1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28844
(51) F24D 3/02 (2006.01)
F24D 3/14 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/1307.1
(22) 04.10.2013
(45) 15.08.2014, бюл. №8
(72) Абильдинова Сауле Кианбековна
(73) Некоммерческое акционерное общество
"Алматинский университет энергетики и связи"
(56) RU №2364795, 2009
(54) ТЕПЛОНАСОСНАЯ СИСТЕМА
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ
(57) Изобретение относится к теплоэнергетике,
конкретно к теплотехнике и может быть
использовано для энергетически и экологически
эффективного теплоснабжения (отопление,
вентиляция и горячее водоснабжение)
многоэтажных жилых зданий.
Теплонасосная система теплоснабжения жилых
зданий содержит теплонасосную установку типа
«воздух-вода» со встроенными обязательными
элементами (компрессор, осуществляющий
двухступенчатое сжатие, испаритель, дроссельный
орган, конденсатор, промежуточный охладитель),
циркуляционный насос, многофункциональный
теплосчетчик, расширительный бак и
модифицированную схему сбора
низкопотенциального тепла для теплонасосных
установок в виде удаляемого сбросного воздуха из
помещений, вытяжные решетки присоединены к
вертикальному сборному каналу, а в вытяжную
шахту присоединен последовательно вентилятор,
который передает теплый сбросный воздух в
испаритель.
Преимущество системы теплоснабжения жилых
зданий заключается в повышении ее энергетической
эффективности и экологичности, за счет утилизации
и использования сбросного тепла собственных
вентиляционных выбросов здания, в упрощении
схемы сбора низкопотенциального тепла в схеме
теплонасосной установки, а также в уменьшении
капитальных затрат за счет установки теплового
насоса с двухступенчатым сжатием хладагента,
способного заменить несколько одноступенчатых
тепловых насосов, обслуживающих отдельные зоны
системы теплоснабжения всего здания.
(19)KZ(13)A4(11)28844

2. 28844
2
Изобретение относится к теплоэнергетике,
конкретно к теплотехнике и может быть
использовано для энергетически и экологически
эффективного теплоснабжения (отопление,
вентиляция и горячее водоснабжение)
многоэтажных жилых зданий.
Известна энергосберегающая система
вентиляции и кондиционирования воздуха с
воздушным приточно-вытяжным агрегатом.
Система является централизованной, обеспечивает
приток свежего воздуха за счет теплообмена между
выходящим из помещений теплым и приточным
наружным воздухом. В воздушном агрегате по ходу
движения приточного воздуха установлены
воздушные клапаны, фильтр, пластинчатый
рекуперативный теплообменник, приточный
вентилятор, соединенный с приточным
воздуховодом. Вытяжной воздух поступает в
пластинчатый теплоутилизатор из воздуховода
выброса при помощи вентилятора и фильтра.
Рекуперативные теплообменники достаточно
эффективно обеспечивают отбор тепла от
выходящего воздуха к приточному, существенно
улучшая энергетический баланс здания (Патент RU
2244882 С1, МПК: F24F 5/00, F24F 11/00,
опубликовано 20.01.2005г.).
Недостатком такой системы является
необходимость применения электрического
предварительного подогрева наружного воздуха для
предотвращения обмерзания пластинчатого
рекуперативного теплоутилизатора в зимний период
и охладителя воздуха на все обслуживаемые
помещения в режиме кондиционирования, что
требует значительных затрат энергии, снижая при
этом энергетическую эффективность
круглогодичной работы системы. Централизованная
установка воздушных приточно-вытяжных
агрегатов для вентиляции и кондиционирования
возможна и целесообразна лишь во вновь
строящихся объектах, а в существующих
многоквартирных и индивидуальных домах
подобная установка практически невозможна.
Недостатком является также то, что данная
установка не предусматривает горячее
водоснабжение здания.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению
по конструкции является теплонасосная система
теплоснабжения многоэтажного здания,
использующая низкопотенциальное тепло грунта в
комбинации со сбросным теплом вентиляционных и
канализационных выбросов здания. Система
теплоснабжения многоэтажного здания разделена на
зоны, где для теплового насоса нижней зоны
используется тепло грунта и собственных
канализационных стоков, а для остальных зон
установлены тепловые насосы с
низкопотенциальным источником тепла
вентиляционных выбросов предыдущей зоны и
канализационных стоков. Теплонасосная система
включает систему сбора низкопотенциального тепла
грунта поверхностных слоев Земли и систему
утилизации вторичного тепла выбросов,
обеспечивает здание теплом и горячей водой и
кондиционирует в теплое время. (Патент RU
2364795С2, МПК: F24F 11/00, опубликовано
20.08.2009г.).
Недостатком указанной теплонасосной системы
является сложность, а зачастую и невозможность ее
применения при большой высоте зданий. В этом
случае, как правило, земельный участок или пятно
застройки значительно меньше отапливаемой
площади здания и использование тепла грунта для
теплоснабжения всего здания оказывается
экономически неэффективным или невозможным с
увеличением тепловой нагрузки здания.
Для обустройства геоколлекторов системы сбора
тепла грунта поверхностных слоев Земли, требуется
значительная площадь прилегакштй территории
дома. Кроме того, теплонасосная система
многоэтажного здания энергетически менее
эффективна, поскольку рассматривает деление
системы теплоснабжения на зоны и
предусматривает установку нескольких тепловых
насосов, что приводит к усложнению и удорожанию
оборудования, повышению расходов
электроэнергии на привод компрессоров и расходов
на систему очистки канализационных стоков.
Техническая задача, решаемая изобретением,
заключается в повышении энергетической
эффективности теплоснабжения здания на основе
теплового насоса с двухступенчатым сжатием
хладагента за счет рационального круглогодичного
использования тепла вентиляционных выбросов
этого же здания в качестве источника низкого
потенциала для работы ТНУ, а также в упрощении
системы сбора низкопотенциального тепла и ее
применения.
Для решения технической задачи теплонасосная
система теплоснабжения жилых зданий содержит
теплонасосную установку типа «воздух-вода» со
встроенными обязательными элементами
(компрессор, осуществляющий двухступенчатое
сжатие, испаритель, дроссельный орган,
конденсатор, промежуточный охладитель),
циркуляционный насос, многофункциональный
теплосчетчик, расширительный бак и
модифицированную схему сбора
низкопотенциального тепла для теплонасосных
установок в виде удаляемого сбросного воздуха из
помещений, согласно изобретения, вытяжные
решетки присоединены к вертикальному сборному
каналу, а в вытяжную шахту присоединен
последовательно вентилятор, который передает
теплый сбросной воздух в испаритель.
Современные жилые здания имеют значительные
тепловые сбросы, удаляемые через систему
вентиляции. В таких зданиях панельного
домостроения повышенной этажности
функционирует схема естественной вентиляции с
"теплым" чердаком. Естественная вентиляция
здания достаточно устойчиво работает на вытяжке
из кухни и санузлов. На фиг.1 показана система
отопления и горячего водоснабжения жилого здания
на тепловом насосе, использующего
низкопотенциальное тепло вытяжного воздуха.
Теплонасосная установка использует тепловые

3. 28844
3
сбросы удаляемые через модифицированную
систему вентиляции, преобразуя их в тепло
высокого потенциала, аккумулирует в виде горячей
воды и передает в систему теплоснабжения здания.
Система теплоснабжения жилого здания
включает в себя следующие элементы:
1 - приточное устройство (в стене или
переплете); 2 - вытяжное устройство (клапан); 3 -
отопительный прибор; 4 - вытяжные каналы
спутники; 5 -сборный вытяжной канал; 6 - вытяжная
шахта; 7 индивидуальный вытяжной вентилятор (на
предпоследнем и последнем этажах); 8 - основные
вентиляторы; 9 - расширительный сосуд воздуха; 10
- расходный бак горячей воды; 11 -тепловой насос
типа «воздух - вода»; 12 - бак аккумулятор горячей
воды; 13 -трехходовой вентиль; 14 -
циркуляционный насос; 15 - расширительный сосуд
горячей воды; 16 - подпиточная вода.
Условные обозначения: КР - конденсатор
теплового насоса; И - испаритель; T1, Т2 -
подающий и обратный трубопровод системы
отопления; Т3 - трубопровод на ГВС; ж.п. - жилое
помещение; к - кухня; с/у - санузел.
Предлагается следующая модифицированная
схема сбора собственных вентиляционных выбросов
здания, позволяющая упростить систему сбора
низкопотенциального тепла по сравнению с
аналогами, в которых допускается значительные
затраты электроэнергии на предварительный
подогрев воздуха и сбор тепла поверхностных слоев
грунта Земли.
На этажах в помещения квартиры приток
свежего воздуха осуществляется через приточные
клапаны (1), устанавливаемые в переплете
стеклопакетов или в наружной стене. Удаление
воздуха из помещений квартиры осуществляется
через вытяжные решетки или клапаны канала-
спутника (4), присоединенного к вертикальному
сборному каналу (5). Вертикальные сборные каналы
предусмотрены общими или раздельными для
кухонь и санузлов.
Поток воздуха, вытягиваемый вентилятором (8),
регулируется так, чтобы количество воздуха в
помещениях соответствовало нормированному,
необходимому для вентиляции количеству воздуха.
Поток теплого сбросного воздуха из сборных
вертикальных каналов при помощи мощного
вентилятора (8) поступает в вытяжную шахту (6),
откуда передается в испаритель теплового насоса
(11). Температура удаляемого сбросного воздуха
часто превышает 20°С. Тепловые сбросы здания
можно использовать в качестве источника тепла
низкого потенциала в работе тепловых насосов,
преобразуя в тепло высокого потенциала.
Таким образом, заявляемая система использует
низкопотенциальное тепло сбросного воздуха
здания, но только без добавления тепловых сбросов
канализационных стоков и тепла грунта
прилегающей территории к жилому зданию.
Заявляемая система теплоснабжения работает
следующим образом. В испаритель (И) теплового
насоса (фиг.2) поступает теплый воздух,
нагнетаемый вентилятором (8) из вентиляционной
шахты (6), расположенной на чердаке жилого
здания. В системе вытяжного воздуха
устанавливается осевой вентилятор (8) с
регулировкой скорости двигателя с малошумными
серповидными лопастями для снижения уровня
звука до минимума. Номинальная
производительность вентилятора 2600 м3
/ч,
используемая электрическая мощность 200 Вт при
напряжении в сети 220 В.
Температура удаляемого воздуха в зимний
период составляет 18 ÷ 30°С. Теплый воздух при
циркуляции через испаритель охлаждается, отдавая
свою тепловую энергию испаряющемуся хладагенту
(фреону R-410А нового типа, неразрушающий
озоновый слой земли).
На фиг.2 представлена принципиальная схема
термодинамического цикла теплового насоса
воздух-вода. Тепловой насос включает следующие
основные элементы и их параметры:
Кр - конденсатор; К - компрессор;
ПО - переохладитель; Д - дроссель; И - испаритель;
GТВ - расход теплого воздуха вентиляционных
выбросов через испаритель;Gгв - расход горячей
воды через конденсатор;
вх
теt ,
вых
теt - температура
теплого воздуха на входе в испаритель и на выходе;
пр
t ,
обр
t - температуры прямой и обратной
греющей воды из бака аккумулятора.
Хладагент из испарителя засасывается
герметичным спиральным компрессором (К) типа
«Copeland ZP», где сжимается с повышением
температуры и подается в конденсатор, при этом
пары хладагента конденсируются при температуре
65°С, отдавая тепловую энергию воде
высокопотенциального контура, т.е бака
аккумулятора горячей воды. Компрессоры типа
«Copeland ZP» очень эффективно и бесшумно
работают, обеспечивая коэффициент
преобразования энергии - 4. Хладагент в виде
жидкости проходит переохладитель (ПО), где
дополнительно охлаждается, отдавая тепловую
энергию все той же воде высокопотенциального
контура, дросселируется через дроссельный
вентиль( ТРВ) в испаритель, где вновь испаряется,
замыкая циркуляционный контур хладагента.
Температура кипения и испарения фреона R-410Aв
испарителе составляет 12°С.
Дроссельный терморегулирующий вентиль
снабжен фиксированными арифисами и
регулирующим суперхитингом, работает в широком
диапазоне тепловых мощностей обеспечивает
точную подачу фреона в испаритель и позволяет
достичь очень высоких характеристик теплового
насоса.
Охлажденный в испарителе сбросный воздух
вентилятором сбрасывается в атмосферу.
Испаритель теплового насоса является
кожухотрубчатым теплообменником, выполненным
из медных испарительных трубочек,
смонтированных тремя рядами в алюминиевые
ламели с зазором 2,1 мм.
Коэффициент преобразования такого теплового
насоса, характеризующий его эффективность,

4. 28844
4
составляет 3-4 ед. при перепаде температур
конденсатора и испарителя более 50°С. Нагретая в
конденсаторе теплового насоса горячая вода
поступает в теплообменник бака-аккумулятор при
температуре (12) и нагревает местную воду для
отопительных приборов (3) и ГВС (10). Температура
воды для горячего водоснабжения (ГВС)
регулируется с помощью автоматического
трехходового клапана (13). Тепловой насос при
коэффициенте преобразования энергии 4 единицы
для привода компрессора потребляет 1 кВт
электроэнергии и производит 4 кВт тепловой
энергии для нужд системы теплоснабжения.
Тепловой насос устанавливается на крыше
жилого дома.
Он подключается к тепловым приборам -
радиаторам, системе напольного отопления и к
системе ГВС здания.
В жилых домах при наличии естественной
вентиляции теряется большое количество тепловой
энергии (25-30%), особенно в холодное время года.
Установка рекуперационной системы вентиляции в
таких зданиях задача сложная и нерациональная.
Предлагаемая теплонасосная система
теплоснабжения, использует собственные
вентиляционные выбросы здания в качестве
низкопотенциального источника тепла, сокращает
расходы на нужды отопления как минимум на 45%,
полностью удовлетворяет потребности в горячей
воде 5-этажного дома. По сути, тепловой насос
представляет собой источник альтернативной
энергии и одновременно решает проблемы
естественной вентиляции.
Одновременно выступает важный экологический
аспект предложенной системы теплоснабжения. При
использовании энергии выбрасываемого теплого
воздуха загрязнение окружающей среды вследствие
«жизнеобеспечения» здания уменьшается. В
частности, при обогреве пятиэтажного
30-квартирного дома новым способом экономия
условного топлива составит (в эквиваленте
дизтопливу) составит 9 тонн/год, а выделение СО2 в
атмосферу уменьшится на 17,4 т/год.
Изобретение повышает экономичность, и
эффективность системы теплоснабжения жилых
зданий и позволяет работать без сжигания
органического топлива при высокой надежности
эксплуатации теплового насоса типа «воздух-вода».
Преимущество системы теплоснабжения жилых
зданий заключается в повышении ее энергетической
эффективности и экологичности, за счет утилизации
и использования сбросного тепла собственных
вентиляционных выбросов здания, в упрощении
схемы сбора низкопотенциального тепла в схеме
теплонасосной установки, а также в уменьшении
капитальных затрат за счет установки теплового
насоса с двухступенчатым сжатием хладагента,
способного заменить несколько одноступенчатых
тепловых насосов, обслуживающих отдельные зоны
системы теплоснабжения всего здания.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теплонасосная система теплоснабжения жилых
зданий, включающая в себя теплонасосную
установку типа «воздух-вода» со встроенными
обязательными элементами компрессор,
осуществляющий двухступенчатое сжатие,
испаритель, дроссельный орган, конденсатер,
промежуточный охладитель и упрощенную
модифицированную схему сбора
низкопотенциального тепла для теплонасосной
установки в виде удаляемого сбросного воздуха из
помещений, отличающаяся тем, что вытяжные
решетки присоединены к вертикальному сборному
каналу, а в вытяжную шахту присоединен
последовательно вентилятор, который передает
теплый сбросный воздух в испаритель.

5. 28844
5
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч