УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОГРЕВА ПОМЕЩЕНИЙ

Изобретение относится к области нагревательных устройств, а именно к системам отопления с использованием внешнего низкопотенциального источника тепла.

Подобные системы в современных условиях роста цен на энергию и усиления требований к экологичности получают все большее распространение, так как позволяют реализовать наиболее эффективные термодинамические циклы с использованием низкопотенциальных природных ресурсов тепла: геоисточников, почвы, воды и воздуха окружающей среды. К категории таких устройств относятся тепловые насосы, которые за счет подводимой извне электрической энергии передают тепло от теплового источника с низкой температурой к обогреваемому объекту, имеющему более высокую температуру, при этом получаемая тепловая мощность обогрева в несколько раз превосходит потребляемую электрическую мощность.

Наиболее освоенными и эффективными, а поэтому и получившими наибольшее распространение в системах теплоснабжения, являются парокомпрессионные тепловые насосы, снабженные теплообменниками соответственно для подвода низкопотенциального тепла природных источников и отвода тепла в обогреваемое помещение (см. например, патенты РФ №2033584, F25B 27/00, 1995; №2152567, F25B 29/00, F25B 30/00, F25B 9/04, 2000; №2209381, F25B 11/00, 2003; №2034205, F25B 11/00, 1992; №2213306, F24D 3/02, 2003 г.). Несмотря на относительную новизну появления парокомпрессионных тепловых насосов на российском рынке, многие отечественные производители освоили их выпуск, например, ФГУП «Рыбинский завод приборостроения», ЗАО «Энергия», ОАО Концерн «РТИ Системы», НПФ ТРИТОН ЛТД, группа компаний «Атмосистемы», ПК НПФ «ЭКИП» и др.

Основным достоинством указанных парокомпрессионных тепловых насосов является высокий коэффициент выработки тепловой энергии, в 2-4 раза превышающей затраченную электроэнергию. Однако им присущи недостатки, свойственные всем электромеханическим устройствам вообще и компрессорным в частности: ограниченный ресурс работы, вызванный износом подвижных частей и узлов, высокие требования к герметичности контура циркуляции теплоносителя, повышенный уровень шума, необходимость периодического техобслуживания и т.д.

Кроме того, парокомпрессорные тепловые насосы имеют физические ограничения термодинамических циклов при отводе тепла от низкопотенциальных природных источников с пониженной температурой.

Указанных недостатков лишены термоэлектрические тепловые насосы, которые в качестве нагревателей только начинают использоваться в отечественной практике, в то время как за рубежом подобные устройства получили широкое распространение (см. например, патенты США №2012/0313575 А1, F25B 21/04, F25B 21/05, №2011/100298 А2, F25B 21/00, F25B 21/02). Высокий коэффициент выработки тепловой энергии в указанных устройствах получен за счет дополнительных контуров циркуляции подогретого воздуха в теплообменниках термоэлектрической батареи, что позволяет эффективно проводить, например технологическую операцию сушки, но вызывает значительные технические затруднения для целей отбора тепла от низкопотенциальных природных источников.

Наиболее близким по технической сущности заявленному устройству является термоэлектрический тепловой насос для бытового отопления, описанный в патенте РФ №2367855, F25B 30/00, F25B 21/02, 2009 г., и содержащий подключенную к сети переменного тока через выпрямитель блока питания и терморегулятор термоэлектрическую батарею, снабженную теплообменниками соответственно для отбора тепла на выходе из батареи центрального отопления и подачи отобранного дополнительного тепла на вход этой батареи центрального отопления.

Недостатком прототипа является невысокий коэффициент выработки тепловой энергии примененным термоэлектрическим насосом: по информации авторов патента, достигаемый прирост тепловой энергии в батарее центрального отопления лишь на 30-50% больше затраченной электроэнергии, что делает нерентабельным использование прототипа для отбора тепла от низкопотенциальных природных источников.

Целью изобретения является повышение отношения вырабатываемой тепловой мощности к потребленной электроэнергии при отборе тепла от низкопотенциальных природных источников термоэлектрическим тепловым насосом до уровня, сопоставимого с аналогичным показателем парокомпрессионных тепловых насосов.

Для достижения поставленной цели используемая в качестве теплового насоса термоэлектрическая батарея, подключенная к сети переменного тока через выпрямитель и терморегулятор и состоящая из термоэлектрических модулей, пластины которых термически соединены с теплообменниками соответственно для подвода низкопотенциального тепла и отвода тепла в обогреваемое помещение, выполнена из одной или нескольких параллельно соединенных электрических цепей, каждая из которых образована последовательно соединенными однотипными термоэлектрическими модулями, при этом количество модулей в каждой цепи определено соотношением n=KU₀/U_max, где U₀ - напряжение питания термоэлектрической батареи на выходе выпрямителя, U_max - максимально допустимое напряжение питания одного модуля ветви, К=2÷5 - коэффициент снижения электрической нагрузки одного модуля.

На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства при его подключении к трехфазной сети переменного тока.

Устройство содержит термоэлектрическую батарею 1, подключенную к сети переменного тока через терморегулятор 2 и выпрямитель 3. Термоэлектрическая батарея 1 выполнена из параллельно соединенных электрических цепей 4, каждая из которых содержит последовательно соединенные однотипные термоэлектрические модули 5. Схема подключения устройства к однофазной сети напряжением 220 В аналогична (видоизменяется только выпрямитель 3).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подключении термоэлектрической батареи 1 через терморегулятор 2 и выпрямитель 3 к сети переменного тока последовательно соединенные термоэлектрические модули 5 в параллельно соединенных цепях 4 начинают интенсивно охлаждать теплоноситель в теплообменнике подвода низкопотенциального тепла, который термически соединен с холодными пластинами модулей 5 цепей 4, и нагревать теплоноситель в теплообменнике отвода тепла в обогреваемое помещение, который термически соединен с горячими пластинами этих модулей (конструкции теплообменников общеизвестны, их описания приведены, например, в вышеупомянутых патентах, и поэтому на фиг.1 для упрощения теплообменники не показаны).

Поставленная цель изобретения достигается следующим образом. Как известно, (см. например статью ведущего специалиста «КРИОТЕРМ» П. Шостаковского «Современные решения термоэлектрического охлаждения», ж. «Компоненты и технологии», №1 2010 г),.при работе термоэлектрического модуля на его горячей пластине выделяется тепловая мощность , где

Р_потр - мощность электроэнергии, потребляемой модулем;

Q_хол - холодопроизводительность модуля, т.е. в данном случае, количество тепла, отбираемого модулем от низкопотенциального природного источника.

С учетом характеристики эффективности термоэлектрического охлаждения, получившей общепринятое название «коэффициента СОР» (coefficient of performance), т.е. отношения холодильной мощности модуля к потребленной им электрической энергии, выражение (1) может быть представлено в следующем виде

.

В подавляющем большинстве современные термоэлектрические устройства используются как холодильники, а не нагреватели, а коэффициент СОР модулей этих устройств, определяемый в первом приближении как отношение максимальной холодопроизводительности модуля Q_max к произведению максимально допустимого напряжения питания модуля U_max и потребляемого при этом тока I_max, как правило, не превышает значений 0,3-0,7. Однако при снижении питающего модуль напряжения практически пропорционально уменьшается ток его потребления, при этом, как следует из графика на рис.16 упомянутой статьи, при снижении, например, вдвое значения тока, обеспечивающего максимальную холодопроизводительность модуля, т.е. при уменьшении фактически в 4 раза потребляемой модулем электрической мощности, только почти вдвое снижается его холодопроизводительность, но соответственно пропорционально возрастает коэффициент СОР. Повышение этого коэффициента до значений, больших единицы, согласно выражения (2), приводит к существенному возрастанию количества тепла, вырабатываемого термоэлектрической батареей 1, в сравнении с потребляемой модулями 5 электрической энергией.

Указанное обстоятельство реализуется в заявленном устройстве выполнением термоэлектрической батареей 1 в виде одной или нескольких параллельно соединенных электрических цепей 4, каждая из которых содержит «n» последовательно соединенных однотипных модулей 5. количество модулей «n» в каждой цепи определено соотношением n=KU₀/U_max, где U₀ - напряжение на выходе выпрямителя, т.е. напряжение питания одной цепи, U_max - максимально допустимое напряжение питания одного модуля, К=2÷5 - коэффициент снижения электрической нагрузки модуля, показывающий, во сколько раз подаваемое на модуль напряжение ниже максимально допустимого напряжения питания данного типа модуля.

На сайте опубликованы графики изменения рабочих характеристик различных термоэлектрических модулей фирмы «КРИОТЕРМ» при изменении напряжения питания этих модулей. В соответствии с этой публикацией, например, при использовании модулей Frost-73 в тепловом насосе для отбора тепла от воды из скважины с температурой +7°С (параметры модуля I_max=6,2А, U_max=16,5B, Q_max=64 Вт, Δt_max=73°C, начальное значение COP=Q_max/U_max×I_max=64/16,5×6,2=0,63), а в случае питания этого модуля напряжением 6 В, согласно графикам 4, 5 и 6 его характеристик, он обеспечит при потребляемой мощности 1А×6В=6 Вт холодопроизводительность с коэффициентом СОР=1,5, т.е. обеспечит подачу тепла в обогреваемое помещение с максимально возможной температурой теплоносителя 7°С+Δt_max=7°+73°=80°С и тепловой мощностью 6 (1+1,5)=15 Вт, в 2,5 раза превышающую мощность затраченной электроэнергии.

Сопоставление опубликованных на упомянутом сайте графиков модулей показывает практически идентичный характер этих графиков для различных типов модулей, выпускаемых фирмой «КРИОТЕРМ», следовательно, эти графики с соответствующей поправкой применимы и для модулей других изготовителей.

На основании этого реализуется возможность получения в патентуемом устройстве любой тепловой мощности, определяемой необходимым количеством параллельно соединенных цепей из последовательно соединенных модулей, количество которых в цепи определено указанным в отличительном признаке соотношением, при этом заявленные пределы изменения коэффициента «к» наилучшим образом соответствуют цели изобретения: при К<2 снижается фактор экономии электроэнергии, а при К>5 неоправданно возрастает стоимость теплового насоса из-за повышенного количества используемых модулей.

Таким образом, в заявленном устройстве применен общеизвестный принцип улучшения теплофизических и энергосберегающих характеристик термоэлектрических устройств нагрева-охлаждения, который в настоящее время практически не используется, т.к. требует наличия большого числа модулей. Действительно, в вышеприведенном примере для теплового насоса мощностью обогрева 15 кВт требуется использование 1000 термоэлектрических модулей Frost-73, стоимость которых существенно превышает стоимость аналогичных по мощности парокомпрессионных тепловых насосов, однако широкая номенклатура выпускаемых в настоящее время термоэлектрических модулей позволяет минимизировать их количество и получить сопоставимую стоимость с парокомпрессионными тепловыми насосами, для чего следует применять модули с максимальной холодопроизводительностью и максимально допустимым напряжением питания. Например, при использовании модулей D-288-10-05 (U_max=36,7 В, I_max=8,9 A, Qx_max=201,9 Вт), выпускаемых НПО «Кристалл», при питании цепей термоэлектрической батареи с упомянутыми модулями от сети переменного тока напряжением 380 В (U_o=550 В), каждая цепь должна содержать 40 последовательно соединенных модулей, (К=2,66), которые при потреблении 1,84 кВт электроэнергии позволят получить 5,5 кВт тепла для обогрева помещения. Элементарные расчеты показывают, что даже при существующих ценах за кВт/час электроэнергии, подобный термоэлектрический тепловой насос окупит себя за три отопительных сезона, которые в условиях средней полосы Российской Федерации нередко длятся до 6 месяцев.

Следует отметить, что практически неограниченный ресурс термоэлектрических модулей (по данным производителей, наработка на отказ составляет не менее 200 ООО часов) гарантирует надежность работы термоэлектрического теплового насоса при их последовательном соединении, а высокая электрическая прочность керамических пластин этих модулей, выдерживающих напряжение пробоя более 10 кВ, обеспечивает безопасность эксплуатации заявленного устройства.

Термоэлектрический тепловой насос может управляться терморегулятором 2 любого типа с соответствующей нагрузочной характеристикой. Если в состав терморегулятора 2 входит реверсивный коммутатор, обеспечивающий переключение полярности напряжения питания термоэлектрической батареи 1 (например, терморегулятор ВС-103, выпускаемый ООО «Системы СТК», г. Пермь), то возможно использование заявленного устройства не только для обогрева, но и кондиционирования помещений.