Результат интеллектуальной деятельности: Система автоматического управления микроклиматом в помещениях для размещения животных

Предлагаемая система относится к теплонасосным системам и установкам и может быть использована для горячего водоснабжения и отопления помещений, предназначенных для размещения сельскохозяйственных животных.

Известны теплонасосные системы и установки для утилизации вторичных энергетических ресурсов (авт. свид. СССР №№311.111, 458.691, 606.049, 918.729, 1.404.764, 1.478.000, 1.518.626, 1.537.986, 1.672.160, 1.740.912, 1.758.370, 1.783.259, 1.809.263; патенты РФ №№2.008.582, 2.032.866, 2.062.964, 2.099.663, 2.117.884, 2.159.904, 2.206.026; патенты США №№2.634.431, 4.373.346, 4.592.206; патент ФРГ №2.712.110; патенты Японии №№54-47.426, 56-48.777, 62-60.621; Хайнрих Г. и др. Теплонасосные установки для горячего водоснабжения. М.: Стройиздат, 1985, с. 109, рис. 48 и другие).

Из известных систем и установок наиболее близкой к предлагаемой является «Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения» (патент РФ №2.206.026, F24D 15/04, 2001), которая и выбрана в качестве прототипа.

Эффективность данной установки определяется коэффициентом преобразования К_пр, равным отношению производимой мощности N_T к затрачиваемой электрической мощности N_э

Величина К_пр в общем случае зависит от ряда факторов, в том числе от температуры воздуха, температуры воды и солнечной энергии.

В указанной установке в качестве низкопотенциальных источников теплоты используются воздух, который подается вентилятором из вентиляционной шахты, чердака и др. в трехпоточный испаритель (теплообменник), и грунт, в который установлен земляной трубопровод.

Кроме того, в известную установку введен специальный блок адаптивной температурной селекции, который в теплое время года в качестве низкопотенциального источника тепла использует воздух, а в холодное - грунт.

Воздушный теплообменник очень хорош весной и летом, но при температуре окружающего воздуха ниже 7°С резко снижается возможность его эффективного использования, так как с уменьшением температуры источника низкопотенциальной теплоты уменьшается подводимое к теплонасосной установке тепло и, как следствие, снижается величина коэффициента преобразования К_пр теплонасосной установки.

Основное преимущество теплонасосных установок, в том числе и выбранной в качестве прототипа, заключается в том, что они функционируют с высоким коэффициентом преобразования К_пр электрической энергии в тепловую, что приводит к значительному снижению затрат на потребляемую электроэнергию.

Величина К_пр для современных теплонасосных установок составляет от 3 до 8, что практически означает увеличение в такое же число раз значения выделяемой тепловой мощности по сравнению с затрачиваемой электрической мощностью.

Для того чтобы величина К_пр поддерживалась на высоком уровне (не ниже 3) в случае использования воздушного теплообменника, для отбора тепла от воздуха необходимо идти на значительное увеличение теплопередающей поверхности и создаваемого вентилятором расхода воздуха, т.е. применять оборудование больших габаритов с высоким электропотреблением. При условии, что температура воздуха выше 7°С, габариты теплообменника и потребляемая вентилятором мощность вполне приемлемы и сравнимы с параметрами кондиционеров такой же производительности.

Зимой, когда температура окружающего воздуха ниже 7°, блок 18 адаптивной температурной селекции подключает к испарительно-конденсаторному агрегату 7 земляной трубопровод 17.

Блок сравнения определяет максимальную из двух температур - воздуха или земли на текущий момент и дает команду на исполнительный блок с целью подключения теплообменника (воздушного или земляного соответственно), обеспечивающего более высокую температуру низкопотенциального источника тепла.

С целью обеспечения эффективной работы теплонасосной установки на протяжении всего года необходимо естественно использовать такой природный источник тепла как Солнце.

Технической задачей изобретения является обеспечение эффективной работы теплонасосной установки для отопления и горячего водоснабжения помещений для размещения животных на протяжении всего года путем использования в качестве низкопотенциальных источников теплоты воздуха или грунта или солнечного концентратора в зависимости от температуры окружающей среды.

Поставленная задача решается тем, что система автоматического управления микроклиматом в помещениях для размещения животных, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, компрессор, два бака-аккумулятора, конденсатор, состоящий из двух секций, испаритель, два циркулярных насоса, пиковый подогреватель, земляной трубопровод, воздушный теплообменник, блок адаптивной температурной селекции, испарительно-конденсаторный агрегат и два датчика реле температуры, при этом воздушный теплообменник и земляной трубопровод через блок адаптивной температурной селекции и первый циркулярный насос соединены соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом, который через трубопроводы первой ступени конденсатора и второй циркуляционный насос соответствующими трубопроводами соединен с первым баком-аккумулятором, в верхней части которого размещен второй бак-аккумулятор, соединенный с трубопроводами холодной воды и горячего водоснабжения, в средней части первого бак-аккумулятора размещены два датчика реле температуры, первый из которых соединен электрически с компрессором, а второй с пиковым подогревателем, размещенным в нижней части первого бака-аккумулятора, соединенного с трубопроводами холодной воды и отопительных приборов, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена солнечным концентратором, содержащим солнечную батарею с фотоприемником, расположенным в фокусе цилиндрической линзы с возможностью вращения в зенитальной и азимутальной плоскостях с помощью соответствующих приводов, причем фотоприемник через блок адаптивной температурной селекции и первый циркуляционный насос соединен соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом.

Блок адаптивной температурной селекции выполнен в виде соединенных механически выходных трубопроводов воздушного теплообменника и земляного трубопровода с выходным трубопроводом испарительно-конденсаторного агрегата в виде соединенных шарнирно через первый шаровой переключатель выходного трубопровода испарительно-конденсаторного агрегата с входными трубопроводами воздушного теплообменника и земляного трубопровода, причем на выходных трубопроводах воздушного теплообменника и земляного трубопровода размещены температурные датчики, подключенные электрически через первый блок сравнения к первому исполнительному блоку, кинематически связанному с первым шаровым переключателем, в виде соединенных механически выходного трубопровода солнечного концентратора и обобщенного трубопровода воздушного теплообменника или земляного трубопровода с входным трубопроводом испарительно-конденсаторного агрегата в виде соединенных шарнирно через второй шаровой переключатель выходного трубопровода испарительно-конденсаторного агрегата с входными трубопроводами солнечного концентратора и обобщенного трубопровода воздушного теплообменника или земляного трубопровода, причем на выходном трубопроводе солнечного концентратора и обобщенном трубопроводе размещены температурные датчики, подключенные электрически через второй блок сравнения к второму исполнительному блоку, кинематически связанному со вторым шаровым переключателем.

Принципиальная схема предлагаемой системы автоматического управления микроклиматом в помещениях для размещения животных представлена на фиг. 1. Схема блока адаптивной температурной селекции изображена на фиг. 2.

Система автоматического управления микроклиматом в помещениях для размещения животных содержит компрессор 1, первый бак-аккумулятор 2, конденсатор, состоящий из двух секций 3, 4, соединенных последовательно вместе с испарителем 5 по контуру 24 циркуляции хладагента, воздушный теплообменник 6, воздушный поток, к которому подается с помощью вентилятора 8 испарительно-конденсаторный агрегат 7, первый 9.1 и второй 9.2 датчики реле 9 температуры, первый 10 и второй 11 циркуляционные насосы, трубопроводы 12, 13, 14, 25, соединяющие испарительно-конденсаторный агрегат 7 и бак-аккумулятор 2, электрическую цепь 15, соединительный компрессор 1 и первый датчик 9.1 реле температуры, пиковый подогреватель 16, земляной трубопровод 17, блок 18 адаптивной температурной селекции, второй бак-аккумулятор 19, трубопроводы 20 и 21, соединяющие первый бак-аккумулятор 2 с отопительными приборами, трубопроводы 22 и 23, соединяющие второй бак-аккумулятор 19 с водопроводной сетью, контур 24 циркуляции хладагента, солнечный концентратор, содержащий солнечную батарею 31 с фотоприемником 32, расположенным в фокусе цилиндрической линзы 33 с возможностью вращения в зенитальной и азимутальной плоскостях с помощью соответствующих приводов 34 и 35, датчики 36 и 37, основание 38.

При этом воздушный теплообменник 6, земляной трубопровод 17 и солнечный концентратор через блок 18 адаптивной температурной селекции и первый 10 циркуляционный насос соединены соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом 7, который через второй циркуляционный насос 11 соответствующими трубопроводами 12, 13, 14 и 25 соединен с баком-аккумулятором 2.

В верхней части первого бака-аккумулятора 2 размещен второй бак-аккумулятор 19, соединенный с трубопроводами 22 и 23 холодной воды и горячего водоснабжения, в средней части первого бака-аккумулятора 2 размещены датчики 9.1 и 9.2 реле 9 температуры, в нижней части первого бака-аккумулятора 2 размещен пиковый подогреватель 16, соединенный электрически с датчиком 9.2 реле 9 температуры, компрессор 1 электрически соединен с первым датчиком 9.1.

Бак-аккумулятор 2 соединен трубопроводами 20 и 21 с отопительными приборами. Испарительно-конденсаторный агрегатом 7 содержит компрессор 1, две секции 3,4 конденсатора и испаритель 5, последовательно включенные в контур 24 циркуляции хладагента.

Блок 18 адаптивной температурной селекции выполнен в виде соединенных механически выходных трубопроводов воздушного теплообменника 6 и земляного трубопровода 17 с входным трубопроводом испарительно-конденсаторного агрегата 7 в виде соединенных шарнирно через первый шаровой переключатель 30 выходного трубопровода испарительно-конденсаторного агрегата 7 с входными трубопроводами воздушного теплообменника 6 и земляного трубопровода 17, причем на выходных трубопроводах воздушного теплообменника 6 и земляного трубопровода 17 размещены температурные датчики 26 и 27, подключенные электрически через первый блок 28 сравнения к первому исполнительному блоку 29, кинематически связанному с первым шаровым переключателем 30, в виде соединенных механически выходного трубопровода солнечного концентратора и обобщенного трубопровода воздушного теплообменника 6 или земляного трубопровода 17 с входным трубопроводом испарительно-конденсаторного агрегата 7 в виде соединенных шарнирно через второй шаровой переключатель 43 выходного трубопровода испарительно-конденсаторного агрегата 7 с входными трубопроводами солнечного концентратора и обобщенным трубопроводом воздушного теплообменника 6 или земляного трубопровода 17, причем на выходном трубопроводе солнечного концентратора и обобщенном трубопроводе размещены температурные датчики 39 и 40, подключенные электрически через второй блок 41 сравнения ко второму исполнительному блоку 42, кинематически связанному с вторым шаровым переключателем 43.

Система автоматического управления микроклиматом в помещениях для размещения животных работает следующим образом.

Весной и летом, когда температура окружающего воздуха выше 7°С, в пасмурные дни блок 18 адаптивной температурной селекции подключает к испарительно-конденсаторному агрегату 7 воздушный теплообменник 6. При этом воздух, используемый в качестве низкопотенциального источника теплоты, подается вентилятором 8 из вентиляционной шахты, чердака и др. в воздушный теплообменник 6, передает теплоту хладагенту теплонасосного контура.

В солнечные дни, когда температура солнечного излучения значительно превышает температуру окружающего воздуха, то блок 18 адаптивной температурной селекции подключает к испарительно-конденсаторному агрегату 7 солнечный концентратор.

Зимой, когда температура окружающего воздуха ниже 7°С, в пасмурные дни блок 18 адаптивной температурной селекции подключает к испарительно-конденсаторному агрегату 7 земляной трубопровод, последний может быть выполнен из полиэтиленовой трубы с наружным диаметром 40 мм и внутренним 32 мм, укладываемой на глубину 1,2-1,5 м в зависимости от структуры грунта.

При небольших размерах целесообразно для уменьшения длины укладываемого в землю трубопровода, а следовательно, и длины траншеи вместо полиэтиленовой трубы применить медную трубу. Это существенно уменьшает площадь участка, необходимую для укладки земляного трубопровода, однако срок службы такого теплообменника сокращается с 50 до 20 лет.

В солнечный зимний день, когда температура солнечного излучения значительно превышает температуру грунта, то блок 18 адаптивной температурной селекции подключает к испарительно-конденсаторному агрегату 7 солнечный концентратор.

Блок 28 сравнения определяет максимальную из двух температур - воздуха или земли на текущий момент и дает команду на исполнительный блок 29 с целью подключения воздушного теплообменника 6 или земляного трубопровода 17, обеспечивающего более высокую температуру низкопотенциального источника тепла.

Блок 41 сравнения определяет максимальную из двух температур - солнечного концентратора или воздушного теплообменника 6 (земляного трубопровода 17) на текущий момент и дает команду на исполнительный блок 42 с целью подключения солнечного концентратора или воздушного теплообменника 6 (земляного трубопровода 17), обеспечивающего более высокую температуру низкопотенциального источника тепла.

Следовательно, теплонасосная установка совместно с блоком 18 адаптивной температурной селекции всегда работает в режиме, обеспечивающем наибольшую эффективность теплового насоса.

Эти установки целесообразно использовать прежде всего в животноводческих холдингах и фермерских хозяйствах.

Потребляемая от электросети энергия затрачивается главным образом на работу компрессора 1. В экстремальных ситуациях, когда температура наружного воздуха сильно понижена или когда необходимо быстро запустить систему, используется пиковый подогреватель 16, который работает от напряжения 220 В и потребляет мало электроэнергии.

Таким образом, предлагаемая система автоматического управления микроклиматом в помещениях для размещения животных по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает эффективную работу теплонасосной установки для отопления и горячего водоснабжения помещений для размещения животных на протяжении всего года. Это достигается за счет использования в качестве низкопотенциальных источников теплоты воздуха или грунта или солнечного концентратора в зависимости от температуры окружающей среды. При этом в качестве солнечного концентратора могут использоваться различные схемные решения.

Система может применяться в любых климатических условиях в животноводческих холдингах и фермерских хозяйствах, находящихся в сельской и пригородной местностях вдали от магистралей теплоснабжения. Для электропитания системы требуется четырехфазная четырехпроводная электрическая сеть переменного тока частотой 50 Гц напряжением 380 В с глухозаземленной нейтралью.

Система может использоваться в автоматическом режиме, не требующем присутствия человека. Система основана на экологически чистой технологии - отсутствуют выбросы в атмосферу вредных веществ и углекислоты, применяется озоно-безопасный тип хладона.

Эффективность теплонасосной установки для отопления и горячего водоснабжения проверена опытно-конструкторским бюро «Карат» на территории Ленинградской области.