Водонагревательная установка с эффективным использованием солнечной энергии

Изобретение относится к области теплоэнергетики и возобновляемой энергетики и может быть использовано для теплоснабжения автономных объектов – жилых домов, санаториев, фермерских хозяйств и прочих автономных объектов. Водонагревательная установка с эффективным использованием солнечной энергии включает солнечный коллектор, соединенный с бойлером горячего водоснабжения через трехходовой клапан средней солнечной активности и трехходовой клапан высокой солнечной активности, тепловой насос, циркуляционный насос, циркуляционный насос первичного контура, трехходовой клапан, аккумулятор теплоты на фазовом переходе, соединенный с солнечным коллектором через трехходовой клапан низкой солнечной активности и буферную емкость отопления, соединенную через циркуляционный насос вторичного контура с тепловым насосом, и трехходовой клапан теплового насоса. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы установки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и возобновляемой энергетики и может быть использовано для теплоснабжения автономных объектов – жилых домов, санаториев, фермерских хозяйств и прочих автономных объектов.

Известен солнечный водонагреватель (http://slarkenergy.ru/solar/ solnechnyj-vodonagrevatel.html), содержащий солнечный коллектор, бойлер косвенного нагрева с теплообменником внутри, циркуляционный насос.

Недостатками данного солнечного водонагревателя являются:

- солнечный водонагреватель предназначен для обеспечения горячего водоснабжения только от высокой солнечной активности и не работает эффективно в периоды межсезонья;

- солнечный водонагреватель содержит бойлер косвенного нагрева с применением воды в качестве теплоаккумулирующего вещества;

- при наступлении низкой или средней солнечной активности для обеспечения качественного горячего водоснабжения, необходимо производить догрев теплоносителя во внешнем источнике (например, в водогрейном котле).

Прототипом изобретения принимается солнечная установка [Патент RU № 2403511, опуб. 10.11.2010, МПК F24J 2/42], содержащая основной циркуляционный контур, включающий солнечный коллектор, обеспечивающий нагрев циркулирующего через него теплоносителя, бак-аккумулятор с патрубками подвода и отвода теплоносителя, потребитель тепла и систему регулирования, дополнительно снабжена двухступенчатым теплообменником, связанным с основным циркуляционным контуром через трехходовой клапан воздуховодом, установленным между солнечным коллектором и теплообменником, дополнительным циркуляционным контуром, связывающим теплообменник с баком-аккумулятором, а солнечный коллектор выполнен с возможностью нагрева циркулирующего через него воздуха.

Недостатками данного прототипа являются:

- аккумулирующим веществом в баке-аккумуляторе служит вода, ввиду чего не используется фазовый переход, а это увеличивает габариты бака-аккумулятора прототипа до 4 раз;

- установка способна полезно использовать только высокую и среднюю солнечные активности, без возможности использования низкой солнечной активности.

Задача изобретения – разработать водонагревательную установку с эффективным использованием солнечной энергии, способную обеспечивать отопление и горячее водоснабжение в любое время года при любой степени (кроме нулевой) – высокой, средней и низкой солнечной активности.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективностью работы установки.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что водонагревательная установка с эффективным использованием солнечной энергии включает солнечный коллектор, соединенный с бойлером горячего водоснабжения через трехходовой клапан средней солнечной активности и трехходовой клапан высокой солнечной активности, тепловой насос, циркуляционный насос, циркуляционный насос первичного контура, трехходовой клапан, аккумулятор теплоты на фазовом переходе, соединенный с солнечным коллектором через трехходовой клапан низкой солнечной активности и буферную емкость отопления, соединенную через циркуляционный насос вторичного контура с тепловым насосом и трехходовой клапан теплового насоса.

На чертеже представлена водонагревательная установка с эффективным использованием солнечной энергии.

Установка состоит из солнечного коллектора 1, перед которым, на трубопроводе, установлен циркуляционный насос 2, а после которого на трубопроводе установлены трехходовой клапан низкой солнечной активности 3, трехходовой клапан средней солнечной активности 4 и трехходовой клапан высокой солнечной активности 5. Трехходовой клапан низкой солнечной активности 3 посредством трубопровода (например, медного) соединен с компактным аккумулятором 6 теплоты на фазовом переходе, имеющим четыре патрубка для входа и выхода теплоносителя в режимах отопления и горячего водоснабжения. Компактный аккумулятор 6 теплоты на фазовом переходе через трубопроводы соединен с солнечным коллектором 1 и тепловым насосом 7. Между компактным аккумулятором 6 теплоты на фазовом переходе и тепловым насосом 7 установлен циркуляционный насос первичного контура 8 теплового насоса 7. Тепловой насос 7 через трубопровод соединен с циркуляционным насосом вторичного контура 9 теплового насоса 7 и через трехходовой клапан 10 теплового насоса 7 с буферной емкостью отопления 11, которая в свою очередь через трубопровод соединена с бойлером 12 горячего водоснабжения.

Рассмотрим принцип работы установки.

Водонагревательная установка с эффективным использованием солнечной энергии может работать в трех основных режимах.

Режим низкой солнечной активности.

В данном режиме работы теплоноситель, за счет работы циркуляционного насоса 2, проходит через солнечный коллектор 1, нагревается от низкой солнечной активности до 20-30 ˚С и, через трехходовой клапан низкой солнечной активности 3 направляется в компактный аккумулятор 6 теплоты на фазовом переходе, где накапливается тепловая энергия. При необходимости, с помощью теплового насоса 7, путем прокачивания теплоносителя посредством циркуляционного насоса первичного контура 8, температурный потенциал теплоносителя поднимается до 35-45 ˚С и он, через трехходовой клапан 10 теплового насоса, прокачиваемый циркуляционным насосом вторичного контура 9, направляется в буферную емкость отопления 11, либо же потенциал теплоносителя поднимается до 55-60 ˚С и теплоноситель через трехходовой клапан 10 теплового насоса направляется в бойлер 12 горячего водоснабжения.

В межсезонье, в тот период, когда солнечная активность невысокая, а потребность в отоплении и горячем водоснабжении имеется, в стандартных схемах сложно эффективно использовать солнечную энергию из-за низкой температуры нагрева теплоносителя (15-25 ˚С). Однако в таком режиме солнечный коллектор 1 работает значительную часть отопительного периода. Таким образом, имеется смысл полезно использовать эту низкопотенциальную энергию. Для осуществления этого можно накапливать энергию при низком потенциале и использовать по мере необходимости, трансформируя ее в тепловом насосе до необходимой температуры. Бойлерное аккумулирование в виде явной теплоты в данном случае не эффективно, так как при низкой температуре теплоносителя (воды) и больших потребностях в отоплении габариты аккумулятора будут слишком велики. Поэтому в данном случае аккумулирование наиболее целесообразно в компактных аккумуляторах 6 теплоты на фазовом переходе при температуре 20-30 ˚С. В качестве теплоаккумулирующего материала может быть использованы, например: гептодекан С17Н36 (температура фазового перехода 21,7 ˚С) или нонадекан С19Н40 (температура фазового перехода 28 ˚С). Например при отоплении дома площадью 100 м² в Ростовской области, средние тепловые потери составят 10 кВт (при расчетной температуре наружного воздух минус 22 ˚С), а в межсезонье – около 3,5 кВт. Для отопления с такой мощностью и температурой 35 ˚С, в течение 12 часов темного времени суток потребуется бойлерный накопитель 2500 л, тогда как компактный аккумулятор теплоты на фазовом переходе с правильно подобранным теплоаккумулирующим материалов будет в объеме 300-500 л.

Режим высокой солнечной активности.

В данном режиме работы теплоноситель за счет работы циркуляционного насоса 2, проходит через солнечный коллектор 1 и нагревается от высокой солнечной активности до 60-80 ˚С. Трехходовой клапан низкой солнечной активности 3, трехходовой клапан средней солнечной активности 4 и трехходовой клапан высокой солнечной активности 5 направляют теплоноситель напрямую в бойлер горячего водоснабжения 12, где он используется для подогрева воды для нужд горячего водоснабжения.

Проявление высокой солнечной активности и нагрев теплоносителя до 80 ˚С и более возможен и в ясные дни переходного периода. В данном случае, использование высокопотенциальной тепловой энергии наиболее эффективно для бойлерного хранения и использования в дальнейшем, в основном для нужд горячего водоснабжения. В данном случае плотность энергии выше и в совокупности с невысокой долей потребления тепла на горячее водоснабжение в общем балансе здания, размеры бойлера будут небольшими. Использование высокопотенциальной энергии полученной от солнечного коллектора для отопления нецелесообразно, так как для этого ее потенциал придется уменьшить. Доля высокопотенциальной энергии в общем балансе схемы не велика и наиболее эффективно будет использована для горячего водоснабжения.

Режим средней солнечной активности.

В данном режиме работы теплоноситель, за счет работы циркуляционного насоса 2, проходит через солнечный коллектор 1, нагревается от средней солнечной активности до 35-45 ˚С. Трехходовой клапан низкой солнечной активности 3 и трехходовой клапан средней солнечной активности 4 направляют теплоноситель напрямую в буферную емкость отопления 11, где он используется для нужд отопления потребителя. Среднепотенциальную солнечную энергию, достаточную по температуре для отопления, оптимально направлять непосредственно на отопление. При необходимости горячего водоснабжения, с помощью теплового насоса 7 потенциал теплоносителя поднимается до 55-60 ˚С и теплоноситель через трехходовой клапан теплового насоса 10 направляется в бойлер горячего водоснабжения 12.

Водонагревательная установка с эффективным использованием солнечной энергии, состоящая из солнечного коллектора, соединенного с бойлером горячего водоснабжения через трехходовой клапан средней солнечной активности и трехходовой клапан высокой солнечной активности, теплового насоса, циркуляционного насоса, циркуляционного насоса первичного контура и трехходового клапана, отличающаяся тем, что дополнительно содержит аккумулятор теплоты на фазовом переходе, соединенный с солнечным коллектором через трехходовой клапан низкой солнечной активности и буферную емкость отопления, соединенную через циркуляционный насос вторичного контура с тепловым насосом, а также содержит трехходовой клапан теплового насоса.