УСТАНОВКА ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности, к установкам для отопления и горячего водоснабжения индивидуальных жилых домов и отдельных сооружений при использовании в качестве низкопотенциальных источников теплоты грунта, хозяйственно-бытовых стоков и других отходов.
Известна установка для отопления и горячего водоснабжения, включающая источник теплоты низкого потенциала, циркуляционный контур, тепловой насос и контур системы отопления (патент RU 2155302, МКП F24D 17/02, 2000).
Недостатком такой установки является необходимость использования внешней электрической энергии для питания теплового насоса, низкая надежность установки (вследствие наличия движущихся частей при использовании компрессионного теплового насоса или большого количества герметичных соединений при использовании адсорбционного теплового насоса), а также сложность технического обслуживания, обусловленная громоздкостью конструкции.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является исключение потребления внешней электрической энергии, повышение надежности ее работы и упрощение технического обслуживания.
Такой технический результат достигается тем, что установка для отопления и горячего водоснабжения, включающая источник теплоты низкого потенциала, циркуляционный контур, тепловой насос и контур системы отопления, при этом тепловой насос выполнен в виде термоэлектрического преобразователя с присоединенным к его выходу электрическим нагревательным элементом, установленным в контуре системы отопления, а циркуляционный контур состоит из замкнутого трубопровода, заполненного низкозамерзающей жидкостью, нижняя часть которого проложена внутри источника теплоты низкого потенциала, а верхняя установлена снаружи наклонно по отношению к поверхности Земли.
На фиг.1 представлен общий вид установки для отопления и горячего водоснабжения, которая включает источник 1 теплоты низкого потенциала (в качестве которого может быть использована теплота грунта, хозяйственно-бытовых стоков и других отходов) и циркуляционный контур 2, представляющий собой замкнутый трубопровод, заполненный низкозамерзающей жидкостью (например, тосолом, антифризом, спиртом или другой жидкостью, замерзающей при температуре ниже температуры воздуха, при которой планируется эксплуатация установки). Нижняя часть 3 циркуляционного контура 2 находится внутри источника 1 теплоты низкого потенциала, а верхняя часть 4 установлена снаружи наклонно, под углом 2…10° по отношению к поверхности Земли. Для повышения эффективности работы установки циркуляционный контур 2 может быть дополнительно оснащен теплообменниками и (или) циркуляционным насосом. Тепловой насос 5 авполнен в виде термоэлектрического преобразователя 6 (например, батареи термопар, реализующей эффект Зеебека) с присоединенным к его выходу электрическим нагревательным элементом 7. Термоэлектрический преобразователь 6 установлен в верхней части 4 циркуляционного контура 2 с возможностью расположения мест спаев термопар при температуре источника теплоты 1 низкого потенциала и свободных концов термопар - при температуре воздуха (температуре окружающей среды). В качестве электрического нагревательного элемента 7 может быть использован ТЭН, электродный нагреватель жидких сред или другой преобразователь электрической энергии в тепловую. Электрический нагревательный элемент 7 установлен в контуре 8 системы отопления или горячего водоснабжения.
Установка для отопления и горячего водоснабжения работает следующим образом. Теплота источника 1 низкого потенциала нагревает низкозамерзающую жидкость в нижней части 3 циркуляционного контура 2. За счет разности плотностей прогретой низкозамерзающей жидкости в нижней части 3 циркуляционного контура 2 и холодной (в зимнее время года) низкозамерзающей жидкости в верхней части 4 циркуляционного контура 2 низкозамерзающая жидкость приходит в движение, поднимаясь от источника 1 теплоты низкого потенциала и опускаясь по верхней части циркуляционного контура 2, расположенной наклонно. Места спаев термопар термоэлектрического преобразователя 6 прогреваются до температуры источника теплоты 1 низкого потенциала, а свободные концы этих термопар охлаждаются до температуры окружающей среды. На свободных концах термопар термоэлектрического преобразователя 6 образуется напряжение, которое подается к электрическому нагревательному элементу 7. Электрический нагревательный элемент 7 нагревается и прогревает теплоноситель в контуре 8 системы отопления и горячего водоснабжения.
Так, в зимнее время года температура низкозамерзающей жидкости в нижней части 3 циркуляционного контура 2 составляет примерно +10°С. Примем температуру воздуха на поверхности Земли -15°С. Один кубический метр низкозамерзающей жидкости, имеющий массу, например, 1000 кг, по отношению к окружающей среде будет обладать тепловой энергией в объеме
2
1
Q=cm(ν-ν),
где c - массовая теплоемкость жидкости, например, c=4,19 кДж/кг×град;,
m - масса жидкости, m=1000 кг;
1
2
1
2
ν и ν - температура жидкости в источнике 1 теплоты низкого потенциала и окружающей среды соответственно, ν=10°C и ν=-15°C.
1
2
Подставляя численные значения, получим: Q=104750 кДж. С учетом КПД термоэлектрического преобразователя 6 (η=5%) можно оценить количество полученной электрической энергии: E=5238 кДж=1,45 кВт×ч
Если в циркуляционном контуре 2 будет установлен дополнительный циркуляционный насос, то часть полученной энергии через инвертор должна быть направлена для обеспечения его работы. Для поднятия 1000 кг жидкости на поверхность в течение одного часа потребуется современный насос с потребляемой мощностью 0,7…1,0 кВт. За час работы этот насос израсходует 0,8 кВт×ч электрической энергии. КПД инверторов (статических преобразователей электрической энергии) составляет примерно 90…95%. Следовательно, оставшаяся энергия (0,7 кВт×ч) может быть использована для получения теплоты в контуре 8 системы отопления и горячего водоснабжения с помощью электрического нагревательного элемента 7.
Основным преимуществом предлагаемой полезной модели является ее полная автономность, то есть работоспособность при отсутствии потребления внешней электрической энергии Указанное преимущество делает возможным организацию отопления и горячего водоснабжения удаленных объектов, для которых прокладка трубопроводов с природным газом, горячей водой или паром, а также линий электропередач является экономически нецелесообразной.