Способ и устройство для кондиционирования воздуха и обогрева комнатного пространства

 

Способ и устройство предназначены для кондиционирования воздуха и обогрева комнатного пространства. Воздух всасывается из комнатного пространства и пропускается через нагревательный и охлаждающий радиаторы к приточному вентилятору, посредством которого воздух вдувается обратно в комнатное пространство. Чтобы устранить экономически невыгодные пики нагрузки на сеть центрального отопления, по крайней мере часть воздуха, всасываемого из комнатного пространства, вначале последовательно пропускают через радиатор на выходе воздуха и радиатор на входе воздуха, устройство для рекуперации тепла и затем через нагревательный и охлаждающий радиаторы. Предложение позволяет улучшить теплопередающую способность сети центрального отопления и снизить капиталовложения. 2 c. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу кондиционирования воздуха и обогрева комнатного пространства, при котором воздух всасывается из комнатного пространства и пропускается через нагревательные и охлаждающие радиаторы к приточному вентилятору, вдувающему воздух обратно в комнатное пространство. Изобретение также относится к устройству для кондиционирования воздуха и обогрева комнатного пространства.

В настоящее время в целях экономии энергии обычно допускают снижение комнатной температуры в деловых помещениях, конторах, на фабриках и в других подобных помещениях во время отопительного периода ночью, в выходные дни или в другое время, когда здание не используется. В таком случае систему кондиционирования воздуха либо полностью выключают из использования, либо используют с очень низкой производительностью.

За два-три часа до прибытия людей систему отопления включают на полную мощность, и температура в здании начинает повышаться. Одновременно система кондиционирования начинает работать на возврате воздуха: воздух всасывается из комнатного пространства, пропускается через канал, снабженный заслонкой на возврате воздуха, к нагревательному радиатору и через входной канал вдувается обратно в комнатное пространство здания. Другими словами, в этот момент воздух рециркулирует. Еще не работает устройство для рекуперации тепла в системе кондиционирования воздуха, т.е. воздух совсем не течет через указанное устройство.

Циркулирующий воздух требуется нагревать в нагревательном радиаторе до как можно высокой температуры, обычно до около 35-40^oC. Поскольку в этот момент температура в здании обычно составляет 16-19^oC, а радиатор имеет ограниченную поверхность теплопередачи, то клапан на жидкостной стороне радиатора находится в полностью открытом положении, и температура возвратной воды составляет по крайней мере 55-65^oC. Так как отопительная система одновременно работает с максимальной мощностью при максимальном количестве воды с температурой, которая ниже нормальной комнатной температуры, то пик нагрузки достигается во время утреннего отопления, что ясно показывают измерения на установках центрального отопления. Вся сеть центрального отопления фактически проектируется на этот пик нагрузки как по потреблению, так и особенно по расходу воды. При проектировании сети расход воды имеет первостепенное значение. В вышеуказанной ситуации температура возвратной воды выше нормальной температуры, что снижает теплопередающую способность сети центрального отопления и КПД котла.

В финской патентной заявке 921034 показано, что можно понизить температуру воды центрального отопления и улучшить теплопередающую способность сети, соединив последовательно теплопередающую систему здания с теплообменником системы кондиционирования воздуха. Однако вышеуказанная схема расположения бесполезна, если нагревательный радиатор одновременно не спроектирован в пять-десять раз больше, чем обычно. При нормальном использовании подобный радиатор не был бы больше регулируемым. Радиатор такого размера приводил бы к таким расходам, которые превышали бы экономию, достигаемую при проектировании сети центрального отопления. При нормальном использовании установки радиатор создавал бы также большое гидравлическое сопротивление как для воздуха, так и для жидкости, тем самым значительно увеличивая потребление энергии в системе.

К примерам других известных решений относятся решение в финском патенте 81440 по применению теплового насоса и особое решение в финском патенте 73067 по кондиционированию воздуха в пространстве, имеющем высокую влажность. Недостаток этих решений заключается в том, что их эффективность не может быть увеличена посредством какой-либо циркуляции воздуха.

Задачей изобретения является создание способа и устройства, посредством которых можно устранить недостатки предшествующего уровня. Это достигается с помощью изобретенного способа, который отличается тем, что по крайней мере часть воздуха, всасываемого из комнаты, вначале пропускается через радиатор на выходе воздуха или радиатор на входе воздуха, имеющиеся в устройстве для рекуперации тепла, или через оба радиатора при их последовательном соединении и затем подается в нагревательные и охлаждающие радиаторы и что тепло подводится или отводится в контуре циркуляции жидкости устройства для рекуперации тепла. Изобретенное устройство отличается тем, что оно содержит второй канал, предназначенный для соединения выхода радиатора на выходной стороне устройства для рекуперации тепла с входом радиатора на входной стороне и для обеспечения потока воздуха, всасываемого из комнатного пространства, или по крайней мере части этого воздуха через последовательно соединенные радиаторы до того, как воздух будет направлен в радиаторы для нагрева или охлаждения вдуваемого воздуха, и что второй канал снабжен заслонкой для использования при утреннем отоплении, с помощью которой при желании можно перекрыть канал.

Основное преимущество изобретения заключается в том, что воздух может быть нагрет до намного более высокой температуры, чем в настоящее время, что сокращает время, необходимое для нагрева здания до прибытия людей. Однако температуру возвратной воды можно поддерживать более низкой, чем в настоящее время, т. е. на уровне, соответствующем нормальной температуре, т.е. около 40-50^oC.

В качестве альтернативы можно нагревать возвращающийся воздух до уровня, имеющегося в настоящее время, т.е. до около 35-40^oC, но и понижать до 20-35^oC температуру возвратной воды, отводимой из сети центрального отопления. Это полностью устраняет пик нагрузки, вызываемый отоплением в утреннее время.

По сравнению с предшествующим уровнем техники значительно улучшается теплопередающая способность сети центрального отопления и/или существенно снижаются необходимые капиталовложения.

Конечно, можно объединить вышеуказанные преимущества: несколько повысить температуру возвращающегося воздуха при одновременном понижении в некоторой степени температуры возвратной воды, отводимой из сети центрального отопления, например до 35^oC.

Все вышеуказанные преимущества достигаются без значительного добавления расходов и без увеличения гидравлического сопротивления и энергопотребления системы кондиционирования воздуха. Кроме того, при нормальном использовании систему можно легко регулировать.

Для ясности выше упоминалось только центральное отопление. Конечно, аналогичные преимущества относятся также ко всем другим устройствам и трубопроводам, используемым для производства и передачи тепловой энергии как внутрь, так и наружу здания, и, следовательно, изобретение также относится и к ним.

В дальнейшем изобретение будет описываться более подробно посредством вариантов его осуществления, иллюстрируемых приложенными чертежами, на которых: фиг.1 - общая схема известного устройства для кондиционирования; фиг. 2 - общая схема первого варианта выполнения устройства согласно изобретению; фиг.3 - общая схема второго варианта выполнения устройства согласно изобретению; фиг. 4 - общая схема третьего варианта выполнения устройства согласно изобретению; на фиг. 1 показано известное устройство для кондиционирования воздуха. Устройство действует следующим образом. Как излагалось выше, за два часа до прибытия людей отопительную систему включают на полную мощность и температура в здании начинает повышаться. Также приводят в действие систему кондиционирования воздуха на фиг. 1: вентилятор 4 всасывает воздух из комнатного пространства 1 через выходной канал 2 и выходной фильтр 3. Воздух через первый канал 5а направляют к нагревательному и охлаждающему радиаторам 6, 7 и далее к вентилятору на входе воздуха 8. Первый канал 5а снабжен заслонкой на возврате воздуха 5, которая в этот момент находится в полностью открытом положении, позволяя воздуху течь через первый канал 5а. Вентилятор 8 на входе воздуха вдувает воздух обратно в комнатное пространство 1 через входной канал 9. В этот момент заслонки на выходе и входе воздуха 10, 11 находятся в закрытом положении, а устройство для рекуперации тепла 12 не используется. На фиг. 1 поток воздуха показан стрелками. Циркулирующим теплоносителем, например водой, тепло через канал 13 переносится радиатору 6.

В радиаторе 6 воздух должен быть нагрет до как можно более высокой температуры. Однако, ограниченная теплопередающая поверхность радиатора 6 создает проблемы, упомянутые ранее.

На фиг. 2 показан преимущественный вариант выполнения устройства согласно изобретению. На фиг. 2 в соответствующих местах использованы такие же обозначения, как на фиг. 1. Изобретение основано на идее, что во время отопления утром большая теплопередающая способность устройства для рекуперации тепла используется для пропуска воздуха от выходного вентилятора 4 вначале через радиаторы 12' и 12" устройства для рекуперации тепла и затем к нагревательному радиатору 6 благодаря соединению устройства для рекуперации тепла с нагревательной системой кондиционирования воздуха. Это образует свободный противоточный теплообменник, теплопередающая способность которого почти в десять раз больше, чем у нагревательного радиатора.

Большая теплопередающая способность делает возможным последовательное соединение нагревательного контура системы кондиционирования воздуха в здании таким образом, что теплоноситель отдает тепло вначале отопительной системе и затем системе кондиционирования воздуха. Таким образом, можно поддерживать высокую температуру возвратной воды, выходящей из отопительной системы, и достигать большого теплового КПД. Несмотря на это, можно поддерживать низкую температуру, при желании около 25^oC, возвратной воды, выходящей из системы кондиционирования воздуха в сеть центрального отопления, и полностью устранять пик нагрузки, который является неэкономичным в отношении проекта сети центрального отопления.

Важной особенностью способа согласно изобретению является то, что по крайней мере часть воздуха, всасываемого из помещения 1, вначале пропускается через радиатор на выходе воздуха 12' или радиатор на входе воздуха 12", или через эти оба радиатора при их последовательном соединении и затем подается к нагревательному и охлаждающему радиаторам 6, 7. Согласно основной идее изобретения можно по необходимости полностью или частично использовать существующую теплообменную способность системы. Что касается устройства на фиг. 2, в котором используется вышеописанный способ, то важной особенностью этого устройства является то, что содержит второй канал 18а, предназначенный для соединения выходной стороны устройства для рекуперации тепла с выходной стороной радиатора 12' и его входной стороны с входной стороны радиатора 12" и для обеспечения возможности потока воздуха, всасываемого из комнатного пространства 1, или по крайней мере части указанного воздуха последовательно через вышеупомянутые радиаторы до того, как он будет пропущен через радиаторы 6, 7 для нагрева и охлаждения вдуваемого воздуха, и что второй канал 18а снабжен заслонкой 18 для использования при отоплении в утреннее время, с помощью которой можно при желании закрыть канал.

Понятно, что можно изменить вариант на фиг. 2: при желании воздух можно пропустить, например, в обход радиатора 12" непосредственно в радиатор 6. В этом случае используется только один из радиаторов устройства для рекуперации тепла. Соответственно воздух можно пропустить в обход радиатора 12' в радиатор 12" и далее в радиатор 6, и т.д.

В варианте на фиг. 2 воздух удаляют из комнатного пространства 1 вентилятором 4 через канал 2 и фильтр 3. Однако, воздух не проходит обратно через заслонку на возврате воздуха, так как она находится в закрытом положении. Воздух пропускают через открытую заслонку 11 в радиатор 12' на выходной стороне устройства для рекуперации тепла и далее во второй канал 18а. Заслонка 18 во втором канале, которая используется при утреннем отоплении, здесь находится в открытом положении. Воздух затем проходит в радиатор 12" на входной стороне устройства для рекуперации тепла и через заслонку 10, нагревательный радиатор 6 и охлаждающий радиатор 7 направляется в вентилятор 8, который через канал 9 вдувает воздух обратно в комнатное пространство 1.

При вышеуказанном способе для нагрева воздуха используют три последовательно соединенных радиатора 12' и 12" и 6. Если тепловой КПД устройства для рекуперации тепла составляет 60%, а соответствующая величина для нагревательного радиатора - 40% (обе величины - низкие), то КПД обоих радиаторов для рекуперации тепла в отдельности - около 77% и при последовательном соединении при противоточном режиме - выше 96%. Другими словами, температура возвратной воды, выходящей из радиатора 12', очень близка к температуре воздуха, входящего в него, т.е. комнатной температуре, и/или температура воздуха, выходящего из радиатора 6 в комнатное пространство 1, очень близка к температуре входящей воды.

К радиаторам 12' и 12" тепло можно подводить, например, следующим образом: возвратную воду, выходящую из радиатора 6, не пропускают через клапан 13 к трубе возвратной воды 15, а через двухходовой клапан 16 и трубу 19 направляют в теплообменник 17, расположенный в контуре циркуляции жидкости системы рекуперации тепла, и далее по трубе 19 в трубу возвратной воды 15. Если температуру возвратной воды отрегулировать примерно на 10^oC выше температуры возвратной воды на выходной стороне радиатора 12', то теплообменник окажется недорогим и довольно небольшим по размеру. Температура возвратной воды тогда будет ниже 30^oC, если комнатная температура равна 16-19^oC.

При обычном использовании устройства на фиг. 2 в качестве устройства с возвратом воздуха закрывают заслонку 18, применяемую при утреннем отоплении, и прерывают подвод тепла к теплообменнику 17 в устройстве для рекуперации тепла. Пропорции входящего, выходящего и возвращающегося воздуха регулируют обычным образом с помощью заслонок 5, 10 и 11. Если устройство не работает с возвратом воздуха, то не требуются заслонки 5, 10, 11.

На фиг. 3 показан второй преимущественный вариант выполнения устройства согласно настоящему изобретению. На фиг. 3 показаны только соединения на жидкостной стороне устройства; в противном случае это решение соответствует варианту на фиг.2.

Устройство на фиг. 3 в некоторых отношениях более полезно, чем устройство на фиг. 2, поскольку в варианте на фиг. 3 контур рекуперации тепла не содержит отдельного теплообменника 17, как в варианте на фиг. 2. В варианте на фиг. 3 контур рекуперации тепла последовательно соединен с нагревательным радиатором 6, благодаря чему греющая жидкость, выходящая из радиатора 6, течет через регулирующий клапан 16 в радиатор 12" на входе воздуха и далее через радиатор на выходе воздуха 12' в теплообменник 17' системы кондиционирования воздуха. Теплообменник 17' через клапан 25 последовательно соединен с теплообменником 26, подсоединенным к отопительной системе через клапан 30. Теплообменник 26 соединен с подводящей трубой 28 системы центрального отопления, и греющая вода удаляется из теплообменника 17' в возвратную трубу 29 через насос 31 и клапан 24.

Как отмечалось выше, на фиг.3 не показаны все те части, которые не имеют отношения к теплообмену и сходны с показанными на фиг.2. Более того, на фиг. 3 система трубопроводов для греющей воды показана в упрощенном виде. Цифрой 27 обозначена площадь, охватываемая отопительной системой здания, которая может включать части, соединенные последовательно и/или параллельно. Для получения горячей воды может быть использована часть отопительной системы или отдельный теплообменник, который последовательно или параллельно соединен с теплообменником 17' или представляет собой совершенно отдельный аппарат. Конечно, теплообменник 17' может также обслуживать несколько кондиционеров, соединенных последовательно или параллельно, или отдельные вторичные нагревательные радиаторы или другие радиаторы в системе кондиционирования воздуха. Система может содержать более одного теплообменника 17' и/или 26, соединенных параллельно и/или последовательно.

В варианте на фиг. 3 не нужен теплообменник, соответствующий теплообменнику 17 в варианте на фиг.2. Более того, возвратная вода, выходящая из системы центрального отопления, примерно на 10^oC холоднее, чем в варианте на фиг. 2, так как возвратная вода, выходящая из устройства для рекуперации тепла, оказывает непосредственное охлаждающее воздействие на воду из центрального отопления. С другой стороны, незамерзающая жидкость (обычно смесь воды и гликоля), которая проходит через теплообменник 17', радиатор 6 и соединяющие их клапаны, трубопроводы и т.п., предъявляет дополнительные требования к их конструкции.

На фиг. 4 показан третий предпочтительный вариант выполнения устройства согласно изобретению. На фиг. 4 в соответствующих местах используются такие же обозначения, как и на фиг. 3. В варианте на фиг.3 нагревательные, охлаждающие и теплорекуперационные радиаторы объединены с образованием одного теплообменника 12А. Сравнение фиг.3 и 4 показывает, что преимущество варианта на фиг.4 заключается в том, что сеть трубопроводов и средства управления значительно проще, чем в варианте на фиг.3, и что не требуется никакого насоса обратной воды для нагревательного радиатора. На фиг.4 показано также соединение теплообменника 32 для горячей вода параллельно теплообменнику 17' системы кондиционирования воздуха. В некоторых случаях первый теплообменник может быть также полностью отдельным аппаратом, так как при использовании горячей воды вода центрального отопления может быть легко охлаждена до 20-25^oC.

Вышеуказанные варианты осуществления изобретения не предназначены для того, чтобы каким-либо образом ограничивать изобретение, и изобретение может быть совершенно свободно видоизменено в пределах прилагаемой формулы изобретения. Поэтому следует учесть, что устройство согласно изобретению не обязательно должно быть одинаково с показанными на чертежах, и что возможны также решения иного рода. В пределах изобретения возможно применение всех устройств для кондиционирования воздуха и трубопроводных, контрольных и электрических соединений, известных сами по себе.

Формула изобретения

1. Способ кондиционирования воздуха и обогрева комнатного пространства, при котором воздух откачивают из комнатного пространства 1 и пропускают через нагревательный и охлаждающий радиаторы 6, 7 к вентилятору для подачи воздуха 8, посредством которого воздух подают обратно в комнатное пространство 1, отличающийся тем, что по крайней мере часть воздуха, откачиваемого из комнатного пространства 1 вначале пропускают через радиатор для откачиваемого воздуха 12' или радиатор подаваемого воздуха 12'' устройства для рекуперации тепла или через оба змеевика при их последовательном соединении и затем подают в нагревательный и охлаждающий радиаторы 6, 7, причем энергию нагрева или охлаждения подводят к промежуточному контуру для теплопередающей жидкости в устройстве для рекуперации тепла.

2. Устройство для кондиционирования воздуха и обогрева комнатного пространства, содержащее вентиляторы 4, 8 для откачивания воздуха из комнатного пространства 1 и для подачи воздуха в комнатное пространство, радиаторы 6, 7 для нагрева и охлаждения подаваемого воздуха и первый канал 5а для прохождения воздуха, откачиваемого из комнатного пространства 1, в нагревательный и охлаждающий радиаторы 6, 7 до его подачи обратно в комнатное пространство 1, причем количество воздуха, проходящего через первый канал 5а, регулируется заслонкой на возврате воздуха 5, расположенной в канале 5а, и устройство для рекуперации тепла, которое содержит радиаторы для рекуперации тепла 12', 12'' на вытяжной и подающей сторонах и заслонки 10, 11, 22, 23, посредством которых регулируется объемный расход откачиваемого и подаваемого воздуха через радиаторы, отличающееся тем, что устройство содержит второй канал 18а, расположенный для соединения выхода радиатора для откачиваемого воздуха 12' устройства для регенерации тепла с входом радиатора для подаваемого воздуха 12'' и для обеспечения возможности воздуху, откачиваемому из комнатного пространства 1, или по крайней мере части этого воздуха проходить последовательно через радиаторы до прохождения воздуха в радиаторы 6, 7 для нагрева и охлаждения подаваемого воздуха, а второй канал снабжен заслонкой 18, используемой при утреннем отоплении, для обеспечения возможности закрытия указанного канала 18а.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что радиаторы для нагрева и охлаждения подаваемого воздуха 6, 7 и радиаторы для рекуперации тепла 12', 12'' выполнены с образованием единого теплообменника, выполняющего необходимые функции.

4. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что возвратная вода, выходящая из радиатора 6 для нагрева подаваемого воздуха, подается в теплообменник 17, расположенный в промежуточном контуре для теплопередающей жидкости в устройстве для рекуперации тепла.

5. Устройство по любому из пп. 2 - 4, отличающееся тем, что система циркуляции жидкости радиатора 6 для нагрева подаваемого воздуха последовательно соединена с радиатором для рекуперации тепла 12', 12'', а теплообменник 17', подводящий тепло к контуру для кондиционирования воздуха, последовательно соединен с теплообменником 26 отопительной системы, которая обогревает комнатное пространство 1.

6. Устройство по любому из пп.2 - 4, отличающееся тем, что оно снабжено теплообменником 32 для горячей воды, параллельно соединенным с теплообменником 17', подводящим тепло в контур кондиционирования воздуха.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что теплообменник 32 для горячей воды непосредственно соединен с сетью центрального отопления или с другим источником тепла как отдельный аппарат.

8. Устройство по любому из пп.5 - 7, отличающееся тем, что греющая жидкость, несущая теплоту конденсации от холодильников или другое отходящее тепло, подается во впускную трубу системы циркуляции жидкости теплообменника 17', подводящего тепло к контуру для кондиционирования воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4