе позволяют преобразовывать и использовать не только тепловую энергию примыкающих и смежных со свайным фундаментом поверхностных слоев грунта, а также использовать часть тепловой энергии физических потерь непосредственно от свайных конструкции фундамента любого здания и сооружения, т.е. повторно использовать часть энергии естественных физических тепловых потерь любого инженерного объекта, имеющего автономную систему теплоснабжения с тепловыми насосами и свайным фундаментом, оборудованным встроенными теплообменниками, для нужд теплоснабжения зданий и сооружений.It should be emphasized that the proposed system and the device based on it allow us to convert and use not only the thermal energy of the surface soil layers adjacent to and adjacent to the pile foundation, but also use part of the heat energy of physical losses directly from the pile foundation structure of any building and structure , i.e. reuse part of the energy of natural physical heat loss of any engineering facility that has an autonomous heat supply system with heat pumps and a pile foundation equipped with built-in heat exchangers for the heat supply of buildings and structures.

Полезная модель поясняется схемой.The utility model is illustrated in the diagram.

Для большей наглядности, масштабные соотношения для некоторых элементов, узлов и блоков, изображенных на схеме, соблюдены условно.For clarity, the scale relations for some elements, nodes and blocks depicted in the diagram are conditionally observed.

На фиг.1 представлена функциональная схема автономной системы теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий и сооружений, с перечислением основных элементов системы, а также с указанием основных параметров и характеристик узлов и блоков, входящих в ее состав.Figure 1 presents a functional diagram of an autonomous system of heat supply and hot water supply of buildings and structures, listing the main elements of the system, as well as indicating the main parameters and characteristics of the nodes and blocks included in its composition.

Схема обеспечивает сбор и трансформацию геотермального тепла от верхних слоев грунта при помощи тепловых насосов, используя в качестве первичного приемно-преобразующего устройства, встроенные в фундаментные сваи U образные теплообменники. Принудительная циркуляция в первичном контуре отбора низкопотенциальной тепловой энергии верхних слоев грунта обеспечивается сетевым насосом, создающим напор до 20 м.в.с. и циркуляционный расход жидкого теплоносителя до 13 м³\ч. Предусмотрено 100% системное резервирование сетевого циркуляционного насоса первичного контура. Для первичного контура предусмотрена автономная система безопасности, оборудованная предохранительным клапаном и датчиком давления. Первичный контур содержит расширительный резервуар объемом 200 литров для компенсации последствий температурных расширений жидкого рабочего тела. Подпитка схемы осуществляется из питательного резервуара с водно-гликолиевым раствором. Подпитка осуществляется питательным насосом по управляющему сигналу от датчика давления, установленного в первичном контуре. Теплоноситель с выхода сборного коллектора с температурой (в диапазоне от +1 до +6°С) подается сетевым насосом на входы двух тепловых насосов, включенных и работающих параллельно (по теплоносителю и по тепловой нагрузке на выходе). Основной тепловой насос (модель типа Vitocal 300-G BW145) и ведомый по алгоритму управления (модель типа Vitocal 300-G BW145). Для поддержания постоянной температуры сетевой воды на уровне +60°С, на стороне потребителя предусмотрен узел управления с трехходовым клапаном, установленным после тепловых насосов, при помощи которого осуществляется подача части подогретого теплоносителя на вход тепловых насосов. Нагретый теплоноситель направляется на подогрев системы циркуляции ГВС и\или подогрев теплоносителя системы отопления. Перераспределение теплоносителя с выхода тепловых насосов на схемы подогрева системы ГВС и\или системы отопления осуществляется при помощи трехходового клапана, который управляется автоматически по сигналу от датчика температуры воды после подогревателя системы ГВС. Передача тепловой энергии от выходного контура тепловых насосов к контуру системы ГВС и системы отопления осуществляется при помощи пластинчатых теплообменников. Предусмотрен учет расхода тепловой энергии, полученной от тепловых насосов.The scheme provides the collection and transformation of geothermal heat from the upper layers of the soil using heat pumps, using U-shaped heat exchangers built into the foundation piles as the primary receiving and converting device. Forced circulation in the primary circuit for the selection of low-grade thermal energy of the upper layers of the soil is provided by a network pump, which creates a head up to 20 m.w. and circulating flow rate of liquid coolant up to 13 m ³ \ h. There is a 100% system redundancy of the network primary circulation pump. An autonomous safety system is provided for the primary circuit, equipped with a safety valve and a pressure sensor. The primary circuit contains an expansion tank of 200 liters to compensate for the effects of temperature expansion of the liquid working fluid. The scheme is fed from a nutrient reservoir with a water-glycolic solution. Water is supplied by the feed pump by a control signal from a pressure sensor installed in the primary circuit. The coolant from the outlet of the prefabricated collector with a temperature (in the range from +1 to + 6 ° C) is supplied by the network pump to the inputs of two heat pumps that are switched on and working in parallel (according to the coolant and the heat load at the outlet). The main heat pump (model type Vitocal 300-G BW145) and driven by the control algorithm (model type Vitocal 300-G BW145). To maintain a constant temperature of network water at + 60 ° С, a control unit with a three-way valve installed after the heat pumps is provided on the consumer side, with the help of which part of the heated coolant is supplied to the input of the heat pumps. The heated coolant is directed to heating the DHW circulation system and / or heating the heating fluid. Redistribution of the coolant from the output of the heat pumps to the heating circuits of the domestic hot water system and / or heating system is carried out using a three-way valve, which is controlled automatically by a signal from the water temperature sensor after the domestic hot water system heater. Thermal energy is transferred from the output circuit of the heat pumps to the circuit of the domestic hot water system and the heating system using plate heat exchangers. The account of the consumption of thermal energy received from heat pumps is provided.

Объемный расход водно-этиленгликолиевой смеси в первичном контуре тепловых насосов составляет до 6,7 м³\ч, расход воды в нагреваемом контуре составляет до 3,8 м³\ч.The volumetric flow rate of the water-ethylene glycol mixture in the primary circuit of the heat pumps is up to 6.7 m ³ \ h, the water flow rate in the heated circuit is up to 3.8 m ³ \ h.

Схема подогрева воды системы ГВС работает параллельно с теплоаккумулирующими резервуарами, общей емкостью 5 м³. Резервуары предназначены для сглаживания пиков потребления тепловой энергии на нагрев воды в системе ГВС (буферный резервуар-накопитель). В водяной трубопровод системы рециркуляции ГВС от потребителя подключен трубопровод подпитки системы ГВС от системы холодного водоснабжения (ХВС). Подпитка осуществляется за счет избыточного (относительно системы ГВС) давления воды в сети ХВС. На линии подпитки от сети ХВС установлен обратный клапан, редуктор давления, расходомер. После узла подпитки системы ГВС установлен пластинчатый теплообменник, нагревающей рабочей средой в котором является горячая вода с выхода тепловых насосов. Регулирование расхода тепловой энергии на нагрев воды в системе ГВС выполняется при помощи управляемого трехходового клапана, установленного на линии подачи теплоносителя с выхода тепловых насосов. После пластинчатого теплообменника теплоноситель (вода) подается в теплоаккумулирующие емкости.The DHW heating system works in parallel with heat storage tanks with a total capacity of 5 m ³ . The tanks are designed to smooth the peaks of heat energy consumption for heating water in the domestic hot water system (buffer storage tank). In the water pipe of the DHW recirculation system from the consumer, the DHW feed system is connected from the cold water supply system (HVS). Water is supplied due to excess (relative to the hot water supply system) water pressure in the cold water supply network. A check valve, a pressure reducer, and a flow meter are installed on the make-up line from the HVS network. After the hot water supply system, a plate heat exchanger is installed, the heating medium in which is hot water from the outlet of the heat pumps. The regulation of the flow of heat energy for heating water in the DHW system is carried out using a controlled three-way valve installed on the coolant supply line from the output of the heat pumps. After the plate heat exchanger, the heat carrier (water) is supplied to the heat storage tanks.

Схема подогрева системы ГВС предусматривает автоматическое включение резервного\аварийного подогрева воды системы ГВС, за счет использования тепловой энергии теплофикационной воды из магистральной муниципальной тепловой сети. Для этого теплоаккумулирующие емкости оснащены трубчатыми теплообменниками, которые по циркуляционному контуру подключены к пластинчатому теплообменнику, на него подается теплофикационная вода из муниципальной тепловой сети. Включение резервной\аварийной схемы подогрева системы ГВС объекта осуществляется автоматически, при понижении уровня температуры воды ниже заданного значения, или прекращения подачи\циркуляции собственного теплоносителя в результате аварии, для нужд системы ГВС (после теплоаккумулирующих резервуаров), ниже заданного значения. Циркуляционный контур подогрева от муниципальной тепловой сети имеет собственный циркуляционный насос, систему безопасности и линию подпитки теплофикационной водой из муниципальной тепловой сети. Вода на собственные нужды системы ГВС подается из баков аккумуляторов при помощи циркуляционного насоса. Предусмотрено 100% системное резервирование циркуляционного насоса.The heating scheme of the domestic hot water system provides for automatic activation of the backup \ emergency heating of the domestic hot water system by using the heat energy of the heating water from the main municipal heating network. For this, heat storage tanks are equipped with tubular heat exchangers, which are connected through a circulation circuit to a plate heat exchanger, and heating water from the municipal heating network is supplied to it. The backup / emergency circuit for heating the domestic hot water system of an object is turned on automatically when the water temperature drops below a predetermined value, or the supply / circulation of its own coolant is stopped as a result of an accident, for the needs of a hot water system (after heat storage tanks), below a predetermined value. The circulation heating circuit from the municipal heating network has its own circulation pump, a security system and a heating water feed line from the municipal heating network. Water for own needs of the DHW system is supplied from the battery tanks using a circulation pump. 100% system redundancy of the circulation pump is provided.

Для научных исследований, практической отработки и серийной реализации в массовом производстве описанной выше автономной системы теплоснабжения, компания РЕКОН г.Томск, совместно с ведущими учеными и специалистами в области теплотехники и строительства из Томского национального исследовательского политехнического университета и Томского государственного архитектурно-строительного университета, на базе собственного производства железобетонных изделий по технологии и на оборудовании РЕКОН, на строительной площадке проекта высотной жилой застройки в мкр. Мокрушинский, организовала промышленный испытательный полигон (участок свайного поля под секцию №4 жилого дома №1 по ул. Нефтяной). Ранее, аналогичные технические решения разрабатывались, отрабатывались и реализовывались при проектировании и строительстве жилых домов коттеджного типа по ул. Балтийской в г.Томске и на ряде других аналогичных объектов. В проекте строительства энергоэффективного 60 квартирного жилого дома в г.Топки Кемеровской области по ул. Солнечной, проект имеет положительную экспертную оценку и рекомендацию по его реализации, использованы указанные выше научные, проектные и технические решения. Совместные работы с учеными и специалистами в развитии данного направления будут продолжены и использованы при реализации проекта высотного жилищного строительства в мкр. Мокрушинский г.Томск.For scientific research, practical development and serial implementation in mass production of the autonomous heat supply system described above, REKON, Tomsk, together with leading scientists and experts in the field of heat engineering and construction from Tomsk National Research Polytechnic University and Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering, based on our own production of reinforced concrete products using the technology and equipment of RECON, at the construction site of the high-rise project oh residential development in microdistrict. Mokrushinsky, organized an industrial testing ground (a section of a pile field under section No. 4 of residential building No. 1 on Neftyanoy St.). Earlier, similar technical solutions were developed, tested and implemented in the design and construction of cottage-type residential buildings on the street. Baltic in Tomsk and a number of other similar facilities. In the project for the construction of an energy-efficient 60-apartment apartment building in Topki, Kemerovo Region, on ul. Solar, the project has a positive expert assessment and recommendation for its implementation, the above scientific, design and technical solutions are used. Joint work with scientists and specialists in the development of this area will be continued and used in the implementation of the high-rise housing project in the microdistrict. Mokrushinsky city of Tomsk.

В результате, автономная система теплоснабжения и ГВС обеспечит возможность всесезонного бесперебойного получения необходимого количества тепловой энергии и горячей воды для ГВС, с минимальным потреблением электрической энергии, при преобразовании и использовании геотермальной тепловой энергии поверхностных слоев грунта, как природного, так и техногенного происхождения, с использованием тепловых насосов и фундаментных свай со встроенными теплообменниками.As a result, the autonomous heat supply and hot water supply system will provide the possibility of all-season uninterrupted production of the required amount of thermal energy and hot water for hot water supply, with minimal electrical energy consumption, when converting and using geothermal thermal energy of the surface layers of the soil, both natural and man-made, using heat pumps and foundation piles with integrated heat exchangers.

Автономная система теплоснабжения, использующая низкопотенциальную тепловую энергию поверхностных слоев грунта, состоящая из тепловых насосов и встроенных в стволовое тело фундаментных железобетонных свай вертикальных теплообменников, реализует на практике положения Федерального закона №261-Ф3 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…».An autonomous heat supply system using low-potential thermal energy of the surface layers of the soil, consisting of heat pumps and foundation reinforced concrete piles of vertical heat exchangers embedded in the stem, implements in practice the provisions of Federal Law No. 261-F3 “On energy conservation and energy efficiency ...”.

Claims

An autonomous heating and hot water supply system for buildings and structures, consisting of heat pumps with a control scheme, piping systems, buffer, nutrient and network tanks, control, monitoring and protection systems, characterized in that for the conversion and use of geothermal thermal energy of the surface layers of the soil as natural and man-made origin heat exchangers are used that are built into the stem of reinforced concrete piles of the foundations of buildings and structures, which also allows repetition RNO use of the thermal energy directly from the physical losses pile of foundations of buildings and structures for the needs of heating.