RU149505U1

RU149505U1 - AUTONOMOUS HEATING SYSTEM

Info

Publication number: RU149505U1
Application number: RU2014119706/12U
Authority: RU
Inventors: Сергей Андреевич Андреев; Юрий Александрович Судник; Станислав Николаевич Трушевский; Евгений Александрович Флегонтов
Original assignee: Сергей Андреевич Андреев
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2015-01-10

Abstract

Автономная отопительная система, включающая контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с грунтовыми теплообменниками, входы которых связаны с выходом испарителя теплового насоса, а выходы - через устройство переключения с его входом, систему отопления, содержащую конденсатор теплового насоса, соединенный трубопроводом с отопительными приборами, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена датчиками температуры, установленными в грунтовых теплообменниках, а устройство переключения содержит электромагнитные клапаны, компараторы, инверторы, кольцевой счетчик, логические элементы «И» и усилители, при этом входы устройства переключения подключены внутри него через электромагнитные клапаны к выходу, датчики температуры соединены с контрольными входами компараторов, выходы которых подключены к прямым входам инверторов и к первым входам логических элементов «И», выходы инверторов соединены между собой и связаны со входом кольцевого счетчика, выходы которого подключены ко вторым входам логических элементов «И», выходы которых через усилители подключены к управляющим входам электромагнитных клапанов.An autonomous heating system, including a low-grade heat carrier circulation circuit with ground heat exchangers, the inputs of which are connected to the outlet of the heat pump evaporator, and the outputs are connected through a switching device with its inlet, a heating system containing a heat pump condenser connected by a pipeline with heating devices, characterized in that it is additionally equipped with temperature sensors installed in ground heat exchangers, and the switching device contains solenoid valves, comparators, inverters, a ring counter, logical "AND" gates and amplifiers, while the inputs of the switching device are connected inside it through solenoid valves to the output, temperature sensors are connected with control inputs of comparators, the outputs of which are connected to the direct inputs of the inverters and to the first inputs of the logical elements "AND", the outputs of the inverters are interconnected and connected to the input of the ring counter, the outputs of which are connected to the second input odes of logical elements "AND", the outputs of which are connected through amplifiers to the control inputs of the solenoid valves.

Description

Автономная отопительная система относится к теплотехнике, в частности, к системам теплоснабжения, и может быть использована для отопления и горячего водоснабжения индивидуальных жилых домов, производственных, административных и социально-бытовых сооружений.An autonomous heating system relates to heat engineering, in particular, to heat supply systems, and can be used for heating and hot water supply of individual residential buildings, industrial, administrative and social facilities.

Известна система автономного обогрева помещений, включающая контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с грунтовыми теплообменниками, входы которых связаны с выходом испарителя теплового насоса, а выходы - через устройство переключения с его входом (см. патент на полезную модель №140455 «Система автономного обогрева помещений», опубл. 10.05.2014, бюлл. №13).A well-known system of autonomous heating of the premises, including a low-potential coolant circulation circuit with soil heat exchangers, the inputs of which are connected to the output of the heat pump evaporator, and the outputs through a switching device with its input (see utility model patent No. 140455 "Autonomous heating of rooms", published May 10, 2014, Bulletin No. 13).

Недостатками такой системы являются:The disadvantages of such a system are:

1. Наличие в конструкции устройства переключения движущихся элементов, подвергающихся износу и требующих смазки.1. The presence in the design of the switching device of moving elements that are subject to wear and require lubrication.

2. Зависимость работоспособности устройства переключения от положения в пространстве (наклона относительно земной поверхности).2. Dependence of the operability of the switching device on the position in space (inclination relative to the earth's surface).

3. Чувствительность к вибрациям.3. Sensitivity to vibrations.

4. Зависимость работоспособности устройства переключения от температуры окружающей среды, так как последняя влияет на давление газа внутри полых цилиндров и на вязкость смазки в узлах трения.4. The dependence of the operability of the switching device on the ambient temperature, since the latter affects the gas pressure inside the hollow cylinders and the viscosity of the lubricant in the friction units.

5. Сложность регулировки устройства переключения и установки температуры срабатывания.5. The difficulty of adjusting the switching device and setting the response temperature.

6. Материалоемкость и громоздкость конструкции.6. Material consumption and bulky design.

7. Невозможность реализации принципа подключения грунтовых теплообменников ко входу испарителя теплового насоса при трех и большем количестве грунтовых теплообменников.7. The impossibility of implementing the principle of connecting soil heat exchangers to the inlet of the heat pump evaporator with three or more soil heat exchangers.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является исключение движущихся элементов, устранение зависимости работоспособности устройства переключения от положения в пространстве, от вибраций и от температуры окружающей среды, упрощение регулировки устройства переключения и установки температуры срабатывания, а также уменьшение материалоемкости и громоздкости конструкции, обеспечение возможности реализации принципа поочередного подключения грунтовых теплообменников ко входу испарителя теплового насоса при трех и большем количестве грунтовых теплообменников.The technical result of the proposed utility model is the elimination of moving elements, the elimination of the dependence of the operability of the switching device on the position in space, on vibrations and on the ambient temperature, simplifying the adjustment of the switching device and setting the operating temperature, as well as reducing the material consumption and bulky design, making it possible to implement the principle of alternating connecting soil heat exchangers to the input of the heat pump evaporator for three and more Shem number of ground heat exchangers.

Такой технический результат достигается тем, что автономная отопительная система, включающая контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя с грунтовыми теплообменниками, входы которых связаны с выходом испарителя теплового насоса, а выходы - через устройство переключения с его входом, систему отопления, содержащую конденсатор теплового насоса, соединенный трубопроводом с отопительными приборами, дополнительно снабжена датчиками температуры, установленными в грунтовых теплообменниках, а устройство переключения содержит электромагнитные клапаны, компараторы, инверторы, кольцевой счетчик, логические элементы «И» и усилители, при этом входы устройства переключения подключены внутри него через электромагнитные клапаны к выходу, датчики температуры соединены с прямыми входами компараторов, выходы которых подключены к прямым входам инверторов и к первым входам логических элементов «И», выходы инверторов соединены между собой и связаны со входом кольцевого счетчика, выходы которого подключены ко вторым входам логических элементов «И», выходы которых через усилители подключены к управляющим входам электромагнитных клапанов.This technical result is achieved by the fact that an autonomous heating system including a low-potential coolant circulation circuit with soil heat exchangers, the inputs of which are connected to the output of the heat pump evaporator, and the outputs through a switching device with its input, a heating system containing a heat pump condenser connected by a pipe to heating appliances, is additionally equipped with temperature sensors installed in soil heat exchangers, and the switching device contains an electric solenoid valves, comparators, inverters, ring counter, “I” logic elements and amplifiers, while the inputs of the switching device are connected inside it via electromagnetic valves to the output, the temperature sensors are connected to the direct inputs of the comparators, the outputs of which are connected to the direct inputs of the inverters and to the first the inputs of the logic elements "And", the outputs of the inverters are interconnected and connected to the input of the ring counter, the outputs of which are connected to the second inputs of the logic elements "And", the outputs of which through Clamps are connected to the control inputs of the solenoid valves.

На фиг. 1 представлена функциональная схема автономной отопительной системы. В качестве примера на фиг.1 изображена и далее рассмотрена автономная отопительная система с тремя грунтовыми теплообменниками.In FIG. 1 shows a functional diagram of an autonomous heating system. As an example, figure 1 shows and further considers an autonomous heating system with three soil heat exchangers.

Автономная отопительная система включает контур 1 циркуляции низкотемпературного теплоносителя и грунтовые теплообменники 2, 3 и 4. Грунтовые теплообменники 2, 3 и 4 представляют собой полые емкости, выполненные из материала с высокой теплопроводностью (например, из стали, алюминиия и пр.) имеющие большие поверхности соприкосновения с внешней средой (например, оребренные или гофрированные радиаторы), заполненные жидким теплоносителем (например, водой или низкозамерзающей жидкостью). Грунтовые теплообменники 2, 3 и 4 расположены в грунте на глубине 0,8…2,0 м и на расстоянии 5…25 м друг от друга. Входы грунтовых теплообменников 2, 3 и 4 объединены между собой и связаны с выходом испарителя 5 теплового насоса. Выходы грунтовых теплообменников 2, 3 и 4 через устройство 6 переключения соединены со входом испарителя 5 теплового насоса.The autonomous heating system includes a low-temperature coolant circulation circuit 1 and ground heat exchangers 2, 3 and 4. Ground heat exchangers 2, 3 and 4 are hollow tanks made of a material with high thermal conductivity (for example, steel, aluminum, etc.) having large surfaces contact with the external environment (for example, finned or corrugated radiators) filled with a liquid coolant (for example, water or a low-freezing liquid). Soil heat exchangers 2, 3 and 4 are located in the ground at a depth of 0.8 ... 2.0 m and at a distance of 5 ... 25 m from each other. The inputs of the soil heat exchangers 2, 3 and 4 are interconnected and connected to the output of the evaporator 5 of the heat pump. The outputs of the soil heat exchangers 2, 3 and 4 through the switching device 6 are connected to the input of the evaporator 5 of the heat pump.

Система 7 отопления состоит из конденсатора 8 теплового насоса, соединенного трубопроводом 9 с отопительными приборами 10.The heating system 7 consists of a condenser 8 of a heat pump connected by a pipe 9 to the heating devices 10.

В грунтовых теплообменниках 2, 3 и 4 установлены датчики 11, 12 и 13 температуры. В качестве датчиков 11, 12 и 13 температуры можно использовать, например, полупроводниковые или металлические терморезисторы, рабочий диапазон температур которых совпадает с температурой внутри контура 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя. Датчики 11, 12 и 13 температуры соединены с прямыми входами компараторов 14, 15 и 16 соответственно. Компараторы 14, 15 и 16 представляют собой, например, комбинированные устройства, содержащие мостовые измерительные схемы с источниками питания на прямых входах, настроечные (уставочные) резисторы с источниками питания на инверсных входах и дифференциальные усилители.In the soil heat exchangers 2, 3 and 4, temperature sensors 11, 12 and 13 are installed. As temperature sensors 11, 12 and 13, for example, semiconductor or metal thermistors can be used, the operating temperature range of which coincides with the temperature inside the low-potential coolant circulation circuit 1. The temperature sensors 11, 12 and 13 are connected to the direct inputs of the comparators 14, 15 and 16, respectively. Comparators 14, 15 and 16 are, for example, combined devices containing bridge measuring circuits with power supplies at direct inputs, tuning (setpoint) resistors with power supplies at inverse inputs and differential amplifiers.

Выходы компараторов 14, 15 и 16 подключены ко входам инверторов 17, 18 и 19 и к первым входам логических элементов «И» 20, 21 и 22 соответственно.The outputs of the comparators 14, 15 and 16 are connected to the inputs of the inverters 17, 18 and 19 and to the first inputs of the logic elements "And" 20, 21 and 22, respectively.

Выходы инверторов 17, 18 и 19 соединены между собой и связаны со входом кольцевого счетчика 23. В качестве кольцевого счетчика 23 может быть использован, например, трехфазный триггер. Выходы кольцевого счетчика 23 через усилители 24, 25 и 26 подключены к управляющим входам электромагнитных клапанов 27, 28 и 29 соответственно. В качестве электромагнитных клапанов 27, 28 и 29 могут быть использованы, например, пружинные электромагнитные устройства с двумя устойчивыми состояниями («открыто-закрыто»), установленные на выходах грунтовых теплообменников 2, 3 и 4 соответственно.The outputs of the inverters 17, 18 and 19 are interconnected and connected to the input of the ring counter 23. As a ring counter 23, for example, a three-phase trigger can be used. The outputs of the ring counter 23 through the amplifiers 24, 25 and 26 are connected to the control inputs of the electromagnetic valves 27, 28 and 29, respectively. As electromagnetic valves 27, 28 and 29, for example, spring-loaded electromagnetic devices with two stable states ("open-closed") mounted on the outputs of the soil heat exchangers 2, 3 and 4, respectively, can be used.

Автономная отопительная система работает следующим образом.Autonomous heating system operates as follows.

Устройство переключения 6 контролирует температуру низкопотенциального теплоносителя в грунтовых теплообменниках 2, 3 и 4 и управляет процессом отбора теплоты от каждого из них в контуре 1 циркуляции низкопотенциального теплоносителя.Switching device 6 controls the temperature of the low-grade heat carrier in the soil heat exchangers 2, 3, and 4 and controls the process of taking heat from each of them in the low-coolant circulation circuit 1.

При включении автономной отопительной системы происходит измерение температуры в грунтовых теплообменниках 2, 3 и 4 посредством датчиков 11, 12 и 13 температуры. Сигналы с датчиков 11, 12 и 13 температуры подаются на прямые входы компараторов 14, 15 и 16. На инверсных входах компараторов 14, 15 и 16 формируются сигналы, определяемые порогом срабатывания и заданные оператором. На выходах компараторов 14, 15 и 16 появляются логические единицы только в том случае, если значение температуры теплоносителя окажутся большими или равными установленных значений.(если сигналы на прямых входах компараторов 14, 15 и 16 будут большими или равными сигналов на инверсных входах). Так будет только в том случае, если температуры низкопотенциального теплоносителя внутри грунтовых теплообменников не опустится ниже предельного уровня.When you turn on the autonomous heating system, the temperature is measured in the soil heat exchangers 2, 3 and 4 by means of temperature sensors 11, 12 and 13. The signals from the temperature sensors 11, 12 and 13 are fed to the direct inputs of the comparators 14, 15 and 16. At the inverse inputs of the comparators 14, 15 and 16, signals are generated that are determined by the response threshold and set by the operator. Logic units appear at the outputs of the comparators 14, 15, and 16 only if the temperature of the coolant turns out to be greater than or equal to the set values. (If the signals at the direct inputs of the comparators 14, 15, and 16 are greater than or equal to the signals at the inverse inputs). This will happen only if the temperature of the low-grade coolant inside the soil heat exchangers does not fall below the limit level.

Таким образом, при допустимой температуре низкопотенциального теплоносителя на выходах компараторов 14, 15 и 16 будут присутствовать логические единицы, которые поступят на входы инверторов 17, 18 и 19 и обусловят отсутствие сигналов на их выходах. В то же время сигналы с выходов компараторов 14, 15 и 16 поступят на первые входы логических элементов «И» 20, 21 и 22. На вторые входы логических элементов «И» 20,21 и 22 сигнал поступает не одновременно. Наличие сигнала на вторых входах логических элементов «И» 20, 21 и 22 определяется положением кольцевого счетчика 23. При подаче питания кольцевой счетчик 23 оказывается в первом устойчивом состоянии, характеризующимся наличием логической единицы на его первом выходе. Этот сигнал подается на второй вход логического элемента «И» 20, и при наличии сигнала на его первом входе (при допустимой температуре низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 2) логический элемент «И» 20 срабатывает, и на его выходе появляется сигнал. Этот сигнал усиливается усилителем 24 и подается на управляющий вход электромагнитного клапана 27. Электромагнитный клапан 27 открывается и низкопотенциальный теплоноситель из грунтового теплообменника 2 поступает на вход испарителя 5 теплового насоса, отдает свою тепловую энергию и возвращается в грунтовый теплообменник 2 через выход испарителя теплового насоса 5. В конденсаторе 8 теплового насоса происходит увеличение температуры теплоносителя системы 7 отопления, который подается посредством трубопровода 9 к отопительным приборам 10. Поскольку на втором и третьем выходах кольцевого счетчика 23 в это время сигналы будут отсутствовать, логические элементы «И» 21 и 22 не сработают, на их выходах, а также на выходах усилителей 25 и 26 сигналов не будет, электромагнитные клапаны 28 и 29 окажутся закрытыми, препятствуя движению низкопотенциального теплоносителя от грунтовых теплообменников 3 и 4.Thus, at the permissible temperature of the low-grade coolant at the outputs of the comparators 14, 15 and 16, there will be logical units that will go to the inputs of the inverters 17, 18 and 19 and will cause the absence of signals at their outputs. At the same time, the signals from the outputs of the comparators 14, 15 and 16 will go to the first inputs of the logical elements "And" 20, 21 and 22. At the second inputs of the logic elements "And" 20,21 and 22 the signal does not arrive simultaneously. The presence of a signal at the second inputs of the logic elements "And" 20, 21 and 22 is determined by the position of the ring counter 23. When power is applied, the ring counter 23 is in the first stable state, characterized by the presence of a logical unit at its first output. This signal is fed to the second input of the logic element "And" 20, and if there is a signal at its first input (at an acceptable temperature of the low-grade heat carrier in the soil heat exchanger 2), the logic element "And" 20 is triggered, and a signal appears at its output. This signal is amplified by the amplifier 24 and is supplied to the control input of the electromagnetic valve 27. The electromagnetic valve 27 opens and the low-grade heat carrier from the soil heat exchanger 2 enters the input of the heat pump evaporator 5, gives off its thermal energy and returns to the soil heat exchanger 2 through the output of the heat pump evaporator 5. In the condenser 8 of the heat pump there is an increase in the temperature of the coolant of the heating system 7, which is supplied through a pipe 9 to the heating devices 10. Since there will be no signals at the second and third outputs of the ring counter 23 at this time, the logic elements “And” 21 and 22 will not work, there will be no signals at their outputs, as well as at the outputs of the amplifiers 25, solenoid valves 28 and 29 will be closed , preventing the movement of low-grade coolant from the ground heat exchangers 3 and 4.

По мере отбора тепловой энергии от грунтового теплообменника 2 температура низкопотенциального теплоносителя в нем будет уменьшаться. При значительном снижении этой температуры логическая единица на выходе компаратора 14 пропадает. Это вызывает появление сигнала на выходе инвертора 17 и одновременное исчезновение сигнала на первом входе логического элемента «И» 20. Появившийся на входе компаратора 23 сигнал переводит его во второе устойчивое состояние, характеризующееся отсутствием сигнала на его первом и третьем выходе и наличием сигнала на втором выходе. Сигналы на выходе логического элемента «И» 20 и усилителя 24 пропадают, и в то же время сигнал со второго выхода кольцевого счетчика 23 подается на второй вход логического элемента «И» 21, который сработает, если на его первом входе окажется сигнал о допустимой температуре низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 3. На выходе усилителя 25 появится сигнал, который поступит на управляющий вход электромагнитного клапана 28. Электромагнитный клапан 28 откроется и на вход испарителя теплового насоса 5 начнет подаваться низкопотенциальный теплоноситель от грунтового теплообменника 3.As the heat energy is taken from the soil heat exchanger 2, the temperature of the low-grade heat carrier in it will decrease. With a significant decrease in this temperature, the logic unit at the output of the comparator 14 disappears. This causes the appearance of the signal at the output of the inverter 17 and the simultaneous disappearance of the signal at the first input of the logical element “I” 20. The signal that appears at the input of the comparator 23 transfers it to the second stable state, characterized by the absence of a signal at its first and third output and the presence of a signal at the second output . The signals at the output of the logic element "And" 20 and the amplifier 24 disappear, and at the same time, the signal from the second output of the ring counter 23 is fed to the second input of the logic element "And" 21, which will work if at its first input there is a signal about the permissible temperature low-grade coolant in the soil heat exchanger 3. At the output of the amplifier 25, a signal appears that will be fed to the control input of the electromagnetic valve 28. The electromagnetic valve 28 will open and a low flow will be supplied to the input of the evaporator of the heat pump 5 native heat carrier from the soil heat exchanger 3.

Аналогично после отбора тепловой энергии от грунтового теплообменника 3 и снижения в нем температуры низкопотенциального теплоносителя, произойдет исчезновение сигнала на выходе компаратора 15 и на первом входе логического элемента «И» 21. Одновременно появится сигнал на выходе инвертора 18 и кольцевой счетчик 23 переключится в третье устойчивое состояние. При этом на третьем выходе кольцевого счетчика 23 появится сигнал, который будет подан на второй вход логического элемента «И» 22. Логический элемент «И» 22 может сработать при допустимом значении температуры низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 4, что должно сопровождаться появлением сигнала на выходе компаратора 16 и исчезновением сигнала на выходе инвертора 19. При срабатывании логического элемента «И» 22 сигнал с его выхода будет усилен усилителем 26. Это состояние будет характеризоваться появлением сигнала на управляющем входе электромагнитного клапана 29. Электромагнитный клапан 29 откроется и обеспечит подачу на вход испарителя теплового насоса 5 низкопотенциального теплоносителя от грунтового теплообменника 4.Similarly, after the selection of thermal energy from the soil heat exchanger 3 and the temperature of the low-grade coolant in it decreases, the signal at the output of the comparator 15 and at the first input of the logic element “I” 21 disappears. At the same time, a signal appears at the output of the inverter 18 and the ring counter 23 switches to the third stable state. At the same time, a signal will appear at the third output of the ring counter 23, which will be fed to the second input of the logic element “I” 22. The logic element “I” 22 can work at an acceptable value of the temperature of the low-grade heat carrier in the soil heat exchanger 4, which should be accompanied by the appearance of a signal at the output comparator 16 and the disappearance of the signal at the output of the inverter 19. When the logic element "AND" 22 is activated, the signal from its output will be amplified by the amplifier 26. This state will be characterized by the appearance of a signal on the ulation inlet solenoid valve 29. The solenoid valve 29 will open and will provide feed to the evaporator inlet of the heat pump 5 by the low-grade coolant heat exchanger 4 precoat.

Далее очередность работы автономной отопительной системы повторяется.Next, the sequence of operation of the autonomous heating system is repeated.

Таким образом, предложенная полезная модель позволит реализовать принцип поочередного подключения ко входу испарителя теплового насоса практически любого количества грунтовых теплообменников при одновременном соблюдении условия равенства температуры низкопотенциального теплоносителя заданному значению.Thus, the proposed utility model will make it possible to implement the principle of alternately connecting to the input of the heat pump evaporator practically any number of soil heat exchangers while observing the condition of equal temperature of the low-grade heat carrier to a given value.

Claims

An autonomous heating system, including a low-potential coolant circulation circuit with ground heat exchangers, the inputs of which are connected to the output of the heat pump evaporator, and the outputs are through a switching device with its input, a heating system containing a heat pump condenser connected by a pipeline to the heating devices, characterized in that it is additionally equipped with temperature sensors installed in soil heat exchangers, and the switching device contains solenoid valves, to mparators, inverters, ring counter, “AND” logic elements and amplifiers, while the inputs of the switching device are connected inside it through electromagnetic valves to the output, the temperature sensors are connected to the control inputs of the comparators, the outputs of which are connected to the direct inputs of the inverters and to the first inputs of the logic elements "And", the outputs of the inverters are interconnected and connected to the input of the ring counter, the outputs of which are connected to the second inputs of the logic elements "And", the outputs of which are connected through amplifiers to the control inputs of the solenoid valves.