RU2454608C1 - Hot water supply method and heating method applying it - Google Patents
Hot water supply method and heating method applying it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2454608C1 RU2454608C1 RU2011123914/06A RU2011123914A RU2454608C1 RU 2454608 C1 RU2454608 C1 RU 2454608C1 RU 2011123914/06 A RU2011123914/06 A RU 2011123914/06A RU 2011123914 A RU2011123914 A RU 2011123914A RU 2454608 C1 RU2454608 C1 RU 2454608C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating
- water
- heat pump
- heat
- stage
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
Abstract
Description
Технические решения относятся к теплотехнике, а именно к теплоснабжению с использованием тепловых насосов для нагрева воды, и могут найти применение для горячего водоснабжения (ГВС) или отапливания жилых или производственных помещений.Technical solutions relate to heat engineering, namely to heat supply using heat pumps for heating water, and can be used for hot water supply (DHW) or for heating residential or industrial premises.
Известны способы теплоснабжения, включающие подачу воды на нагрев в систему, нагревание воды с помощью одного теплового насоса и доставку нагретой воды потребителям. Для повышения эффективности трансформации тепловой энергии используют разные приемы. Например, в способе достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов по патенту РФ №2083932, F25В 30/00, опубл. 10.07.1997 г., выбирают хладагент теплового насоса таким, чтобы его критическая температура была близка или равна температуре охлаждаемой среды. Перед сжатием выбранный хладагент приводят в критическое состояние, а сжатие производят до состояния, соответствующего точке Бойля. В способе трансформации тепловой энергии по патенту РФ №2161759, F25В 9/08, F25В 30/02, опубл. 10.01.2001 г., энергетическую эффективность трансформации повышают за счет снижения удельного потребления электроэнергии, для чего рабочую среду после компрессора подают в струйный аппарат, где ее смешивают с жидким потоком, поступающим из сепаратора, установленного после конденсатора. В конденсатор направляют рабочую среду из струйного аппарата, где она охлаждается при передаче тепла высокотемпературному приемнику.Known methods of heat supply, including supplying water for heating to the system, heating water using a single heat pump, and delivering heated water to consumers. To increase the efficiency of the transformation of thermal energy, different methods are used. For example, in the method of achieving the maximum heating coefficient of heat pumps according to the patent of the Russian Federation No. 2083932, F25В 30/00, publ. 07/10/1997, the heat pump refrigerant is chosen so that its critical temperature is close to or equal to the temperature of the medium to be cooled. Before compression, the selected refrigerant is brought into a critical state, and compression is carried out to a state corresponding to the Boyle point. In the method of transformation of thermal energy according to the patent of the Russian Federation No. 2161759, F25В 9/08, F25В 30/02, publ. 01.10.2001, the energy efficiency of the transformation is increased by reducing the specific energy consumption, for which the working medium after the compressor is fed into the jet apparatus, where it is mixed with the liquid stream coming from the separator installed after the condenser. The working medium is sent to the condenser from the jet apparatus, where it is cooled during heat transfer to a high-temperature receiver.
Известные способы позволяют обеспечить коэффициенты трансформации, максимально повышенные для систем с одним тепловым насосом, но не превышают этот уровень. Это объясняется работой теплового насоса системы по теплонасосному циклу, далекому от треугольного теплонасосного цикла Лоренца - самого эффективного из рабочих циклов в холодильной и теплонасосной технике. В результате известные способы не обеспечивают значительного снижения себестоимости тепла, удельного расхода электроэнергии и сроков окупаемости теплонасосных систем, реализующих эти способы.Known methods make it possible to provide transformation ratios that are maximally increased for systems with one heat pump, but do not exceed this level. This is due to the operation of the heat pump of the system in the heat pump cycle, far from the triangular heat pump cycle of Lorentz - the most effective of the work cycles in refrigeration and heat pump technology. As a result, the known methods do not provide a significant reduction in the cost of heat, specific energy consumption and payback periods of heat pump systems that implement these methods.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков и для способа ГВС, и для способа отопления является способ теплоснабжения, который включает подачу воды на нагрев в теплонасосную установку системы, нагревание воды с ее помощью и доставку нагретой воды потребителям. Теплонасосная установка состоит из тепловых насосов, каждый из которых используют как ступень последовательного нагрева воды (см. Г.Хейнрих, X.Найрок, В.Нестлер. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения, М.: Стройиздат, 1985 г., с.53-56).The closest in technical essence and combination of essential features for both the hot water supply method and the heating method is the heat supply method, which includes supplying water for heating to a heat pump system, heating water with it and delivering heated water to consumers. A heat pump installation consists of heat pumps, each of which is used as a step for sequential heating of water (see G. Heinrich, H. Nairok, V. Nestler. Heat pump plants for heating and hot water supply, M .: Stroyizdat, 1985, p. 53-56).
Недостатком известного способа является организация работы указанной теплонасосной установки по теплонасосному циклу, приближенному к четырехугольному теплонасосному циклу Лоренца (см. там же, с.54, рис.2.19), который, хотя и обеспечивает экономию электроэнергии, но увеличивает срок окупаемости до значения, превосходящего срок экономической целесообразности, при повышении капитальных затрат. Таким образом, режим известного способа теплоснабжения со ступенчатым нагревом воды не обеспечивает при его реализации положительного технического и экономического результата.The disadvantage of this method is the organization of the specified heat pump installation in a heat pump cycle close to the quadrangular heat pump cycle of Lorentz (see ibid., P. 54, Fig. 2.19), which, although it provides energy savings, but increases the payback time to a value exceeding the period of economic feasibility, with an increase in capital costs. Thus, the mode of the known method of heat supply with stepwise heating of water does not provide a positive technical and economic result when it is implemented.
При использовании известного способа теплоснабжения для отопления работа ступенчатой теплонасосной установки протекает с большими дроссельными потерями в контурах рабочего тела тепловых насосов, что ухудшает без того низкие показатели ее работы. Причем, чем больше температура конденсации рабочего тела, тем больше дроссельные потери, которые невозможно устранить конструктивно. Как показали расчеты, срок окупаемости системы отопления при этом увеличивается более чем до 33 лет, что делает реализацию такого способа отопления технически и экономически бесперспективной.When using the known method of heat supply for heating, the operation of a stepped heat pump installation proceeds with large throttle losses in the circuits of the working fluid of heat pumps, which worsens the already low performance. Moreover, the higher the condensation temperature of the working fluid, the greater the throttle losses, which cannot be eliminated constructively. As calculations showed, the payback period of the heating system in this case increases to more than 33 years, which makes the implementation of such a heating method technically and economically unpromising.
Задачей предлагаемых решений является повышение технической и экономической эффективности:The objective of the proposed solutions is to increase technical and economic efficiency:
- за счет организации при ступенчатом нагреве воды теплонасосного цикла, максимально приближенного к треугольному теплонасосному циклу Лоренца, который позволяет тепловым насосам не только автономной системы ГВС, но и автономной системы отопления работать с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла благодаря работе теплонасосной схемы и всей отопительной системы с минимальными дроссельными потерями, причем этот технический результат достигается в районах с разными климатическими условиями, в том числе при температуре наружного воздуха ниже - 40°С, путем обеспечения водовоздушной или воздушной схем отопления;- due to the organization of the heat pump cycle during step-by-step heating of water, as close as possible to the triangular Lorentz heat pump cycle, which allows heat pumps not only the autonomous hot water system, but also the autonomous heating system to work with the beneficial use of almost all the heat pump heat generated due to the work of the heat pump circuit and the entire heating systems with minimal throttle losses, and this technical result is achieved in areas with different climatic conditions, in t Ohm number at an outdoor temperature below - 40 ° C, by providing water-air or air heating circuits;
- за счет полезного использования части тепла нагретого воздуха отапливаемого помещения при работе системы отопления;- due to the beneficial use of part of the heat of the heated air of the heated room during operation of the heating system;
- за счет возможности работать на отопление при нормативной температуре нагретой воды (прямой сетевой) не выше +75°С при любой температуре наружного воздуха, даже ниже - 40°С, путем использования тепла обратной сетевой воды.- due to the ability to work for heating at a standard temperature of heated water (direct network) not higher than + 75 ° C at any outdoor temperature, even lower than 40 ° C, by using heat from the return network water.
Поставленная задача достигается тем, что в способе ГВС, включающем подачу воды на нагрев в теплонасосную схему системы, нагревание в ней этой воды до нормативной температуры с помощью тепловых насосов, каждый из которых используют как ступень последовательного нагрева воды, и доставку нагретой воды потребителям, согласно техническому решению для нагревания воды в теплонасосной схеме системы организуют теплонасосный цикл, максимально приближенный к треугольному теплонасосному циклу Лоренца. Для этого температуру воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени, выбирают максимально близкой к температуре кипения его рабочего тела, а тепловой насос каждой ступени настраивают на температуру конденсации его рабочего тела, при которой тепло Qi, отдаваемое этой ступенью, отвечает условию:The problem is achieved in that in the method of hot water supply, which includes supplying water for heating to the heat pump circuit of the system, heating this water in it to the standard temperature using heat pumps, each of which is used as a stage of sequential heating of water, and delivery of heated water to consumers, according to a technical solution for heating water in a heat pump circuit of the system organizes a heat pump cycle as close as possible to a triangular heat pump cycle of Lorentz. For this, the temperature of the water supplied for heating to the heat pump of the first stage is selected as close as possible to the boiling point of its working fluid, and the heat pump of each stage is set to the condensation temperature of its working fluid, at which the heat Qi given by this step meets the condition:
где i - порядковый номер ступени нагрева,where i is the sequence number of the heating stage,
Qвых. - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени,Q out. - total heat from all stages of heating at the output of the last stage,
n - количество ступеней нагрева.n is the number of heating steps.
Указанная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет организовать для нагревания воды в теплонасосной схеме системы, имеющей n ступеней последовательного нагрева, теплонасосный цикл, максимально приближенный к треугольному теплонасосному циклу Лоренца, и тем самым обеспечить работу автономной системы ГВС в режиме с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла. Как показали расчеты, это обеспечивает высокие технико-экономические показатели теплонасосного цикла: коэффициент φ трансформации, значительно превышающий такой же коэффициент не только в традиционных системах ГВС (с одним тепловым насосом), но и в системах ГВС со ступенчатым нагревом, работающих по теплонасосному циклу, приближенному к четырехугольному теплонасосному циклу Лоренца, а также меньший удельный расход электроэнергии Ne удельн.сред. и срок окупаемости В окуп. в пределах экономической допустимости, но главное - существенно меньшую себестоимость произведенного тепла Степла сред. даже по сравнению с традиционными источниками тепла для ГВС (котельными и ТЭЦ). Достигаемые показатели теплонасосного цикла говорят о повышении технико-экономической эффективности предлагаемого способа ГВС по сравнению с выбранным прототипом.The indicated set of features of the proposed technical solution makes it possible to organize, for heating water in a heat pump circuit of a system having n stages of sequential heating, a heat pump cycle as close as possible to a triangular heat pump cycle of Lorentz, and thereby ensure the operation of an autonomous hot water system in the mode with the useful use of almost all of the heat pump heat. As calculations have shown, this ensures high technical and economic indicators of the heat pump cycle: the transformation coefficient φ, significantly exceeding the same coefficient not only in traditional DHW systems (with one heat pump), but also in DHW systems with step heating operating on the heat pump cycle, close to the quadrangular heat pump cycle of Lorentz, as well as lower specific energy consumption N e specific medium and payback period. In payback . within the limits of economic feasibility, but most importantly - a significantly lower cost of heat generated C heat media. even compared to traditional heat sources for domestic hot water (boiler houses and thermal power plants). Achieved indicators of the heat pump cycle indicate an increase in the technical and economic efficiency of the proposed method of hot water supply in comparison with the selected prototype.
Целесообразно количество ступеней нагрева воды выбирать равным от четырех до шести. Как показали расчеты, при таком количестве ступеней сохраняется увеличение эффективности трансформации тепловой энергии при небольших капитальных затратах, невысоких сроке окупаемости и себестоимости вырабатываемого теплонасосного тепла. При количестве ступеней меньше четырех возрастает срок окупаемости и себестоимость тепла, а при количестве ступеней больше шести - срок окупаемости и капитальные затраты.It is advisable to choose the number of steps for heating water equal to four to six. As calculations have shown, with such a number of steps, an increase in the efficiency of the transformation of thermal energy is preserved at low capital costs, a low payback period and the cost of heat pump heat generated. With the number of steps less than four, the payback period and the cost of heat increase, and with the number of steps more than six - the payback period and capital costs.
Целесообразно также температуру воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени, выбирать в пределах от 0°С до +15°С, так как именно такая начальная температура воды, подаваемой на нагрев, будет максимально близка к температуре кипения рабочего тела этого теплового насоса, а эта температура обычно на 7÷10°С ниже температуры низкопотенциального источника (НПИ), которая чаще всего бывает равной +7÷+25°С. Это условие при ступенчатом нагреве и указанной настройке тепловых насосов позволяет удовлетворить требование полезного использования практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.It is also advisable to choose the temperature of the water supplied for heating to the heat pump of the first stage in the range from 0 ° С to + 15 ° С, since it is such an initial temperature of the water supplied for heating that will be as close as possible to the boiling temperature of the working fluid of this heat pump , and this temperature is usually 7 ÷ 10 ° C lower than the temperature of the low potential source (NPI), which is most often equal to + 7 ÷ + 25 ° C. This condition with step heating and the specified setting of heat pumps allows you to satisfy the requirement of the beneficial use of almost all generated heat pump heat.
Целесообразно при нагреве воды теплонасосную схему переключать на реверс с помощью регуляторов направления течения нагреваемой воды, установленных на входах тепловых насосов первой и последней ступеней нагрева.When heating water, it is advisable to switch the heat pump circuit to reverse using the regulators of the direction of flow of the heated water installed at the inputs of the heat pumps of the first and last heating stages.
При такой реализации способа можно увеличить срок службы тепловых насосов последних ступеней нагрева, которые работают в наиболее тяжелых условиях - при высоких температурах и давлении рабочего тела - за счет переключения их на легкие условия работы тепловых насосов первых ступеней, а значит, увеличить срок службы всей теплонасосной схемы.With this implementation of the method, it is possible to increase the service life of heat pumps of the last stages of heating, which operate in the most difficult conditions - at high temperatures and pressure of the working fluid - by switching them to light conditions of heat pumps of the first stages, and thus increase the service life of the entire heat pump scheme.
Положительное влияние реверса на надежность работы ступенчатой теплонасосной схемы и технико-экономические показатели эффективности ее работы особенно велико при использовании теплонасосного цикла, максимально приближенного к треугольному теплонасосному циклу Лоренца.The positive effect of reverse on the reliability of a stepped heat pump scheme and the technical and economic indicators of its efficiency are especially great when using a heat pump cycle that is as close as possible to a triangular heat pump cycle of Lorentz.
Поставленная задача достигается также тем, что в способе отопления, включающем подачу воды на нагрев в теплонасосную схему, нагревание в ней этой воды до нормативной температуры и доставку нагретой воды потребителям, согласно техническому решению указанные операции осуществляют в соответствии с упомянутым способом ГВС (по пп.1-4 формулы), при этом нагретую воду доставляют в схему потребления, в которой для отапливания помещения используют нагревательный прибор и воздушный теплообменник. В зависимости от температуры наружного воздуха с помощью регулятора/регуляторов воду, нагретую в теплонасосной схеме, подают в качестве прямой сетевой воды в нагревательный прибор и/или в воздушный теплообменник, а обратную сетевую воду - в воздушный теплообменник. В последнем поданную воду охлаждают наружным воздухом до температуры, максимально близкой к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени. На нагрев в этот тепловой насос подают охлажденную воду с воздушного теплообменника, а нагретый в нем воздух подают в отапливаемое помещение.The task is also achieved by the fact that in the heating method, which includes supplying water for heating to a heat pump circuit, heating this water in it to a standard temperature and delivering heated water to consumers, according to the technical solution, these operations are carried out in accordance with the mentioned method of hot water supply (according to paragraphs. 1-4 formulas), while the heated water is delivered to a consumption circuit in which a heating device and an air heat exchanger are used to heat the room. Depending on the temperature of the outside air, with the help of the controller / regulators, the water heated in the heat pump circuit is supplied as direct network water to the heating device and / or to the air heat exchanger, and the return network water to the air heat exchanger. In the latter, the supplied water is cooled by external air to a temperature as close as possible to the boiling point of the working fluid of the first stage heat pump. For heating, this heat pump is supplied with chilled water from an air heat exchanger, and the air heated in it is fed into a heated room.
Указанная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет организовать для нагревания воды в теплонасосной схеме, имеющей n ступеней последовательного нагрева, и в системе отопления в целом теплонасосный цикл, максимально приближенный к треугольному теплонасосному циклу Лоренца, и тем самым работать на отопление с минимальными дроссельными потерями - с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла. Подача при этом в каждое отапливаемое помещение с помощью регулятора/регуляторов нагретой воды - прямой сетевой - в нагревательный прибор и/или воздушный теплообменник, а обратной сетевой воды - в воздушный теплообменник обеспечивает работу такой системы отопления по водовоздушной или воздушной схеме в зависимости от температуры наружного воздуха. Это позволяет использовать способ для отопления в широком диапазоне температур наружного воздуха - от +8°С до ниже - 40°С, то есть в районах с разными климатическими условиями.The indicated set of features of the proposed technical solution makes it possible to organize for heating water in a heat pump circuit having n stages of sequential heating, and in the heating system as a whole, a heat pump cycle as close as possible to the triangular heat pump cycle of Lorentz, and thereby work for heating with minimal throttle losses - with beneficial use of almost all heat pump heat generated. In this case, the supply to each heated room with the help of the heated water regulator / regulators - direct network - to the heating device and / or air heat exchanger, and return network water - to the air heat exchanger ensures the operation of such a heating system using a water-air or air circuit depending on the outdoor temperature air. This allows you to use the method for heating in a wide range of outdoor temperatures - from + 8 ° C to below - 40 ° C, that is, in areas with different climatic conditions.
Выбранный режим охлаждения поданной в воздушный теплообменник воды, когда ее охлаждают до температуры, максимально близкой к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени нагрева, а нагретый в нем воздух подают в отапливаемое помещение, позволяет эффективно использовать на нужды отопления тепло этой поданной воды при разных температурах наружного воздуха, в том числе низких, и одновременно обеспечить при охлаждении в воздушном теплообменнике температуру воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени, в интервале температур, необходимом для получения теплонасосного цикла, максимально приближенного к треугольному теплонасосному циклу Лоренца.The selected cooling mode of the water supplied to the air heat exchanger, when it is cooled to a temperature as close as possible to the boiling point of the working fluid of the heat pump of the first heating stage, and the air heated in it is supplied to the heated room, allows you to effectively use the heat of this supplied water for heating outdoor temperatures, including low temperatures, and at the same time ensure, when cooled in the air heat exchanger, the temperature of the water supplied for heating to the heat pump of the first stage, in temperature range necessary to obtain a heat pump cycle as close as possible to a triangular Lorentz heat pump cycle.
Эффективность способа объясняется также тем, что он обеспечивает работу системы отопления при нормативной температуре нагретой воды (прямой сетевой) не выше +75°С при любой температуре наружного воздуха, даже ниже -40°С, так как температуры +60°С обратной сетевой воды при этом достаточно для получения теплого воздуха, подаваемого в отапливаемое помещение с температурой +40°С (что необходимо для получения комфортной температуры +20°С в отапливаемом помещении). Это позволяет экономить электроэнергию и предохраняет тепловые насосы от перегрузки.The effectiveness of the method is also explained by the fact that it ensures the operation of the heating system at a standard temperature of heated water (direct network) not higher than + 75 ° C at any outdoor temperature, even below -40 ° C, since temperatures of + 60 ° C return network water it is enough to get warm air supplied to a heated room with a temperature of + 40 ° C (which is necessary to obtain a comfortable temperature of + 20 ° C in a heated room). This saves energy and protects heat pumps from overload.
Как показали расчеты, режим с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла при указанных схемах отопления, применяемых в системе отопления в зависимости от температуры наружного воздуха, обеспечивает высокие технико-экономические показатели теплонасосного цикла: коэффициент φ трансформации, значительно превышающий такой же коэффициент не только в традиционных системах теплоснабжения (с одним тепловым насосом), но и в системах теплоснабжения со ступенчатым нагревом, работающих по теплонасосному циклу, приближенному к четырехугольному теплонасосному циклу Лоренца, а также меньший удельный расход электроэнергии Ne удельн.сред. и срок окупаемости В окуп. в пределах экономической целесообразности, но главное - существенно меньшую себестоимость произведенного тепла Степла сред. даже по сравнению с традиционными источниками тепла для отопления (котельными и ТЭЦ). Достигаемые показатели теплонасосного цикла говорят о высокой технико-экономической эффективности предлагаемого способа отопления по сравнению с выбранным прототипом.As calculations have shown, the regime with the beneficial use of almost all heat pump heat generated during the indicated heating schemes used in the heating system depending on the outdoor temperature provides high technical and economic parameters of the heat pump cycle: transformation coefficient φ, significantly exceeding the same coefficient not only in traditional heat supply systems (with one heat pump), but also in heat supply systems with step heating, working on the heat pump qi lu, approximate to a quadrangular heat pump of the Lorentz cycle, as well as a lower specific power consumption udeln.sred N e. and payback period. In payback . within the limits of economic feasibility, but most importantly - a significantly lower cost of heat generated C heat media. even in comparison with traditional heat sources for heating (boiler houses and thermal power plants). Achieved indicators of the heat pump cycle indicate a high technical and economic efficiency of the proposed heating method compared to the selected prototype.
Целесообразно наружный воздух до подачи в воздушный теплообменник подогревать в воздушном регенераторе теплым воздухом, удаляемым из отапливаемого помещения.It is advisable to heat the outdoor air before being fed into the air heat exchanger in the air regenerator with warm air removed from the heated room.
При наличии воздушного регенератора эффективность режима охлаждения поданной в воздушный теплообменник воды, как показали расчеты, повышается на ≈20% за счет того, что воздушному теплообменнику требуется меньше затрат на охлаждение поданной в него воды при той же температуре воды и воздуха на его выходах. Кроме того, при использовании воздушного регенератора достигается полезная утилизация тепла, удаляемого из отапливаемого помещения - его используют почти полностью на нагрев наружного воздуха (за исключением потерь в воздушном регенераторе), то есть до минимума снижаются необратимые потери с удаляемым теплым воздухом.In the presence of an air regenerator, the efficiency of the cooling mode of the water supplied to the air heat exchanger, as shown by calculations, increases by ≈20% due to the fact that the air heat exchanger requires less cost to cool the water supplied to it at the same temperature of water and air at its outlets. In addition, when using an air regenerator, useful utilization of heat removed from a heated room is achieved - it is used almost completely to heat the outside air (except for losses in the air regenerator), that is, irreversible losses with removed warm air are minimized.
Сущность технических решений поясняется примером реализации способов ГВС и отопления, чертежами фиг.1-6 и таблицами 1-4.The essence of the technical solutions is illustrated by an example of the implementation of the methods of hot water supply and heating, drawings 1-6 and tables 1-4.
На фиг.1 показана теплонасосная схема системы ГВС с трехступенчатым нагревом; на фиг.2 - TS-диаграмма системы ГВС, работающей по теплонасосному циклу, максимально приближенному к треугольному теплонасосному циклу Лоренца (далее - треугольный цикл Лоренца), при шестиступенчатом нагреве в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом (где Т - температура, S - энтропия системы, поз. 1-6 обозначены ступени нагрева); на фиг.3 - TS-диаграмма системы ГВС, работающей по теплонасосному циклу, приближенному к четырехугольному теплонасосному циклу Лоренца (далее - четырехугольный цикл Лоренца), при шестиступенчатом нагреве в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; на фиг.4 показана схема системы отопления нескольких помещений с трехступенчатым нагревом, работающая по треугольному циклу Лоренца; на фиг.5 показана TS-диаграмма системы отопления, работающей по четырехугольному циклу Лоренца, в зависимости от температуры конденсации теплового насоса последней ступени нагрева при шестиступенчатом нагреве; на фиг.6 - TS-диаграмма системы отопления, работающей по треугольному циклу Лоренца при шестиступенчатом нагреве, в сравнении с TS-диаграммой аналогичной системы, но работающей по четырехугольному циклу Лоренца и в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; в табл.1 приведены расчетные технико-экономические показатели треугольного цикла Лоренца при шестиступенчатом нагреве для способов ГВС и отопления в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; в табл.2 - расчетные технико-экономические показатели четырехугольного цикла Лоренца при шестиступенчатом нагреве для способов ГВС и отопления в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; в табл.3 - расчетные технико-экономические показатели треугольного цикла Лоренца для трехступенчатого и шестиступенчатого нагрева в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом при разных температурах конденсации рабочего тела теплового насоса последней ступени нагрева; в табл.4 - расчетные технико-экономические показатели четырехугольного цикла Лоренца для трехступенчатого и шестиступенчатого нагрева в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом при разных температурах конденсации рабочего тела теплового насоса последней ступени нагрева.Figure 1 shows a heat pump circuit of a hot water system with three-stage heating; figure 2 is a TS diagram of a DHW system operating in a heat pump cycle as close as possible to a triangular heat pump cycle of Lorentz (hereinafter referred to as a triangular Lorentz cycle), with six-step heating in comparison with a single-step traditional heat pump cycle (where T is temperature, S is entropy systems, items 1-6 are marked with heating steps); figure 3 is a TS diagram of a DHW system operating in a heat pump cycle close to a quadrangular heat pump cycle of Lorentz (hereinafter referred to as a quadrangular Lorentz cycle), with six-stage heating in comparison with a single-stage traditional heat pump cycle; figure 4 shows a diagram of a heating system of several rooms with a three-stage heating, operating on a triangular Lorentz cycle; figure 5 shows a TS diagram of a heating system operating on a quadrangular Lorentz cycle, depending on the condensation temperature of the heat pump of the last heating stage during six-stage heating; 6 is a TS diagram of a heating system operating in a triangular Lorentz cycle with six-stage heating, in comparison with a TS diagram of a similar system, but operating in a quadrangular Lorentz cycle and in comparison with a single-stage traditional heat pump cycle; table 1 shows the estimated technical and economic indicators of the triangular Lorentz cycle with six-step heating for hot water and heating methods in comparison with a single-stage traditional heat pump cycle; table 2 - the estimated technical and economic indicators of the quadrangular Lorentz cycle with six-step heating for hot water supply and heating methods in comparison with a single-stage traditional heat pump cycle; Table 3 shows the calculated technical and economic indicators of the triangular Lorentz cycle for three-stage and six-stage heating in comparison with a single-stage traditional heat pump cycle at different condensation temperatures of the working fluid of the heat pump of the last heating stage; Table 4 shows the calculated technical and economic indicators of the Lorentz quadrangular cycle for three-stage and six-stage heating in comparison with a single-stage traditional heat pump cycle at different condensation temperatures of the working fluid of the heat pump of the last heating stage.
Система ГВС (фиг.1) представляет собой теплонасосную схему, состоящую из нескольких тепловых насосов (поз. не обозначены). На фиг.1 показаны три тепловых насоса, каждый из которых состоит из испарителя 1, компрессора 2 и конденсатора 3, соединенных трубопроводами 4-6. Конденсаторы 3 тепловых насосов соединены последовательно трубопроводами 7. Для подачи воды НПИ служит трубопровод 8, для сброса отработанной воды НПИ - трубопровод 9, для подачи воды на нагрев в теплонасосную схему системы ГВС - трубопровод 10, а для доставки нагретой воды на ГВС (потребителям) - трубопровод 11. Испаритель 1, компрессор 2, конденсатор 3, соединенные трубопроводами 4-6, как показано на чертеже, образуют замкнутый рабочий контур для циркуляции рабочего тела каждого теплового насоса. Испарители 1 всех тепловых насосов, трубопроводы 8, 9 и НПИ образуют контур низкопотенциального тепла. На фиг.1 этот контур показан общим, разомкнутым и параллельным. Он может быть замкнутым, последовательным и индивидуальным. Конденсаторы 3 всех тепловых насосов, соединенные последовательно трубопроводами 7, образуют с трубопроводами 10, 11 водяной контур теплонасосной схемы системы ГВС.The hot water supply system (Fig. 1) is a heat pump circuit consisting of several heat pumps (pos. Not indicated). Figure 1 shows three heat pumps, each of which consists of an
Способ ГВС реализуют с помощью указанной системы того же назначения следующим образом.The DHW method is implemented using the indicated system of the same purpose as follows.
Каждый тепловой насос теплонасосной схемы используют как ступень последовательного нагрева воды. Воду на нагрев подают по трубопроводу 10 в конденсатор 3 теплового насоса первой ступени, а в испарители 1 тепловых насосов каждой ступени по контуру низкопотенциального тепла подают воду НПИ. Рабочее тело в испарителях 1 от этого тепла закипает и из жидкого состояния переходит в газообразное. Образовавшийся пар по трубопроводам 4 попадает в компрессоры 2, где при сжатии нагревается до высокой температуры и под давлением выталкивается в конденсаторы 3 по трубопроводам 5. В конденсаторе 3 теплового насоса первой ступени рабочее тело передает тепло воде, поданной на нагрев по трубопроводу 10, а само из пара превращается в жидкость и по трубопроводу 6 возвращается в испаритель 1. Нагреваемую воду по водяному контуру передают от ступени к ступени последовательно: от конденсатора 3 первой ступени подают по трубопроводу 7 в конденсатор 3 второй ступени, нагретую во второй ступени воду до более высокой температуры - по трубопроводу 7 в конденсатор 3 третьей ступени, а нагретую в третьей ступени воду до нормативной температуры доставляют по трубопроводу 11 на ГВС - потребителям.Each heat pump of the heat pump circuit is used as a stage of sequential heating of water. Water for heating is supplied through
Для получения режима с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла в теплонасосной схеме системы ГВС для нагревания воды организуют треугольный цикл Лоренца. Для этого выбирают температуру воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени (начальную температуру воды, подаваемой на нагрев), и настраивают каждый тепловой насос. Начальную температуру подаваемой воды выбирают максимально близкой к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени и постоянной. Если температура кипения рабочего тела этого теплового насоса равна 0°С, то лучше всего выбирать начальную температуру подаваемой на нагрев воды равной 0°С или ≈0°С. При этом тепловой насос каждой ступени настраивают на температуру конденсации его рабочего тела, при которой тепло Qi, отдаваемое этой ступенью, отвечает условию:To obtain a regime with the beneficial use of almost all the heat pump heat generated in the heat pump circuit of a hot water supply system, a triangular Lorentz cycle is organized for heating water. To do this, select the temperature of the water supplied for heating to the first stage heat pump (the initial temperature of the water supplied for heating), and each heat pump is adjusted. The initial temperature of the supplied water is chosen as close as possible to the boiling temperature of the working fluid of the heat pump of the first stage and constant. If the boiling point of the working fluid of this heat pump is 0 ° C, it is best to choose the initial temperature of the water supplied for heating equal to 0 ° C or ≈0 ° C. In this case, the heat pump of each stage is adjusted to the condensation temperature of its working fluid, at which the heat Qi given by this stage meets the condition:
где i - порядковый номер ступени нагрева,where i is the sequence number of the heating stage,
Qвых. - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени,Q out. - total heat from all stages of heating at the output of the last stage,
n - количество ступеней нагрева.n is the number of heating steps.
Для выполнения этого условия температура конденсации рабочего тела теплового насоса каждой ступени должна быть максимально близка к температуре нагретой воды на выходе этой ступени. Так как температура нагретой воды от ступени к ступени повышается, то температуры конденсации рабочего тела от ступени к ступени будут изменяться в соответствии с изменением температуры нагретой воды в конденсаторах 3.To fulfill this condition, the condensation temperature of the working fluid of the heat pump of each stage should be as close as possible to the temperature of the heated water at the outlet of this stage. As the temperature of the heated water rises from stage to stage, the condensation temperatures of the working fluid from stage to stage will change in accordance with the change in temperature of the heated water in the
В результате указанной настройки и выбора начальной температуры воды, подаваемой на нагрев, при примерно одинаковой производительности ступеней нагрева достигают одинакового прироста температуры воды, нагреваемой на ступенях, что обеспечивает решение поставленной задачи.As a result of this setting and the choice of the initial temperature of the water supplied for heating, with approximately the same performance of the heating steps, the same increase in the temperature of the water heated on the steps is achieved, which provides a solution to the problem.
В теплонасосной схеме используют от четырех до шести ступеней нагрева, что оптимально для получения наивысших значений всех показателей теплонасосного цикла. Начальную температуру воды, подаваемой на нагрев, можно выбирать в пределах от 0°С до +15°С, так как именно такая начальная температура максимально близка к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени, что является необходимым условием для режима с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.In the heat pump circuit, four to six heating steps are used, which is optimal for obtaining the highest values of all indicators of the heat pump cycle. The initial temperature of the water supplied for heating can be selected in the range from 0 ° С to + 15 ° С, since it is such an initial temperature that is as close as possible to the boiling temperature of the working fluid of the first stage heat pump, which is a necessary condition for the regime with useful use of practically total heat pump heat generated.
При соблюдении указанных режимов в теплонасосной схеме и в системе ГВС в целом будет организован треугольный цикл Лоренца 1-2-3-4-6-7-1 (фиг.2), благодаря которому в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом 1-2-3-4-5-6-7-1 получают экономический эффект, показанный на фиг.2 заштрихованной площадью. В прототипе, работающем по четырехугольному циклу Лоренца 1-2-3-4-6-7-1 (фиг.3), в сравнении с тем же одноступенчатым традиционным циклом 1-2-3-4-5-6-7-1, как показали расчеты, получают значительно меньший экономический эффект (показан штриховкой).If these conditions are observed in the heat pump circuit and in the hot water supply system as a whole, a triangular Lorentz cycle 1-2-3-4-6-7-1 will be organized (figure 2), due to which, in comparison with the single-stage traditional heat pump cycle 1-2- 3-4-5-6-7-1 get the economic effect shown in figure 2 with a hatched area. In the prototype, working on a quadrangular Lorentz cycle 1-2-3-4-6-7-1 (figure 3), in comparison with the same single-stage traditional cycle 1-2-3-4-5-6-7-1 as the calculations showed, they get a significantly smaller economic effect (shown by hatching).
Как видно из таблицы 1, расчетные технико-экономические показатели треугольного цикла Лоренца в системе ГВС, реализующей предлагаемый способ, значительно превосходят показатели традиционной системы ГВС с одним тепловым насосом: при одинаковой температуре нагретой воды на выходе и при равных теплопроизводительностях уменьшается удельный расход электроэнергии Ne удельн.сред., уменьшается себестоимость теплонасосного тепла Степла сред. и срок окупаемости Вокуп. и, наконец, увеличивается коэффициент φ трансформации на ступенях нагрева и в системе ГВС в целом (для шестиступенчатого нагрева: средний коэффициент φ средн. трансформации составляет 7,047, суммарная теплопроизводительность ΣQтп - 2,0238 Гкал/ч, экономия электроэнергии увеличивается в 2,51 раза, и, хотя капитальные затраты К увеличиваются в 1,89 раза, срок окупаемости Вокуп. не превышает 3,23 года).As can be seen from table 1, the estimated technical and economic indicators of the Lorentz triangular cycle in the domestic hot water system that implements the proposed method significantly exceed the performance of a traditional domestic hot water system with one heat pump: at the same temperature of the heated water at the outlet and at the same heat output, the specific energy consumption N e specific medium , decreases the cost of heat pump heat C heat medium. and payback period. In payback . and, finally, the transformation coefficient φ increases at the heating stages and in the domestic hot water system as a whole (for six-stage heating: the average coefficient φ of the average transformation is 7.047, the total heat output ΣQ tp is 2.0238 Gcal / h, and the energy saving increases by 2.51 times, and while the capital cost to the increase of 1.89 times, the payback period will pay off. does not exceed 3.23 years).
Из таблицы 2 видно, что в системе ГВС, работающей по четырехугольному циклу Лоренца (прототип), при шестиступенчатом нагреве средний коэффициент φ средн. трансформации составляет 3,44, суммарная теплопроизводительность ΣQтп - 1,4752 Гкал/ч, экономия электроэнергии до 22,4%, капитальные затраты К увеличиваются также в 1,89 раза при сроке окупаемости Вокуп.=33,3 года. Таким образом, сравнение технико-экономических показателей говорит в пользу предлагаемого способа ГВС.From table 2 it can be seen that in a hot water system operating on a quadrangular Lorentz cycle (prototype), with six-stage heating, the average coefficient φ is average. transformation is 3.44, the total heat output ΣQ tp is 1.4752 Gcal / h, energy savings are up to 22.4%, capital costs K also increase by 1.89 times with a payback period of B payback . = 33.3 years. Thus, a comparison of technical and economic indicators speaks in favor of the proposed method of hot water supply.
В способе ГВС предусмотрено при нагреве воды переключение теплонасосной схемы системы ГВС на реверс с помощью регуляторов направления течения нагреваемой воды, установленных на входах тепловых насосов первой и последней ступеней нагрева (на фиг.1 не показаны). При этом тепловые насосы последних ступеней, работающие при больших температурах и давлении рабочего тела, переводятся в облегченный режим работы тепловых насосов первых ступеней, что повышает срок их службы, а значит, срок службы системы ГВС в целом.In the domestic hot water method, when heating water, it is possible to switch the heat pump circuit of the domestic hot water system to reverse using the heated water flow direction controllers installed at the inputs of the heat pumps of the first and last heating stages (not shown in FIG. 1). In this case, the heat pumps of the last stages, operating at high temperatures and pressure of the working fluid, are transferred to the facilitated mode of operation of the heat pumps of the first stages, which increases their service life, and therefore the service life of the domestic hot water system as a whole.
Система отопления, использующая предлагаемый способ ГВС, представляет собой кольцевую схему, состоящую из теплонасосной схемы, входом и выходом связанной соответственно с выходом и входом схемы потребления, и обеспечивает подачу тепла для обогрева жилых или производственных помещений.A heating system using the proposed method of hot water supply is a ring circuit consisting of a heat pump circuit, the input and output associated respectively with the output and input of the consumption circuit, and provides heat for heating residential or industrial premises.
Теплонасосная схема (фиг.4), как и в системе ГВС, включает несколько тепловых насосов (поз. не обозначены), соединенных по ступенчатой схеме. На фиг.4 показаны три тепловых насоса, каждый из которых состоит из испарителя 1, компрессора 2 и конденсатора 3, соединенных трубопроводами 4-6. Конденсаторы 3 тепловых насосов соединены последовательно трубопроводами 7. Для подачи воды НПИ служит трубопровод 8, для сброса отработанной воды НПИ - трубопровод 9, для подачи воды на нагрев в теплонасосную схему системы отопления - трубопровод 10, а для доставки нагретой воды в схему потребления - трубопровод 11. Испаритель 1, компрессор 2, конденсатор 3, соединенные трубопроводами 4-6, как показано на чертеже, образуют замкнутый рабочий контур для циркуляции рабочего тела каждого теплового насоса. Испарители 1 всех тепловых насосов, трубопроводы 8, 9 и НПИ образуют контур низкопотенциального тепла. На фиг.1 этот контур показан общим, разомкнутым и параллельным. Он может быть замкнутым, последовательным и индивидуальным. Конденсаторы 3 всех тепловых насосов, соединенные последовательно трубопроводами 7, образуют с трубопроводами 10, 11 водяной контур теплонасосной схемы.The heat pump circuit (figure 4), as in the DHW system, includes several heat pumps (pos. Not indicated), connected in a stepwise manner. Figure 4 shows three heat pumps, each of which consists of an
В схеме потребления для отапливания каждого помещения используют нагревательный прибор 12, например радиатор, воздушный теплообменник 13, например калорифер с вентилятором 14, воздушный регенератор 15, например, с вращающейся массой и обратный клапан 16. Подключение нагревательных приборов 12 и воздушных теплообменников 13 в схему потребления в зависимости от температуры наружного воздуха производят либо локально с помощью регуляторов 17 (например, трехходовых клапанов) на их входах (предпочтительно для жилых помещений), как показано на фиг.4, либо централизованно с помощью одного регулятора 17 (тоже трехходового клапана, на фиг.4 не показан) на входе схемы потребления (предпочтительно для нескольких производственных помещений). Трубопроводами (поз. не обозначены) соединены: выход каждого нагревательного прибора 12 через обратный клапан 16 с входом воздушного теплообменника 13, выход последнего - с входом теплонасосной схемы (с входом теплового насоса первой ступени нагрева), а вентилятор 14 - с входом воздушного регенератора 15. Трубопровод 11 с выхода теплонасосной схемы (с выхода теплового насоса последней ступени нагрева) подключен к схеме потребления через регулятор 18. Отапливаемые помещения обозначены поз.19. В схеме потребления может быть по меньшей мере одно отапливаемое помещение 19.In the consumption circuit, a
Способ отопления реализуют с использованием системы отопления и упомянутого способа ГВС следующим образом.The heating method is implemented using the heating system and the above-mentioned DHW method as follows.
Каждый тепловой насос теплонасосной схемы системы отопления, как в способе ГВС, используют как ступень последовательного нагрева воды. После подготовки этой схемы к работе подают воду на нагрев по трубопроводу 10 в теплонасосную схему - в конденсатор 3 теплового насоса первой ступени, а в испарители 1 тепловых насосов каждой ступени по контуру низкопотенциального тепла подают воду НПИ. Рабочее тело в испарителях 1 от этого тепла закипает и из жидкого состояния переходит в газообразное. Образовавшийся пар по трубопроводам 4 попадает в компрессоры 2, где при сжатии нагревается до высокой температуры и под давлением выталкивается в конденсаторы 3 по трубопроводам 5. В конденсаторе 3 теплового насоса первой ступени рабочее тело передает тепло воде, поданной на нагрев по трубопроводу 10, а само из пара превращается в жидкость и по трубопроводу 6 возвращается в испаритель 1. Нагреваемую воду по водяному контуру передают от ступени к ступени последовательно: от конденсатора 3 первой ступени подают по трубопроводу 7 в конденсатор 3 второй ступени, нагретую во второй ступени воду до более высокой температуры - по трубопроводу 7 в конденсатор 3 третьей ступени, а нагретую в третьей ступени воду до нормативной температуры подают по трубопроводу 11 через регулятор 18 в схему потребления.Each heat pump of the heat pump circuit of the heating system, as in the hot water supply method, is used as a step for sequential heating of water. After preparing this circuit for operation, water is supplied for heating through
Если прототип, имеющий такую же теплонасосную схему и работающий по четырехугольному циклу Лоренца, использовать на отопление, когда на нагрев в тепловой насос первой ступени надо подавать обратную сетевую воду (например, имеющую температуру +60°С), то в теплонасосной схеме будут большие потери на частичное самовскипание рабочего тела тепловых насосов - дроссельные потери, которые увеличиваются при увеличении температуры конденсации рабочего тела - от ступени к ступени (на фиг.5 дроссельные потери обозначены как Х1 и Х2).If the prototype, which has the same heat pump circuit and operates according to the Lorentz quadrangular cycle, is used for heating, when reverse network water (for example, having a temperature of + 60 ° С) must be supplied to the heat pump of the first stage, then there will be big losses in the heat pump circuit partial boiling of the working fluid of heat pumps — throttle losses, which increase with increasing condensation temperature of the working fluid — from step to step (in FIG. 5, throttle losses are designated as X 1 and X 2 ).
Для получения режима без дроссельных потерь - с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла - в теплонасосной схеме системы отопления для нагревания воды организуют треугольный цикл Лоренца. Для этого на нагрев в теплонасосную схему (в тепловой насос первой ступени) подают воду, имеющую необходимую для такого цикла температуру (начальную температуру), и настраивают каждый тепловой насос. Начальную температуру подаваемой воды выбирают максимально близкой к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени нагрева и постоянной. Если температура кипения рабочего тела этого теплового насоса равна 0°С, то лучше всего выбирать начальную температуру подаваемой на нагрев воды равной 0°С или ≈0°С. При этом тепловой насос каждой ступени настраивают на температуру конденсации его рабочего тела, при которой тепло Qi, отдаваемое этой ступенью, отвечает условию:To obtain a regime without throttling losses - with the useful use of almost all the heat pump heat generated - in the heat pump circuit of the heating system for heating water, a triangular Lorentz cycle is organized. To do this, water is supplied to the heat pump circuit (to the heat pump of the first stage) at the temperature necessary for such a cycle (initial temperature), and each heat pump is set up. The initial temperature of the supplied water is chosen as close as possible to the boiling temperature of the working fluid of the heat pump of the first heating stage and constant. If the boiling point of the working fluid of this heat pump is 0 ° C, it is best to choose the initial temperature of the water supplied for heating equal to 0 ° C or ≈0 ° C. In this case, the heat pump of each stage is adjusted to the condensation temperature of its working fluid, at which the heat Qi given by this stage meets the condition:
где i - порядковый номер ступени нагрева,where i is the sequence number of the heating stage,
Qвых. - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени,Q out. - total heat from all stages of heating at the output of the last stage,
n - количество ступеней нагрева.n is the number of heating steps.
Для выполнения этого условия температура конденсации рабочего тела теплового насоса каждой ступени должна быть максимально близка к температуре нагретой воды на выходе этой ступени. Так как температура нагретой воды от ступени к ступени повышается, то температуры конденсации рабочего тела от ступени к ступени будут изменяться в соответствии с изменением температуры нагретой воды в конденсаторах 3.To fulfill this condition, the condensation temperature of the working fluid of the heat pump of each stage should be as close as possible to the temperature of the heated water at the outlet of this stage. As the temperature of the heated water rises from stage to stage, the condensation temperatures of the working fluid from stage to stage will change in accordance with the change in temperature of the heated water in the
В результате указанной настройки и выбора начальной температуры воды, подаваемой на нагрев, при примерно одинаковой производительности ступеней нагрева достигают одинакового прироста температуры воды, нагреваемой на ступенях, что обеспечивает работу теплонасосной схемы на отопление с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.As a result of this setting and selection of the initial temperature of the water supplied for heating, at approximately the same performance of the heating steps, the same increase in the temperature of the water heated on the steps is achieved, which ensures the operation of the heat pump circuit for heating with the useful use of almost all the heat pump heat generated.
В теплонасосной схеме системы отопления используют от четырех до шести ступеней нагрева, что оптимально для получения наивысших значений всех показателей теплонасосного цикла. Начальную температуру воды, подаваемой на нагрев, лучше выбирать в пределах от 0°С до +15°С, так как именно такая начальная температура максимально близка к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени, что является необходимым условием для режима с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.In the heat pump circuit of the heating system, four to six heating steps are used, which is optimal for obtaining the highest values of all indicators of the heat pump cycle. The initial temperature of the water supplied for heating is best chosen in the range from 0 ° C to + 15 ° C, since it is such an initial temperature that is as close as possible to the boiling temperature of the working fluid of the first stage heat pump, which is a necessary condition for the regime with useful use of practically total heat pump heat generated.
При соблюдении указанных условий в системе отопления будет организован треугольный цикл Лоренца 7-1-3-4-8'-7 (фиг.6), благодаря которому в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом 7-1-3-4-5-8'-7 получают экономический эффект, показанный на фиг.6 заштрихованной площадью 8'-4-5-8'. В прототипе, работающем по четырехугольному циклу Лоренца 7-1-3-4-6-8'-7 (фиг.6), в сравнении с тем же одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом 7-1-3-4-5-8'-7, как показали расчеты, можно получить значительно меньший экономический эффект (показан заштрихованной площадью 6-4-5). Расчетные технико-экономические показатели для треугольного и четырехугольного циклов Лоренца в способе отопления с использованием упомянутого способа ГВС приведены в табл.1, 2 соответственно (см.). Из таблиц 1, 2 видно преимущество треугольного цикла Лоренца по сравнению с четырехугольным.If these conditions are met, a triangular Lorenz cycle 7-1-3-4-8'-7 (Fig. 6) will be organized in the heating system, due to which, in comparison with the single-stage traditional heat pump cycle 7-1-3-4-5-8 '-7 get the economic effect shown in Fig.6 shaded area 8'-4-5-8'. In the prototype, operating on a quadrangular Lorentz cycle 7-1-3-4-6-8'-7 (Fig.6), in comparison with the same single-stage traditional heat pump cycle 7-1-3-4-5-8'- 7, as shown by the calculations, it is possible to obtain a significantly smaller economic effect (shown by a shaded area of 6-4-5). The estimated technical and economic indicators for triangular and quadrangular Lorentz cycles in the heating method using the above-mentioned DHW method are given in Tables 1, 2, respectively (see). Tables 1, 2 show the advantage of the triangular Lorentz cycle in comparison with the quadrangular.
Для получения в схеме потребления начальной температуры подаваемой воды, необходимой для треугольного цикла Лоренца, устанавливают с помощью задатчика температуры (на фиг.4 не показан) нужную температуру, до которой надо нагреть воздух в отапливаемом помещении 19. Задатчик управляет регулятором 17, распределяющим поток нагретой в теплонасосной схеме воды (являющейся при отоплении прямой сетевой водой) между нагревательным прибором 12 и воздушным теплообменником 13, с помощью которого подают теплый воздух в отапливаемое помещение 19. В зависимости от разницы между установленной на задатчике и фактической температурой в отапливаемом помещении 19 (которая зависит от температуры наружного воздуха) регулируют обороты вентилятора 14, тем самым изменяют объем подаваемого в отапливаемое помещение 19 теплого воздуха. В результате обеспечивают работу системы отопления по водовоздушной или воздушной схемам в зависимости от температуры наружного воздуха.To obtain the initial temperature of the supplied water required for the Lorentz triangular cycle in the consumption circuit, use the temperature adjuster (not shown in Fig. 4) to set the desired temperature to which air must be heated in the
В начале отопительного сезона, когда температура наружного воздуха не ниже - 7°С, прямую сетевую воду подают в нагревательный прибор 12, а обратную сетевую воду - в воздушный теплообменник 13 через обратный клапан 16. Так как при этом температура обратной сетевой воды невысокая, то на отопление работает фактически только один нагревательный прибор 12. При понижении температуры наружного воздуха температура обратной сетевой воды увеличивается, что позволяет подключить в работу вентилятор 14 воздушного теплообменника 13, который подает в отапливаемое помещение 19 теплый воздух с температурой +40°С. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха температура обратной сетевой воды уже недостаточна для нагрева воздуха в воздушном теплообменнике 13 до +40°С. Тогда обратную сетевую воду подогревают прямой сетевой водой, подавая их одновременно в нагревательный прибор 12 и в воздушный теплообменник 13 с помощью регулятора/регуляторов 17. Обратный клапан 16 на выходе нагревательного прибора 12 при этом предотвращает попадание прямой сетевой воды на его выход. При температуре наружного воздуха ниже -40°С совместная работа нагревательного прибора 12 и воздушного теплообменника 13 уже не обеспечивает в отапливаемом помещении 19 комфортную температуру +20°С. В этом случае нагревательный прибор 12 отключают регулятором 17 и прямую сетевую воду подают непосредственно в воздушный теплообменник 13. Вентилятор 14 увеличивает объем подаваемого теплого воздуха.At the beginning of the heating season, when the outdoor temperature is not lower than -7 ° C, direct network water is supplied to the
Таким образом, в системе отопления осуществляют подачу прямой сетевой воды в нагревательный прибор 12 и/или в воздушный теплообменник 13 в зависимости от температуры наружного воздуха.Thus, in the heating system, direct network water is supplied to the
В воздушном теплообменнике 13 поданную воду (обратную сетевую и/или прямую сетевую) охлаждают наружным воздухом, поступающим в него через воздушный регенератор 15, до начальной температуры (для тепловых насосов), выбранной для обеспечения работы тепловых насосов по треугольному циклу Лоренца. После этого охлажденную воду подают на нагрев в тепловой насос первой ступени нагрева по трубопроводу 10, а воздух, нагретый до температуры +40°С в воздушном теплообменнике 13, подают в отапливаемое помещение 19. При этом теплый воздух из отапливаемого помещения 19 подают в воздушный регенератор 15 для нагрева им поступающего в регенератор 15 наружного воздуха, а охлажденный в воздушном регенераторе 15 воздух подают на сброс.In the
В способе отопления предусмотрено при нагреве воды переключение теплонасосной схемы системы отопления на реверс с помощью регуляторов направления течения нагреваемой воды, установленных на входах тепловых насосов первых и последних ступеней нагрева (на фиг.4 не показаны). При этом тепловые насосы последних ступеней, работающие при больших температурах и давлении рабочего тела, переводятся в облегченный режим работы тепловых насосов первых ступеней, что повышает срок их службы, а значит, срок службы системы отопления в целом.When heating water, the heating method provides for switching the heat pump circuit of the heating system to reverse using the heated water flow direction adjusters installed at the inputs of the heat pumps of the first and last heating stages (not shown in FIG. 4). In this case, the heat pumps of the last stages, operating at high temperatures and pressure of the working fluid, are transferred to the facilitated mode of operation of the heat pumps of the first stages, which increases their service life, and hence the life of the heating system as a whole.
В летний период схему потребления системы отопления отключают с помощью регулятора 18 и используют теплонасосную схему на нужды ГВС, подавая на вход теплонасосной схемы воду, имеющую температуру, необходимую для получения треугольного цикла Лоренца.In the summer period, the consumption circuit of the heating system is turned off with the help of
Таким образом, предлагаемый способ отопления обеспечивает работу системы отопления по треугольному циклу Лоренца с полезным использованием почти всего вырабатываемого теплонасосного тепла в районах с разными климатическими условиями, что позволяет решить поставленную задачу.Thus, the proposed heating method ensures the operation of the heating system according to the triangular Lorenz cycle with the useful use of almost all the heat pump heat generated in areas with different climatic conditions, which allows us to solve the problem.
1. Примеры реализации способа ГВС.1. Examples of the implementation of the DHW method.
Пример 1. Система ГВС в виде теплонасосной схемы состоит из трех тепловых насосов - трех ступеней нагрева, нагреваемую воду передают от ступени к ступени последовательно.Example 1. The hot water supply system in the form of a heat pump circuit consists of three heat pumps - three heating stages, the heated water is transferred sequentially from stage to stage.
Температура кипения рабочего тела каждого теплового насоса 0°С.The boiling point of the working fluid of each heat pump is 0 ° C.
Температура воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени нагрева, ≈0°С.The temperature of the water supplied for heating to the heat pump of the first heating stage, ≈0 ° С.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса первой ступени +35°С.The condensation temperature of the working fluid of the heat pump of the first stage + 35 ° C.
Температура нагретой воды на выходе первой ступени +30°С.The temperature of the heated water at the outlet of the first stage is + 30 ° C.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса второй ступени +55°С.The condensation temperature of the working fluid of the heat pump of the second stage + 55 ° C.
Температура нагретой воды на выходе второй ступени +50,3°С.The temperature of the heated water at the outlet of the second stage is + 50.3 ° C.
Температура конденсации теплового насоса третьей ступени +75°С.The condensation temperature of the heat pump of the third stage + 75 ° C.
Температура нагретой воды для ГВС +71°С; эта вода поступает потребителям.Hot water temperature for domestic hot water + 71 ° С; this water goes to consumers.
Пример 2. Система ГВС состоит из шести тепловых насосов - шести ступеней нагрева, нагреваемую воду передают от ступени к ступени последовательно.Example 2. The DHW system consists of six heat pumps — six heating stages, the heated water is transferred sequentially from stage to stage.
Температура кипения рабочего тела каждого теплового насоса 0°С.The boiling point of the working fluid of each heat pump is 0 ° C.
Температура воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени нагрева, ≈0°С.The temperature of the water supplied for heating to the heat pump of the first heating stage, ≈0 ° С.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса первой ступени +17°С.The condensation temperature of the working fluid of the heat pump of the first stage + 17 ° C.
Температура нагретой воды на выходе первой ступени +12°С.The temperature of the heated water at the outlet of the first stage is + 12 ° C.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса второй ступени +29°С.The condensation temperature of the working fluid of the heat pump of the second stage + 29 ° C.
Температура нагретой воды на выходе второй ступени +24°С.The temperature of the heated water at the outlet of the second stage is + 24 ° C.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса третьей ступени +41°С.The condensation temperature of the working fluid of the heat pump of the third stage + 41 ° C.
Температура нагретой воды на выходе третьей ступени +36°С.The temperature of the heated water at the outlet of the third stage is + 36 ° C.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса четвертой ступени +53°С.The condensation temperature of the working fluid of the fourth stage heat pump is + 53 ° C.
Температура нагретой воды на выходе четвертой ступени +48°С.The temperature of the heated water at the exit of the fourth stage is + 48 ° C.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса пятой ступени +64°С.The condensation temperature of the working fluid of the fifth stage heat pump is + 64 ° C.
Температура нагретой воды на выходе пятой ступени +59°С.The temperature of the heated water at the exit of the fifth stage is + 59 ° C.
Температура конденсации рабочего тела теплового насоса шестой ступени +75°С.The condensation temperature of the working fluid of the sixth stage heat pump is + 75 ° C.
Температура нагретой воды для ГВС +70°С; эта вода поступает потребителям.Hot water temperature for domestic hot water + 70 ° С; this water goes to consumers.
2. Примеры реализации способа отопления с использованием упомянутого способа ГВС в системе отопления, содержащей теплонасосную схему, связанную со схемой потребления, показаны в таблицах 3, 4.2. Examples of the implementation of the heating method using the above-mentioned DHW method in a heating system containing a heat pump circuit associated with a consumption circuit are shown in Tables 3, 4.
В таблицах 3, 4 приведены следующие показатели соответственно для треугольного и четырехугольного циклов Лоренца при трехступенчатом и шестиступенчатом нагреве для разных температур конденсации рабочего тела теплового насоса последней ступени нагрева: коэффициент φ трансформации, себестоимость вырабатываемого тепла Степла, срок окупаемости Вокуп. и суммарная теплопроизводительность Qтп общ. Затемненным фоном отмечены режимы, работа при которых экономически нецелесообразна, штриховкой отмечен предельно допустимый режим работы, белым фоном выделены допустимые режимы.Tables 3, 4 show the following indicators, respectively, for triangular and quadrangular Lorentz cycles with three-stage and six-stage heating for different condensation temperatures of the working fluid of the heat pump of the last heating stage: transformation coefficient φ, cost of heat generated from heat , payback time In payback . and total heating capacity Q TP total . The shaded background indicates the modes under which operation is not economically feasible, the maximum permissible operating mode is indicated by hatching, the permissible modes are highlighted in white.
Из сравнения расчетных данных таблиц 3, 4 видно, что при одной и той же температуре конденсации рабочего тела теплового насоса последней ступени нагрева при треугольном цикле Лоренца повышаются все показатели теплонасосного цикла по сравнению с четырехугольным циклом Лоренца. Так, например, при температуре конденсации +70°С при шестиступенчатом нагреве коэффициент φ трансформации составляет 6,298 против 3,799; себестоимость вырабатываемого тепла Степла - 418,5 руб/Гкал против 678,5 руб/Гкал; срок окупаемости Вокуп. - 5,77 лет против 10,68 лет; теплопроизводительность Qтп общ. - 0,984 Гкал/час против 0,766 Гкал/час.From a comparison of the calculated data in Tables 3, 4, it can be seen that at the same condensation temperature of the working fluid of the heat pump of the last heating stage during the triangular Lorentz cycle, all indicators of the heat pump cycle increase compared to the quadrangular Lorentz cycle. So, for example, at a condensation temperature of + 70 ° С during six-step heating, the transformation coefficient φ is 6.298 against 3.799; the cost of heat generated With heat - 418.5 rubles / Gcal against 678.5 rubles / Gcal; payback period. In payback . - 5.77 years against 10.68 years; heating capacity Q tp total - 0.984 Gcal / hour against 0.766 Gcal / hour.
При температуре конденсации +75°С и выше способ отопления по четырехугольному циклу Лоренца (табл.4) переходит в экономически нецелесообразный режим. При треугольном цикле Лоренца такой режим не наступает даже при температуре конденсации, равной +90°С (табл.3).At a condensation temperature of + 75 ° C and above, the heating method according to the quadrangular Lorentz cycle (Table 4) goes into an economically inexpedient mode. In the triangular Lorentz cycle, such a regime does not occur even at a condensation temperature of + 90 ° С (Table 3).
Таким образом, сравнение расчетных технико-экономических показателей говорит в пользу способа отопления с треугольным циклом Лоренца, реализованного в выбранной системе отопления и использующего предложенный способ ГВС.Thus, a comparison of the estimated technical and economic indicators speaks in favor of a heating method with a triangular Lorentz cycle, implemented in the selected heating system and using the proposed method of hot water supply.
Claims (6)
где i - порядковый номер ступени нагрева;
Qвых - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени;
n - количество ступеней нагрева.1. The method of hot water supply (DHW), including supplying water for heating to the heat pump circuit of the system, heating this water in it to the standard temperature using heat pumps, each of which is used as a stage of sequential heating of water, and the delivery of heated water to consumers, characterized in that for heating water in a heat pump circuit, a heat pump cycle is organized that is as close as possible to a triangular heat pump cycle of Lorentz, for which the temperature of the water supplied for heating to the heat pump is first stage, is selected as close to its boiling point working fluid and the heat pump of each stage is adapted to its condensation temperature of the working fluid, in which Qi heat given this stage corresponds to the condition:
where i is the sequence number of the heating stage;
Q o - total heat from all stages of heating at the output of the last stage;
n is the number of heating steps.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011123914/06A RU2454608C1 (en) | 2011-06-10 | 2011-06-10 | Hot water supply method and heating method applying it |
| PCT/RU2011/000811 WO2012053937A1 (en) | 2010-10-19 | 2011-10-18 | Method for supplying hot water and heating method using said method |
| EA201300328A EA021498B1 (en) | 2010-10-19 | 2011-10-18 | Method for supplying hot water and heating method using same |
| EP11834706.1A EP2631546A4 (en) | 2010-10-19 | 2011-10-18 | Method for supplying hot water and heating method using said method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011123914/06A RU2454608C1 (en) | 2011-06-10 | 2011-06-10 | Hot water supply method and heating method applying it |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010142460 Substitution | 2010-10-19 | 2010-10-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2454608C1 true RU2454608C1 (en) | 2012-06-27 |
Family
ID=46681937
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011123914/06A RU2454608C1 (en) | 2010-10-19 | 2011-06-10 | Hot water supply method and heating method applying it |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2454608C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2709008C1 (en) * | 2018-12-18 | 2019-12-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Heat pump cascade setting system |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2037U1 (en) * | 1993-04-16 | 1996-04-16 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Кверти-Мед" | IONOMER |
| RU2239129C1 (en) * | 2003-01-30 | 2004-10-27 | Стенин Валерий Александрович | Method of heat supply |
| RU2364794C1 (en) * | 2008-03-11 | 2009-08-20 | Анатолий Дмитриевич Киосов | Centralised heat supply system and method |
| EA200900449A1 (en) * | 2008-09-08 | 2009-12-30 | Анатолий Иванович Малахов | HEATING SYSTEM |
| RU2382281C1 (en) * | 2008-12-03 | 2010-02-20 | Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) | Independent heat and cold supply system of buildings |
| CN101793449A (en) * | 2010-03-23 | 2010-08-04 | 广东美的电器股份有限公司 | Multi-heat-source heat pump system |
-
2011
- 2011-06-10 RU RU2011123914/06A patent/RU2454608C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2037U1 (en) * | 1993-04-16 | 1996-04-16 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Кверти-Мед" | IONOMER |
| RU2239129C1 (en) * | 2003-01-30 | 2004-10-27 | Стенин Валерий Александрович | Method of heat supply |
| RU2364794C1 (en) * | 2008-03-11 | 2009-08-20 | Анатолий Дмитриевич Киосов | Centralised heat supply system and method |
| EA200900449A1 (en) * | 2008-09-08 | 2009-12-30 | Анатолий Иванович Малахов | HEATING SYSTEM |
| RU2382281C1 (en) * | 2008-12-03 | 2010-02-20 | Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) | Independent heat and cold supply system of buildings |
| CN101793449A (en) * | 2010-03-23 | 2010-08-04 | 广东美的电器股份有限公司 | Multi-heat-source heat pump system |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ХЕИНРИХ Г. и др. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. - М.: Стройиздат, 1985, с.53-56. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2709008C1 (en) * | 2018-12-18 | 2019-12-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Heat pump cascade setting system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN204128105U (en) | Source-saving type air conditioning and water heating system | |
| NO325063B1 (en) | Air Conditioning System | |
| EP3457050B1 (en) | Heat pump system | |
| US20110138829A1 (en) | Heat Pump System | |
| EP2672190A1 (en) | Ambient air-conditioning unit for residential use | |
| RU2018143500A (en) | METHOD FOR CONTROLLING HEAT TRANSFER BETWEEN LOCAL COOLING SYSTEM AND LOCAL HEATING SYSTEM | |
| CN103776114A (en) | Direct expansion type heat pump type comprehensive energy utilization system and control method thereof | |
| CN110939995A (en) | Air conditioning system | |
| CN101558267B (en) | Freezing device | |
| RU2454608C1 (en) | Hot water supply method and heating method applying it | |
| WO2012053937A1 (en) | Method for supplying hot water and heating method using said method | |
| WO2019142138A1 (en) | Method and system of cooling in heat generation by combustion | |
| KR101430590B1 (en) | Cooling system for watertank | |
| CN211451096U (en) | Integrated hybrid cycle system heat pump cooling and heating machine | |
| CN204534926U (en) | Multi-connection refrigeration system | |
| KR101835786B1 (en) | Driving Transfer System of Air Heat-Binary Cycle Heat Pump | |
| CN207635641U (en) | A kind of heat pump quadri-generation system | |
| CN107238236B (en) | Air-supplying enthalpy-increasing air conditioning system and control method thereof | |
| KR101737980B1 (en) | Auto-driving transfer system of heat pump | |
| CN105444452A (en) | Air conditioning system | |
| CN201229088Y (en) | Cold and hot water unit of multi-heat source triple heat supply pump | |
| CN104214864A (en) | Energy-saving air conditioner hot water system | |
| CN204574320U (en) | With naturally cold multi-connection refrigeration system | |
| CN115076920B (en) | Air conditioner floor heating system, heating control method thereof and storage medium | |
| CN215489945U (en) | Air conditioner, floor heating and hot water three-in-one low-temperature air source heat pump unit |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160611 |