Система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии

Система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к системам автономного энергоснабжения объектов жилого, торгово-административного, культурно-развлекательного, курортно-оздоровительного и другого назначения на основе установок с использованием низкопотенциальных геотермальных источников и возобновляемых источников энергии.

Низкопотенциальные геотермальные источники являются основными источниками тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения, а установки на основе возобновляемых источников энергии являются вспомогательными устройствами для получения электрической энергии и питания тем самым электрооборудования системы теплоснабжения.

Известно устройство для энергообеспечения помещений с использованием в качестве возобновляемого природного источника энергии низкопотенциального тепла верхних слоев Земли, с помощью грунтовых теплообменников в скважинах и тепловых насосов (ТН). Устройство применено в геолого-климатических условиях одного из центральных регионов России для теплоснабжения здания сельской школы /Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области. - АВОК, 2002, №5, с.22-24/. Устройство содержит подключенную к сети теплоснабжения помещений (отопительной сети), через водоаккумуляторы с пиковыми догревателями и конденсаторы тепловых насосов, систему сбора и утилизацию тепла грунта, включающую контур циркуляции незамерзающего низкопотенциального теплоносителя, проходящий через испарители тепловых насосов и установленные в скважинах теплообменники коаксиального типа. В межтрубном пространстве теплообменника происходит передача тепла от окружающего грунта теплоносителю, после чего подогретый теплоноситель подают через центральную трубу к испарителю теплового насоса.

Недостатком известного устройства является то обстоятельство, что его конструкция не обеспечивает возможность подогрева остывающего в течение отопительного сезона теплоносителя перед подачей в тепловой насос, а также корректировку температурного режима охлажденных за отопительный сезон СТО. Последнее обстоятельство приводит к неполному естественному восстановлению температуры грунта в межотопительные периоды, и дефицит температуры грунта относительно начальной его величины накапливается с каждым отопительным сезоном. Как следствие, это приводит к увеличению количества электроэнергии, потребляемой приводом ТН, и уменьшению коэффициента преобразования теплового насоса (КПТН). Из-за невозможности подогрева и восстановления температуры остывающего теплоносителя величина КПТН для известного устройства в течение нескольких отопительных сезонов составила средневзвешенную величину, около 2,5 единиц (исходя из 3,23 в первый месяц отопительного сезона и далее 2,16 - до окончания сезона / Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области. - АВОК, 2002, №5, с.22-24/). Как следует из известных рекомендаций / Калнинь И.М., Савицкий И.К. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра. - Холодильная техника, 2000, №10, с.2-6/, эта величина соответствует нижнему пределу экономически приемлемых показателей для геотермальной установки с электрическим тепловым насосом, определяющих ее конкурентоспособность по отношению к традиционным котельным. К тому же остается невостребованным потенциал охлажденных скважин, который можно экономически выгодно применить на охлаждение помещений в летний период, сочетая возможность охлаждения с дополнительным восстановлением теплового режима скважин и увеличивая таким образом коэффициент использования первичной энергии (КИПЭ) за счет дополнительных энергопотоков к потребителю.

Еще одним недостатком известного устройства является зависимость системы отопления от централизованной сети электроснабжения, что не позволяет применять данную систему на автономных, удаленных от электрической сети жилых и других объектах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка комбинированного солнечно-теплонасосного теплоснабжения, примененная в геолого-климатических условиях Украины, для теплоснабжения двухэтажного коттеджа площадью 340 м² /Агеева Г.Н., Лантух Н.Н., Щербатый B.C. Комбинированная солнечно-теплонасосная установка как вариант технического решения теплоснабжения. - СОК, 2005, №12/.

Известное устройство содержит систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через проложенную в грунте систему пластиковых труб большой площади, контур холодоснабжения и испаритель теплового насоса, систему отопления и горячего водоснабжения (ГВС), включающую конденсатор теплового насоса, буферную емкость горячего теплоносителя, емкостной водонагреватель с двумя теплообменниками, контуры отопления, горячего водоснабжения и теплоснабжения бассейна, котел на жидком топливе, систему сбора тепла солнечной энергии, включающую контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора с самим солнечным коллектором, подключенный через теплообменник в контур циркуляции теплоносителя между тепловым насосом и буферной емкостью и к теплообменнику емкостного водонагревателя. Тепловая энергия в емкостной водонагреватель ГВС поступает от солнечного коллектора, преобразующего солнечную энергию в тепловую. При накоплении емкостного водонагревателя идет накопление тепла в буфере-накопителе. При отсутствии солнечной радиации либо недостаточной ее интенсивности вода в верхней части емкостного водонагревателя нагревается теплом буферной емкости или котлом. Тепловая энергия в буферную емкость поступает в первую очередь от теплового насоса. Котел теплоснабжения (отопление, ГВС) запускается в случае, если запасенной тепловой энергии в буферной емкости и емкостном водонагревателе недостаточно для покрытия тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения. В летние месяцы охлаждение коттеджа производится путем применения функции ТН «natural cooling». Это особый энергосберегающий метод охлаждения помещений, т.к. в этом случае, отбирая низкопотенциальное тепло земли от грунтового аккумулятора (8-12°С), потребляется лишь незначительное количество электроэнергии для работы циркуляционных насосов. При отборе тепла грунта в летние месяцы происходит еще большее охлаждение скважин, а следовательно, препятствует естественному восстановлению температуры грунта в межотопительные периоды, и дефицит температуры грунта относительно начальной его величины накапливается еще больше с каждым отопительным сезоном.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности повышения температуры подаваемого в тепловой насос низкопотенциального теплоносителя и восстановление температурного режима скважин, что отрицательным образом влияет на среднегодовые величины КПТН и КИПЭ. При недостаточной интенсивности солнечной радиации солнечный коллектор не используется, что снижает общую эффективность системы. При этом в работу включается отопительный котел на жидком топливе, что вызывает дополнительные затраты на приобретение топлива, транспортировку и хранение. Кроме того, отопительный котел является источником парниковых газов, что отрицательно сказывается на экологической обстановке. Недостатком также является зависимость всей системы теплоснабжения от поставок электроэнергии из централизованной сети. Перечисленные недостатки не позволяют применять данную систему на автономных, удаленных жилых и других объектах.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности системы теплоснабжения, стабилизация КПТН и повышение его среднесезонной величины за счет использования солнечной энергии для догрева теплоносителя в контуре циркуляции низкопотенциального теплоносителя в отопительный период при низкой интенсивности солнечной радиации и восстановления температурного режима скважин в межотопительный период с одновременной выработкой тепла на горячее водоснабжение с помощью солнечных коллекторов и использованием потенциала охлажденных скважин на охлаждение помещений, а также обеспечение независимости системы отопления от централизованной системы электроснабжения.

В результате использования предлагаемого изобретения создается эффективная система теплоснабжения со среднесезонной величиной КПТН не менее 3,0-3,5 единиц и уровнем КИПЭ, близким или превышающим 1,0, а также система теплоснабжения получает независимость от поставок электроэнергии из централизованной сети, что также дополнительно увеличит КИПЭ.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в системе автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии, содержащей систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через скважинные теплообменники, контур холодоснабжения и испаритель теплового насоса, систему отопления и горячего водоснабжения, включающую конденсатор теплового насоса, буферную емкость горячего теплоносителя, емкостной водонагреватель с двумя теплообменниками и электрическим пиковым нагревателем, контуры отопления и горячего водоснабжения, а также систему сбора тепла солнечной энергии, включающую контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора с солнечным коллектором и регулятором контура солнечного коллектора, подключенный через один вывод трехходового переключающего клапана к теплообменнику емкостного водонагревателя для приготовления горячей воды, согласно изобретению через второй вывод трехходового переключающего клапана система сбора тепла солнечной энергии подключена к теплообменнику в контуре циркуляции низкопотенциального теплоносителя, с возможностью передачи тепла на догрев низкопотенциального теплоносителя перед подачей в испаритель теплового насоса или на восстановление температурного режима скважин в межотопительный период с одновременной выработкой тепла на горячее водоснабжение с помощью солнечных коллекторов и использованием потенциала охлажденных скважин на охлаждение помещений, в системе также установлены фотоэлектрический модуль, ветроэлектрическая станция и микрогидроэлектростанция, соединенные с электрооборудованием системы теплоснабжения и передающие им электроэнергию через блок управления, состоящий из блока коммутации, инвертора, выпрямителя, аккумуляторной батареи, распределительного устройства и микропроцессорного блока управления.

Для увеличения выработки электрической энергии в системе фотоэлектрический модуль установлен в фокальной плоскости стационарного параболоцилиндрического концентратора.

Для увеличения выработки тепловой и электрической энергии в системе и для утилизации тепла, отводимого от фотоэлектрического модуля, фотоэлектрический модуль установлен в фокальной плоскости стационарного параболоцилиндрического концентратора в стеклянной цилиндрической трубе, через которую пропускают низкопотенциальный теплоноситель из скважинных теплообменников перед подачей его в испаритель теплового насоса.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, фиг.2, фиг.3.

На фиг.1 представлена схема системы автономного теплоснабжения на основе установок с использованием низкопотенциальных геотермальных источников и возобновляемых источников энергии.

На фиг.2 представлена схема системы автономного теплоснабжения с выработкой электроэнергии фотоэлектрическим модулем, установленным в фокальной плоскости стационарного параболоцилиндрического концентратора.

На фиг.3 представлена схема системы автономного теплоснабжения с выработкой электроэнергии фотоэлектрическим модулем, установленным в фокальной плоскости стационарного параболоцилиндрического концентратора, и утилизацией тепла, отводимого от фотоэлектрического модуля.

Система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии содержит систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя 1, проходящего через скважинные теплообменники 2, например в виде U-образных полиэтиленовых труб (на фиг.1 скважины условно не показаны), контур холодоснабжения 3 с конвектором 4 и испаритель 5 теплового насоса, систему отопления и горячего водоснабжения, включающую конденсатор 6 теплового насоса, буферную емкость горячего теплоносителя 7, емкостной водонагреватель 8 с двумя теплообменниками 9, 10 и электрическим пиковым нагревателем 11, контуры отопления 12 и горячего водоснабжения 13.

Система автономного теплоснабжения потребителей также содержит систему сбора тепла солнечной энергии, включающую контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора 14 с солнечным коллектором 15 и регулятором контура солнечного коллектора 16, подключенный через теплообменник 17 в контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя 1, для передачи тепла на догрев низкопотенциального теплоносителя перед подачей в испаритель 5 теплового насоса, а через трехходовой переключающий клапан 19 и контур циркуляции 18, подключенный к теплообменнику 10 емкостного водонагревателя 8, для приготовления горячей воды при отключенном через клапан 19 от теплообменника 17 в контуре циркуляции низкопотенциального теплоносителя 1.

Система электроснабжения всего электрооборудования системы теплоснабжения, включающая фотоэлектрический модуль 20, ветроэлектрическую станцию 21, микрогидроэлектростанцию 22, преобразуется в пригодную для использования в блоке управления 23, состоящем из инвертора 24, выпрямителя 25, аккумуляторных батарей 26, микропроцессорного блока управления 27, блока коммутации 28 и распределительного устройства 29. Фотоэлектрический модуль 20 (фиг.2) дополнительно установлен в фокусе стационарного параболоцилиндрического концентратора 37 для увеличения количества вырабатываемой электроэнергии. Фотоэлектрический модуль 20 (фиг.3) дополнительно установлен в фокусе стационарного параболоцилиндрического концентратора 37 и помещен в стеклянную цилиндрическую трубу 38, через которую пропускают низкопотенциальный теплоноситель по контуру 39 из скважинных теплообменников 2 перед подачей его в испаритель 5 теплового насоса.

Работа системы теплоснабжения осуществляется следующим образом.

При циркуляции низкопотенциального теплоносителя с помощью насоса 30 в контуре 1 теплоноситель проходит через скважинные теплообменники 2, что сопровождается отбором тепла из окружающего грунта. Нагретый теплоноситель подается в испаритель 5 теплового насоса 6. Термотрансформация тепла до более высокого температурного уровня происходит путем передачи тепла от нагретого низкопотенциального теплоносителя хладагенту, циркулирующему в контуре хладагента теплового насоса. При этом хладагент испаряется, пары хладагента сжимаются в компрессоре теплового насоса (на привод которого затрачивается электроэнергия), температура хладагента повышается и его теплота передается циркулирующей через конденсатор 6 теплового насоса воде системы отопления. Вода для системы отопления нагревается в тепловом насосе до некоторой температуры, определяемой условиями экономичной работы теплового насоса (рекомендуемый максимум для грунтовых ТНУ составляет 55°С). Горячая вода в системе отопления циркулирует с помощью насоса 31, который подает ее сначала в буферную емкость 7, которая служит для аккумулирования выработанной тепловым насосом тепловой энергии, а затем в коллектор контуров отопления. Из коллектора горячая вода подается в контуры отопления с помощью насосов 35, 36. Приготовление воды для горячего водоснабжения происходит в емкостном водонагревателе 8, куда подается холодная вода из водопровода, и горячая вода из буферной емкости 7 с помощью насоса 32, циркулирующая по теплообменнику 10. При этом теплообменник 10 нагревает воду в емкостном водонагревателе. При достижении температуры воды в водонагревателе определенного значения насос 32 прекращает подачу воды из буферной емкости. При водоразборе горячей воды потребителем и снижении температуры воды в водонагревателе за счет подпитки его холодной водой насос 32 снова включается.

В периоды интенсивной солнечной радиации приготовление воды для ГВС происходит от солнечного коллектора 15. Трехходовой клапан 19 переключается в положение «В», и теплоноситель, нагретый в солнечном коллекторе, подается с помощью насоса 34 по контуру циркуляции 18 в теплообменник 9 емкостного водонагревателя 8. В водонагревателе он отдает свою теплоту воде системы ГВС 13 и возвращается в солнечный коллектор.

При низкой интенсивности солнечной радиации трехходовой переключающий клапан 19 переключается в положение «А», и теплоноситель, нагретый в солнечном коллекторе 15, подается с помощью насоса 16 в теплообменник 17, установленный в контуре циркуляции низкопотенциального теплоносителя 1. Таким образом осуществляется догрев низкопотенциального теплоносителя перед подачей его в тепловой насос 6. Этим достигается повышение эффективности системы теплоснабжения и повышается величина КПТН, а также происходит восстановление температурного режима скважин в межотопительный период при перерывах в ГВС, когда тепловой насос не задействован.

Для поддержания микроклимата в помещениях в летнее время при этом низкопотенциальный теплоноситель после прохождения скважинных теплообменников 2 подается насосом 33 в теплообменник конвектора холодоснабжения 4, через воздушную сторону которого прогоняется воздух помещений. Нагретый воздухом низкопотенциальный теплоноситель возвращается в контур 1, и затем через испаритель 5 теплового насоса в скважинные теплообменники 2, восстанавливая тем самым температурный режим скважин.

Электроснабжение всего электрооборудования системы теплоснабжения осуществляется от блока управления 23. Электроэнергия вырабатывается фотоэлектрическими модулями 20, ветроэлектростанцией 21 и микрогидроэлектростанцией 22 (в зависимости от интенсивности и повторяемости того или иного параметра возобновляемой энергии могут работать как все три установки, так и каждая в отдельности) и подается в блок управления 23. Электроэнергия постоянного тока от фотоэлектрических модулей 20 и ветроэлектростанции 21 подается в блок коммутации 28, который связан с аккумуляторными батареями 26 для создания необходимого запаса электроэнергии в периоды, когда выработка электроэнергии превышает потребление, и ее расходования, когда потребление превышает выработку. Электроэнергия переменного тока от микрогидроэлектростанции 22 подается в блок коммутации 28 через выпрямитель 25. От блока коммутации 28 электроэнергия передается потребителю через инвертор 24 и распределительное устройство 29. Управление работой фотоэлектрическими модулями, ветроэлектростанцией, микрогидроэлектростанцией, коммутацией электрических цепей, процессами преобразования и распределения электроэнергии, а также работой всего оборудования системы теплоснабжения осуществляется с помощью микропроцессорного блока управления 27.

1. Система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии, содержащая систему сбора и утилизации тепла грунта, включающую контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящий через скважинные теплообменники, контур холодоснабжения и испаритель теплового насоса, систему отопления и горячего водоснабжения, включающую конденсатор теплового насоса, буферную емкость горячего теплоносителя, емкостной водонагреватель с двумя теплообменниками и электрическим пиковым нагревателем, контуры отопления и горячего водоснабжения, систему сбора тепла солнечной энергии, включающую контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора с солнечным коллектором и регулятором контура солнечного коллектора, подключенную через один вывод трехходового переключающего клапана к теплообменнику емкостного водонагревателя для приготовления горячей воды, отличающаяся тем, что система сбора тепла солнечной энергии через второй вывод трехходового переключающего клапана подключена к теплообменнику в контуре циркуляции низкопотенциального теплоносителя с возможностью передачи тепла на догрев низкопотенциального теплоносителя перед подачей в испаритель теплового насоса или на восстановление температурного режима скважин в межотопительный период с одновременной выработкой тепла на горячее водоснабжение с помощью солнечного коллектора и использованием потенциала охлажденных скважин на охлаждение помещений, в системе также установлены фотоэлектрический модуль, ветроэлектрическая станция и микрогидроэлектростанция, соединенные с электрооборудованием системы теплоснабжения и передающие им электроэнергию через блок управления, состоящий из блока коммутации, инвертора, выпрямителя, аккумуляторной батареи, распределительного устройства и микропроцессорного блока управления.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что фотоэлектрический модуль установлен в фокальной плоскости стационарного параболоцилиндрического концентратора.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что фотоэлектрический модуль установлен в фокальной плоскости стационарного параболоцилиндрического концентратора в стеклянной цилиндрической трубе, через которую пропускают низкопотенциальный теплоноситель из скважинных теплообменников перед подачей его в испаритель теплового насоса.