STRUCTURAL FLEXIBILITY OF HEAT PUMP SYSTEMS

Сучилин В.А.¹, Кочетков А.С.², Губанов Н.Н.³

¹ORCID: 0000-0001-7467-5033, Доктор технических наук, ^2,3Магистр, Российский государственный университет туризма и сервиса

СТРУКТУРНАЯ ГИБКОСТЬ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы гибкости структурных схем теплонасосных установок (ТНУ) типа грунт-вода для отопления и горячего водоснабжения помещений. Предлагается новый подход к компоновке теплонасосных установок малой и средней мощности, применяемых в частном секторе и предприятиях сферы быта, позволяющих решать проблему расширения их конструктивного ряда, многофункциональности применения и повышения востребованности, отвечая растущим запросам потребителей. Сущность новизны заключается в компоновке двух и более типовых бытовых тепловых насосов (ТН) в одну технологическую систему, используя последовательный, параллельный или смешанный способ соединения их.

Ключевые слова: тепловые насосы, теплонасосные установки, структурная гибкость, структурные модули, эффективность.

Suchilin V.A.¹, Kochetkov A.S.², Gubanov N.N.³

¹ORCID: 0000-0001-7467-5033, PhD in Engineering, ^2,3 Master of Science, Russian State University of Tourism and Service

STRUCTURAL FLEXIBILITY OF HEAT PUMP SYSTEMS

                                                                                                                              Abstract 

This article discusses the flexibility of structural charts of heat pump systems (HPS) such as ground-water type for room heating and hot water supply. A new approach to the layout of heat pumps of low and medium power which are used in the private sector and for enterprises allows them to solve the problem of the constructive range expansion, multi-functionality of application and increased demand, responding to the growing demands of consumers. The innovation is concerned with the arrangement of two or more types of household heat pumps (TN) in one processing system using serial, parallel or mixed connection method.

Keywords: heat pumps, heat pump systems, structural flexibility, structural modules efficiency.

Разработки по структурной гибкости теплонасосных установок вызваны назревшей необходимостью расширения системы отопления домов частного сектора и помещений сферы быта за счет альтернативных источников энергии [1, 2]. Решение поставленной задачи возможно введением новых технологических модулей к известному ассортименту бытовых тепловых насосов, широко представленных на современном рынке. В общем, это гибкость за счет расширения организационных возможностей и производственных мощностей малых предприятий, осуществляющих монтажные работы и обслуживание ТНУ клиентов, желающих повысить уровень комфортности проживания, путем освоения, наряду с отоплением помещений батареями, технологий теплых полов, обогрева закрытого бассейна, теплицы и т.п. запросов.

Гибкие структуры, как известно, обеспечивают наиболее эффективное использование данного вида оборудования, так как позволяют повысить надежность за счет предварительного контроля и обкатки комплектующих модулей и, следовательно, сократить численность обслуживающего персонала и создавать мобильные системы оперативного мониторинга за эксплуатацией оборудования.

Важной особенностью гибких структур технологического оборудования, является потенциальная способность их к интеграции в новые схемные решения, что касается ТНУ, то структурная гибкость позволит, на наш взгляд, расширить их конструктивный ряд, повысить востребованность в бытовых ТН и создаст возможность по увеличению сферы применения, отвечая запросам потребителей по многофункциональности данного оборудования.

Как отмечалось выше, реальные запросы населения по обеспечению автономным теплом постоянно растут. Однако обычный бытовой ТН, например типа «грунт-вода», не в состоянии удовлетворить эти потребности в тепле. Два и более ТН – это не только дорого, но и не эффективно, так как возникают сложности подключения каждого из них к своему внешнему грунтовому контуру, а это значительные дополнительные площади на участке возле дома.

Решение возможно в создании гибких структур ТНУ на базе типовых бытовых ТН, легко перестраиваемых под различные потребности клиентов.  Подобных образцов в торговой сети практически еще нет или они весьма ограничены по ассортименту. Решить задачу компоновки двух и более типовых ТН в одну технологическую систему можно за счет унификации составных элементов конструкции ТНУ. Под уровнем унификации в этом случае будем понимать насыщенность их соответственно унифицированными и типовыми составными частями (деталями, узлами, механизмами).

В разрабатываемой системе отопления и ГВС типовыми, естественно, будут ТН. Внешний грунтовый контур установки будет выступать унифицированным агрегатом, обеспечивающим стабильность функционирования ряда гибких ТНУ, а оригинальными остаются лишь несколько деталей и узлов, обеспечивающих перекомпоновку установки при необходимости выполнения ее под заказ конкретного потребителя.

Создание гибких структур ТНУ, отвечающих разнообразным потребностям клиентов предполагает использовать последовательный, параллельный или смешанные схемы соединения ТН.  Необходимость обеспечения стабильности и достаточности в низкопотенциальной тепловой энергии, получаемой ТНУ из зоны расположения теплообменника внешнего грунтового контура показано в статье [1].

Предлагается принципиальная схема ТНУ для повышения эффективности эксплуатации и многофункциональности применения, созданной на основе типовых ТН малой или средней мощности, соединенных последовательно [4].

Рис. 1 - Принципиальная структурная схема бытовой двухступенчатой ТНУ

Схема теплонасосной установки включает (см. рисунок) первый тепловой насос А компрессионного типа, работающий по схеме грунт-вода; дроссель1, внешний контур с теплообменником, помещенный в грунт (на рис. не показано), теплообменный контур первого теплового насоса с емкостью 2 для поступления низкотемпературного теплоносителя от грунтового теплообменника с помощью жидкостного насоса (на рис. не показано) и с трубчатым испарителем с  циркулирующим хладагентом, помещенным в данную емкость, компрессор 3, емкость 4 для отопительной воды с трубчатым конденсатором в данной емкости. Второй тепловой насос Б с дросселем 5, емкостью 6 с трубчатым испарителем хладагента, компрессором 7, емкостью 8 для отопительной воды с трубчатым конденсатором.

Согласно схемы (см. рисунок) отопительная вода на выходе из емкости 4 может выступать при соответствующей установки регулирующего вентиля С как теплоноситель для обогрева теплых полов с температурой 35-40^оС или как технологический теплоноситель с той же температурой поступающий в емкость 6 для работы испарителя второй ступени ТНУ, позволяющей получать температуру отопительной воды на выходе из емкости 8 с конденсатором второй ступени с температурой 60-65^оС. Вентиль С позволяет подавать нагретую воду с выхода первого ТН одновременно и для отопления теплых полов и в емкость 6 для работы испарителя второй ступени, обогревая как минимум два помещения.

 Для реализации отмеченной многофункциональности разработанной ТНУ важным является обеспечение работы ее необходимым количеством низкопотенциальной энергией от внешнего грунтового контура. Эта задача решалась путем установки в зоне грунтового теплообменника аккумулятора тепловой энергии [3]. Аккумулятор тепловой энергии выполнен в виде двух емкостей, соединенных между собой трубопроводами, в которых циркулирует жидкий теплоноситель,  причем  в первой емкости происходит нагрев жидкого теплоносителя от помещенного в первую емкость нагревателя, после чего нагретый жидкий теплоноситель из первой емкости по подающим трубопроводам поступает во вторую емкость, и передает часть своей тепловой энергии через эти трубопроводы и  стенки второй емкости  в окружающий грунт, а охлажденный жидкий теплоноситель снова возвращается, отдавая оставшуюся часть своей тепловой энергии окружающему грунту по обратным трубопроводам в первую емкость для нагрева от помещенного в первую емкость нагревателя. Размещенный же в первой емкости аккумулятора тепловой энергии нагреватель представляет собой теплообменник, соединенный трубопроводами с солнечным коллектором в единый контур, по которому циркулирует     жидкий теплоноситель. В качестве жидкого теплоносителя в аккумуляторе тепловой энергии используется вода, в качестве жидкого теплоносителя в теплообменнике солнечного коллектора используется антифриз.

Расход низкопотенциального теплоносителя-антифриза, циркулирующего во внешнем грунтовом контуре первого ТН и теплоносителя-воды на выходе из него обеспечивается жидкостными насосами (на рис. не показано). Управление их работой осуществляется программированным контроллером.

Таким образом, представленные технические решения по созданию гибких систем отопления помещений на базе бытовых ТН позволяют повысить технологичность конструкции, снизить затраты на монтажные работы, на обслуживание и ремонт. Упрощается вся система отопления и горячего водоснабжения, повышается надежность и мобильность систем отопления и ГВС. Повышение эксплуатационной гибкости системы на основе тепловых насосов наряду с расширением сферы применения, обеспечивает доступность реализации ее у заказчика. Решения отмеченных задач соответствуют направлению совершенствования технологического оборудования, технологии и методов контроля в сфере коммунального хозяйства и бытового обслуживания, могут повысить эффективность существующих ТНУ за счет придания им многофункциональности. А это залог повышенной востребованности и конкурентоспособности данной группы оборудования.

Список литературы / References 

1. Сучилин В.А. Принцип модульности теплонасосных установок /В.А. Сучилин, А.С. Кочетков, Н.Н. Губанов // Международный научно-исследовательский журнал. – 2016. – № 8 (50) – Часть 3. – С. 93-95.
2. Сучилин В. А. Гибкие системы отопления и горячего водоснабжения на основе тепловых насосов / В.А. Сучилин, А.С. Кочетков, С. А. Голиков // ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал – 2016. – № 1(22) – Часть 2. – С. 133-136.
3. Сучилин В.А., Кочетков А.С. Система отопления и горячего водоснабжения помещений. Заявка на изобретение – МПК F25B30/02. Регистрация в ФИПС - №2016104802 от 12.02.2016.
4. Сучилин В.А., Губанов Н.Н., Кочетков А.С. Каскадная теплонасосная установка. Заявка на изобретение – МПК F25B30/02. Регистрация в ФИПС -№2016122646 от 08.06.2016.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Suchilin V.A. Printsip modul'nosti teplonasosnyh ustanovok [The principle of modular heat pump systems] / V.A. Suchilin, A.S. Kochetkov, N.N. Gubanov // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. – 2016. – № 8 (50) – Part 3 – P. 93-95. [in Russian]
2. Suchilin V.A. Gibkie sistemy otopleniya i goryachego vodosnabzheniya na osnove teplovyh nasosov [Flexible heating system and hot water through heat pumps] /V.A. Suchilin, A.S. Kochetkov, S.A. Golikov // EVRAZIJSKIJ SOYUZ UCHENYH (ESU) Ezhemesyachnyj nauchnyj zhurnal [SCIENTISTS EURASIAN UNION (SEU) The monthly scientific journal]. – 2016. – № 1 (22) – Part 2 – P. 133-136. [in Russian]
3. Suchilin V.A., Kochetkov A.S. Sistema otopleniya i goryachego vodosnabzheniya pomeshchenij. Zayavka na izobretenie [Heating and hot water facilities. An application for an invention] – IPC F25B30/02. Registration FIPS №2016104802 on 12.02.2016. [in Russian]
4. Suchilin V.A., Gubanov N.N., Kochetkov A.S. Kaskadnaya teplonasosnaya ustanovka. Zayavka na izobretenie [The cascade heat pump system. An application for an invention] – IPC F25B30/02. Registration FIPS №2016122646 on 06.08.2016. [in Russian]