Tepelné čerpadlo – na vykurovanie berieme teplo z planéty Zem

Obsah článku

• História tepelného čerpadla
• Konštrukcia a princíp činnosti tepelného čerpadla
• Druhy tepelných kolektorov pre tepelné čerpadlá
• Nakoniec

V tomto článku: História tepelného čerpadla ako tepelné čerpadlo pracuje a ako funguje; typy tepelných čerpadiel; tepelná energia zo vzduchu, vody a pôdy; na konci – klady a zápory tepelných čerpadiel.

S cieľom poraziť zimnú chlad, majitelia domov hľadajú energiu a vhodné vykurovacie kotly, závidiace tým šťastlivcom, ktorých domy sú zásobované komunikáciami, ktoré dodávajú zemný plyn. Každú zimu sa v peci spaľujú tisíce ton dreva, uhlia, ropných produktov, megawatty elektriny sa spotrebúvajú na astronomické množstvá, ktoré sa každý rok zvyšujú, a zdá sa, že jednoducho neexistuje iná cesta. Medzitým je jeden konštantný zdroj tepelnej energie vždy umiestnený v blízkosti našich domovov, je však dosť ťažké, aby si to obyvateľstvo Zeme všimlo v tejto kapacite. Ale čo keď použijeme teplo našej planéty na vykurovanie domov? K tomu je vhodné zariadenie – tepelné čerpadlo pozemného zdroja.

História tepelného čerpadla

Teoretické opodstatnenie fungovania takýchto zariadení v roku 1824 poskytol francúzsky fyzik Sadi Carnot, ktorý publikoval svoju jedinú prácu na parných strojoch, ktorá opísala termodynamický cyklus, ktorý matematicky a graficky potvrdil fyzik o 10 rokoch neskôr fyzik Benoit Cliperon a nazval ho „Carnotov cyklus“..

Prvý laboratórny model tepelného čerpadla vytvoril anglický fyzik William Thomson, lord Kelvin v roku 1852, počas experimentov s termodynamikou. Mimochodom, tepelné čerpadlo získalo meno od lorda Kelvina.

William Thomson, barón Kelvin

Model priemyselného tepelného čerpadla bol postavený v roku 1856 rakúskym banským inžinierom Peterom von Rittingerom, ktorý použil toto zariadenie na odparenie soľanky a vypustenie slaných bažín na extrakciu suchej soli..

Peter Ritter von Rittinger

Toto tepelné čerpadlo vďačí za jeho použitie v vykurovacích domoch americkému vynálezcovi Robertovi Webberovi, ktorý experimentoval s mrazničkou koncom 40. rokov minulého storočia. Robert si všimol, že potrubie opúšťajúce mrazničku bolo horúce, a rozhodol sa využiť toto teplo pre domáce potreby predĺžením potrubia a jeho vedením vodou cez kotol. Myšlienka vynálezcu sa ukázala ako úspešná – od tejto chvíle mali domácnosti dostatok horúcej vody, zatiaľ čo časť tepla bola bezcieľne spotrebovaná a tak zanechávala atmosféru. Webber to nemohol prijať a do vývodu z mrazničky pridal špirálu, vedľa ktorej umiestnil ventilátor, čo viedlo k inštalácii na ohrev vzduchu v dome. Po nejakom čase si vynaliezavý Američan uvedomil, že je možné doslova extrahovať teplo zo zeme pod jeho nohami a zakopať systém medených rúrok s freónom, ktorý nimi cirkuluje do určitej hĺbky. Plyn zhromažďoval teplo v zemi, dodával ho do domu a rozdával ho a potom sa vrátil späť do podzemného tepelného kolektora. Tepelné čerpadlo, ktoré vytvoril Webber, sa ukázalo byť také efektívne, že úplne preniesol vykurovanie domu na túto inštaláciu a zanechal tradičné vykurovacie zariadenia a zdroje energie..

Tepelné čerpadlo, ktoré vynašiel Robert Webber, bolo po mnoho rokov považované skôr za absurditu ako za skutočne efektívny zdroj tepelnej energie – ropná energia bola v hojnosti, za pomerne rozumné ceny. Záujem o obnoviteľné zdroje tepla rástol začiatkom 70. rokov vďaka ropnému embargu z roku 1973, počas ktorého krajiny Perzského zálivu jednomyseľne odmietli dodávať ropu do Spojených štátov a Európy. Nedostatok ropných produktov spôsobil prudký skok v cenách energie – naliehavá potreba dostať sa zo situácie. Napriek následnému zrušeniu embarga v roku 1975 a obnoveniu dodávok ropy sa európski a americkí výrobcovia vyrovnali s vývojom svojich vlastných modelov geotermálnych tepelných čerpadiel, ktorých zavedený dopyt sa odvtedy zvyšuje..

Konštrukcia a princíp činnosti tepelného čerpadla

Keď sa ponoríme do zemskej kôry, na ktorej povrchu žijeme a ktorej hrúbka na zemi je približne 50 – 80 km, jej teplota stúpa – je to v dôsledku blízkosti hornej vrstvy magmy, ktorej teplota je približne 1300 ° C. V hĺbke 3 alebo viac metrov je teplota pôdy pozitívna v každom ročnom období, pri každom kilometri hĺbky stúpa v priemere o 3–10 ° C. Nárast teploty pôdy s jej hĺbkou závisí nielen od klimatickej zóny, ale aj od geológie pôdy, ako aj od endogénnej aktivity v danej oblasti Zeme. Napríklad v južnej časti afrického kontinentu je nárast teploty na kilometer hĺbky pôdy 8 ° C a v štáte Oregon (USA), na území ktorého je zaznamenaná pomerne vysoká endogénna aktivita – 150 ° C na kilometer hĺbky. Avšak pre efektívnu prevádzku tepelného čerpadla nemusí byť vonkajší obvod dodávajúci teplo do podzemia stovky metrov pod zemou – zdrojom tepelnej energie môže byť akékoľvek médium s teplotou vyššou ako 0 ° C..

Tepelné čerpadlo prenáša tepelnú energiu zo vzduchu, vody alebo z pôdy, čím zvyšuje teplotu počas prenosu na požadovanú teplotu v dôsledku kompresie (stlačenia) chladiva. Existujú dva hlavné typy tepelných čerpadiel – kompresia a sorpcia.

Základná štruktúra kompresného tepelného čerpadla: 1 – zem; 2 – cirkulácia soľanky; 3 – obehové čerpadlo; 4 – výparník; 5 – kompresor; 6 – kondenzátor; 7 – vykurovací systém; 8 – chladivo; 9 – tlmivka

Napriek mätúcemu názvu nie sú kompresné tepelné čerpadlá vykurovacie zariadenia, ale chladiace zariadenia, pretože pracujú na rovnakom princípe ako chladničky alebo klimatizačné zariadenia. Rozdiel medzi tepelným čerpadlom a chladiacimi jednotkami, ktorý je nám dobre známy, spočíva v tom, že na jeho prevádzku sú spravidla potrebné dva okruhy – interný, v ktorom cirkuluje chladivo, a externý, s cirkuláciou chladiva..

Počas prevádzky tohto zariadenia prechádza chladivo vo vnútornom okruhu týmito etapami:

• ochladené chladivo v kvapalnom stave vstupuje do výparníka cez kapilárny otvor. Chladivo sa vplyvom rýchleho poklesu tlaku odparí a zmení sa na plynný. Chladivo, pohybujúce sa pozdĺž zakrivených rúrok výparníka a počas pohybu s plynným alebo kvapalným nosičom tepla, z neho prijíma nízkotepelnú tepelnú energiu, po ktorej vstupuje do kompresora;
• v komore kompresora je chladivo stlačené, zatiaľ čo jeho tlak prudko stúpa, čo spôsobuje zvýšenie teploty chladiva;
• Horúce chladivo z kompresora sleduje okruh do kondenzačnej cievky, ktorá funguje ako výmenník tepla – tu chladivo vydáva teplo (asi 80 – 130 ° C) chladiacemu médiu cirkulujúcemu vo vykurovacom okruhu domu. Po stratení väčšiny tepelnej energie sa chladivo vráti do kvapalného stavu;
• pri prechode cez expanzný ventil (kapilárny) – je umiestnený vo vnútornom okruhu tepelného čerpadla, po výmenníku tepla – zvyškový tlak v chladive klesá, po ktorom vstupuje do výparníka. Od tejto chvíle sa pracovný cyklus opakuje znova.

Princíp fungovania vzduchového tepelného čerpadla

Vnútorná štruktúra tepelného čerpadla sa teda skladá z kapiláry (expanzného ventilu), výparníka, kompresora a kondenzátora. Činnosť kompresora je riadená elektronickým termostatom, ktorý preruší prívod energie do kompresora a tým zastaví proces výroby tepla, keď sa dosiahne nastavená teplota vzduchu v dome. Keď teplota klesne pod určitú úroveň, termostat automaticky zapne kompresor.

Freóny R-134a alebo R-600a cirkulujú ako chladivo vo vnútornom okruhu tepelného čerpadla – prvé je založené na tetrafluóretáne, druhé je založené na izobutáne. Obidve tieto chladivá sú bezpečné pre ozónovú vrstvu Zeme a sú šetrné k životnému prostrediu. Tepelné čerpadlá kompresie môžu byť poháňané elektromotorom alebo spaľovacím motorom.

Sorpčné tepelné čerpadlá využívajú absorpciu – fyzikálno-chemický proces, pri ktorom sa plyn alebo kvapalina zvyšuje vplyvom inej kvapaliny pod vplyvom teploty a tlaku..

Schéma absorpčného tepelného čerpadla: 1 – zahrievaná voda; 2 – ochladená voda; 3 – vykurovacia para; 4 – ohrievaná voda; 5 – výparník; 6 – generátor; 7 – kondenzátor; 8 – nekondenzovateľné plyny; 9 – vákuové čerpadlo; 10 – ohrev kondenzátu pary; 11 – výmenník tepla v roztoku; 12 – odlučovač plynu; 13 – absorbér; 14 – maltové čerpadlo; 15 – čerpadlo chladiacej kvapaliny

Absorpčné tepelné čerpadlá sú vybavené tepelným kompresorom na zemný plyn. V ich obvode je chladivo (zvyčajne amoniak), ktoré sa odparuje pri nízkej teplote a tlaku, pričom absorbuje tepelnú energiu z prostredia obklopujúceho cirkulačný okruh. V parnom stave vstupuje chladivo do absorbéra tepelného výmenníka, kde sa v prítomnosti rozpúšťadla (zvyčajne vody) absorbuje a teplo sa prenáša do rozpúšťadla. Rozpúšťadlo sa dodáva pomocou termosypónu, ktorý cirkuluje cez tlakový rozdiel medzi chladivom a rozpúšťadlom alebo nízkoenergetickým čerpadlom vo vysokokapacitných zariadeniach..

V dôsledku kombinácie chladiva a rozpúšťadla, ktorých body varu sú rôzne, spôsobuje teplo dodávané chladivom odparovanie. Chladivo v parnom stave, ktoré má vysokú teplotu a tlak, vstupuje do kondenzátora cez okruh, prechádza do kvapalného stavu a odovzdáva teplo do výmenníka tepla vykurovacej siete. Po prechode expanzným ventilom sa chladivo vráti do svojho pôvodného termodynamického stavu, rovnako ako sa rozpúšťadlo vráti do pôvodného stavu.

Výhodou absorpčných tepelných čerpadiel je schopnosť pracovať z akéhokoľvek zdroja tepelnej energie a úplná neprítomnosť pohyblivých prvkov, t. J. Nehlučnosť. Nevýhody – nižší výkon v porovnaní s kompresnými jednotkami, vysoké náklady, kvôli zložitosti konštrukcie a potrebe použitia materiálov odolných voči korózii, ktoré sa ťažko spracúvajú.

Jednotka absorpčného tepelného čerpadla

Adsorpčné tepelné čerpadlá používajú tuhé materiály, ako je silikagél, aktívne uhlie alebo zeolit. Počas prvého prevádzkového stupňa, nazývaného desorpčná fáza, sa tepelná energia dodáva do výmenníka tepla, ktorý je z vnútornej strany potiahnutý sorbentom, napríklad z plynového horáka. Zahrievanie spôsobuje odparovanie chladiva (vody), výsledná para sa privádza do druhého výmenníka tepla, ktorý v prvej fáze odovzdáva teplo získané počas kondenzácie pary do vykurovacieho systému. Úplné vyschnutie sorbentu a dokončenie kondenzácie vody v druhom tepelnom výmenníku dokončí prvú fázu práce – dodávka tepelnej energie do komory prvého výmenníka tepla sa zastaví. V druhej fáze sa z výmenníka tepla kondenzovanej vody stáva výparník, ktorý dodáva chladiacemu médiu tepelnú energiu z vonkajšieho prostredia. V dôsledku tlakového pomeru, ktorý dosahuje 0,6 kPa, sa chladivo po kontakte s teplom z vonkajšieho prostredia odparuje – vodná para vstupuje do prvého výmenníka tepla, kde sa adsorbuje do sorbentu. Teplo, ktoré para uvoľňuje počas adsorpčného procesu, sa prenáša do vykurovacieho systému a potom sa cyklus opakuje. Je potrebné poznamenať, že adsorpčné tepelné čerpadlá nie sú vhodné na použitie v domácnosti – sú určené iba pre veľké budovy (od 400 m²), stále sa vyvíjajú menej výkonné modely.

Druhy tepelných kolektorov pre tepelné čerpadlá

Zdroje tepelnej energie pre tepelné čerpadlá môžu byť rôzne – geotermálne (uzavretý a otvorený typ), vzduch, s využitím sekundárneho tepla. Pozrime sa podrobnejšie na každý z týchto zdrojov..

Tepelné čerpadlá prízemného zdroja spotrebúvajú tepelnú energiu z podzemnej alebo podzemnej vody a sú rozdelené do dvoch typov – uzavreté a otvorené. Uzavreté zdroje tepla sa delia na:

• Horizontálne, zatiaľ čo teplo zhromažďujúce kolektor je umiestnené v prstencoch alebo kľukatkách v zákopoch s hĺbkou najmenej 1,3 metra (pod hĺbkou mrazu). Tento spôsob umiestnenia okruhu tepelného kolektora je účinný pre malé územia.

Geotermálne vykurovanie s horizontálnym tepelným kolektorom

• Zvislý, t. J. Kolektor tepelného kolektora je umiestnený vo vertikálnych studniach ponorených do zeme do hĺbky 200 m. Tento spôsob umiestnenia kolektora sa používa v prípadoch, keď nie je možné horizontálne položiť obrys alebo hrozí narušenie krajiny..

Geotermálne vykurovanie s vertikálnym kolektorom tepla

• Voda, zatiaľ čo kolektor okruhu je kľukatým alebo prstencovým spôsobom umiestnený na dne nádrže, pod úrovňou jej zamrznutia. V porovnaní s vrtnými vrtmi je táto metóda najlacnejšia, ale závisí od hĺbky a celkového objemu vody v zdrži, v závislosti od regiónu..

V tepelných čerpadlách otvoreného typu sa voda používa na výmenu tepla, ktorá sa po prechode tepelným čerpadlom vypúšťa späť do zeme. Túto metódu je možné použiť, iba ak je voda chemicky čistá a ak je použitie podzemnej vody v tejto úlohe z hľadiska zákona prijateľné.

Otvorené geotermálne vykurovanie

Vo vzduchových okruhoch sa vzduch používa ako zdroj tepelnej energie.

Kúrenie tepelným čerpadlom zdroja vzduchu

Sekundárne (derivátové) zdroje tepla sa spravidla používajú v podnikoch, ktorých prevádzkový cyklus je spojený s výrobou tretej (parazitickej) tepelnej energie, ktorá si vyžaduje ďalšie využitie..

Prvé modely tepelných čerpadiel boli úplne podobné konštrukcii opísanej vyššie, vynájdené Robertom Webberom – medené rúrky okruhu, ktoré pôsobili súčasne ako vonkajšie a vnútorné, s cirkulujúcim chladivom, boli ponorené do zeme. Výparník v takomto usporiadaní bol umiestnený pod zemou v hĺbke presahujúcej hĺbku mrazu alebo v uhlových alebo vertikálnych vrtoch vyvrtaných pod uhlom (priemer od 40 do 60 mm) do hĺbky 15 až 30 m. Okruh priamej výmeny (dostal tento názov) umožňuje jeho umiestnenie na na malej ploche a pri použití rúr s malým priemerom sa obísť bez prechodného výmenníka tepla. Priama výmena nevyžaduje vynútené čerpanie chladiva, pretože nie je potrebné obehové čerpadlo, tak sa spotrebuje menej elektrickej energie. Okrem toho možno tepelné čerpadlo s priamym výmenným okruhom efektívne používať aj pri nízkych teplotách – akýkoľvek objekt emituje teplo, ak je jeho teplota nad absolútnou nulou (-273,15 ° C), a chladivo sa môže odparovať pri teplotách až do -40 ° C. Nevýhody tohto okruhu: veľké požiadavky na chladivo; vysoké náklady na medené rúry; spoľahlivé pripojenie medených profilov je možné iba spájkovaním, inak sa nedá zabrániť úniku chladiva; potreba katodickej ochrany v kyslých pôdach.

Nasávanie tepla zo vzduchu je najvhodnejšie pre horúce podnebie, pretože pri teplotách pod nulou sa jeho účinnosť výrazne zníži, čo si bude vyžadovať ďalšie zdroje vykurovania. Výhodou vzduchových tepelných čerpadiel je, že nie je potrebné nákladné vŕtanie studní, pretože vonkajší obvod s výparníkom a ventilátorom sa nachádza v oblasti neďaleko domu. Mimochodom, každý monoblok alebo split klimatizačný systém je predstaviteľom jednosložkového vzduchového tepelného čerpadla. Cena vzduchového tepelného čerpadla s kapacitou napríklad 24 kW je približne 163 000 rubľov.

Tepelné čerpadlo so zdrojom vzduchu

Tepelná energia zo zásobníka je získavaná položením okruhu z plastových rúrok na dne rieky alebo jazera. Hĺbka pokládky od 2 metrov sa potrubia pritlačia na dno zaťažením rýchlosťou 5 kg na meter dĺžky. Asi 30 W tepelnej energie sa odoberá z každého bežného merača takého okruhu, to znamená, že tepelné čerpadlo s výkonom 10 kW bude potrebovať okruh s celkovou dĺžkou 300 m. Výhody tohto okruhu sú relatívne nízke náklady a ľahká inštalácia, nevýhody – pri silných mrazoch nie je možné získať tepelnú energiu.

Položenie okruhu tepelného čerpadla do nádrže

Na odvod tepla zo zeme sa do jamy umiestni slučka z PVC rúrky, vykopaná do hĺbky presahujúcej hĺbku mrazu najmenej o pol metra. Vzdialenosť medzi potrubiami by mala byť asi 1,5 m, chladiacim médiom, ktoré v nich cirkuluje, je nemrznúca zmes (zvyčajne vodný roztok chloridu sodného). Efektívna prevádzka pôdneho obrysu priamo súvisí s obsahom vlhkosti v mieste jeho umiestnenia – ak je pôda piesočná, tj. Nie je schopná zadržiavať vodu, potom sa musí dĺžka obrysu približne zdvojnásobiť. Tepelné čerpadlo môže v priemere 30 až 60 W tepelnej energie získať z bežného metra pôdneho obrysu v závislosti od klimatickej zóny a typu pôdy. Tepelné čerpadlo s výkonom 10 kW bude vyžadovať obvod 400 metrov položený na ploche 400 m2². Náklady na tepelné čerpadlo s pôdnym okruhom sú asi 500 000 rubľov.

Položenie vodorovného obrysu do zeme

Regenerácia tepla zo skaly si bude vyžadovať buď položenie vrtov s priemerom 168 až 324 mm do hĺbky 100 metrov alebo vykonanie niekoľkých plytších studní. Do každej jamky sa spustí obrys, ktorý sa skladá z dvoch plastových rúrok spojených v najnižšom bode kovovou rúrkou tvaru U, ktorá pôsobí ako závažie. Nemrznúca zmes cirkuluje potrubím – iba 30% roztok etylalkoholu, pretože v prípade úniku nepoškodí životné prostredie. Studňa s nainštalovaným obrysom sa nakoniec naplní podzemnou vodou, ktorá bude dodávať teplo do chladiaceho média. Každý meter takejto studne dá asi 50 W tepelnej energie, t. J. Pre tepelné čerpadlo s výkonom 10 kW bude potrebné vyvŕtať 170 m studne. Ak chcete získať viac tepelnej energie, nie je výhodné vŕtať hlbšie ako 200 m – je lepšie urobiť niekoľko menších vrtov vo vzdialenosti 15 až 20 m medzi nimi. Čím väčší je priemer vrtu, tým plytší je potrebné ho vyvŕtať, pričom sa súčasne dosiahne väčší príjem tepelnej energie – približne 600 W na bežný meter.

Inštalácia geotermálnej sondy

V porovnaní s kontúrami umiestnenými v zemi alebo nádrži zaberá obrys v studni minimálny priestor na mieste, samotná studňa môže byť vytvorená v akomkoľvek type pôdy, vrátane horniny. Prenos tepla z okruhu vrtu bude stabilný v každom ročnom období a za každého počasia. Návratnosť takého tepelného čerpadla však bude trvať niekoľko desaťročí, pretože jeho inštalácia bude stáť majiteľa domu viac ako milión rubľov..

Nakoniec

Výhodou tepelných čerpadiel je ich vysoká účinnosť, pretože tieto jednotky nespotrebujú viac ako 350 wattov elektrickej energie za hodinu, aby získali jeden kilowatt tepelnej energie za hodinu. Na porovnanie, účinnosť elektrární, ktoré vyrábajú elektrickú energiu spaľovaním paliva, nepresahuje 50%. Systém tepelného čerpadla pracuje v automatickom režime, prevádzkové náklady sú počas jeho používania mimoriadne nízke – na prevádzku kompresora a čerpadiel je potrebná iba elektrina. Celkové rozmery tepelného čerpadla sú približne rovnaké ako rozmery chladničky pre domácnosť, hladina hluku počas prevádzky sa tiež zhoduje s rovnakým parametrom chladiacej jednotky pre domácnosť..

Tepelné čerpadlo soľanka-voda

Tepelné čerpadlo môže byť použité na získanie tepelnej energie aj na jej odstránenie – prepnutím činnosti okruhov na chladenie, zatiaľ čo tepelná energia z priestorov domu bude cez vonkajší obvod odstránená do zeme, vody alebo vzduchu..

Jedinou nevýhodou vykurovacieho systému založeného na tepelnom čerpadle sú jeho vysoké náklady. V Európe, ako aj v USA a Japonsku sú inštalácie tepelných čerpadiel celkom bežné – vo Švédsku je viac ako pol milióna a v Japonsku a USA (najmä v Oregone) niekoľko miliónov. Popularita tepelných čerpadiel v týchto krajinách je spôsobená ich podporou vládnymi programami vo forme dotácií a kompenzácií majiteľom domov, ktorí takéto inštalácie nainštalovali..

Nie je pochýb o tom, že v blízkej budúcnosti prestanú byť tepelné čerpadlá v Rusku tiež niečo nezmyselné, vzhľadom na ročný nárast cien zemného plynu, ktorý je dnes jediným konkurentom tepelných čerpadiel, pokiaľ ide o finančné náklady na výrobu tepla..