ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к системам кондиционирования воздуха.

Известны двухступенчатые тепловые насосы, использующие теплоты вытяжного выбросного воздуха L_у на нагрев приточного наружного воздуха L_ПН с умеренной отрицательной температурой (t_НХ=-5°C), включающие в качестве первой ступени теплоутилизатор из вертикальных тепловых трубок, заполненных легкокипящей жидкостью на 20%-30% объема трубок, и в качестве второй ступени утилизации компрессор, соединенный медными трубами через четырехходовый автоматический клапан с подвижным сектором с теплообменниками в потоках L_ПН и L_у воздуха (Каталог на приточно-вытяжные агрегаты модели VPL фирмы «NILAN»).

Недостатками известного решения являются значительное снижение теплотехнической эффективности первой ступени утилизации при нагреве приточного наружного воздуха L_ПН с низкими отрицательными температурами (например, t_НХ=-28°C в климате Москвы), и опасность накопления льда на оребренной поверхности теплообменника в вытяжном потоке воздуха L_у, и невозможность использования первой ступени в теплый период года для охлаждения приточного наружного воздуха L_ПН, являющегося летом только дополнительным аэродинамическим сопротивлением, и другим серьезным недостатком известной конструкции двухступенчатого теплового насоса является использование для охлаждения воздушного конденсатора холодильной машины вытяжного воздуха L_у, который летом имеет высокую температуру даже выше температуры наружного воздуха, и количество L_у равно или меньше количества охлаждаемого наружного воздуха L_ПН, что приводит к крайне высоким давлениям конденсации рабочего агента.

Техническим результатом изобретения являются увеличение теплотехнической эффективности первой ступени утилизации при нагреве или охлаждении приточного наружного воздуха, предотвращение образования льда на поверхностях теплообменника в вытяжном потоке, целесообразность интеграции предлагаемого теплового насоса с тепловым насосом системы горячего водоснабжения здания.

Технический результат достигается тем, что энергосберегающий двухступенчатый тепловой насос содержит два блока, соединенные между собой и разделенные внутри себя горизонтальной перегородкой на изолированные тракты приточного воздуха и вытяжного воздуха, при этом в первом блоке по ходу движения воздуха в обоих трактах установлены фильтры очистки воздуха, основные теплообменники, соединенные между собой трубопроводом с размещенными на нем пластинчатым теплообменником, насосом и соленоидными вентилями, в тракте удаляемого воздуха перед основным теплообменником установлены дополнительный теплообменник и установка адиабатического увлажнения, причем во втором блоке в тракте приточного воздуха размещены последовательно по ходу движения воздуха теплообменник, установка адиабатического увлажнения, нагреватель и приточный вентилятор, а в тракте удаляемого воздуха последовательно по ходу движения воздуха установлены компрессор, четырехходовой клапан, теплообменник и вентилятор, при этом теплообменники во втором блоке в трактах сообщены друг с другом.

Блоки могут быть соединены друг с другом посредством гибкой вставки.

Принципиальная схема энергосберегающего двухступенчатого воздушного теплового насоса показана на чертеже.

Предложенное устройство состоит из блоков, разделенных горизонтальной перегородкой на изолированные тракты движения приготовляемого приточного наружного воздуха L_ПН и вытяжного выбросного воздуха L_у, и в блоках первыми установлены фильтры 1 грубой очистки воздуха и в тракте L_ПН дополнительно установлены карманный фильтр 2 тонкой очистки и после него теплообменник 7, а в потоке L_у установлен теплообменник 5, и теплообменники 7 и 5 соединены трубопроводами 4 со смонтированными на них пластинчатым теплообменником 3, насосом 6 и соленоидными вентилями 22 и 23 взаимообратного действия. Перед теплообменником 5 последовательно смонтирована установка адиабатного увлажнения 14 и теплообменник 17, к которому присоединены трубопроводы 19, и к пластинчатому теплообменнику 3 присоединены трубопроводы 18 с насосом 20 и трехходовым клапаном 21. А через гибкие вставки первый блок соединен со вторым блоком с раздельными воздушными трактами для L_ПН и L_у, и в тракте L_ПН установлен теплообменник 11 и после него установка адиабатного увлажнения 14, концевой электронагреватель 12, датчик 16 контроля t_{Кн.х.мин}=6° и приточный вентилятор 15, а во втором блоке по ходу L_у установлен компрессор 8, четырехходовый автоматический клапан 9, теплообменник 10 и вытяжной вентилятор 13.

Энергосберегающий воздушный тепловой насос по принципиальной схеме работает в двух режимах: «зима»-«лето». В режиме «зима» соленоидный вентиль 22 открыт, а 23 закрыт, и по трубопроводам 18 и пластинчатому теплообменнику 3 поступает горячая вода G_wг с температурой t_wг от 15° до 60° (в зависимости от источника сбросного тепла), и от работы насоса 6 по трубопроводам 4 антифриз G_аф проходит в каналах пластинчатого теплообменника 3 и нагревается до температуры t_аф1, которая контролируется датчиком, имеющим проводящую связь с трехходовым автоматическим клапаном 21, и насос 20 подает горячую воду G_wг с t_wг≥15° во вторые каналы пластинчатого теплообменника 3, а в трубках теплообменника 7 от холода наружного воздуха антифриз G_аф снижает температуру до t_аф2≥0°, и при закрытом соленоидном вентиле 23 поступает в трубки теплообменника 5, и воспринимает тепло от вытяжного воздуха, и через трубопровод 4 при открытом соленоидном вентиле 22 поступает на догрев до t_аф1 в каналах пластинчатого теплообменника 3, по вторым каналам которого от работы насоса 20 проходит горячая вода с температурой, которую выбирают с учетом условий применения агрегата, а во втором блоке работает компрессор 8, и через клапан 9 горячие пары фреона R22 поступают в трубки теплообменника 11, выполняющего в режиме «зима» роль воздушного конденсатора, и тепло конденсации R22 идет на нагрев L_ПН до температуры t_ПН.Х.=8°, с которой от работы вентилятора 12 по приточным воздухоотводам подается в смесительный воздухораспределитель, установленный в обслуживаемом помещении (на чертеже не показаны), а парожидкостная смесь из теплообменника 11 по медным соединительным трубам через клапан 9 подается в трубки теплообменника 10, где R22 кипит и отнимает тепло от вытяжного воздуха, приходящего со стороны оребрения трубок теплообменника 10 от работы вентилятора 13.

Режим «лето» наступает при температуре t_Н>16° и от центрального коллектора (ЦК на череже не показан) подается сигнал на закрытие соленоидного вентиля 22 и открытие вентиля 23 и перемещение сектора в автоматическом клапане 9 в положение, при котором теплообменник 11 становится испарителем R22, а теплообменник 10 - конденсатором R22, а по трубопроводу 18 от работы насоса 20 в пластинчатый теплообменник 3 подается холодная вода G_wх с температурой t_wх=14° и, проходя по каналам пластинчатого теплообменника 3, охлаждает антифриз, который от работы насоса 6 по соединительным трубопроводам 4 поступает в трубки теплообменника 7 и охлаждает наружный приточный воздух L_ПН до температуры t_п2, и если требуется дальнейшее охлаждение L_ПН до t_п3, то включается компрессор 8 и через клапан 9 горячие газы R22 поступают в трубки теплообменника 10, через который проходит адиабатно увлажненный до t_у2 вытяжной воздух, который в режиме отведения тепла от горячих газов R22 в теплообменнике 10 нагревается до t_у3, что будет отвечать температуре конденсации t_н, и парожидкостная смесь R22 через клапан 9 будет поступать и кипеть в трубках теплообменника 11.

Наибольшее энергосбережение от применения двухступенчатого воздушного теплового насоса достигается при его применении в проекте экологичного и энергосберегающего холодо- и теплоснабжения здания, когда дополнительно применяется холодильная машина с водяными конденсатором и испарителем в режиме теплового насоса зимой, вырабатывающая тепло для систем горячего водоснабжения и отопления, а летом тепло для горячего водоснабжения и холод для охлаждения L_ПН и обитаемых помещений. Эта холодильная машина работает только 8 ночных часов при дешевом тарифе на электроэнергию и обеспечивает накопление в первой группе баков горячей воды t_wгвc=55° для дневного расхода на горячее водоснабжение, а охлаждаемая в испарителе вода в ночные часы собирается во второй группе баков и расходуется днем для подачи в пластинчатый теплообменник 3 и теплообменники местных воздухоохладителей (на чертеже не показаны), что позволяет в режиме «лето» не включать в работу компрессор 8 и снижать расход электроэнергии в дневные часы, когда действует высокая цена.

В тех случаях, когда при ночной работе дополнительной холодильной машины первые баки наполняются t_wгвc=55° ранее 8 часов, а во вторых баках не накоплена холодная вода, то холодильная машина прекращает работу и тепло от ее конденсации отводится через теплообменник 17 в поток адиабатно увлажненного в установке 14 вытяжного воздуха L_у.

В случае применения предлагаемого энергосберегающего двухступенчатого воздушного теплового насоса, когда отсутствует холодная вода, которая необходима в режиме «лето» для подачи в пластинчатый теплообменник 3, энергосберегающий режим охлаждения L_ПН достигается путем открытия соединительного вентиля 22 и закрытия вентиля 23, вытяжной воздух L_у в установке 14 в режиме адиабатного увлажнения понижает температуру до t_у2 и, проходя со стороны оребрения трубок теплообменника 5, охлаждает антифриз в трубках до температуры t_аф1=t_у2+3, °C, с которой насос 6 подает охлажденный антифриз t_аф1 в трубки теплообменника 7, где обеспечивает охлаждение L_ПН до температуры t_н2=t_аф1+4, °C, и требуемое охлаждение в теплообменнике 11 от работы компрессора 8 сокращается до 50%.