Плавучий дом
Изобретение относится к области судостроения и касается плавучих средств, используемых преимущественно для продолжительного отдыха, проживания, а также для перевозки и работы людей на различных акваториях в течение длительного времени, в том числе в холодные периоды года. Предложен плавучий дом с коммуникациями системы жизнеобеспечения, имеющий водоизмещающую часть с закрепленной на ней палубой (3) с установленной на ней надводной частью с отапливаемым помещением (5), с автономным источником энергоснабжения, включающим тепловой насос, испарительная часть (7) теплового насоса выполнена из материалов с хорошей теплопроводностью в виде трубопроводов и закреплена на водоизмещающей части корпуса, непрерывно по всей длине и ширине омывается водной средой, соединена с компрессором (9), соединенным с системой отопления, связанной через дроссельные клапаны с испарительной частью. Технический результат, достигаемый в результате использования изобретения, заключается в повышении эффективности работы системы автономного энергоснабжения помещений плавучего дома. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области плавучих средств, используемых преимущественно для продолжительного отдыха, проживания, а также для работы людей на различных акваториях в течение длительного времени, в том числе и в холодные периоды года.
Плавучий дом - это сложнейшее инженерное сооружение, в котором соединены воедино красота, монументальность и комфорт жилого дома с прочностью, устойчивостью, непотопляемостью, автономностью и функциональностью пассажирского судна.
Современные системы жизнеобеспечения плавучих домов для полностью автономной работы предполагают монтаж резервуаров для запаса питьевой воды, топлива, сбора сточных вод и установку судовой электростанции или привязаны к береговым коммуникациям (электричество, центральное водоснабжение, сточный коллектор).
Известен плавучий автономной эко-дом с автономным энергообеспечением. В качестве горючего для движения планируется использовать все виды отходов жизнедеятельности плавучего дома. Сточные воды будут подвергаться анаэробному сбраживанию, будет выделяться горючий биогаз, сухой мусор будет собираться и сжигаться, из нефтесодержащих вод будет выделяться нефтепродукт, который будет подвергаться сжиганию. На выходе автономная система энергообеспечения будет давать энергию и дистиллированную воду.
http://banksolar.ru
Известен плавучий дом для дайвинга, автономное энергоснабжение которого осуществляется при помощи фотоэлектрической или ветровой энергии.
Патент JP 2012056550, МПК В63В 29/00; В63В 35/00; В63В 35/73; В63В 45/02; В63С 11/49, В63Н 21/17, опубл. 2012-03-22, RAFT HOUSEBOAT WITH SUBMERSIBLE DEVICE USING ELECTRIC ENERGY BY PRIVATE ELECTRIC GENERATION.
Известен плавучий дом, автономное энергоснабжение которого осуществляется с помощью энергетической системы, содержащей панели солнечных батарей.
Патент CN 202743477, МПК B60L 1/00; B60L 8/00; В63Н 21/17, опубл. 2013-02-20, «Electrical system assembly of solar houseboat". Традиционные солнечные отопительные системы с приемниками солнечного излучения, устанавливаемые, как правило, на крыше, не способны в зимний период обеспечивать приемлемую температуру жилых помещений. Попытки создания аккумулирующей системы, запасающей летнее тепло, также нельзя считать успешными ввиду чрезвычайной громоздкости и дороговизны подобных систем.
Известна система автономного электро- и теплоснабжения жилых и производственных помещений, содержащая ветрогенераторную установку для выработки электроэнергии, связанную с потребителями электрической энергии; аккумулятор электрической энергии, связанный с ветрогенераторной установкой и потребителями электрической энергии; установку для преобразования солнечной энергии в тепловую и тепловой аккумулятор, связанные с потребителями тепловой энергии, отличающаяся тем, что дополнительно содержит работающий от ветрогенераторной установки тепловой насос, связанный с потребителями тепловой энергии; инвертор, через который аккумулятор электрической энергии подключен к потребителям электроэнергии; утилизатор теплоты сточных вод; коллектор тепла Земли и автоматическую систему управления системой автономного энергоснабжения, соединенную через датчики тепловой и электрической нагрузок с исполнительными механизмами; при этом установка для преобразования солнечной энергии в тепловую содержит блок солнечных коллекторов, связанных по теплоносителю по меньшей мере с двумя теплообменниками, один из которых расположен в тепловом аккумуляторе, а другой - в теплообменном аппарате, связанном по теплоносителю с коллектором тепла Земли; тепловой насос содержит работающий от ветрогенераторной установки компрессор, по меньшей мере два выносных испарителя, один из которых встроен в теплообменный аппарат, связанный по теплоносителю с коллектором тепла Земли, а другой выносной испаритель встроен в утилизатор теплоты сточных вод, и по меньшей мере два выносных конденсатора, один из которых встроен в бак горячей воды, а второй выносной конденсатор встроен в теплообменный аппарат, связанный по теплоносителю с потребителями тепловой энергии.
Патент RU 2249125, МПК F03D 9/00, опубл. 27.03.2005.
Недостатком данной системы являются высокие энергозатраты на отопление и невозможность применения такого контура для плавучего средства.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является плавучий дом, в котором предусматриваются автономные источники энергоснабжения (за счет энергии ветра, солнца и традиционных углеводородных продуктов), водоснабжения (опреснение и фильтрация воды из водоемов и сбор дождевой воды - в случае длительного нахождения в отрыве от суши), удаления отходов (в локальные очистные и утилизирующие сооружениями, который содержит водоизмещающую и надводную части с хозяйственными, жилыми и иными помещениями, оснащенными элементами измерения и регулирования температуры воздушной среды помещений; силовую двигательную (движительную) установку с системой охлаждения ДВС и системой выпуска выхлопных газов; устройства управления направлением движения дома-лодки по акватории; источники и накопители электроэнергии; источники и накопители тепловой энергии; блок управления источниками, преобразованием и распределением энергии; резервуары для питьевой воды, хозяйственной воды и для сбора сточных вод.
Hellweg, U. Floating Homes at Rummelsburg Day in Berlin /U. Hellweg-Wasserstadt. Gmbh. 2012. 25 S. [3, c. 20; 4, c. 5].
Указанный плавучий дом, в силу особенностей гибридной структуры комплекса энергоснабжения, позволяющего нагревать помещения не только энергией сгорания топлива, но и электроэнергией, вырабатываемой на месте, обладает даже в мобильном режиме повышенной автономностью, достаточной для отдыха на небольших акваториях при благоприятных погодных условиях (температура, облачность, продолжительность светового дня и т.п. ). Однако в пасмурную и недостаточно ветреную погоду, в осенне-весенний периоды необходимость длительного поддержания в жилых помещениях комфортной температуры приводит к увеличению расхода топлива, учащению пополнения его запасов и неприемлемому росту затрат на эксплуатацию системы жизнеобеспечения плавучего дома.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство для использования тепловой мощности поверхностных вод за счет плавающего тела, находящегося в озерах, реках или морях, отличающийся тем, что под поверхностью воды находящийся внешней оболочке поплавок снабжен полостями, которые имеют как минимум один разъем для подключения и выхода одного теплоносителя среды и что эти соединения связаны с по меньшей мере одним устройством для утилизации тепла или тепла.
Патент DE 202014103747 U1, МПК F03D 9/00, опубл. 28.08.2014.
Данное техническое решение ограничивает теплообмен с акваторией площадью стенок водоизмещающей части корпуса плавучего объекта. Кроме того, испарительный контур теплового насоса, отбирающий тепло из теплоносителя, ограничен размерами находящегося в корпусе плавучего объекта отдельного устройства.
С учетом того факта, что тепловая энергия акватории является низкопотенциальной, для эффективности ее использования и применимости (по количественным показателям) получаемой энергии для отопления помещения на плавучем объекте, принципиальное значение имеет обеспечение эффективного теплообмена между водной средой и теплонасосом. В предложенном патенте теплообмен ограничен несколькими условиями - теплопотерями теплоносителя, то есть передачей тепла, полученного от акватории, другим поверхностям, кроме поверхности теплообменника с тепловым насосом; охлажденный в теплонасосе теплоноситель, возвращающийся в камеру на стенках плавучего объекта, неизбежно будет охлаждать не только воду акватории, но и сам плавучий объект, площадью контакта с водной средой камеры на стенках плавучего объекта, а также эффективностью теплопередачи от водной среды к теплоносителю, обусловленному, исходя из физики теплопереноса, разницей температур водной среды и теплоносителя, а также характеристиками теплоносителя, а также площадью теплообменника и другими характеристиками (в том числе объемными) установленного в корпусе теплонасоса.
Исходя из количественных характеристик - теплопроводности, соотношения объемов теплоносителя и хладагента в теплонасосе, теплопотерь, эффективности действия теплонасосов, а также предполагаемой области использования (водоемы средней полосы России, в том числе в осенне-зимнее время), решение, предложенное в указанном патенте мало или вовсе не эффективно, так как полученное тепло незначительно будет превышать затраты энергии на привод компрессора теплового насоса.
Задачей заявляемого изобретения является снижение зависимости энергоснабжения плавучих средств от погодных условий, повышение автономности их энергоснабжения при уменьшении эксплуатационных затрат на топливо и энергию для системы жизнеобеспечения.
Технический результат, достигаемый в результате использования заявляемого изобретения, заключается в повышении эффективности работы системы автономного энергоснабжения помещений плавучего дома.
Указанный технический результат достигается тем, что в плавучем доме с коммуникациями системы жизнеобеспечения, имеющем водоизмещающую часть, с закрепленной на ней палубой с установленной на ней надводной частью с отапливаемым помещением, с автономным источником энергоснабжения, включающим тепловой насос, испарительная часть теплового насоса выполнена из материалов с хорошей теплопроводностью в виде трубопроводов и закреплена на водоизмещающей части корпуса, непрерывно по всей длине и ширине омывается водной средой, соединена с компрессором, соединенным с системой отопления, связанной, через дроссельные клапаны, с испарительной частью.
Кроме того, компрессор соединен с теплообменником, расположенным в отдельном замкнутом контуре, заполненном теплоносителем и включающем бак, выполняющий функции аккумулятора тепла, через насос соединенный с системой отопления, связанной возвратным трубопроводом с баком.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 - схема плавучего дома с коммуникациями.
Фиг. 2 - схема плавучего дома с коммуникациями, в состав которых входит теплообменник и насос теплоносителя.
Фиг. 3 - схема плавучего дома с испарительной частью, выполненной в виде испарительных камер.
Плавучий дом с коммуникациями системы жизнеобеспечения имеет плавучее основание дома - водоизмещающую часть 1, например, выполненную в виде понтонов, На водоизмещающей части 1 выше ватерлинии 2 закреплена палуба 3 с установленной на ней надводной частью, например домом 4 с отапливаемым помещением 5, под полом 6 которого размещен автономный источник энергоснабжения.
Автономный источник энергоснабжения включает тепловой насос, представляющий собой замкнутую систему, наполненную хладагентом, включающую испарительную часть 7, например, в виде трубопроводов отбора тепла, преимущественно металлических, с хорошей теплопроводностью, омываемых непрерывно водной средой, служащей низкопотенциальным источником тепловой энергии, витки которых размещены с охватом стенок водоизмещающей части ниже ватерлинии 2. Витки трубопроводов отбора тепла могут быть расположены по винтовой линии.
Испарительная часть 7 соединена трубопроводом подачи хладагента 8 с подключенным к источнику питания (на схеме не указан) компрессором 9, соединенным на выходе трубопроводом 10 с системой отопления 11, например, типа « теплый пол», соединенной трубопроводами 12 отработанного хладагента через дроссельные клапаны 13 с испарительной частью 7.
Испарительная часть может быть также выполнена в виде испарительных камер 14, омываемых непрерывно водной средой, закрепленных на подводной части понтонов, также преимущественно металлических, с хорошей теплопроводностью.
В варианте, позволяющем сократить объем используемого хладагента и расширить диапазон допустимых к использованию хладагентов, автономный источник энергоснабжения включает тепловой насос, представляющий собой замкнутую систему, наполненную хладагентом, включающую испарительную часть 7, например, в виде трубопроводов отбора тепла, преимущественно металлических, с хорошей теплопроводностью, омываемых непрерывно водной средой, служащей низкопотенциальным источником тепловой энергии, витки которых размещены с охватом стенок водоизмещающей части ниже ватерлинии 2. Испарительная часть 7 соединена трубопроводом подачи хладагента 8 с подключенным к источнику питания (на схеме не указан) компрессором 9.
Компрессор 9 соединен трубопроводом 15 с теплообменником 16, соединенным трубопроводами охлажденного хладагента 17, через дроссельные клапаны 18 с испарительной частью 7. Теплообменник 16 расположен в баке 19 теплоносителя системы отопления. При достаточных размерах бак 19 выполняет функции аккумулятора тепла. В качестве теплоносителя может быть использована как пресная вода, так и растворы этиленгликолей и пропиленгликолей. Бак 19 через насос теплоносителя 20 трубопроводом подачи теплоносителя 21 соединен с системой отопления 22, на выходе которого расположен возвратный трубопровод теплоносителя 23, соединенный с баком 19.
Автономное энергоснабжение мобильного плавучего дома осуществляется следующим образом.
В испарительной части 7 в виде испарительных трубопроводов или в виде испарительных камер 14, закрепленных на подводной части понтонов, непрерывно, по всей длине и ширине омываемой водной средой, происходит отбор низкопотенциального тепла из водной среды, находящейся ниже ватерлинии 2. Внутри испарительной части 7, в виде трубопроводов отбора тепла или испарительных камер 14, постоянно под низким давлением находится хладагент, имеющий при данном давлении температуру кипения ниже температуры воды в акватории даже в холодное время года. Тепло водной среды через стенки испарительной части 7 нагревает хладагент до температуры кипения, в результате чего он, испаряясь, переходит в газообразное состояние и через трубопровод 8 подачи хладагента засасывается в компрессор 9. Компрессор 9 сжимает газообразный хладагент до высокого давления, при котором температура кипения хладагента повышается, а хладагент разогревается вследствие повышения давления и переходит в жидкое состояние с дополнительным выделением тепла. Разогретый хладагент по трубопроводу 10 подается в систему отопления 11 и далее по трубопроводу отработанного хладагента 12, через дроссельные клапаны 13 подается в испарительную часть 7, где происходит декомпрессия хладагента до его исходного давления, сопровождающаяся испарением из жидкости в газообразное состояние и охлаждением. Хладагент опять начинает принимать тепло от водной среды акватории. Далее повторяется описанный цикл.
Рассмотрим вариант эксплуатации с теплообменником и насосом теплоносителя.
В испарительной части 7 в виде испарительных трубопроводов или в виде испарительных камер 14, непрерывно, по всей длине и ширине омываемой водной средой, происходит отбор низкопотенциального тепла из водной среды, находящейся ниже ватерлинии 2. Внутри испарительной части 7, в виде трубопроводов отбора тепла или испарительных камер 14, постоянно под низким давлением находится хладагент, имеющий при данном давлении температуру кипения ниже температуры воды в акватории даже в холодное время года. Тепло водной среды через стенки испарительной части 7 нагревает хладагент до температуры кипения, в результате чего он, испаряясь, переходит в газообразное состояние и через трубопровод 8 подачи хладагента засасывается в компрессор 9.
Компрессор 9 сжимает газообразный хладагент до высокого давления, при котором температура кипения хладагента повышается, при этом хладагент разогревается вследствие повышения давления и переходит в жидкое состояние с дополнительным выделением тепла.
Разогретый хладагент по трубопроводу 15 подается в теплообменник 16 для передачи тепла другому теплоносителю - жидкой среде, находящейся в баке 19 системы отопления. Затем теплоноситель из бака 19 насосом теплоносителя 20 через трубопровод подачи теплоносителя 21 подается в систему отопления 22, охлажденный теплоноситель через возвратный трубопровод теплоносителя 23 возвращается в бак 19. Из теплообменника 16 по трубопроводу охлажденного хладагента 17, через дроссельные клапаны 18 подается в испарительную часть 7, в виде трубопровода или камер 14, где происходит декомпрессия хладагента до его исходного давления, сопровождающаяся испарением из жидкости в газообразное состояние и охлаждением. Хладагент опять начинает принимать тепло от водной среды акватории. Далее повторяется описанный цикл.
Таким образом, тепло водной среды всей акватории, в которой находится плавучий дом, связано через трубопроводную систему теплового насоса с воздушной средой отапливаемых помещений плавучего дома.
Автономный источник энергоснабжения, расположенный внутри корпуса плавучего дома, обеспечивает теплообмен с водной средой без изменения гидродинамических характеристик внешней поверхности корпуса плавучего дома. Данная система ориентирована на решения комплексных проблем жизнеобеспечения плавучего дома, призванных обеспечить человеку самый современный комфорт.
1. Плавучий дом с коммуникациями системы жизнеобеспечения, имеющий водоизмещающую часть с закрепленной на ней палубой с установленной на ней надводной частью с отапливаемым помещением, с автономным источником энергоснабжения, включающим тепловой насос, отличающийся тем, что испарительная часть теплового насоса выполнена из материалов с хорошей теплопроводностью в виде трубопроводов и закреплена на водоизмещающей части корпуса, непрерывно по всей длине и ширине омывается водной средой, соединена с компрессором, соединенным с системой отопления, связанной через дроссельные клапаны с испарительной частью.
2. Плавучий дом по п. 1, отличающийся тем, что компрессор соединен с теплообменником, расположенным в отдельном замкнутом контуре, заполненном теплоносителем и включающем бак, выполняющий функции аккумулятора тепла, через насос соединенный с системой отопления, связанной возвратным трубопроводом с баком.
