Способ и устройство обогрева и охлаждения теплотой окружающей среды на основе явлений самоорганизации

Изобретение относится к сельскому хозяйству, промышленности, энергетике и может быть использовано для обогрева и охлаждения помещений. Технический результат: возможность использования широко доступного источника энергии - теплоты окружающей среды на основе разработки способа и устройства для обогрева и охлаждения промышленных, сельскохозяйственных и бытовых помещений теплотой окружающей среды посредством использования природных явлений самоорганизации, т.е. обеспечение достижения максимальной эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую и обеспечение возможности работы без первичных источников энергии благодаря использованию теплоты окружающей среды. Способ обогрева и охлаждения теплотой окружающей среды на основе явлений самоорганизации путем запуска аккумулятором электрической энергии, коммутатора, емкостного конвертера теплоты в электрическую энергию и теплового насоса, при котором осуществляют энергетическое замыкание теплоты посредством конденсаторного преобразователя, а также тем, что при работе в режиме нагрева емкостный конвертер перемещают вне обогреваемого помещения. При этом автоматическое управление работой теплового насоса согласовывают с управлением удаления емкостного конвертера из обогреваемого помещения, а также тем, что для достижения максимальной эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую режим работы емкостного конвертера осуществляют при соотношении тактов заряда-разряда по золотой пропорции Тз/Тр=0,618. Причем электрическую мощность конденсаторного преобразователя устанавливают не менее 25% тепловой мощности теплового насоса. Также описано устройство обогрева и охлаждения теплотой окружающей среды. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к областям сельского хозяйства, коммунального хозяйства, промышленности, энергетики, тепличного растениеводства и предназначено для обогрева и охлаждения в растениеводстве, животноводстве, промышленном производстве, энергетических и технических областях знаний.

Известные способы тепло- и холодообеспечения большинства объектов сельского хозяйства и промышленности РФ основаны на применении котельных, использующих в качестве источника энергии горючие вещества, в частности углеводородные энергоносители.

Недостатком традиционного способа и устройства его осуществления является потребность в топливе, сложное устройство котельной, габариты, высокая аварийность работы. Традиционное тепло- и холодообеспечение с помощью горючих материалов, как правило, сопровождается загрязнением окружающей среды.

Недостатком традиционного способа энергообеспечения являются высокая техногенная энергоемкость продукции, низкая эффективность использования первичных энергоносителей. При таком энергообеспечении эксергия первичного энергоносителя (газ, нефтепродукты, уголь) реализуется с низкой эффективностью или полностью не используется. В условиях постоянного роста цен на энергоносители рентабельность предприятий, энергообеспечение которых обеспечивается котельными, резко падает.

Причиной целесообразности использования предлагаемого способа энергообеспечения является потребность промышленности и сельского хозяйства в экономичных и энергоэффективных способах и устройствах получения тепловой энергии и холода, использующих возобновимую низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды. В заявляемом устройстве таковыми являются тепловой насос, переносящий теплоту окружающей среды в помещение или из него по мере необходимости, и электрический конденсаторный конвертер, напрямую преобразовывающий теплоту среды в электроэнергию. Достоинством этих устройств является их высокий коэффициент преобразования энергии, например тепловой насос на каждый 1 кВт·ч потребляемой из сети электрической энергии использует 3-4 кВт·ч теплоты окружающей среды. Это обусловлено использованием в этих преобразователях высокоэнергоэффективных саморганизующихся процессов, в том числе фазового перехода испарение-конденсация, которые не согласуются со вторым началом термодинамики и не поддаются объяснению на его основе. Природные самоорганизующиеся системы можно объяснить только на основе закона, противоположного по своей сущности второму началу. Этот закон выявлен и получил название закона выживания. Важным свойством этих процессов является не возрастание в них энтропии, а ее понижение в процессе самоорганизации. Теоретически и экспериментально это обосновано в исследовании выдающегося российского физика-теоретика Ю.Л.Климонтовича (Климонтович Ю.Л. : а) Уменьшение энтропии в процессе самоорганизации. S-теорема (на примере перехода через порог генерации). Письма в ЖТФ, 1984, т.9, с.1412; б) Послесловие. // Пригожин И. От существующего к возникающему. М., УРСС, 2002, с.251-274; в) Статистическая теория открытых систем. T.1, М., «Янус», 1995). Заявляемое устройство может использовать любые источники природного тепла, в том числе грунтовые и артезианские воды, грунт и т.п. Поскольку температура грунтовой воды и грунта на достаточной глубине в течение года остается практически неизменной, эффективность работы заявляемых способа и устройства не зависит от температуры наружного воздуха и даже в холодный период покрывает всю отопительную нагрузку помещения. При использовании тепла грунтовых вод при круглогодичной температуре около 5°С установка при работе в системе отопления дает на выходе воду, нагретую до 55°С. При этом на каждый 1 кВт затраченной электроэнергии установка дает около 3-4,5 кВт тепловой энергии. При работе в режиме охлаждения в холодопроизводительность теплового насоса составляет около 3,5 кВт на 1 кВт затраченной электроэнергии.

Целесообразность использования предлагаемого способа и устройства для обогрева и охлаждения обусловлена возможностью автономной их работы независимо от наличия источников первичной энергии. В условиях возрастания стоимости электроэнергии и других энергоносителей становятся актуальными маломощные автономные установки. Такая возможность может быть реализована благодаря энергетическому замыканию теплового насоса посредством электрического конденсаторного преобразователя. Возможность преобразования теплоты окружающей среды непосредственно в электрическую энергию на основе нелинейных электрических конденсаторов (варикондов) была теоретически обоснована в XIX веке профессором МГУ Б.Б.Голицыным. Конденсаторные конвертеры теплоты в электрическую энергию на основе варикондов разработаны и испытаны Н.Е.Заевым и сотрудниками (Заев Н.Е., Спиридонов Ю.С. Емкость - конвертер тепла среды в электроэнергию. Электротехника, № 12/98, с.53-55). При их испытании в условиях комнатной температуры показано, что энергия разряда вариконда больше, чем энергия заряда на 32%, что обеспечивает автономность работы заявляемых способа и устройства.

В предлагаемом способе предлагается эксплуатация конденсаторного конвертера при соотношении тактов заряда-разряда 0,618, что соответствует золотой пропорции (патент РФ № 2108029, кл. А01J 5/007). При этом достигается максимальная эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую. В этом еще одна принципиальная новизна и отличительная особенность заявляемого способа.

Задачей предлагаемого изобретения является использование возобновимого широко доступного источника энергии - теплоты окружающей среды на основе разработки способа и устройства для обогрева и охлаждения промышленных, сельскохозяйственных и бытовых помещений теплотой окружающей среды посредством использования природных явлений самоорганизации.

В результате использования предлагаемого изобретения происходит использование теплоты окружающей среды без подключения к электрической сети или использования иных традиционных носителей, способ и устройство могут работать в автономном режиме.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе обогрева и охлаждения теплотой окружающей среды на основе явлений самоорганизации путем запуска аккумулятором электрической энергии, коммутатора, емкостного конвертера теплоты в электрическую энергию и теплового насоса, осуществляют энергетическое замыкание теплоты посредством конденсаторного преобразователя, а также тем, что при работе в режиме нагрева емкостный конвертер перемещают вне обогреваемого помещения; при этом автоматическое управление работой теплового насоса согласовывают с управлением удаления емкостного конвертера из обогреваемого помещения, а также тем, что для достижения максимальной эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую режим работы емкостного конвертера осуществляют при соотношении тактов заряда-разряда по золотой пропорции Тз/Тр=0,618, причем электрическую мощность конденсаторного преобразователя устанавливают не менее 25% тепловой мощности теплового насоса.

Результат достигается также тем, что в предлагаемом устройстве обогрева и охлаждения теплотой окружающей среды на основе явлений самоорганизации, содержащем пусковой аккумулятор электрической энергии, коммутатор, емкостной конвертер теплоты в электрическую энергию и тепловой насос, тепловой насос энергетически соединен с конденсаторным преобразователем, электрическая мощность которого не менее 25% тепловой мощности теплового насоса, при этом при работе в режиме нагрева емкостный конвертер помещен вне обогреваемого помещения, а схема автоматического управления работой теплового насоса дополнена согласованным управлением удаления емкостного конвертера из обогреваемого помещения.

При этом режим периодов заряда-разряда осуществляется по золотой пропорции при соотношении тактов заряда-разряда по золотой пропорции Тз/Тр=0,618.

Предложено устройство для осуществления способа обогрева и охлаждения теплотой окружающей среды на основе явлений самоорганизации, содержащее тепловой насос, конденсаторный конвертер тепловой энергии в электрическую, аккумулятор и электронный коммутатор, производящий зарядку-разрядку конденсаторного преобразователя. Устройство отличается тем, что в режиме нагрева емкостный конвертер удаляется из обогреваемого помещения.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена электрическая принципиальная схема устройства.

Электрическая схема содержит пусковой аккумулятор (АК), коммутирующее устройство (КОММ), полевые транзисторы (VT1-VT2), батарею варикондов марки ВК-2БШ (U_н=160 В) С_х, повышающий трансформатор 160/220 В (Т), балластную индуктивность (L_б), двигатель теплового насоса (М), переключатели (SA1-SA2).

На фиг.2 представлена структурная схема устройства.

Предлагаемое устройство состоит из аккумулятора 1, устройства, управляющего подзарядкой аккумулятора 1₂, преобразователя постоянного тока в переменный требуемой частоты 2, конвертера теплоты в электрическую энергию с самоорганизующимся рабочим процессом 3, устройства управления хладопотоком 35, теплового насоса 4, охлаждаемого 5 и обогреваемого 6 помещения, устройства управления производительностью теплового насоса.

Способ осуществляют следующим образом.

Первоначальная зарядка батареи варикондов С_х производят от аккумулятора АК. Затем при помощи ключа SA1 отключают контур источника, и устройство начинает работать в автономном режиме. При помощи коммутатора и полевых транзисторов VT1-VT2 производят коммутацию цепей зарядки-разрядки при заданной частоте. На выходе батареи получают переменное напряжение заданной частоты. Это напряжение доводят до стандартных 220 В при помощи повышающего трансформатора. Индуктивность L_б и батарея варикондов образуют колебательный контур и работают в резонансе. Аккумулятор подзаряжается в автоматическом режиме.

Пример конкретного выполнения способа.

Пример расчета технико-экономической эффективности использования способа и устройства обогрева и охлаждения теплотой окружающей среды на основе явлений самоорганизации применительно к зимней блочной теплице, расположенной вблизи д.Косино Домодедовского района Московской области.

Предложенные способ и устройство сравниваются с традиционным обогревом на основе использования котлов. Для теплоснабжения в контрольном варианте (вариант 1) приняты два газовых котла Viessmann Vitogas 050 (Германия), мощностью 280 кВт каждый. Общая стоимость 1768 тыс. руб., стоимость монтажных работ 188 тыс. руб., прокладка газопровода длинной 1050 м, стоимостью 2342 тыс. руб. Централизованное электроснабжение. Прокладка ЛЭП 10 кВ длинной 820 м, стоимость 420 тыс. руб., установка КТП 100 кВт, стоимость 215 тыс. руб., плата за подключение к электросетям 12500 руб. за 1 кВт.

Исходные расчетные данные:

Необходимая тепловая мощность отопительного оборудования 485 кВт; необходимая мощность генераторов 98 кВт; потребление тепла 1288,6 тыс. кВт·час/год; потребление электричества 321,4 тыс. кВт·час/год.

В предлагаемом способе (вариант 2) принято 5 агрегатов Viessmann Vitocal 300 WW280 (Германия) с электрической мощностью потребляемой агрегатами тепловых насосов 98,2 кВт каждый с КПД, равным 418% (при параметрах первичного/вторичного контуров 35°С/5°С). Источником тепла для которого является артезианская скважина. Общая стоимость 4062 тыс.руб, стоимость монтажных работ 1453 тыс.руб. Электрическая мощность конденсаторных преобразователей составляет примерно 25% тепловой мощности теплонасосной части агрегата. Общая стоимость 4610 тыс. руб., стоимость монтажных работ 95 тыс.руб.

Критерием оценки эффективности являются приведенные затраты (З), рассчитываемые по формуле:

3=Кв·Ен+Эз → min,

где Кв - капитальные вложения;

Ен=0,1 - коэффициент эффективности капитальных вложений;

Эз - эксплуатационные затраты, включающие расходы, связанные с использованием оборудования:

Кв=Цп+Мо+Нр,

где Цп - цена приобретения,

Мо - затраты на монтаж оборудования,

Нр - накладные расходы (Нр=Цп·0,1).

Рассчитаем капитальные вложения для каждого варианта:

Кв1=1768+188+1768·0,1+2342+420+215+1250=6359 тыс. руб.

Kв2=4062+1453+4062·0,1+4610+95+4610·0,1=11087 тыс. руб.

Эксплуатационные затраты находим по формуле:

ЭЗ=Зп+Ао+Тр+Нз+С;

где Зп - заработная плата обслуживающего персонала, руб.;

Ао - амортизационные отчисления, руб.;

Тр - затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание, руб.;

С - стоимость энергоресурсов, руб.;

Нз - начисление на заработную плату = ЗП·35,8%, руб.;

Зп=Np·tc·г·D·Кд,

где Np - численность рабочего персонала, чел.

tc - время загрузки оборудования в сутки, ч;

г - часовая тарифная ставка, руб.

D - число дней работы в году оборудования;

Кд - коэффициент дополнительной оплаты труда.

Рассчитаем заработную плату обслуживающего персонала:

Зп1=Зп2=2·8·100·205·1,4=456 тыс. руб.

Рассчитаем начисления на заработную плату:

Нз=3п·0,358.

Нз1=Нз2=163,6 тыс.руб.

Рассчитаем амортизационные отчисления:

Ao=Кв·Q/100

Ао1=6359·6/100=381,5 тыс.руб.

Ао2=11087·6/100=665,2 тыс.руб.

Рассчитаем затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание:

Tp=Kв·Z/100

Тр1=6359·3,2/100=203,5 тыс.руб.

Тр2=11087·3,2/100=354,8 тыс.руб.

Затраты на электроэнергию и топливо:

Рассчитаем затраты на электроэнергию:

Сээ1=Qээ·Тээ=321400·3,04=977 тыс.руб.,

где: Тээ - средний тариф оплаты электроэнергии с учетом возможного роста на 10% в год (Тээ=3,04 р.),

Qээ - годовой расход электроэнергии, Гкал.

Рассчитаем расход топлива:

B=Qт/(η·q),

где: Qт - годовой расход тепла, Гкал,

q - удельная теплота сгорания топлива, для природного газа,

q=7,9 кВт·ч/м³,

В1=1288,6/(0,92·7,9)=177,3 тыс.м³.

Рассчитаем затраты на топливо:

Сгсм1=177,3·2,5=443,3 тыс. руб,

где 2,5 руб. стоимость 1 м³ газа с учетом возможного роста на 14% в год.

Рассчитаем суммарные затраты на энергоресурсы:

С=Сээ+Сгсм

С1=977+443,3=1420 тыс. руб.

Теперь можем найти Эз:

Эз1=2624,6 тыс. руб.

Эз2=1639,6 тыс. руб.

Теперь можем определить приведенные затраты:

З1=3260,5 тыс. руб.

З2=2748,3 тыс. руб.

Согласно принятому условию наиболее экономичным является 2 вариант.

Таблица 1 Анализ экономической эффективности оборудования.
№ п/п	Показатели	Ед. изм.	Расчетный
1	2
1.	Капиталовложения	тыс. руб.	6359	11087
2.	Затраты на энергоресурсы	тыс. руб.	1420	-
3.	Эксплуатационные затраты	тыс. руб.	2624,6	1639,6
4.	Приведенные затраты	тыс. руб.	3260,5	2748,3

Сравнительный экономический эффект за расчетный период, равный амортизационному сроку: (Т_Р=10 лет)

Кр - коэффициент реновации(для Т_р=10 лет К_р=0,063)

Эт=(З1-З2)/(Кр+Ен)=(3260,5-2748,3)/(0,1+0,063)=3142,3 тыс. руб.

Среднегодовой экономический эффект:

Эгс=Эт/Тр=3142,3/10=314,2 тыс. руб.

Срок окупаемости капитальных вложений:

Ток=(Кв2-Кв1)/(Эз1-Эз2)=(11087-6359)/(2624,6-1639,6)=4,8 г.

Из результатов расчета видно, что внедрение данного способа получения электричества и тепла выгодно за счет отсутствия затрат на топливо и электроэнергию при их высоких ценах и постоянно растущих тарифах. Также преимуществом данного способа является возможность автономной работы без подключения к газораспределительной и электросети, что позволяет экономить на прокладке газопроводов и ЛЭП, а также на плате за подключение к сетям. При реализации этого проекта получается ощутимый экономический эффект при небольшом сроке окупаемости.

1. Способ обогрева и охлаждения теплотой окружающей среды на основе явлений самоорганизации путем запуска аккумулятором электрической энергии, коммутатора, емкостного конвертера теплоты в электрическую энергию и теплового насоса, отличающийся тем, что осуществляют энергетическое замыкание теплоты посредством конденсаторного преобразователя, а также тем, что при работе в режиме нагрева емкостный конвертер перемещают вне обогреваемого помещения; при этом автоматическое управление работой теплового насоса согласовывают с управлением удаления емкостного конвертера из обогреваемого помещения, а также тем, что для достижения максимальной эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую режим работы емкостного конвертера осуществляют при соотношении тактов заряда-разряда по золотой пропорции Тз/Тр=0,618, причем электрическую мощность конденсаторного преобразователя устанавливают не менее 25% тепловой мощности теплового насоса.

2. Устройство обогрева и охлаждения теплотой окружающей среды на основе явлений самоорганизации, содержащее пусковой аккумулятор электрической энергии, коммутатор, емкостной конвертер теплоты в электрическую энергию и тепловой насос, отличающееся тем, что тепловой насос энергетически соединен с конденсаторным преобразователем, электрическая мощность которого не менее 25% тепловой мощности теплового насоса, при этом при работе в режиме нагрева емкостный конвертер помещен вне обогреваемого помещения, а схема автоматического управления работой теплового насоса дополнена согласованным управлением удаления емкостного конвертера из обогреваемого помещения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что режим периодов заряда-разряда осуществляется по золотой пропорции при соотношении тактов заряда-разряда по золотой пропорции Тз/Тр=0,618.