УСТАНОВКА ДЛЯ АВТОНОМНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Установка для автономного отопления относится к теплотехнике, в частности, к системам теплоснабжения, и может быть использована для отопления и горячего водоснабжения индивидуальных жилых домов, производственных, административных и социально-бытовых сооружений.
Известная установка для отопления и горячего водоснабжения, включающая источник теплоты низкого потенциала, представляющий собой участок грунта с двумя скважинами, замкнутый трубопровод с надземной и подземной частями, и тепловой насос, состоящий из термоэлектрического преобразователя с присоединенным к его выходу электрическим нагревательным элементом, установленным в контуре системы отопления (см. патент РФ на полезную модель №119857, заявка 2012106719/12 от 24.02.2012, опубл. 27.08.2012).
Недостатком такой установки является низкая эффективность нагрева теплоносителя в контуре системы отопления вследствие слабого прогрева точек спая термопар, образующих «горячую» сторону термоэлектрического преобразователя. Слабый прогрев объясняется недостаточно интенсивной циркуляцией низкозамерзающей жидкости в замкнутом трубопроводе под действием разности температур в скважине и окружающей среде. Замкнутый трубопровод в известной установке заполнен низкозамерзающей жидкостью, а зависимость плотности этой жидкости от температуры весьма незначительна.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности нагрева теплоносителя в контуре системы отопления. Такой технический результат достигается тем, что установка для автономного отопления, включающая источник теплоты низкого потенциала, представляющий собой участок грунта с двумя скважинами, замкнутый трубопровод с надземной и подземной частями, и тепловой насос, состоящий из термоэлектрического преобразователя с присоединенным к его выходу электрическим нагревательным элементом, установленным в контуре системы отопления, дополнительно оснащена теплообменником и теплоизоляционным покрытием, при этом замкнутый трубопровод заполнен водой, а теплообменник размещен в замкнутом трубопроводе, находящемся в первой скважине, при этом теплоизоляционное покрытие нанесено на замкнутый трубопровод, находящийся во второй скважине, причем, подземная часть замкнутого трубопровода установлена под уклоном, а его надземная часть - с подъемом в направлении второй скважины, а термоэлектрический преобразователь установлен в нижней точке надземной части замкнутого трубопровода, находящегося во второй скважине.
На фиг. 1 представлена функциональная схема установки для автономного отопления.
Установка для автономного отопления включает источник 1 теплоты низкого потенциала, представляющий собой участок грунта с двумя скважинами, замкнутый трубопровод 2 с надземной частью 3 и подземной частью 4 и тепловой насос 5, состоящий из термоэлектрического преобразователя 6 с присоединенным к его выходу электрическим нагревательным элементом 7, установленным в контуре 8 системы отопления. Замкнутый трубопровод 2 заполнен водой. В замкнутом трубопроводе 2, находящемся в первой скважине, размещен теплообменник 9, представляющий собой полую емкость с большой (например, ребристой) поверхностью. На замкнутый трубопровод 2, находящийся во второй скважине, нанесено теплоизоляционное покрытие 10. В качестве теплоизоляционного покрытия 10 использован материал с низким коэффициентом теплопроводности (0,032…0,035 Вт/м×град), например, пенополиуретан. Во избежание ухудшения теплоизолирующих свойств теплоизоляционного покрытия 10 под действием воды, оно герметично покрывается гидроизоляционным слоем.
Подземная часть 4 замкнутого трубопровода 2 установлена под уклоном в направлении второй скважины. Надземная часть 3 замкнутого трубопровода 4 установлена с подъемом в направлении второй скважине. Величины уклона и подъема составляют 5…15°. Термоэлектрический преобразователь 6 установлен в нижней точке надземной части 3 замкнутого трубопровода 2, находящегося над второй скважиной. При этом точки спаев термопар, образующие «горячую» сторону термоэлектрического преобразователя 6, касаются внешней поверхности надземной части 3 замкнутого трубопровода 2. Расходящиеся ветви термопар, образующие «холодную» сторону термоэлектрического преобразователя 6, выведены в окружающую среду.
Установка для автономного отопления работает следующим образом.
В зимнее время года температура воды в скважинах составляет 5…7°C. Под действием этой положительной температуры вода в теплообменнике 9 нагревается и ее температура достигает значений 3…4°C. При этом плотность прогретой воды составит 1000 кг/куб.м. Вода, содержащаяся в надземной части 3 замкнутого трубопровода 2, будет иметь температуру около нуля. Плотность воды при 0°C соответствует 998.7 кг/куб.м. За счет разности плотностей вода в замкнутом трубопроводе 2 приходит в движение: более прогретая вода опускается в подземную часть 4, расположенную под уклоном в сторону второй скважины. На ее место поступает холодная вода из надземной части замкнутого трубопровода 2. Уклон подземной части замкнутого трубопровода 2, а также подъем надземной части 3 замкнутого трубопровода 2 в сторону второй скважины сопутствуют усилению течения воды.
По мере движения вверх по замкнутому трубопроводу 2, находящемуся во второй скважине, вода практически не остывает, так как этому препятствует теплоизоляционное покрытие 10. Таким образом, при движении в замкнутом трубопроводе 2, находящемся в первой скважине, в теплообменнике 9, и в подземной части 4 замкнутого трубопровода 2 вода нагревается. При движении в надземной части 3 замкнутого трубопровода 2 вода остывает. В нижней точке надземной части 3 замкнутого трубопровода 2, находящегося во второй скважине, температура циркулирующей воды максимальна.
Находящийся в этой точке термоэлектрический преобразователь 5 оказывается под одновременным воздействием разнотемпературных сред. При этом точки спаев термопар, образующие «горячую» сторону термоэлектрического преобразователя 6, максимально прогреваются, а расходящиеся ветви термопар, образующие «холодную» сторону термоэлектрического преобразователя 6, максимально охлаждаются.
В соответствии с явлением Зеебека на выходе термоэлектрического преобразователя 6 появляется электрическая энергия, которая поступает на электрический нагревательный элемент 7. Температура теплоносителя в контуре 8 системы отопления определяется величинами сопротивления электрического нагревательного элемента 7 и количеством теплоносителя в контуре 8 системы отопления. Варьируя этими величинами, можно устанавливать практически любую температуру теплоносителя. Таким образом, термоэлектрический преобразователь 6 в совокупности с электрическим нагревательным элементом 7 выполняют функцию теплового насоса, преобразуя теплоту источника низкого потенциала 1 в высокопотенциальную теплоту в контуре 8 системы отопления.
В отличие от прототипа замкнутый трубопровод в заявленной полезной модели заполнен водой. Во-первых, вода значительно дешевле любой низкозамерзающей жидкости, во-вторых, вода в меньшей степени влияет на состояние внутренней поверхности труб и мест их соединений, в-третьих, коэффициент теплопроводности воды составляет величину 0,56 Вт/м×град, а, например, низкозамерзающей жидкости на основе моноэтиленгликоля - 0,25 Вт/м×град, В то же время известно, что в рабочем диапазоне температур зависимости плотностей воды и низкозамерзающей жидкости от температуры взаимообратны. Максимальную плотность вода имеет при температуре 4°C. При повышении температуры в диапазоне от 0 до 4°C плотность воды растет, а в диапазоне от 4°C до 100°C снижается. При использовании воды в качестве теплоносителя в системах отопления с естественной циркуляцией используется зависимость плотности от температуры в диапазоне от 4°C до 100°C. В заявленной полезной модели использована зависимость плотности воды от температуры в диапазоне от 0 до 4°C. Это обусловило изменение направления движения воды в замкнутом трубопроводе по сравнению с прототипом на противоположное и позволило повысить интенсивность этого движения. Размещение термоэлектрического преобразователя в нижней точке надземной части замкнутого трубопровода, находящегося над второй скважиной обеспечило увеличение разности температур между «горячей» и «холодной» сторонами термопар. Использование теплоизоляционного покрытия замкнутого трубопровода, находящегося во второй скважине, позволило избежать остывания воды по мере ее движения по этому трубопроводу вверх. Применение теплообменника, установленного в замкнутом трубопроводе, находящемся в первой скважине, дало возможность нагреть большее количество воды, и, соответственно, увеличить давление прогретой воды на вытесняемую ею остывшую воду. Установка подземной части замкнутого трубопровода под уклоном, а надземной части замкнутого трубопровода с подъемом в сторону второй скважины также сопутствует усилению течения воды.