RU2206026C1

RU2206026C1 - Heat-pump plant for heating and hot-water supply

Info

Publication number: RU2206026C1
Application number: RU2001127638/06A
Authority: RU
Inventors: В.И. Дикарев (RU); В.И. Дикарев; В.Е. Миллер (RU); В.Е. Миллер; Аулис Эйнари ТУОХИМАА (FI); Аулис Эйнари ТУОХИМАА; Ю.В. Фомкин (RU); Ю.В. Фомкин
Original assignee: Дикарев Виктор Иванович; Миллер Владимир Евгеньевич; Аулис Эйнари ТУОХИМАА; Фомкин Юрий Владимирович
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2003-06-10

Abstract

FIELD: heating of and hot-water supply to apartment houses, cottages, and miscellaneous structures. SUBSTANCE: heat-pump plant has compressor, first storage tank, double-section condenser, evaporator, first circulating pump, and peak demand heater. Plant is provided with earth pipeline, air heat exchanger, adaptive temperature selection unit, evaporator-condenser set, second circulating pump, second storage tank, and two temperature relay sensors; air heat exchanger and earth pipeline communicate through adaptive temperature selection unit and first circulating pump by means of respective pipelines with evaporator- condenser set which communicates through pipelines of condenser first stage and second circulating pump by means of respective pipelines with first storage tank whose upper part mounts second storage tank communicating by means of pipelines with cold-water and hot-water pipelines; intermediate part of first storage tank accommodates two temperature relay sensors of which first one is electrically connected to compressor and second sensor, to peak demand heater disposed in bottom part of first storage tank that communicates with cold-water pipeline and with pipeline running to heating equipment. Low-potential source used for heat-pump plant is air or earth depending on ambient temperature. EFFECT: enhanced operating efficiency of plant throughout entire year. 3 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемая установка относится к теплонасосным установкам и может быть использована для горячего водоснабжения и отопления жилых зданий, коттеджей и сооружений и сооружений различного типа. The proposed installation relates to heat pump installations and can be used for hot water and heating of residential buildings, cottages and structures and structures of various types.

Известны теплонасосные установки для утилизации вторичных энергетических ресурсов (авт. свид. СССР 311111, 458691, 606049, 918729, 1404764, 1478000, 1518626, 1537986, 1672160, 1740912, 1758370, 1783259, 1809263; патенты РФ 2008582, 2032866, 2062964, 2099663, 2117884, 2159904; патенты США 2634431, 4373346, 4592206; патент ФРГ 2712110; патенты Японии 54-47426, 56-48777, 62-60621; Хайнрих Г. и др. Теплонасосные установки для горячего водоснабжения. М.: Стройиздат, 1985, с.109, рис. 48 и другие. Heat pump installations for recycling secondary energy resources are known (ed. Certificate of the USSR 311111, 458691, 606049, 918729, 1404764, 1478000, 1518626, 1537986, 1672160, 1740912, 1758370, 1783259, 1809263; RF patents 2008582, 2032866, 2029; 2117884, 2159904; US Pat. .109, Fig. 48 and others.

Из известных установок наиболее близкой к предлагаемой является "Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения" (авт. свид. СССР 1809263, F 25 В 29/00, 1990), которая и выбрана в качестве прототипа. Of the known installations, the closest to the proposed one is "Heat pump installation for heating and hot water supply" (ed. Certificate of the USSR 1809263, F 25 V 29/00, 1990), which is selected as a prototype.

Данная установка позволяет в случае необходимости осуществлять предварительный подогрев холодной воды на пути от водопроводной сети к баку-аккумулятору воздушным потоком. Водозабор может осуществляться не только из бака-аккумулятора, но также непосредственно из первой секции конденсатора. Кроме того, данная установка первой секции конденсатора позволяет повысить кратность естественной циркуляции в контуре горячего водоснабжения, образованном первой секцией конденсатора и баком-аккумулятором, а также увеличить градиент температур в баке-аккумуляторе, что позволяет снизить среднюю температуру воды в баке-аккумуляторе, в результате чего снижаются теплопотери через корпус бака-аккумулятора и, кроме того, сокращается время выхода на заданный температурный уровень горячей воды для использования у потребителя. This installation allows, if necessary, to preheat cold water on the way from the water supply network to the storage tank by air flow. Water intake can be carried out not only from the storage tank, but also directly from the first section of the condenser. In addition, this installation of the first section of the condenser allows you to increase the frequency of natural circulation in the hot water circuit formed by the first section of the condenser and the storage tank, as well as to increase the temperature gradient in the storage tank, which reduces the average temperature of the water in the storage tank, as a result which reduces heat loss through the body of the storage tank and, in addition, reduces the time to reach the set temperature level of hot water for use by the consumer.

Эффективность данной установки определяется коэффициентом преобразования К_ПР, равным отношению производимой тепловой мощности N_Т к затрачиваемой электрической мощности N_Э

Величина К_ПР в общем случае зависит от ряда факторов, в том числе от температуры воздуха и от температуры воды высокого потенциала t_ГВ, идущей потребителю.The efficiency of this installation is determined by the conversion coefficient K _PR equal to the ratio of the generated thermal power N _T to the consumed electric power N _E

The value of K _PR in the general case depends on a number of factors, including the air temperature and the temperature of the high potential water t _GW going to the consumer.

В указанной установке в качестве низкопотенциального источника теплоты используется воздух, который полается вентилятором из вентиляционной шахты, чердака, кухни и др. в трехпоточный испаритель (теплообменник). In this installation, air is used as a low-grade heat source, which is poured by a fan from a ventilation shaft, attic, kitchen, etc. into a three-flow evaporator (heat exchanger).

Однако воздушный теплообменник очень хорош весной и летом, но при температуре окружающего воздуха ниже 7^oС резко снижается возможностью его эффективного использования, так как с уменьшением температуры источника низкопотенциальной теплоты уменьшается подводимое к теплонасосной установке тепло и, как следствие, снижается величина коэффициента преобразования К_ПР теплонасосной установки.However, the air heat exchanger is very good in spring and summer, but when the ambient temperature is below 7 ^o C, the possibility of its effective use is sharply reduced, since with a decrease in the temperature of the source of low potential heat the heat supplied to the heat pump installation decreases and, as a result, the conversion coefficient K _PR decreases heat pump installation.

Основное преимущество теплонасосных установок, в том числе и выбранной в качестве прототипа, заключается в том, что они функционируют с высоким коэффициентом преобразования К_ПР электрической энергии в тепловую, что приводит к значительному снижению затрат на потребляемую электроэнергию.The main advantage of heat pump units, including one selected as a prototype, is that they operate with a high conversion factor K _{PR of} electric energy into heat, which leads to a significant reduction in the cost of electricity consumed.

Величина К_ПР для современных теплонасосных установок составляет от 3 до 8, что практически означает увеличение в такое же число раз значения выделяемой тепловой мощности по сравнению с затрачиваемой электрической мощностью.The value of K _PR for modern heat pump installations is from 3 to 8, which practically means an increase in the same number of times the value of the released heat capacity in comparison with the consumed electric power.

Для того чтобы величина К_ПР поддерживалась на высоком уровне (не ниже 3) в случае использования воздушного теплообменника, для отбора тепла от воздуха необходимо идти на значительное увеличение теплопередающей поверхности и создаваемого вентилятором расхода воздуха, т.е. применять оборудование больших габаритов с высоким электропотреблением. При условии, что температура воздуха выше 7^oС, габариты теплообменника и потребляемая вентилятором мощность вполне приемлемы и сравнимы с параметрами кондиционеров такой же производительности.In order to maintain the K _PR value at a high level (not lower than 3) in the case of using an air heat exchanger, it is necessary to take a significant increase in the heat transfer surface and the air flow rate generated by the fan, to take heat from air, i.e. apply large equipment with high power consumption. Provided that the air temperature is above 7 ^o C, the dimensions of the heat exchanger and the power consumed by the fan are quite acceptable and comparable with the parameters of air conditioners of the same capacity.

С целью обеспечения эффективной работы теплонасосной установки на протяжении всего года естественно использовать природные источники тепла таким образом, чтобы получение высокого коэффициента преобразования К_ПР достигалась не за счет габаритов и потребляемой мощности применяемого оборудования.In order to ensure the efficient operation of the heat pump installation throughout the year, it is natural to use natural heat sources so that a high conversion coefficient K _{PR is} achieved not due to the dimensions and power consumption of the equipment used.

Выходом из положения является введение в состав теплонасосной установки земляного трубопровода и специального блока адаптивной температурной селекции, который в теплое время года в качестве низкопотенциального источника тепла использует воздух, а в холодное - грунт. The way out is the introduction of an earth pipeline and a special unit of adaptive temperature selection, which in the warm season uses air as a low-grade heat source, and soil in the cold season.

Технической задачей изобретения является обеспечение эффективной работы теплонасосной установки для отопления и горячего водоснабжения на протяжении всего года путем использования в качестве низкопотенциальных источников теплоты воздуха или грунта в зависимости от температуры окружающего воздуха. An object of the invention is to ensure the efficient operation of a heat pump installation for heating and hot water supply throughout the year by using heat of air or soil as low potential sources depending on the temperature of the surrounding air.

Поставленная задача решается тем, что теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения, содержащая компрессор, первый бак-аккумулятор, конденсатор, состоящий из двух секций, испаритель, первый циркуляционный насос и пиковый подогреватель, снабжена земляным трубопроводом, воздушным теплообменником, блоком адаптивной температурной селекции, испарительно-конденсаторным агрегатом, вторым циркуляционным насосом, вторым баком-аккумулятором и двумя датчиками реле температуры, причем воздушный теплообменник и земляной трубопровод через блок адаптивной температурной селекции и первый циркуляционный насос соединены соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом, который через трубопроводы первой ступени конденсатора и второй циркуляционный насос соответствующими трубопроводами соединен с первым баком-аккумулятором, в верхней части которого размещен второй бак-аккумулятор, соединенный с трубопроводами холодной воды и горячего водоснабжения, в средней чести первого бака-аккумулятора размещены два датчика реле температуры, первый из которых соединен электрически с компрессором, а второй - с пиковым подогревателем, размещенным в нижней части первого бака-аккумулятора, соединенного с трубопроводами холодной воды и отопительных приборов. The problem is solved in that the heat pump installation for heating and hot water supply, comprising a compressor, a first storage tank, a condenser consisting of two sections, an evaporator, a first circulation pump and a peak heater, is equipped with an earth pipe, an air heat exchanger, an adaptive temperature selection unit, an evaporative condenser unit, a second circulation pump, a second storage tank and two temperature switch sensors, the air heat exchanger and the ground pipe the wire through the adaptive temperature selection unit and the first circulation pump are connected by corresponding pipelines to the evaporative-condensing unit, which is connected through pipelines of the first stage of the condenser and the second circulation pump to the first storage tank, in the upper part of which there is a second storage tank connected to pipelines of cold water and hot water supply, in the middle honor of the first storage tank are two temperature sensor sensors, per the first of which is connected electrically with the compressor, and the second - a peak preheater arranged in the bottom of the first storage tank connected to the cold water piping and heaters.

Блок адаптивной температурной селекции выполнен в виде соединенных механических выходных трубопроводов воздушного теплообменника и земляного трубопровода с входным трубопроводом испарительно-конденсаторного агрегата в виде соединенных шарнирно через шаровой переключатель выходного трубопровода испарительно-конденсаторного агрегата входными трубопроводами воздушного теплообменника и земляного трубопровода, причем на выходных трубопроводах воздушного теплообменника и земляного трубопровода размещены температурные датчики, подключенные электрически через блок сравнения к исполнительному блоку, кинематически связанному с шаровым переключателем. The adaptive temperature selection unit is made in the form of connected mechanical output pipelines of an air heat exchanger and an earth pipe with an inlet pipe of an evaporative condenser unit in the form of an outlet pipe of an evaporative condenser unit pivotally connected via an inlet pipe to the inlet pipes of an air heat exchanger and an earth pipe, and at the output pipelines of an air heat exchanger and the earth pipeline temperature sensors, CONNECTIONS electrically through a comparison unit to an actuator unit which is kinematically connected with a ball switch.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемой теплонасосной установки для отопления и горячего водоснабжения. На фиг.2 изображена схема блока адаптивной температурной селекции. In FIG. 1 is a schematic diagram of the proposed heat pump installation for heating and hot water supply. Figure 2 shows a block diagram of an adaptive temperature selection.

Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения содержит компрессор 1, первый бак-аккумулятор 2, конденсатор, состоящий из двух секций 3, 4, соединенных последовательно вместе с испарителем 5 по контуру 24 циркуляции хладагента, воздушный теплообменник 6, воздушный поток к которому подается с помощью вентилятора 8, испарительно-конденсаторный агрегат 7, первый 9.1 и второй 9.2 датчики реле 9 температуры, первый 10 и второй 11 циркуляционные насосы, трубопроводы 12, 13, 14, 25, соединяющие испарительно-конденсаторный агрегат 7 и бак-аккумулятор 2, электрическую цепь 15, соединяющую компрессор 1 и первый датчики 9.1 реле температуры, пиковый подогреватель 16, земляной трубопровод 17, блок 18 адаптивной температурной селекции, второй бак-аккумулятор 19, трубопроводы 20 и 21, соединяющие первый бак-аккумулятор 2 с отопительными приборами, трубопроводы 22 и 23, соединяющие второй бак-аккумулятор 19 с водопроводной сетью, и контур 24 циркуляции хладагента. При этом воздушный теплообменник 6 и земляной трубопровод 17 через блок 18 адаптивной температурной селекции и первый циркуляционный насос 10 соединены соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом 7, который через второй циркуляционный насос 11 соответствующими трубопроводами 12, 13, 14 и 25 соединен с баком-аккумулятором 2. The heat pump installation for heating and hot water supply contains a compressor 1, a first storage tank 2, a condenser consisting of two sections 3, 4 connected in series with the evaporator 5 along the refrigerant circuit 24, an air heat exchanger 6, the air flow to which is supplied by fan 8, evaporative condenser unit 7, first 9.1 and second 9.2 sensors of temperature relay 9, first 10 and second 11 circulation pumps, pipelines 12, 13, 14, 25 connecting the evaporative condenser unit 7 and the tank battery torus 2, an electric circuit 15 connecting the compressor 1 and the first temperature switch sensors 9.1, a peak heater 16, an earth pipe 17, an adaptive temperature selection unit 18, a second storage tank 19, pipelines 20 and 21 connecting the first storage tank 2 to the heating devices, pipelines 22 and 23 connecting the second storage tank 19 to the water supply network, and the refrigerant circuit 24. In this case, the air heat exchanger 6 and the ground pipe 17 through the adaptive temperature selection unit 18 and the first circulation pump 10 are connected by corresponding pipelines to the evaporative condenser unit 7, which is connected to the storage tank through the second circulation pump 11 by the corresponding pipelines 12, 13, 14 and 25 2.

В верхней части первого бака-аккумулятора 2 размещен второй бак-аккумулятор 19, соединенный с трубопроводами 22 и 23 холодной воды и горячего водоснабжения, в средней части первого бака-аккумулятора 2 размещены датчики 9.1 и 9.2 реле 9 температуры, в нижней части первого бака-аккумулятора 2 размещен пиковый подогреватель 16, соединенный электрически с датчиком 9.2 реле 9 температуры, компрессор 1 электрически соединен с первым датчиком 9.1. In the upper part of the first storage tank 2 there is a second storage tank 19 connected to pipelines 22 and 23 of cold water and hot water supply, in the middle of the first storage tank 2 there are sensors 9.1 and 9.2 of the temperature switch 9, in the lower part of the first tank of the battery 2 there is a peak heater 16 connected electrically to the sensor 9.2 of the temperature switch 9, the compressor 1 is electrically connected to the first sensor 9.1.

Бак-аккумулятор 2 соединен трубопроводами 20 и 21 с отопительными приборами. Испарительно-конденсаторный агрегат 7 содержит компрессор 1, две секции 3, 4 конденсатора и испаритель 5, последовательно включенные в контур 24 циркуляции хладагента. The storage tank 2 is connected by pipelines 20 and 21 with heating devices. The evaporative condenser unit 7 comprises a compressor 1, two condenser sections 3, 4 and an evaporator 5, connected in series to the refrigerant circuit 24.

Блок 18 адаптивной температурной селекции (фиг.2) содержит температурные датчики 26, 27, блок 28 сравнения, исполнительный блок 29 и шаровой переключатель 30. The adaptive temperature selection unit 18 (FIG. 2) contains temperature sensors 26, 27, a comparison unit 28, an actuator unit 29, and a ball switch 30.

Teплонасосная установка работает следующим образом. The heat pump installation works as follows.

Весной и летом, когда температура окружающего воздуха выше 7^oС, блок 18 адаптивной температурной селекции подключает к испарительно-конденсаторному агрегату 7 воздушный теплообменник 5. При этом воздух, используемый в качестве низкопотенциального источника теплоты, подается вентилятором 8 из вентиляционной шахты, чердака, кухни и др. в воздушный теплообменник 5, передает теплоту хладагенту теплонасосного контура.In spring and summer, when the ambient temperature is above 7 ^o С, the adaptive temperature selection unit 18 connects an air heat exchanger 5 to the evaporative condenser unit 7. In this case, the air used as a low-grade heat source is supplied by the fan 8 from the ventilation shaft, attic, kitchen and others in the air heat exchanger 5, transfers heat to the refrigerant of the heat pump circuit.

Зимой, когда температура окружающего воздуха ниже 7^o, блок 18 адаптивной температурной селекции подключает к испарительно-конденсаторному агрегату 7 земляной трубопровод 17, последний может быть выполнен из полиэтиленовой трубы наружным диаметром 40 мм и внутренним 32 мм, укладываемой на глубину 1,2-1,5 м в зависимости от структуры грунта.In winter, when the ambient temperature is lower than 7 ^o , the adaptive temperature selection unit 18 connects an earth pipe 17 to the evaporative condenser unit 7, the latter can be made of a polyethylene pipe with an outer diameter of 40 mm and an inner 32 mm, laid to a depth of 1.2-1 , 5 m depending on the structure of the soil.

При небольших размерах целесообразно для уменьшения длины укладываемого в землю трубопровода, а следовательно, и длины траншеи вместо полиэтиленовой трубы применить медную трубу. Это существенно уменьшает площадь участка, необходимую для укладки земляного трубопровода, однако срок службы такого теплообменника сокращается с 50 до 20 лет. For small sizes, it is advisable to use a copper pipe instead of a polyethylene pipe to reduce the length of the pipeline laid in the ground, and therefore the length of the trench. This significantly reduces the area required for laying the earth pipeline, however, the service life of such a heat exchanger is reduced from 50 to 20 years.

Блок сравнения определяет максимальную из двух температур - воздуха или земли на текущий момент и дает команду на исполнительный блок с целью подключения теплообменника (воздушного или земляного соответственно), обеспечивающего более высокую температуру низкопотенциального источника тепла. Таким образом, теплонасосная установка совместно с блоком адаптивной температурной селекции всегда работает в режиме, обеспечивающем наибольшую эффективность теплового насоса. The comparison unit determines the maximum of the two temperatures - air or ground at the current moment and gives a command to the executive unit in order to connect a heat exchanger (air or ground, respectively), providing a higher temperature of a low-grade heat source. Thus, the heat pump installation, together with the adaptive temperature selection unit, always works in the mode that ensures the highest efficiency of the heat pump.

Эти установки целесообразно использовать прежде всего в дачных домах небольшой площади 50-200 м² при условии ограниченности прилегающего земельного участка.It is advisable to use these installations primarily in country houses of a small area of 50-200 m ² , provided that the adjacent land is limited.

Потребляемая от электросети энергия затрачивается главным образом на работу компрессора 1. В экстремальных ситуациях, когда температура наружного воздуха сильно понижена или когда необходимо быстро запустить установку, используется пиковый подогреватель 16, который работает от напряжения 220 В и потребляет мало электроэнергии. The energy consumed from the mains is spent mainly on the operation of compressor 1. In extreme situations, when the outside temperature is very low or when it is necessary to quickly start the installation, peak heater 16 is used, which operates on 220 V and consumes little electricity.

Таким образом, предлагаемая теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения по сравнению с прототипом и другими установками аналогичного назначения обеспечивает эффективную работу на протяжении всего года путем использования воздушного теплообменника или земляного трубопровода в зависимости от температуры окружающего воздуха. Thus, the proposed heat pump installation for heating and hot water supply in comparison with the prototype and other installations of a similar purpose provides efficient operation throughout the year by using an air heat exchanger or earth pipe, depending on the ambient temperature.

Установка может применяться в любых климатических условиях в жилых или нежилых отдельно стоящих помещениях в сельской и пригородных местностях, находящихся вдали от магистралей теплоснабжения. Для электропитания установки требуется трехфазная четырехпроводная электрическая сеть переменного тока частотой 50 Гц напряжением 380 В с глухозаземленной нейтралью. The installation can be used in any climatic conditions in residential or non-residential separate buildings in rural and suburban areas, located away from heat supply lines. For the power supply of the installation, a three-phase four-wire electrical network of alternating current with a frequency of 50 Hz and a voltage of 380 V with a grounded neutral is required.

Установка используется в автоматическом режиме, не требующем присутствия человека. Установка основана на экологически чистой технологии - отсутствуют выбросы в атмосферу вредных веществ и углекислоты, применяется озонобезопасный тип хладона. The installation is used in automatic mode, which does not require the presence of a person. The installation is based on environmentally friendly technology - there are no emissions of harmful substances and carbon dioxide into the atmosphere, an ozone-friendly type of freon is used.

Эффективность предлагаемой установки проверена опытно-конструкторским бюро "Карат" на территории Ленинградской области. The effectiveness of the proposed installation was tested by the experimental design bureau "Karat" in the Leningrad region.

Claims

1. Heat pump installation for heating and hot water supply, comprising a compressor, a first storage tank, a condenser consisting of two sections, an evaporator, a first circulation pump and a peak heater, characterized in that it is equipped with an earth pipe, an air pipe, an adaptive temperature selection unit , an evaporative condenser unit, a second circulation pump, a second storage tank and two temperature switch sensors, the air heat exchanger and the earth pipe through the adaptive temperature selection lock and the first circulation pump are connected by corresponding pipelines to the evaporative-condensing unit, which is connected through the second circulation pump to the first storage tank, in the upper part of which there is a second storage tank connected to the cold water and hot water pipelines, in the middle of the first storage tank there are two temperature sensor sensors, the first of which is electrically connected to the compressor, and watts cluster - with a peak preheater arranged in the bottom of the first storage tank connected to the cold water piping and heaters.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the evaporative condenser unit contains a compressor, an evaporator and two sections of the condenser, connected in series to the refrigerant circuit.

3. The installation according to claim 1, characterized in that the adaptive temperature selection unit is made in the form of mechanically connected outlet pipelines of an air heat exchanger and an earth pipe with an inlet pipe of an evaporative condenser unit in the form of an evaporative condenser unit pivotally connected through a ball switch of an outlet pipe with inlet pipelines air heat exchanger and earth pipe, moreover, at the outlet pipelines of the air heat exchanger and earth pipe and has temperature sensors are electrically connected via a comparison unit to an actuator unit which is kinematically connected with a ball switch.