Способ отопления зданий

Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться в системах отопления любых зданий, коттеджей и сооружений различного типа. Технический результат: снижение затрат на отопление зданий высокопотенциальным основным источником тепла за счет использования дополнительно низкопотенциального источника тепла. Способ отопления зданий заключается в получении тепла от высокопотенциального источника, установленного внутри здания, и низкопотенциального источника. От низкопотенциального источника тепла, содержащего уложенный в грунт ниже глубины замерзания почвы земляной трубопровод, передают тепло теплоносителю в объемной радиаторной системе, для чего внутри n-слойной стены устанавливают m≥1 объемных радиаторных систем с теплоносителем низкопотенциального источника тепла, место установки которых определяют при условии, что координаты осевой плоскости циркулирующего теплоносителя с температурой t_т внутри объемной радиаторной системы определяют по графику распределения температур внутри n-слойной стены из условия, что n≥3, a t_т>t_со, где t_т - температура теплоносителя объемной радиаторной системы, t_со - выбранная температура на графике распределения температур по осевой плоскости циркулирующего теплоносителя, причем t_т регулируют производительностью циркуляционного насоса в зависимости от заданной температуры внутри здания и колебания температур наружного воздуха. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться в системах отопления любых зданий, коттеджей и сооружений различного типа.

Известен способ отопления помещения на протяжении всего года путем использования в качестве низкопотенциальных источников теплоты воздуха или грунта в зависимости от температуры окружающего воздуха, причем в теплое время используют воздух, а холодное - грунт. Воздух, подающий вентилятором из вентиляционной шахты, чердака, кухни и др., подают в воздушный теплообменник и передают теплоту хладагенту теплонасосного контура. При температуре окружающего воздуха ниже 7°С к испарительно-конденсаторному агрегату подключают земляной трубопровод, уложенный в грунт на глубину 1,2-1,5 м в зависимости от структуры грунта (см. патент РФ №2206026, по кл. МКИ F24D 15/04, 2003).

Данный способ относится к дорогим способам отопления, т.к. используется дорогостоящее оборудование.

Наиболее близким по технической сущности является способ отопления зданий, заключающийся в получении тепла от высокопотенциального источника теплоты, установленного внутри здания, и низкопотенциального источника теплоты. Здание отапливают с помощью радиаторов и теплового насоса с испарителем, используя тепло, полученное при кристаллизации воды в лед. Помещение разделяют на две зоны - жилую и буферную. При отоплении буферной зоны холодную воду подают по трубопроводам в контактные охладители - кристаллизаторы и испаритель из окружающей среды или использованную тепловым насосом (см. А.С. СССР №1388665, по кл. МКИ F24D 11/02, 1985).

Недостатком данного решения является то, что наличие отапливаемой буферной зоны вокруг жилого помещения ведет к удорожанию строительства. Кроме того, для удаления льдоводяной смеси устанавливают электронагреватели, что совместно с выгрузкой отработанной льдоводяной смеси приводит к большим энергетическим затратам.

Задача предлагаемого изобретения - снижение затрат на отопление зданий высокопотенциальным основным источником тепла за счет использования дополнительно низкопотенциального источника тепла.

Указанная задача решается тем, что способ отопления зданий, заключающийся в получении тепла от высокопотенциального источника, установленного внутри здания, и низкопотенциального источника. От низкопотенциального источника тепла, содержащего уложенный в грунт ниже глубины промерзания почвы земляной трубопровод, передают тепло теплоносителю в объемной радиаторной системе, для чего внутри n-слойных стен устанавливают m≥1 объемных радиаторных систем с теплоносителем низкопотенциального источника тепла, при условии, что координаты осевой плоскости циркулирующего теплоносителя с температурой t_т внутри объемной радиаторной системы определяют по графику распределения температур внутри n-слойной стены из условия, что n≥3, а t_т>t_со, где t_со - выбранная температура на графике распределения температур по осевой плоскости циркулирующего теплоносителя, причем t_т регулируют производительностью циркуляционного насоса в зависимости от заданной температуры внутри здания и колебания температур наружного воздуха.

Кроме того, в качестве низкопотенциального источника используют тепло грунта или тепло грунтовых вод. А в качестве теплоносителя используют воздух или незамерзающую жидкость.

Новым в данном техническом решении является то, что от низкопотенциального источника тепла, содержащего уложенный в грунт ниже глубины промерзания почвы земляной трубопровод, передают теплоту теплоносителю в объемной радиаторной системе, для чего внутри n-слойной стены устанавливают m≥1 объемных радиаторных систем с теплоносителем низкопотенциального источника тепла, при условии, что координаты осевой плоскости циркулирующего теплоносителя с температурой t_т внутри объемной радиаторной системы определяют по графику распределения температур внутри n-слойной стены из условия, что n≥3, a t_т>t_co, где t_co - выбранная температура на графике распределения температур по оси циркулирующего теплоносителя, причем t_т регулируют производительностью циркуляционного насоса в зависимости от заданной температуры внутри здания и колебания температур наружного воздуха. Кроме того, в качестве низкопотенциального источника используют тепло грунта или тепло грунтовых вод. А в качестве теплоносителя используют воздух или незамерзающую жидкость.

Способ осуществляют следующим образом.

Определяют минимальную теоретическую толщину несущих стен здания без учета ее необходимого теплосопротивления. Затем определяют требуемое тепловое сопротивление стен здания, учитывая климатическую зону.

Для многослойной стены, состоящей из n слоев, тепловое сопротивление будет равно

,

где R - тепловое сопротивление, м град./Вт;

δ_i - толщина слоя стенки, м;

λ_i - коэффициент теплопроводности, Вт/м град.

Находят общую толщину стен δ из принятого материала, определяя теплопроизводительность основного высокопотенциального источника теплоты с учетом снижения затрат тепла на обогрев стен. Определяют температуры t_ci в соответствующих точках стен здания, определяют температуру теплоносителя t_т и вычерчивают график распределения температур, где t_c - средняя за период обогрева температура стен здания.

Определяют расстояния Т и А, предварительно вычислив координату x₁ при условии, что температура на графике t_co=t_{т min}. Помещают объемную радиаторную систему в качестве источника тепла внутри многослойной стенки, ось которой совмещают с координатой x₁, т.е. осевая плоскость циркулирующего теплоносителя будет совпадать с x₁. При использовании внутри здания высокопотенциального источника тепло будет расходоваться в основном на тепловые потери на расстояние от 0 до x₁ (расстояние А), а не на все сечение слоев стенки δ₁+δ₂+...+δ_n, как это было до установки объемной радиаторной системы. Тепло от объемной радиаторной системы с теплоносителем от низкопотенциального источника тепла будет расходоваться на обогрев стены на расстоянии Т. Объемная радиаторная система может быть выполнена в виде пустот с теплоносителем-воздухом между слоями или в виде системы труб, заполненных теплоносителем или воздухом или незамерзающей жидкостью. При t_т≥t_co подключают m>1 объемных радиаторных систем через переключающие вентили.

Технический результат - повышение экономии тепла от основного высокопотенциального источника тепла получается за счет использования дополнительно низкопотенциального дешевого и экологически чистого источника тепла как дополнительного без применения дорогостоящих систем. При использовании в качестве основного высокопотенциального источника тепла теплонасосной установки затраты на теплоэнергию могут быть дополнительно снижены.

На фиг.1 показан график температур в трехслойной стене при наличии высокопотенциального источника тепла, на фиг.2 показано то же с дополнительно установленным низкопотенциальным источником тепла, на фиг.3 показано то же, что и на фиг.2, но установлены две объемные радиаторные системы.

Па эпюре (фиг.1) показан график распределения температур t_c стены здания, состоящей из 3-х слоев (1, 2, 3) разнородного материала. Многослойная стена выполнена из трех слоев 1, 2, 3 разнородного материала. Поверхность 4 слоя 3 стенки, контактирующая с наружным воздухом, является наружной поверхностью обогреваемого помещения и имеет низкую температуру t_c4. Поверхность 5 слоя 1 стенки является внутренней поверхностью обогреваемого здания с температурой t_c1. Наружный воздух является холодильником по отношению к нагревателю, которым является высокопотенциальный источник теплоты 6, установленный внутри здания. Температура внутренней поверхности слоя 1 и контактирующего с ней слоя 2 - t_c2. Температура внутренней поверхности слоя 3 и контактирующего с ней слоя 2 - t_c3. Температура теплоносителя в трубе объемного радиатора - t_т. Потери температуры через утеплитель труб и на охлаждение объемного радиатора

Δt=t_гт-t_т,

где t_гт - температура в грунтовом теплообменнике, принятая к расчету.

Толщина слоев 1, 2, 3 соответственно - δ₁, δ₂, δ₃.

Пример 1 осуществления способа (фиг.2) при n=3 и m=1.

В грунт 7 помещен на глубину Н ниже глубины промерзания почвы, например 1,2-1,5 м, земляной трубопровод 8 в виде теплообменника длиной L, соединенный с утепленным выходным трубопроводом 9 и через циркуляционный насос 10 и трубопровод 11 соединен с объемной радиаторной системой 12 с теплоносителем 13. Объемная радиаторная система 12 соединена с входным трубопроводом 14. При помощи блока автоматического управления с системой датчиков, электрически взаимосвязанных между собой и с циркуляционным насосом 10, определяются температуры стены здания. Теплоноситель, нагретый от грунта, движется по объемной радиаторной системе 12 при помощи циркуляционного насоса 10. Теплоноситель, охлаждаясь, опускается вниз и уходит во входной трубопровод 14. В результате циркуляции теплоносителя с температурой грунта или близкой к ней в межстеновом пространстве 2, а также за счет основного источника тепла 6 достигается отопление здания.

В данном примере n=3, a x₁ при условии, что температура на графике t_со<t_т. Помещают объемную радиаторную систему 12 в качестве источника тепла внутри многослойной стенки, ось которой совмещают с координатой x₁, т.е. координаты осевой плоскости циркулирующего теплоносителя будут совпадать с x₁. При использовании внутри здания высокопотенциального источника тепло будет расходоваться в основном на теплопотери на расстояние от 0 до x₁ (расстояние А), а не на все сечение слоев стенки δ₁+δ₂+δ₃, как это было до установки объемной радиаторной системы 12. Тепло от объемной радиаторной системы 12 с теплоносителем 13 от низкопотенциального источника теплоты будет расходоваться на расстоянии Т.

Пример 2 осуществления способа (фиг.3) при n=7 и m=2.

В данном примере установлены две объемные радиаторные системы I и II. Если во время отопительного сезона возникают скачки температур и t_co≥t_т, то возникает необходимость в применения второй объемной радиаторной. В грунт 7 помещен на глубину Н ниже глубины промерзания почвы земляной трубопровод 8 в виде теплообменника длиной L, соединенный с утепленным выходным трубопроводом 9 и через циркуляционный насос 10 и трубопровод 11 соединен с объемными радиаторными системами 12 с теплоносителями 13. Объемная радиаторная система 12 соединена с входным трубопроводом 14. При помощи блока автоматического управления с системой датчиков, электрически взаимосвязанных между собой и с циркуляционным насосом 10, определяются температуры стены здания. Теплоноситель с температурой грунта движется по объемной радиаторной системе 12 при помощи циркуляционного насоса 10. Теплоноситель, охлаждаясь, опускается вниз и уходит во входной трубопровод 14. В результате циркуляции теплоносителя с температурой грунта или близкой к ней в межстеновом пространстве 2, а также за счет основного источника тепла 6 достигается отопление здания. Вентиль 15 переключает системы, и в этом случае работает или объемная радиаторная система I, или объемная радиаторная система II.

При использовании заявленного способа получают экологически чистый и дешевый способ отопления зданий, используя не сложные по конструкции установки. Он позволяет использовать все известные устройства обогрева здания, значительно снижая их необходимую мощность, а использование природных источников тепла, таких как тепло грунта или грунтовых вод, позволяет снизить стоимость отопления. В качестве высокопотенциального источника тепла могут использоваться любые известные источники тепла, в т.ч. и теплонасосные установки. В этом случае могут применяться маломощные тепловые насосы от своего грунтового трубопровода, а следовательно, затраты на электроэнергию на отопление могут быть снижены в более чем 6 раз при стандартном утеплении здания.

1. Способ отопления зданий, заключающийся в получении тепла от высокопотенциального источника, установленного внутри здания, и низкопотенциального источника, отличающийся тем, что от низкопотенциального источника тепла, содержащего уложенный в грунт ниже глубины замерзания почвы земляной трубопровод, передают тепло теплоносителю в объемной радиаторной системе, для чего внутри n-слойной стены устанавливают m≥1 объемных радиаторных систем с теплоносителем низкопотенциального источника тепла, место установки которых определяют при условии, что координаты осевой плоскости циркулирующего теплоносителя с температурой t_т внутри объемной радиаторной системы определяют по графику распределения температур внутри n-слойной стены из условия, что n≥3, a t_т>t_со, где t_т - температура теплоносителя объемной радиаторной системы, t_со - выбранная температура на графике распределения температур по осевой плоскости циркулирующего теплоносителя, причем t_т регулируют производительностью циркуляционного насоса в зависимости от заданной температуры внутри здания и колебания температур наружного воздуха.

2. Способ отопления зданий по п.1, отличающийся тем, что в качестве низкопотенциального источника теплоты используют тепло грунта или грунтовых вод.

3. Способ отопления зданий по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют воздух или незамерзающую жидкость.