система теплоснабжения и горячего водоснабжения на основе возобновляемых источников энергии

Формула изобретения

Система теплоснабжения и горячего водоснабжения на основе возобновляемых источников энергии, включающая скважину-теплообменник для отбора низкопотенциального тепла горных пород, тепловой насос, пиковый электродоводчик и контуры горячего водоснабжения и низкотемпературного напольного отопления, соединенные между собой трубами с двумя насосами для циркуляции теплоносителей, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена контуром с солнечными коллекторами и баком-аккумулятором для обеспечения горячего водоснабжения и восстановления теплового поля вокруг скважины-теплообменника во время ее простоя в межотопительный период, а для предотвращения обратного оттока тепла центральная колонна труб в скважине-теплообменнике снаружи теплоизолирована.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для теплоснабжения и горячего водоснабжения децентрализованных объектов малой мощности с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Для энергообеспечения объектов малой мощности используются скважинные системы извлечения тепла горных пород в комплексе с тепловыми насосами (см. патент RU 2288413 - Способ извлечения геотермального тепла и статью Алхасова А.Б., Алишаева М.Г. Извлечение тепла грунта скважинным теплообменником в сезонном режиме работы // Известия РАН. Энергетика, № 2, 2007).

Известна также система низкотемпературного отопления и горячего водоснабжения (разработчик ОАО «Инсолар-Инвест»), включающая скважину-теплообменник, тепловой насос, пиковый электродоводчик и контуры горячего водоснабжения и напольного отопления (см. Алхасов А.Б. Геотермальная энергетика. М.: Физматлит, 2008. 376 с. (189-191 с.)). В такой системе промежуточный теплоноситель (вода) циркулирует в контуре «скважина-теплообменник - циркуляционный насос - испаритель теплового насоса», отбирая тепло в скважине от окружающей горной породы и передавая его в испарителе низкокипящему рабочему агенту. Теплоноситель в испарителе охлаждается на 4°С. Отбираемая от горной породы тепловая энергия в тепловом насосе с помощью компрессора переводится на более высокий температурный уровень (55°С) и через конденсатор передается в контуры горячего водоснабжения и низкотемпературного напольного отопления.

При длительной эксплуатации такой системы и постоянной циркуляции воды в скважине-теплообменнике происходит постепенное охлаждение горной породы вокруг скважины, что приводит к снижению эффективности работы теплового насоса и соответственно всей системы. Проведенные расчетные исследования показывают, что радиус фронта охлаждения за отопительный период может достигать до 6-8 м. В межотопительный период, когда система отопления отключается, происходит частичное (до 70%) восстановление температурного поля вокруг скважины за счет притока тепла от пород вне зоны охлаждения; достичь полного восстановления температурного поля вокруг скважины за время ее простоя не удается. Кроме того, для обеспечения горячего водоснабжения во время простоя системы приходится подключать дополнительный источник энергии.

Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков с повышением термодинамической эффективности системы и бесперебойным обеспечением потребителя тепловой энергией на основе ВИЭ.

С точки зрения бесперебойного обеспечения потребителя энергией наиболее эффективны комбинированные технологические системы, использующие два и более вида ВИЭ.

Поставленная цель достигается тем, что в системе теплоснабжения и горячего водоснабжения на основе возобновляемых источников энергии, включающей скважину-теплообменник для отбора низкопотенциального тепла горных пород, тепловой насос, пиковый электродоводчик, например, с электрическим нагревателем и контуры горячего водоснабжения и низкотемпературного напольного отопления, соединенные между собой трубами с двумя насосами для циркуляции теплоносителей, согласно изобретению система дополнительно снабжена контуром с солнечными коллекторами и баком-аккумулятором для обеспечения горячего водоснабжения и восстановления теплового поля вокруг скважины-теплообменника во время ее простоя в межотопительный период, а для предотвращения обратного оттока тепла центральная колонна труб в скважине-теплообменнике снаружи теплоизолирована.

На чертеже показана технологическая схема предлагаемой системы теплоснабжения и горячего водоснабжения на основе ВИЭ.

Система состоит из солнечных коллекторов 1, теплообменника 2, теплоизолированного бака-аккумулятора 3, контура горячего водоснабжения 7, теплового насоса 8, скважины-теплообменника 9 и контура напольного отопления 12.

В этой системе теплоноситель нагревается в солнечных коллекторах 1 энергией солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник 2, вмонтированный в бак-аккумулятор 3. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположены солнечные коллекторы, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор вмонтирован и электрический нагреватель 6. В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) электронагреватель автоматически включается и догревает воду до заданной температуры. Холодная вода по трубе 5 подается в бак-аккумулятор, а нагретая вода из бака по трубе 4 отводится к водоразборным устройствам контура горячего водоснабжения 7.

Блок солнечного коллектора эксплуатируется круглогодично и обеспечивает потребителя горячей водой, а блок низкотемпературного напольного отопления 12 с тепловым насосом и скважиной-теплообменником глубиной 100-200 м включается в эксплуатацию только в отопительный период.

В цикле теплового насоса холодная вода с температурой 5°С опускается в межтрубном пространстве скважины-теплообменника и отбирает низкопотенциальное тепло с окружающей горной породы. Далее нагретая в зависимости от глубины скважины до температуры 10-15°С вода поднимается по центральной колонне труб на поверхность. Для предотвращения обратного оттока тепла центральная колонна снаружи теплоизолирована 11. На поверхности вода из скважины поступает в испаритель теплового насоса, где происходит нагрев и испарение низкокипящего рабочего агента. После испарителя охлажденная вода вновь направляется в скважину. За отопительный период при постоянной циркуляции воды в скважине происходит постепенное охлаждение горной породы вокруг скважины. В конденсаторе теплового насоса тепловая энергия высокого потенциала передается в систему напольного отопления 12.

Солнечные коллекторы устанавливаются из теплового расчета для зимнего периода эксплуатации системы, когда солнечное сияние минимальное, что приведет к некоторому увеличению их площади. В летний период избыток тепловой энергии в виде горячей воды из бака-аккумулятора направляется в скважину для полного восстановления температуры в горной породе вокруг скважины.

В межотопительный период вентили 13 и 14 закрыты, и при открытых вентилях 15 и 16 горячая вода из бака аккумулятора циркуляционным насосом закачивается в межтрубное пространство скважины, где по мере спуска происходит теплообмен с окружающей скважину горной породой. Далее охлажденная вода по центральной теплоизолированной колонне направляется обратно в бак-аккумулятор. В отопительный период, наоборот, вентили 13 и 14 открыты, а вентили 15 и 16 закрыты. Циркуляция теплоносителей осуществляется с помощью насосов 10.

В предложенной технологической системе потенциал солнечной энергии используется максимальным образом, так как солнечные коллекторы эксплуатируются в течение всего года на подогрев воды в системе горячего водоснабжения и на нагрев горных пород вокруг скважины в системе низкотемпературного отопления. Регенерация тепла в горной породе позволяет поддерживать высокие значения коэффициента преобразования теплового насоса за отопительный период и эксплуатировать систему теплоснабжения в экономически оптимальном режиме.