РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБАПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(51) МПКF24D 3/08 (2006.01)F25B 30/00 (2006.01)

(19) RU (11) 2 454 608(13) C1

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21)(22) Заявка: 2011123914/06, 10.06.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 10.06.2011

Приоритет(ы):(66) Номер(а) и дата(ы) подачи ранее поданной(ых)

заявки(ок): 2010142460 19.10.2010

(45) Опубликовано: 27.06.2012 Бюл. № 18

(56) Список документов, цитированных в отчете опоиске: ХЕИНРИХ Г. и др. Теплонасосные

установки для отопления и горячеговодоснабжения. - М.: Стройиздат, 1985, с.53-56. RU 2364794 C1, 20.08.2009. RU 2382281 C1,20.08.2009. RU 2037 U1, 27.10.2001. EA200900449 A, 30.12.2009. CN 101793449 А,04.08.2010. RU 2239129 C1, 27.10.2004.

Адрес для переписки:630091, г.Новосибирск, ул. Красныйпроспект, 54, ИГД СО РАН, заведующейпатентно-лицензионным отделом Т.П.Приходько

(72) Автор(ы):Петин Юрий Маркович (RU),Шаманаев Сергей Николаевич (RU),Опарин Евгений Викторович (RU),Голодников Борис Степанович (RU)

(73) Патентообладатель(и):Петин Юрий Маркович (RU),Шаманаев Сергей Николаевич (RU),Опарин Евгений Викторович (RU),Голодников Борис Степанович (RU)

(54) СПОСОБ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И СПОСОБ ОТОПЛЕНИЯ С ЕГОИСПОЛЬЗОВАНИЕМ(57) Реферат:

Изобретения относятся к теплотехнике.Способ горячего водоснабжения (ГВС)включает подачу воды в теплонасосную схему(ТН), нагрев ее до нормативной температуры спомощью ТН и доставку нагретой водыпотребителям. Каждый ТН используют какступень последовательного нагрева степлонасосным циклом, близким ктреугольному циклу Лоренца, выбираятемпературу воды, подаваемой на нагрев в ТНпервой ступени, и настраивая каждый ТН натемпературу конденсации его рабочего тела сучетом отдаваемого этой ступенью тепла. Вспособе отопления используют все операцииспособа ГВС. Нагретую воду доставляют всхему потребления, в которой ее подают в

зависимости от температуры наружного воздухас помощью регулятора/регуляторов, подключаяв помещении нагревательный прибор и/иливоздушный теплообменник, где ее охлаждаютнаружным воздухом до выбранной для этогоцикла температуры и подают на нагрев в ТНпервой ступени, а нагретый воздух - впомещение. Изобретения позволяют повыситьтехническую и экономическую эффективность засчет работы в выбранном цикле сиспользованием практически всего тепла ТН(при отоплении - в районах с разнымиклиматическими условиями), за счет полезногоиспользования тепла отапливаемого помещенияи за счет возможности работать на отоплениебез перегрузки ТН. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил., 4 табл.

Ñòð.: 1

ru

RU

2454608

C1

1C

80

64

54

2U

R

RUSSIAN FEDERATION

FEDERAL SERVICE FOR INTELLECTUAL PROPERTY

(51) Int. Cl.F24D 3/08 (2006.01)F25B 30/00 (2006.01)

(19) RU (11) 2 454 608(13) C1

(12) ABSTRACT OF INVENTION

(21)(22) Application: 2011123914/06, 10.06.2011

(24) Effective date for property rights: 10.06.2011

Priority:(66) Number(s) and date(s) of filing of the earlier

submitted application(s): 2010142460 19.10.2010

(45) Date of publication: 27.06.2012 Bull. 18

Mail address:630091, g.Novosibirsk, ul. Krasnyj prospekt, 54,IGD SO RAN, zavedujushchej patentno-litsenzionnym otdelom T.P. Prikhod'ko

(72) Inventor(s): Petin Jurij Markovich (RU),Shamanaev Sergej Nikolaevich (RU),Oparin Evgenij Viktorovich (RU),Golodnikov Boris Stepanovich (RU)

(73) Proprietor(s): Petin Jurij Markovich (RU),Shamanaev Sergej Nikolaevich (RU),Oparin Evgenij Viktorovich (RU),Golodnikov Boris Stepanovich (RU)

(54) HOT WATER SUPPLY METHOD AND HEATING METHOD APPLYING IT(57) Abstract:

FIELD: power industry.SUBSTANCE: hot water supply (HWS) method

involves water supply to heat pump system (HP), itsheating to the specified temperature by means of HPand supply of heated water to consumers. Each HP isused as stage of subsequent heating with heat pumpcycle close to triangular Lorentz cycle by choosingthe temperature of water supplied to be heated in HPof the first stage, and by adjusting each HP tocondensation temperature of its working mediumconsidering the heat released with this stage. Alloperations of HWS method are used in heating method.Heated water is supplied to consumption system in

which it is supplied depending on ambient airtemperature with the help of regulator(s) byconnecting in the room the heating appliance and/orair heat exchanger, where it is cooled with ambientair to the temperature chosen for this cycle andsupplied to be heated in HP of the first stage, andheated air is supplied to the room.

EFFECT: inventions allow improving technical andeconomic efficiency due to operation in the chosencycle using almost all the HP heat, due to efficientuse of heat of the heated room and owing topossibility of operating for heating without HPoverload.

6 cl, 6 dwg

Ñòð.: 2

en

RU

2454608

C1

1C

80

64

54

2U

R

RU 2 454 608 C1

Технические решения относятся к теплотехнике, а именно к теплоснабжению сиспользованием тепловых насосов для нагрева воды, и могут найти применение длягорячего водоснабжения (ГВС) или отапливания жилых или производственныхпомещений.

Известны способы теплоснабжения, включающие подачу воды на нагрев всистему, нагревание воды с помощью одного теплового насоса и доставку нагретойводы потребителям. Для повышения эффективности трансформации тепловойэнергии используют разные приемы. Например, в способе достижениямаксимального отопительного коэффициента тепловых насосов по патенту РФ№2083932, F25В 30/00, опубл. 10.07.1997 г., выбирают хладагент теплового насосатаким, чтобы его критическая температура была близка или равна температуреохлаждаемой среды. Перед сжатием выбранный хладагент приводят в критическоесостояние, а сжатие производят до состояния, соответствующего точке Бойля. Вспособе трансформации тепловой энергии по патенту РФ№2161759, F25В 9/08,F25В 30/02, опубл. 10.01.2001 г., энергетическую эффективность трансформацииповышают за счет снижения удельного потребления электроэнергии, для чегорабочую среду после компрессора подают в струйный аппарат, где ее смешивают сжидким потоком, поступающим из сепаратора, установленного после конденсатора.В конденсатор направляют рабочую среду из струйного аппарата, где онаохлаждается при передаче тепла высокотемпературному приемнику.

Известные способы позволяют обеспечить коэффициенты трансформации,максимально повышенные для систем с одним тепловым насосом, но не превышаютэтот уровень. Это объясняется работой теплового насоса системы потеплонасосному циклу, далекому от треугольного теплонасосного цикла Лоренца -самого эффективного из рабочих циклов в холодильной и теплонасосной технике. Врезультате известные способы не обеспечивают значительного снижениясебестоимости тепла, удельного расхода электроэнергии и сроков окупаемоститеплонасосных систем, реализующих эти способы.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенныхпризнаков и для способа ГВС, и для способа отопления является способтеплоснабжения, который включает подачу воды на нагрев в теплонасоснуюустановку системы, нагревание воды с ее помощью и доставку нагретой водыпотребителям. Теплонасосная установка состоит из тепловых насосов, каждый изкоторых используют как ступень последовательного нагрева воды (см. Г.Хейнрих,X.Найрок, В.Нестлер. Теплонасосные установки для отопления и горячеговодоснабжения, М.: Стройиздат, 1985 г., с.53-56).

Недостатком известного способа является организация работы указаннойтеплонасосной установки по теплонасосному циклу, приближенному кчетырехугольному теплонасосному циклу Лоренца (см. там же, с.54, рис.2.19),который, хотя и обеспечивает экономию электроэнергии, но увеличивает срококупаемости до значения, превосходящего срок экономической целесообразности,при повышении капитальных затрат. Таким образом, режим известного способатеплоснабжения со ступенчатым нагревом воды не обеспечивает при его реализацииположительного технического и экономического результата.

При использовании известного способа теплоснабжения для отопления работаступенчатой теплонасосной установки протекает с большими дроссельнымипотерями в контурах рабочего тела тепловых насосов, что ухудшает без того низкиепоказатели ее работы. Причем, чем больше температура конденсации рабочего тела,

Ñòð.: 3

DE

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

тем больше дроссельные потери, которые невозможно устранить конструктивно.Как показали расчеты, срок окупаемости системы отопления при этом увеличиваетсяболее чем до 33 лет, что делает реализацию такого способа отопления технически иэкономически бесперспективной.

Задачей предлагаемых решений является повышение технической иэкономической эффективности:

- 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 иавтономной системы отопления работать с полезным использованием практическивсего вырабатываемого теплонасосного тепла благодаря работе теплонасоснойсхемы и всей отопительной системы с минимальными дроссельными потерями,причем этот технический результат достигается в районах с разнымиклиматическими условиями, в том числе при температуре наружного воздуха ниже -40°С, путем обеспечения водовоздушной или воздушной схем отопления;

- за счет полезного использования части тепла нагретого воздуха отапливаемогопомещения при работе системы отопления;

- за счет возможности работать на отопление при нормативной температуренагретой воды (прямой сетевой) не выше +75°С при любой температуре наружноговоздуха, даже ниже - 40°С, путем использования тепла обратной сетевой воды.

Поставленная задача достигается тем, что в способе ГВС, включающем подачуводы на нагрев в теплонасосную схему системы, нагревание в ней этой воды донормативной температуры с помощью тепловых насосов, каждый из которыхиспользуют как ступень последовательного нагрева воды, и доставку нагретой водыпотребителям, согласно техническому решению для нагревания воды втеплонасосной схеме системы организуют теплонасосный цикл, максимальноприближенный к треугольному теплонасосному циклу Лоренца. Для этоготемпературу воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени,выбирают максимально близкой к температуре кипения его рабочего тела, атепловой насос каждой ступени настраивают на температуру конденсации егорабочего тела, при которой тепло Qi, отдаваемое этой ступенью, отвечает условию:

,

где i - порядковый номер ступени нагрева,Qв ы х . - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени,n - количество ступеней нагрева.Указанная совокупность признаков предлагаемого технического решения

позволяет организовать для нагревания воды в теплонасосной схеме системы,имеющей n ступеней последовательного нагрева, теплонасосный цикл, максимальноприближенный к треугольному теплонасосному циклу Лоренца, и тем самымобеспечить работу автономной системы ГВС в режиме с полезным использованиемпрактически всего вырабатываемого теплонасосного тепла. Как показали расчеты,это обеспечивает высокие технико-экономические показатели теплонасосного цикла:коэффициент φ трансформации, значительно превышающий такой же коэффициентне только в традиционных системах ГВС (с одним тепловым насосом), но и всистемах ГВС со ступенчатым нагревом, работающих по теплонасосному циклу,приближенному к четырехугольному теплонасосному циклу Лоренца, а такжеменьший удельный расход электроэнергии Ne   у д е л ь н . с р е д . и срок окупаемости В  о к у п .

Ñòð.: 4

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

в пределах экономической допустимости, но главное - существенно меньшуюсебестоимость произведенного тепла Ст е п л а   с р е д . даже по сравнению страдиционными источниками тепла для ГВС (котельными и ТЭЦ). Достигаемыепоказатели теплонасосного цикла говорят о повышении технико-экономическойэффективности предлагаемого способа ГВС по сравнению с выбранным прототипом.

Целесообразно количество ступеней нагрева воды выбирать равным от четырехдо шести. Как показали расчеты, при таком количестве ступеней сохраняетсяувеличение эффективности трансформации тепловой энергии при небольшихкапитальных затратах, невысоких сроке окупаемости и себестоимостивырабатываемого теплонасосного тепла. При количестве ступеней меньше четырехвозрастает срок окупаемости и себестоимость тепла, а при количестве ступенейбольше шести - срок окупаемости и капитальные затраты.

Целесообразно также температуру воды, подаваемой на нагрев в тепловой насоспервой ступени, выбирать в пределах от 0°С до +15°С, так как именно такаяначальная температура воды, подаваемой на нагрев, будет максимально близка ктемпературе кипения рабочего тела этого теплового насоса, а эта температураобычно на 7÷10°С ниже температуры низкопотенциального источника (НПИ),которая чаще всего бывает равной +7÷+25°С. Это условие при ступенчатом нагревеи указанной настройке тепловых насосов позволяет удовлетворить требованиеполезного использования практически всего вырабатываемого теплонасосноготепла.

Целесообразно при нагреве воды теплонасосную схему переключать на реверс спомощью регуляторов направления течения нагреваемой воды, установленных навходах тепловых насосов первой и последней ступеней нагрева.

При такой реализации способа можно увеличить срок службы тепловых насосовпоследних ступеней нагрева, которые работают в наиболее тяжелых условиях - привысоких температурах и давлении рабочего тела - за счет переключения их на легкиеусловия работы тепловых насосов первых ступеней, а значит, увеличить срокслужбы всей теплонасосной схемы.

Положительное влияние реверса на надежность работы ступенчатойтеплонасосной схемы и технико-экономические показатели эффективности ее работыособенно велико при использовании теплонасосного цикла, максимальноприближенного к треугольному теплонасосному циклу Лоренца.

Поставленная задача достигается также тем, что в способе отопления,включающем подачу воды на нагрев в теплонасосную схему, нагревание в ней этойводы до нормативной температуры и доставку нагретой воды потребителям,согласно техническому решению указанные операции осуществляют в соответствиис упомянутым способом ГВС (по пп.1-4 формулы), при этом нагретую водудоставляют в схему потребления, в которой для отапливания помещения используютнагревательный прибор и воздушный теплообменник. В зависимости оттемпературы наружного воздуха с помощью регулятора/регуляторов воду,нагретую в теплонасосной схеме, подают в качестве прямой сетевой воды внагревательный прибор и/или в воздушный теплообменник, а обратную сетевуюводу - в воздушный теплообменник. В последнем поданную воду охлаждаютнаружным воздухом до температуры, максимально близкой к температуре кипениярабочего тела теплового насоса первой ступени. На нагрев в этот тепловой насосподают охлажденную воду с воздушного теплообменника, а нагретый в нем воздухподают в отапливаемое помещение.

Ñòð.: 5

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

Указанная совокупность признаков предлагаемого технического решенияпозволяет организовать для нагревания воды в теплонасосной схеме, имеющей nступеней последовательного нагрева, и в системе отопления в целом теплонасосныйцикл, максимально приближенный к треугольному теплонасосному циклу Лоренца, итем самым работать на отопление с минимальными дроссельными потерями - сполезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосноготепла. Подача при этом в каждое отапливаемое помещение с помощьюрегулятора/регуляторов нагретой воды - прямой сетевой - в нагревательный прибори/или воздушный теплообменник, а обратной сетевой воды - в воздушныйтеплообменник обеспечивает работу такой системы отопления по водовоздушнойили воздушной схеме в зависимости от температуры наружного воздуха. Этопозволяет использовать способ для отопления в широком диапазоне температурнаружного воздуха - от +8°С до ниже - 40°С, то есть в районах с разнымиклиматическими условиями.

Выбранный режим охлаждения поданной в воздушный теплообменник воды,когда ее охлаждают до температуры, максимально близкой к температуре кипениярабочего тела теплового насоса первой ступени нагрева, а нагретый в нем воздухподают в отапливаемое помещение, позволяет эффективно использовать на нуждыотопления тепло этой поданной воды при разных температурах наружного воздуха,в том числе низких, и одновременно обеспечить при охлаждении в воздушномтеплообменнике температуру воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первойступени, в интервале температур, необходимом для получения теплонасосногоцикла, максимально приближенного к треугольному теплонасосному циклу Лоренца.

Эффективность способа объясняется также тем, что он обеспечивает работусистемы отопления при нормативной температуре нагретой воды (прямой сетевой)не выше +75°С при любой температуре наружного воздуха, даже ниже -40°С, так кактемпературы +60°С обратной сетевой воды при этом достаточно для получениятеплого воздуха, подаваемого в отапливаемое помещение с температурой +40°С(что необходимо для получения комфортной температуры +20°С в отапливаемомпомещении). Это позволяет экономить электроэнергию и предохраняет тепловыенасосы от перегрузки.

Как показали расчеты, режим с полезным использованием практически всеговырабатываемого теплонасосного тепла при указанных схемах отопления,применяемых в системе отопления в зависимости от температуры наружноговоздуха, обеспечивает высокие технико-экономические показатели теплонасосногоцикла: коэффициент φ трансформации, значительно превышающий такой жекоэффициент не только в традиционных системах теплоснабжения (с однимтепловым насосом), но и в системах теплоснабжения со ступенчатым нагревом,работающих по теплонасосному циклу, приближенному к четырехугольномутеплонасосному циклу Лоренца, а также меньший удельный расход электроэнергииNe   у д е л ь н . с р е д . и срок окупаемости В  о к у п . в пределах экономическойцелесообразности, но главное - существенно меньшую себестоимостьпроизведенного тепла Ст е п л а   с р е д . даже по сравнению с традиционнымиисточниками тепла для отопления (котельными и ТЭЦ). Достигаемые показателитеплонасосного цикла говорят о высокой технико-экономической эффективностипредлагаемого способа отопления по сравнению с выбранным прототипом.

Целесообразно наружный воздух до подачи в воздушный теплообменникподогревать в воздушном регенераторе теплым воздухом, удаляемым из

Ñòð.: 6

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

отапливаемого помещения.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 наохлаждение поданной в него воды при той же температуре воды и воздуха на еговыходах. Кроме того, при использовании воздушного регенератора достигаетсяполезная утилизация тепла, удаляемого из отапливаемого помещения - егоиспользуют почти полностью на нагрев наружного воздуха (за исключением потерьв воздушном регенераторе), то есть до минимума снижаются необратимые потери судаляемым теплым воздухом.

Сущность технических решений поясняется примером реализации способов ГВС иотопления, чертежами фиг.1-6 и таблицами 1-4.

На фиг.1 показана теплонасосная схема системы ГВС с трехступенчатымнагревом; на фиг.2 - TS-диаграмма системы ГВС, работающей по теплонасосномуциклу, максимально приближенному к треугольному теплонасосному циклуЛоренца (далее - треугольный цикл Лоренца), при шестиступенчатом нагреве всравнении 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, приближенномук четырехугольному теплонасосному циклу Лоренца (далее - четырехугольный циклЛоренца), при шестиступенчатом нагреве в сравнении с одноступенчатымтрадиционным теплонасосным циклом; на фиг.4 показана схема системы отоплениянескольких помещений с трехступенчатым нагревом, работающая по треугольномуциклу Лоренца; на фиг.5 показана TS-диаграмма системы отопления, работающей почетырехугольному циклу Лоренца, в зависимости от температуры конденсациитеплового насоса последней ступени нагрева при шестиступенчатом нагреве; нафиг.6 - TS-диаграмма системы отопления, работающей по треугольному циклуЛоренца при шестиступенчатом нагреве, в сравнении с TS-диаграммой аналогичнойсистемы, но работающей по четырехугольному циклу Лоренца и в сравнении содноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; в табл.1 приведенырасчетные технико-экономические показатели треугольного цикла Лоренца пришестиступенчатом нагреве для способов ГВС и отопления в сравнении содноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; в табл.2 - расчетныетехнико-экономические показатели четырехугольного цикла Лоренца пришестиступенчатом нагреве для способов ГВС и отопления в сравнении содноступенчатым традиционным теплонасосным циклом; в табл.3 - расчетныетехнико-экономические показатели треугольного цикла Лоренца длятрехступенчатого и шестиступенчатого нагрева в сравнении с одноступенчатымтрадиционным теплонасосным циклом при разных температурах конденсациирабочего тела теплового насоса последней ступени нагрева; в табл.4 - расчетныетехнико-экономические показатели четырехугольного цикла Лоренца длятрехступенчатого и шестиступенчатого нагрева в сравнении с одноступенчатымтрадиционным теплонасосным циклом при разных температурах конденсациирабочего тела теплового насоса последней ступени нагрева.

Система ГВС (фиг.1) представляет собой теплонасосную схему, состоящую изнескольких тепловых насосов (поз. не обозначены). На фиг.1 показаны тритепловых насоса, каждый из которых состоит из испарителя 1, компрессора 2 иконденсатора 3, соединенных трубопроводами 4-6. Конденсаторы 3 тепловых

Ñòð.: 7

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

насосов соединены последовательно трубопроводами 7. Для подачи воды НПИслужит трубопровод 8, для сброса отработанной воды НПИ - трубопровод 9, дляподачи воды на нагрев в теплонасосную схему системы ГВС - трубопровод 10, а длядоставки нагретой воды на ГВС (потребителям) - трубопровод 11. Испаритель 1,компрессор 2, конденсатор 3, соединенные трубопроводами 4-6, как показано начертеже, образуют замкнутый рабочий контур для циркуляции рабочего телакаждого теплового насоса. Испарители 1 всех тепловых насосов, трубопроводы 8, 9и НПИ образуют контур низкопотенциального тепла. На фиг.1 этот контур показанобщим, 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.

Способ ГВС реализуют с помощью указанной системы того же назначенияследующим образом.

Каждый тепловой насос теплонасосной схемы используют как ступеньпоследовательного нагрева воды. Воду на нагрев подают по трубопроводу 10 вконденсатор 3 теплового насоса первой ступени, а в испарители 1 тепловых насосовкаждой ступени по контуру низкопотенциального тепла подают воду НПИ. Рабочеетело в испарителях 1 от этого тепла закипает и из жидкого состояния переходит вгазообразное. Образовавшийся пар по трубопроводам 4 попадает в компрессоры 2,где при сжатии нагревается до высокой температуры и под давлением выталкиваетсяв конденсаторы 3 по трубопроводам 5. В конденсаторе 3 теплового насоса первойступени рабочее тело передает тепло воде, поданной на нагрев по трубопроводу 10,а само из пара превращается в жидкость и по трубопроводу 6 возвращается виспаритель 1. Нагреваемую воду по водяному контуру передают от ступени кступени последовательно: от конденсатора 3 первой ступени подают потрубопроводу 7 в конденсатор 3 второй ступени, нагретую во второй ступени водудо более высокой температуры - по трубопроводу 7 в конденсатор 3 третьейступени, а нагретую в третьей ступени воду до нормативной температурыдоставляют по трубопроводу 11 на ГВС - потребителям.

Для получения режима с полезным использованием практически всеговырабатываемого теплонасосного тепла в теплонасосной схеме системы ГВС длянагревания воды организуют треугольный цикл Лоренца. Для этого выбираюттемпературу воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени(начальную температуру воды, подаваемой на нагрев), и настраивают каждыйтепловой насос. Начальную температуру подаваемой воды выбирают максимальноблизкой к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени ипостоянной. Если температура кипения рабочего тела этого теплового насосаравна 0°С, то лучше всего выбирать начальную температуру подаваемой на нагревводы равной 0°С или ≈0°С. При этом тепловой насос каждой ступени настраиваютна температуру конденсации его рабочего тела, при которой тепло Qi, отдаваемоеэтой ступенью, отвечает условию:

,

где i - порядковый номер ступени нагрева,Qв ы х . - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени,n - количество ступеней нагрева.Для выполнения этого условия температура конденсации рабочего тела

Ñòð.: 8

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

теплового насоса каждой ступени должна быть максимально близка к температуренагретой воды на выходе этой ступени. Так как температура нагретой воды отступени к ступени повышается, то температуры конденсации рабочего тела отступени к ступени будут изменяться в соответствии с изменением температурынагретой воды в конденсаторах 3.

В результате указанной настройки и выбора начальной температуры воды,подаваемой на нагрев, при примерно одинаковой производительности ступенейнагрева достигают одинакового прироста температуры воды, нагреваемой наступенях, что обеспечивает решение поставленной задачи.

В теплонасосной схеме используют от четырех до шести ступеней нагрева, чтооптимально для получения наивысших значений всех показателей теплонасосногоцикла. Начальную температуру воды, подаваемой на нагрев, можно выбирать впределах от 0°С до +15°С, так как именно такая начальная температурамаксимально близка к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первойступени, что является необходимым условием для режима с полезнымиспользованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.

При соблюдении указанных режимов в теплонасосной схеме и в системе ГВС вцелом будет организован треугольный цикл Лоренца 1-2-3-4-6-7-1 (фиг.2), благодарякоторому в сравнении с одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом 1-2-3-4-5-6-7-1 получают экономический эффект, показанный на фиг.2 заштрихованнойплощадью. 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).

Как видно из таблицы 1, расчетные технико-экономические показателитреугольного цикла Лоренца в системе ГВС, реализующей предлагаемый способ,значительно превосходят показатели традиционной системы ГВС с одним тепловымнасосом: при одинаковой температуре нагретой воды на выходе и при равныхтеплопроизводительностях уменьшается удельный расход электроэнергии Ne  у д е л ь н . с р е д ., уменьшается себестоимость теплонасосного тепла Ст е п л а   с р е д . и срококупаемости Во к у п . и, наконец, увеличивается коэффициент φ трансформации наступенях нагрева и в системе ГВС в целом (для шестиступенчатого нагрева: среднийкоэффициент φ  с р е д н . трансформации составляет 7,047, суммарнаятеплопроизводительность ΣQт п - 2,0238 Гкал/ч, экономия электроэнергииувеличивается в 2,51 раза, и, хотя капитальные затраты К увеличиваются в 1,89 раза,срок окупаемости Во к у п . не превышает 3,23 года).

Из таблицы 2 видно, что в системе ГВС, работающей по четырехугольному циклуЛоренца (прототип), при шестиступенчатом нагреве средний коэффициент φ  с р е д н .трансформации составляет 3,44, суммарная теплопроизводительность ΣQт п - 1,4752Гкал/ч, экономия электроэнергии до 22,4%, капитальные затраты К увеличиваютсятакже в 1,89 раза при сроке окупаемости Во к у п .=33,3 года. Таким образом, сравнениетехнико-экономических показателей говорит в пользу предлагаемого способа ГВС.

В способе ГВС предусмотрено при нагреве воды переключение теплонасоснойсхемы системы ГВС на реверс с помощью регуляторов направления течениянагреваемой воды, установленных на входах тепловых насосов первой и последнейступеней нагрева (на фиг.1 не показаны). При этом тепловые насосы последнихступеней, работающие при больших температурах и давлении рабочего тела,переводятся в облегченный режим работы тепловых насосов первых ступеней, что

Ñòð.: 9

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

повышает срок их службы, а значит, срок службы системы ГВС в целом.Система отопления, использующая предлагаемый способ ГВС, представляет

собой кольцевую схему, состоящую из теплонасосной схемы, входом и выходомсвязанной соответственно с выходом и входом схемы потребления, и обеспечиваетподачу тепла для обогрева жилых или производственных помещений.

Теплонасосная схема (фиг.4), как и в системе ГВС, включает несколько тепловыхнасосов (поз. не обозначены), соединенных по ступенчатой схеме. На фиг.4показаны три тепловых насоса, каждый из которых состоит из испарителя 1,компрессора 2 и конденсатора 3, соединенных трубопроводами 4-6. Конденсаторы 3тепловых насосов соединены последовательно трубопроводами 7. Для подачи водыНПИ 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, соединенныетрубопроводами 4-6, как показано на чертеже, образуют замкнутый рабочий контурдля циркуляции рабочего тела каждого теплового насоса. Испарители 1 всехтепловых насосов, трубопроводы 8, 9 и НПИ образуют контурнизкопотенциального тепла. На фиг.1 этот контур показан общим, разомкнутым ипараллельным. Он может быть замкнутым, последовательным и индивидуальным.Конденсаторы 3 всех тепловых насосов, соединенные последовательнотрубопроводами 7, образуют с трубопроводами 10, 11 водяной контуртеплонасосной схемы.

В схеме потребления для отапливания каждого помещения используютнагревательный прибор 12, например радиатор, воздушный теплообменник 13,например калорифер с вентилятором 14, воздушный регенератор 15, например, свращающейся массой и обратный клапан 16. Подключение нагревательныхприборов 12 и воздушных теплообменников 13 в схему потребления в зависимостиот температуры наружного воздуха производят либо локально с помощьюрегуляторов 17 (например, трехходовых клапанов) на их входах (предпочтительнодля жилых помещений), как показано на фиг.4, либо централизованно с помощьюодного регулятора 17 (тоже трехходового клапана, на фиг.4 не показан) на входесхемы потребления (предпочтительно для нескольких производственныхпомещений). Трубопроводами (поз. не обозначены) соединены: выход каждогонагревательного прибора 12 через обратный клапан 16 с входом воздушноготеплообменника 13, выход последнего - с входом теплонасосной схемы (с входомтеплового насоса первой ступени нагрева), а вентилятор 14 - с входом воздушногорегенератора 15. Трубопровод 11 с выхода теплонасосной схемы (с выходатеплового насоса последней ступени нагрева) подключен к схеме потребления черезрегулятор 18. Отапливаемые помещения обозначены поз.19. В схеме потребленияможет быть по меньшей мере одно отапливаемое помещение 19.

Способ отопления реализуют с использованием системы отопления иупомянутого способа ГВС следующим образом.

Каждый тепловой насос теплонасосной схемы системы отопления, как в способеГВС, используют как ступень последовательного нагрева воды. После подготовкиэтой схемы к работе подают воду на нагрев по трубопроводу 10 в теплонасоснуюсхему - в конденсатор 3 теплового насоса первой ступени, а в испарители 1 тепловыхнасосов каждой ступени по контуру низкопотенциального тепла подают воду НПИ.Рабочее тело в испарителях 1 от этого тепла закипает и из жидкого состояния

Ñòð.: 10

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

переходит в газообразное. Образовавшийся пар по трубопроводам 4 попадает вкомпрессоры 2, где при сжатии нагревается до высокой температуры и поддавлением выталкивается в конденсаторы 3 по трубопроводам 5. В конденсаторе 3теплового насоса первой ступени рабочее тело передает тепло воде, поданной нанагрев по трубопроводу 10, а само из пара превращается в жидкость и потрубопроводу 6 возвращается в испаритель 1. Нагреваемую воду по водяномуконтуру передают от ступени к ступени последовательно: от конденсатора 3 первойступени подают по трубопроводу 7 в конденсатор 3 второй ступени, нагретую вовторой ступени воду до более высокой температуры - по трубопроводу 7 вконденсатор 3 третьей ступени, а нагретую в третьей ступени воду до нормативнойтемпературы подают по трубопроводу 11 через регулятор 18 в схему потребления.

Если прототип, имеющий такую же теплонасосную схему и работающий почетырехугольному циклу Лоренца, использовать на отопление, когда на нагрев втепловой насос первой ступени надо подавать обратную сетевую воду (например,имеющую температуру +60°С), то в теплонасосной схеме будут большие потери начастичное 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).

Для получения режима без дроссельных потерь - с полезным использованиемпрактически всего вырабатываемого теплонасосного тепла - в теплонасосной схемесистемы 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 (начальнуютемпературу), и настраивают каждый тепловой насос. Начальную температуруподаваемой воды выбирают максимально близкой к температуре кипения рабочеготела теплового насоса первой ступени нагрева и постоянной. Если температуракипения рабочего тела этого теплового насоса равна 0°С, то лучше всего выбиратьначальную температуру подаваемой на нагрев воды равной 0°С или ≈0°С. При этомтепловой насос каждой ступени настраивают на температуру конденсации егорабочего тела, при которой тепло Qi, отдаваемое этой ступенью, отвечает условию:

,

где i - порядковый номер ступени нагрева,Qв ы х . - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени,n - количество ступеней нагрева.Для выполнения этого условия температура конденсации рабочего тела

теплового насоса каждой ступени должна быть максимально близка к температуренагретой воды на выходе этой ступени. Так как температура нагретой воды отступени к ступени повышается, то температуры конденсации рабочего тела отступени к ступени будут изменяться в соответствии с изменением температурынагретой воды в конденсаторах 3.

В результате указанной настройки и выбора начальной температуры воды,подаваемой на нагрев, при примерно одинаковой производительности ступенейнагрева достигают одинакового прироста температуры воды, нагреваемой наступенях, что обеспечивает работу теплонасосной схемы на отопление с полезнымиспользованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.

В теплонасосной схеме системы отопления используют от четырех до шестиступеней нагрева, что оптимально для получения наивысших значений всех

Ñòð.: 11

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

показателей теплонасосного цикла. Начальную температуру воды, подаваемой нанагрев, лучше выбирать в пределах от 0°С до +15°С, так как именно такая начальнаятемпература максимально близка к температуре кипения рабочего тела тепловогонасоса первой ступени, что является необходимым условием для режима с полезнымиспользованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла.

При соблюдении указанных условий в системе отопления будет организовантреугольный цикл Лоренца 7-1-3-4-8'-7 (фиг.6), благодаря которому в сравнении содноступенчатым традиционным теплонасосным циклом 7-1-3-4-5-8'-7 получаютэкономический эффект, показанный на фиг.6 заштрихованной площадью 8'-4-5-8'. Впрототипе, работающем по четырехугольному циклу Лоренца 7-1-3-4-6-8'-7 (фиг.6), всравнении с тем же одноступенчатым традиционным теплонасосным циклом 7-1-3-4-5-8'-7, как показали расчеты, можно получить значительно меньший экономическийэффект (показан заштрихованной площадью 6-4-5). Расчетные технико-экономические показатели для треугольного и четырехугольного циклов Лоренца вспособе отопления с использованием упомянутого способа ГВС приведены втабл.1, 2 соответственно (см.). Из таблиц 1, 2 видно преимущество треугольногоцикла Лоренца по сравнению с четырехугольным.

Для получения в схеме потребления начальной температуры подаваемой воды,необходимой для треугольного цикла Лоренца, устанавливают с помощьюзадатчика температуры (на фиг.4 не показан) нужную температуру, до которой надонагреть воздух в отапливаемом помещении 19. Задатчик управляет регулятором 17,распределяющим поток нагретой в теплонасосной схеме воды (являющейся приотоплении прямой сетевой водой) между нагревательным прибором 12 и воздушнымтеплообменником 13, с помощью которого подают теплый воздух в отапливаемоепомещение 19. В зависимости от разницы между установленной на задатчике ифактической температурой в отапливаемом помещении 19 (которая зависит оттемпературы наружного воздуха) регулируют обороты вентилятора 14, тем самымизменяют объем подаваемого в отапливаемое помещение 19 теплого воздуха. Врезультате обеспечивают работу системы отопления по водовоздушной иливоздушной схемам в зависимости от температуры наружного воздуха.

В начале отопительного сезона, когда температура наружного воздуха не ниже -7°С, прямую сетевую воду подают в нагревательный прибор 12, а обратную сетевуюводу - в воздушный теплообменник 13 через обратный клапан 16. Так как при этомтемпература обратной сетевой воды невысокая, то на отопление работаетфактически только один нагревательный прибор 12. При понижении температурынаружного воздуха температура обратной сетевой воды увеличивается, чтопозволяет 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 обратнойсетевой воды уже недостаточна для нагрева воздуха в воздушномтеплообменнике 13 до +40°С. Тогда обратную сетевую воду подогревают прямойсетевой водой, подавая их одновременно в нагревательный прибор 12 и в воздушныйтеплообменник 13 с помощью регулятора/регуляторов 17. Обратный клапан 16 навыходе нагревательного прибора 12 при этом предотвращает попадание прямойсетевой воды на его выход. При температуре наружного воздуха ниже -40°Ссовместная работа нагревательного прибора 12 и воздушного теплообменника 13уже не обеспечивает в отапливаемом помещении 19 комфортную температуру +20°С.В этом случае нагревательный прибор 12 отключают регулятором 17 и прямую

Ñòð.: 12

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

сетевую воду подают непосредственно в воздушный теплообменник 13.Вентилятор 14 увеличивает объем подаваемого теплого воздуха.

Таким образом, в системе отопления осуществляют подачу прямой сетевой воды внагревательный прибор 12 и/или в воздушный теплообменник 13 в зависимости оттемпературы наружного воздуха.

В воздушном теплообменнике 13 поданную воду (обратную сетевую и/илипрямую сетевую) охлаждают наружным воздухом, поступающим в него черезвоздушный регенератор 15, до начальной температуры (для тепловых насосов),выбранной для обеспечения работы тепловых насосов по треугольному циклуЛоренца. После этого охлажденную воду подают на нагрев в тепловой насос первойступени нагрева по трубопроводу 10, а воздух, нагретый до температуры +40°С ввоздушном теплообменнике 13, подают в отапливаемое помещение 19. При этомтеплый воздух из отапливаемого помещения 19 подают в воздушный регенератор 15для нагрева им поступающего в регенератор 15 наружного воздуха, а охлажденныйв воздушном регенераторе 15 воздух подают на сброс.

В способе отопления предусмотрено при нагреве воды переключениетеплонасосной схемы системы отопления на реверс с помощью регуляторовнаправления течения нагреваемой воды, установленных на входах тепловых насосовпервых и последних ступеней нагрева (на фиг.4 не показаны). При этом тепловыенасосы последних ступеней, работающие при больших температурах и давлениирабочего тела, переводятся в облегченный режим работы тепловых насосов первыхступеней, что повышает срок их службы, а значит, срок службы системы отопления вцелом.

В летний период схему потребления системы отопления отключают с помощьюрегулятора 18 и используют теплонасосную схему на нужды ГВС, подавая на входтеплонасосной схемы воду, имеющую температуру, необходимую для получениятреугольного цикла Лоренца.

Таким образом, предлагаемый способ отопления обеспечивает работу системыотопления по треугольному циклу Лоренца с полезным использованием почти всеговырабатываемого теплонасосного тепла в районах с разными климатическимиусловиями, что позволяет решить поставленную задачу.

1. Примеры реализации способа ГВС.Пример 1. Система ГВС в виде теплонасосной схемы состоит из трех тепловых

насосов - трех ступеней нагрева, нагреваемую воду передают от ступени к ступенипоследовательно.

Температура кипения рабочего тела каждого теплового насоса 0°С.Температура воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени

нагрева, ≈0°С.Температура конденсации рабочего тела теплового насоса первой ступени +35°С.Температура нагретой воды на выходе первой ступени +30°С.Температура конденсации рабочего тела теплового насоса второй ступени +55°С.Температура нагретой воды на выходе второй ступени +50,3°С.Температура конденсации теплового насоса третьей ступени +75°С.Температура нагретой воды для ГВС +71°С; эта вода поступает потребителям.Пример 2. Система ГВС состоит из шести тепловых насосов - шести ступеней

нагрева, нагреваемую воду передают от ступени к ступени последовательно.Температура кипения рабочего тела каждого теплового насоса 0°С.Температура воды, подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени

Ñòð.: 13

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

нагрева, ≈0°С.Температура конденсации рабочего тела теплового насоса первой ступени +17°С.Температура нагретой воды на выходе первой ступени +12°С.Температура конденсации рабочего тела теплового насоса второй ступени +29°С.Температура нагретой воды на выходе второй ступени +24°С.Температура конденсации рабочего тела теплового насоса третьей ступени +41°С.Температура нагретой воды на выходе третьей ступени +36°С.Температура конденсации рабочего тела теплового насоса четвертой ступени +

53°С.Температура нагретой воды на выходе четвертой ступени +48°С.Температура конденсации рабочего тела теплового насоса пятой ступени +64°С.Температура нагретой воды на выходе пятой ступени +59°С.Температура конденсации рабочего тела теплового насоса шестой ступени +75°С.Температура нагретой воды для ГВС +70°С; эта вода поступает потребителям.2. Примеры реализации способа отопления с использованием упомянутого

способа ГВС в системе отопления, содержащей теплонасосную схему, связанную сосхемой потребления, показаны в таблицах 3, 4.

В таблицах 3, 4 приведены следующие показатели соответственно длятреугольного и четырехугольного циклов Лоренца при трехступенчатом ишестиступенчатом нагреве для разных температур конденсации рабочего телатеплового насоса последней ступени нагрева: коэффициент φ трансформации,себестоимость вырабатываемого тепла Ст е п л а, срок окупаемости Во к у п . и суммарнаятеплопроизводительность Qт п   о б щ. Затемненным фоном отмечены режимы, работапри которых экономически нецелесообразна, штриховкой отмечен предельнодопустимый режим работы, белым фоном выделены допустимые режимы.

Из сравнения расчетных данных таблиц 3, 4 видно, что при одной и той жетемпературе конденсации рабочего тела теплового насоса последней ступенинагрева при треугольном цикле Лоренца повышаются все показателитеплонасосного цикла по сравнению с четырехугольным циклом Лоренца. Так,например, при температуре конденсации +70°С при шестиступенчатом нагревекоэффициент φ трансформации составляет 6,298 против 3,799; себестоимостьвырабатываемого тепла Ст е п л а - 418,5 руб/Гкал против 678,5 руб/Гкал; срококупаемости Во к у п . - 5,77 лет против 10,68 лет; теплопроизводительность Qт п   о б щ . -0,984 Гкал/час против 0,766 Гкал/час.

При температуре конденсации +75°С и выше способ отопления почетырехугольному циклу Лоренца (табл.4) переходит в экономическинецелесообразный режим. При треугольном цикле Лоренца такой режим ненаступает даже при температуре конденсации, равной +90°С (табл.3).

Таким образом, сравнение расчетных технико-экономических показателейговорит в пользу способа отопления с треугольным циклом Лоренца,реализованного в выбранной системе отопления и использующего предложенныйспособ ГВС.

Ñòð.: 14

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

Ñòð.: 15

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

Ñòð.: 16

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

Ñòð.: 17

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

Формула изобретения1. Способ горячего водоснабжения (ГВС), включающий подачу воды на нагрев в

теплонасосную схему системы, нагревание в ней этой воды до нормативнойтемпературы с помощью тепловых насосов, каждый из которых используют как

Ñòð.: 18

CL

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

ступень последовательного нагрева воды, и доставку нагретой воды потребителям,отличающийся тем, что для нагревания воды в теплонасосной схеме системыорганизуют теплонасосный цикл, максимально приближенный к треугольномутеплонасосному циклу Лоренца, для чего температуру воды, подаваемой на нагрев втепловой насос первой ступени, выбирают максимально близкой к температурекипения его рабочего тела, а тепловой насос каждой ступени настраивают натемпературу конденсации его рабочего тела, при которой тепло Qi, отдаваемое этойступенью, отвечает условию: 

где i - порядковый номер ступени нагрева;Qв ы х - суммарное тепло от всех ступеней нагрева на выходе последней ступени;n - количество ступеней нагрева.2. Способ ГВС по п.1, отличающийся тем, что количество ступеней нагрева

выбирают равным от четырех до шести.3. Способ ГВС по п.1 или 2, отличающийся тем, что температуру воды,

подаваемой на нагрев в тепловой насос первой ступени, выбирают в пределах от 0°Сдо +15°С.

4. Способ ГВС по п.1, отличающийся тем, что при нагреве воды теплонасоснуюсхему переключают на реверс с помощью регуляторов направления течениянагреваемой воды, установленных на входах тепловых насосов первой и последнейступеней нагрева.

5. Способ отопления, включающий подачу воды на нагрев в теплонасосную схемусистемы, нагревание в ней этой воды до нормативной температуры и доставкунагретой воды потребителям, отличающийся тем, что указанные операцииосуществляют в соответствии со способом ГВС по п.1-4, при этом нагретую водудоставляют в схему потребления, в которой для отапливания помещения используютнагревательный прибор и воздушный теплообменник, причем в зависимости оттемпературы наружного воздуха с помощью регулятора/регуляторов воду,нагретую в теплонасосной схеме, подают в качестве прямой сетевой воды внагревательный прибор и/или в воздушный теплообменник, а обратную сетевуюводу - в воздушный теплообменник, где поданную воду охлаждают наружнымвоздухом до температуры, максимально близкой к температуре кипения рабочеготела теплового насоса первой ступени нагрева, при этом на нагрев в этот тепловойнасос подают охлажденную воду с воздушного теплообменника, а нагретый в немвоздух подают в отапливаемое помещение.

6. Способ отопления по п.5, отличающийся тем, что наружный воздух до подачи ввоздушный теплообменник подогревают в воздушном регенераторе теплымвоздухом, удаляемым из отапливаемого помещения.

Ñòð.: 19

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 454 608 C1

Ñòð.: 20

DR

RU 2 454 608 C1

Ñòð.: 21

RU 2 454 608 C1

Ñòð.: 22

RU 2 454 608 C1

Ñòð.: 23