Toplotna črpalka - Za Ogrevanje Jemljemo Toploto S Planeta Zemlja

Kazalo:

Toplotna črpalka - Za Ogrevanje Jemljemo Toploto S Planeta Zemlja
Toplotna črpalka - Za Ogrevanje Jemljemo Toploto S Planeta Zemlja

Video: Toplotna črpalka - Za Ogrevanje Jemljemo Toploto S Planeta Zemlja

Video: Toplotna črpalka - Za Ogrevanje Jemljemo Toploto S Planeta Zemlja
Video: Землю могут накрыть Магнитные Бури 2024, Marec
Anonim
  • Zgodovina toplotne črpalke
  • Zasnova in načelo delovanja toplotne črpalke
  • Vrste zbiralnikov toplote za toplotne črpalke
  • Na koncu
Toplotna črpalka - za ogrevanje jemljemo toploto s planeta Zemlja
Toplotna črpalka - za ogrevanje jemljemo toploto s planeta Zemlja

Z namenom premagovanja zimskega mraza lastniki stanovanj iščejo energijo in primerne ogrevalne kotle, zavidajoč srečnežem, ki imajo do domovanj dovodne črte za zemeljski plin. Vsako zimo v pečeh zažgejo na tisoče ton lesa, premoga, naftnih derivatov, megavatov električne energije porabijo za astronomske količine, ki se vsako leto povečajo, in videti je, da drugega izhoda preprosto ni. Medtem se en stalni vir toplotne energije vedno nahaja v bližini naših domov, vendar ga prebivalstvo Zemlje precej težko opazi v tej vlogi. Kaj pa, če toploto našega planeta uporabljamo za ogrevanje hiš? In za to obstaja ustrezna naprava - geotermalna toplotna črpalka.

Zgodovina toplotne črpalke

Teoretično utemeljitev delovanja takšnih naprav leta 1824 je podal francoski fizik Sadi Carnot, ki je objavil svoje edino delo o parnih strojih, v katerem je opisal termodinamični cikel, ki ga je matematično in grafično potrdil fizik Benoit Cliperon in imenoval "Carnotov cikel".

Prvi laboratorijski model toplotne črpalke je leta 1852 med eksperimenti v termodinamiki ustvaril angleški fizik William Thomson, Lord Kelvin. Mimogrede, toplotna črpalka je dobila ime po lordu Kelvinu.

William Thomson, baron Kelvin
William Thomson, baron Kelvin

William Thomson, baron Kelvin

Model industrijske toplotne črpalke je leta 1856 zgradil avstrijski rudarski inženir Peter von Rittinger, ki je s to napravo izhlapeval slanico in izsušil mokrišča za pridobivanje suhe soli.

Peter Ritter von Rittinger
Peter Ritter von Rittinger

Peter Ritter von Rittinger

Vendar je uporaba toplotne črpalke pri ogrevanju hiš dolžna ameriškemu izumitelju Robertu Webberju, ki je v poznih 40. letih prejšnjega stoletja eksperimentiral z zamrzovalnikom. Robert je opazil, da je cev, ki zapušča zamrzovalnik, vroča in se odločil, da bo to toploto uporabil za gospodinjske potrebe, tako da je cev podaljšal in jo skozi kotel spustil z vodo. Zamisel izumitelja se je izkazal za uspešnega - od takrat so imela gospodinjstva obilo tople vode, medtem ko je del toplote porabljal brez cilja in zapustil ozračje. Webber tega ni mogel sprejeti in je vtičnici iz zamrzovalnika dodal tuljavo, ob katero je postavil ventilator, kar je povzročilo instalacijo za zračno ogrevanje hiše. Čez nekaj časa je iznajdljivi Američan ugotovilda je mogoče toploto dobesedno črpati iz tal pod nogami in na določeni globini zakopati sistem bakrenih cevi s freonom, ki kroži skozi njih. Plin je zbiral toploto v tleh, jo dostavljal v hišo in jo oddal ter nato vrnil nazaj v podzemni zbiralnik toplote. Toplotna črpalka, ki jo je ustvaril Webber, se je izkazala za tako učinkovito, da je ogrevanje hiše popolnoma preusmeril na to instalacijo, opustil tradicionalne grelne naprave in nosilce energije.

Toplotna črpalka, ki jo je izumil Robert Webber, je bila dolga leta bolj nesmiselna kot resnično učinkovit vir toplotne energije - nafte je bilo v izobilju, po povsem razumnih cenah. Zanimanje za obnovljive vire toplote se je povečalo v zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, zahvaljujoč naftnemu embargu iz leta 1973, med katerim zalivske države soglasno zavrnejo dobavo nafte ZDA in Evropi. Pomanjkanje naftnih derivatov je povzročilo močan skok cen energije - nujno je treba izstopiti iz razmer. Kljub poznejšemu odpravi embarga leta 1975 in obnovi zalog nafte so se evropski in ameriški proizvajalci spopadli z razvojem lastnih modelov geotermalnih toplotnih črpalk, katerih ugotovljeno povpraševanje od takrat le še narašča.

Zasnova in načelo delovanja toplotne črpalke

Ko se pogrezamo v zemeljsko skorjo, na površini katere živimo in katere debelina na kopnem znaša približno 50–80 km, se njena temperatura dvigne - to je posledica bližine zgornje plasti magme, katere temperatura je približno 1300 ° C. Na globini 3 metre ali več je temperatura tal v katerem koli letnem času pozitivna, z vsakim kilometrom globine se dvigne v povprečju za 3–10 ° C. Povišanje temperature tal s svojo globino ni odvisno samo od podnebnega pasu, temveč tudi od geologije tal in endogene aktivnosti v določenem območju Zemlje. Na primer, v južnem delu afriške celine je dvig temperature na kilometer globine tal 8 ° С in v državi Oregon (ZDA), na ozemlju katere je zabeležena dokaj visoka endogena aktivnost - 150 ° С na kilometer globine. Za učinkovito delovanje toplotne črpalke pa zunanjega kroga, ki ji dovaja toploto, ni treba zakopati na stotine metrov pod zemljo - vir toplote je lahko kateri koli medij s temperaturo več kot 0 ° C.

Toplotna črpalka prenaša toplotno energijo iz zraka, vode ali zemlje, med prenašanjem pa poveča temperaturo na zahtevano temperaturo zaradi stiskanja (stiskanja) hladilnega sredstva. Obstajata dve glavni vrsti toplotnih črpalk - kompresijska in sorpcijska.

Sami naredite toplotno črpalko za ogrevanje doma
Sami naredite toplotno črpalko za ogrevanje doma

Osnovna zgradba kompresijske toplotne črpalke: 1 - tla; 2 - kroženje slanice; 3 - obtočna črpalka; 4 - uparjalnik; 5 - kompresor; 6 - kondenzator; 7 - ogrevalni sistem; 8 - hladilno sredstvo; 9 - dušilka

Kljub zmedenemu imenu kompresijske toplotne črpalke niso grelne naprave, temveč hladilne naprave, saj delujejo po enakem principu kot kateri koli hladilnik ali klimatska naprava. Razlika med toplotno črpalko in nam dobro znanimi hladilnimi enotami je ta, da sta za njeno delovanje praviloma potrebna dva kroga - notranji, v katerem hladilno sredstvo kroži, in zunanji, s kroženjem hladilne tekočine.

Med delovanjem te naprave ima hladilno sredstvo v notranjem krogu naslednje faze:

  • ohlajeno hladilno sredstvo v tekočem stanju vstopi v uparjalnik skozi kapilarno odprtino. Pod vplivom hitrega znižanja tlaka hladilno sredstvo izhlapi in preide v plinasto stanje. Ko se hladilno sredstvo giblje vzdolž ukrivljenih cevi uparjalnika in stika v procesu gibanja s plinovitim ali tekočim nosilcem toplote, hladilno sredstvo od njega prejme nizkotemperaturno toplotno energijo, po kateri vstopi v kompresor;
  • v kompresorski komori se hladilno sredstvo stisne, medtem ko se njegov tlak močno poveča, kar povzroči zvišanje temperature hladilnega sredstva;
  • iz kompresorja vroče hladilno sredstvo sledi krogu v tuljavi kondenzatorja, ki deluje kot izmenjevalec toplote - tu hladilno sredstvo odda toploto (približno 80–130 ° C) hladilni tekočini, ki kroži v ogrevalnem krogu hiše. Ko je hladilno sredstvo izgubilo večino toplotne energije, se hladilno sredstvo vrne v tekoče stanje;
  • pri prehodu skozi ekspanzijski ventil (kapilarni) - nahaja se v notranjem krogu toplotne črpalke, ki sledi toplotnemu izmenjevalniku - se preostali tlak v hladilnem sredstvu zmanjša, nakar vstopi v uparjalnik. Od tega trenutka se delovni cikel spet ponovi.
Naprava z zračno toplotno črpalko
Naprava z zračno toplotno črpalko

Načelo delovanja zračne toplotne črpalke

Tako je notranja zgradba toplotne črpalke sestavljena iz kapilare (ekspanzijski ventil), uparjalnika, kompresorja in kondenzatorja. Delovanje kompresorja nadzoruje elektronski termostat, ki prekine napajanje kompresorja in s tem ustavi postopek ustvarjanja toplote, ko je dosežena nastavljena temperatura zraka v hiši. Ko temperatura pade pod določeno raven, termostat samodejno vklopi kompresor.

Freoni R-134a ali R-600a krožijo kot hladilno sredstvo v notranjem krogu toplotne črpalke - prvi temelji na tetrafluoroetanu, drugi na izobutanu. Oba hladilna sredstva sta varna za zemeljsko ozonsko plast in okolju prijazna. Kompresijske toplotne črpalke lahko poganja električni motor ali motor z notranjim zgorevanjem.

Sorpcijske toplotne črpalke uporabljajo absorpcijo - fizikalno-kemijski postopek, med katerim se plin ali tekočina poveča zaradi druge tekočine pod vplivom temperature in tlaka.

Shematski diagram absorpcijske toplotne črpalke
Shematski diagram absorpcijske toplotne črpalke

Shematski diagram absorpcijske toplotne črpalke: 1 - ogrevana voda; 2 - ohlajena voda; 3 - ogrevalna para; 4 - ogrevana voda; 5 - uparjalnik; 6 - generator; 7 - kondenzator; 8 - nekondenzirani plini; 9 - vakuumska črpalka; 10 - ogrevalni parni kondenzat; 11 - toplotni izmenjevalnik raztopine; 12 - ločevalnik plina; 13 - absorber; 14 - malta črpalka; 15 - črpalka hladilne tekočine

Absorpcijske toplotne črpalke so opremljene s toplotnim kompresorjem na zemeljski plin. V njihovem krogotoku je hladilno sredstvo (običajno amoniak), ki pri nizki temperaturi in tlaku izhlapi, medtem ko absorbira toplotno energijo iz okolice, ki obkroža krogotok. V stanju hlapov hladilno sredstvo vstopi v absorber toplotnega izmenjevalca, kjer se v prisotnosti topila (običajno vode) absorbira in toplota prenese v topilo. Topilo se dobavlja s pomočjo termosifona, ki kroži skozi razliko v tlaku med hladilnim sredstvom in topilom, ali nizkoenergijske črpalke v napravah z visoko zmogljivostjo.

Zaradi kombiniranja hladilnega sredstva in topila, ki imata različni točki vrelišča, toplota, ki jo dovaja hladilno sredstvo, povzroči, da oba izhlapevata. Hladilno sredstvo v parnem stanju z visoko temperaturo in tlakom vstopi v kondenzator vzdolž kroga, preide v tekoče stanje in odda toploto izmenjevalniku toplote ogrevalnega omrežja. Po prehodu skozi ekspanzijski ventil se hladilno sredstvo vrne v prvotno termodinamično stanje, topilo pa se na enak način vrne v prvotno stanje.

Prednosti absorpcijskih toplotnih črpalk so sposobnost delovanja iz katerega koli vira toplotne energije in popolna odsotnost gibljivih elementov, to je brezšumnost. Slabosti - manjša moč v primerjavi s kompresijskimi enotami, visoki stroški zaradi zapletenosti zasnove in potrebe po uporabi korozijsko odpornih materialov, ki jih je težko obdelati.

Enota absorpcijske toplotne črpalke
Enota absorpcijske toplotne črpalke

Enota absorpcijske toplotne črpalke

Adsorpcijske toplotne črpalke uporabljajo trdne materiale, kot so silikagel, aktivno oglje ali zeolit. Med prvo stopnjo obratovanja, imenovano desorpcijska faza, se toplotna energija dovaja v komoro toplotnega izmenjevalnika, ki je od znotraj prevlečena s sorbentom, na primer iz plinskega gorilnika. Ogrevanje povzroči uparjanje hladilnega sredstva (vode), nastala para se dovaja v drugi izmenjevalnik toplote, ki v prvi fazi odda toploto, pridobljeno med kondenzacijo pare, v ogrevalni sistem. Popolno sušenje sorbenta in dokončanje kondenzacije vode v drugem toplotnem izmenjevalniku zaključuje prvo fazo dela - dovajanje toplotne energije v komoro prvega toplotnega izmenjevalnika se ustavi. Na drugi stopnji toplotni izmenjevalnik za kondenzirano vodo postane uparjalnik, ki hladnemu sredstvu dovaja toplotno energijo iz zunanjega okolja. Kot rezultat razmerja tlaka, ki doseže 0,6 kPa,ob stiku toplote iz zunanjega okolja hladilno sredstvo izhlapi - vodna para vstopi v prvi toplotni izmenjevalnik, kjer se adsorbira v sorbent. Toplota, ki jo med postopkom adsorpcije odda para, se prenese v ogrevalni sistem, po katerem se cikel ponovi. Upoštevati je treba, da adsorpcijske toplotne črpalke niso primerne za domačo uporabo - namenjene so le velikim zgradbam (od 400 m2), manj zmogljivi modeli so še v fazi razvoja.

Vrste zbiralnikov toplote za toplotne črpalke

Viri toplotne energije za toplotne črpalke so lahko različni - geotermalni (zaprti in odprti tip), zrak, ki uporablja sekundarno toploto. Podrobneje si oglejmo vsak od teh virov.

Toplotne črpalke zemeljskih virov porabijo toplotno energijo iz tal ali podtalnice in so razdeljene na dve vrsti - zaprte in odprte. Zaprti viri toplote so razdeljeni na:

Vodoravno, medtem ko se zbiralnik toplote zbira v obročih ali cik-cak v jarkih z globino 1,3 metra ali več (pod globino zmrzovanja). Ta način namestitve kroga kolektorja toplote je učinkovit za majhno površino

Geotermalno ogrevanje z vodoravnim zbiralnikom toplote
Geotermalno ogrevanje z vodoravnim zbiralnikom toplote

Geotermalno ogrevanje z vodoravnim zbiralnikom toplote

Navpično, to je kolektor toplotnega kolektorja, je nameščen v navpičnih vodnjakih, potopljenih v tla do globine 200 m. Ta način namestitve kolektorja se uporablja v primerih, ko konture ni mogoče postaviti vodoravno ali obstaja nevarnost motenja krajine

Geotermalno ogrevanje z navpičnim zbiralnikom toplote
Geotermalno ogrevanje z navpičnim zbiralnikom toplote

Geotermalno ogrevanje z navpičnim zbiralnikom toplote

Voda, medtem ko je zbiralnik krogotoka cik-cak ali obročasto na dnu rezervoarja, pod nivojem njegovega zmrzovanja. V primerjavi z vrtanjem vodnjakov je ta metoda najcenejša, vendar je odvisna od globine in skupne količine vode v rezervoarju, odvisno od regije

V toplotnih črpalkah odprtega tipa se za izmenjavo toplote uporablja voda, ki se po prehodu skozi toplotno črpalko odvaja nazaj v zemljo. To metodo je mogoče uporabiti le, če je voda kemično čista in če je uporaba podzemne vode v tej vlogi z vidika zakona sprejemljiva.

Geotermalno ogrevanje odprtega tipa
Geotermalno ogrevanje odprtega tipa

Geotermalno ogrevanje odprtega tipa

V zračnih krogih se torej zrak uporablja kot vir toplotne energije.

Ogrevanje s toplotno črpalko na vir zraka
Ogrevanje s toplotno črpalko na vir zraka

Ogrevanje s toplotno črpalko na vir zraka

Sekundarni (izpeljani) viri toplote se praviloma uporabljajo v podjetjih, katerih obratovalni ciklus je povezan s proizvodnjo tuje (parazitske) toplotne energije, ki jo je treba dodatno izkoristiti.

Prvi modeli toplotnih črpalk so bili popolnoma podobni zgoraj opisani zasnovi, ki jo je izumil Robert Webber - bakrene cevi tokokroga, ki so hkrati delovale zunanje in notranje, hladilno sredstvo je krožilo v njih, so bile potopljene v tla. Izparilnik je bil v takšni izvedbi postavljen pod zemljo na globino, ki presega globino zmrzovanja, ali v kotne ali navpične vodnjake, izvrtane pod kotom (premer od 40 do 60 mm) do globine 15 do 30 m. Neposredno izmenjevalno vezje (prejelo je to ime) omogoča njegovo namestitev na majhna površina in pri uporabi cevi majhnega premera naredite brez vmesnega izmenjevalnika toplote. Neposredna izmenjava ne zahteva prisilnega črpanja hladilne tekočine, saj obtočna črpalka ni potrebna, zato se porabi manj električne energije. Poleg tegaToplotno črpalko z direktnim izmenjevalnim krogom je mogoče učinkovito uporabljati tudi pri nizkih temperaturah - kateri koli predmet odda toploto, če je njegova temperatura nad absolutno ničlo (-273,15 ° C), hladilno sredstvo pa lahko izhlapi pri temperaturah do -40 ° C. Slabosti tega kroga: velike potrebe po hladilnem sredstvu; visoki stroški bakrenih cevi; zanesljiva povezava bakrenih profilov je mogoča le s spajkanjem, sicer se uhajanju hladilnega sredstva ne moremo izogniti; potreba po katodni zaščiti v kislih tleh.sicer se uhajanju hladilnega sredstva ne moremo izogniti; potreba po katodni zaščiti v kislih tleh.sicer se uhajanju hladilnega sredstva ne moremo izogniti; potreba po katodni zaščiti v kislih tleh.

Odvajanje toplote iz zraka je najprimernejše za vroče podnebje, saj se bo pri temperaturah pod ničlo njegova učinkovitost resno zmanjšala, kar bo zahtevalo dodatne vire ogrevanja. Prednost zračnih toplotnih črpalk je v tem, da ni treba drago vrtati vodnjakov, saj je zunanji krog z uparjalnikom in ventilatorjem na območju nedaleč od hiše. Mimogrede, kateri koli monoblok ali split klimatski sistem je predstavnik enokrožne zračne toplotne črpalke. Stroški zračne toplotne črpalke z zmogljivostjo na primer 24 kW znašajo približno 163.000 rubljev.

Toplotna črpalka z zračnim virom
Toplotna črpalka z zračnim virom

Toplotna črpalka z zračnim virom

Toplotna energija iz rezervoarja se pridobiva s polaganjem vezja iz plastičnih cevi na dno reke ali jezera. Globina polaganja od 2 metra, cevi se pritisnejo na dno z obremenitvijo s hitrostjo 5 kg na meter dolžine. Iz vsakega tekočega metra takšnega tokokroga se odvzame približno 30 W toplotne energije, tj. Toplotna črpalka z močjo 10 kW potrebuje tokokrog s skupno dolžino 300 m. Prednosti takšnega krogotoka so razmeroma nizki stroški in enostavnost namestitve, slabosti - v hudih zmrzalih ni mogoče pridobiti toplotne energije …

Polaganje kroga toplotne črpalke v rezervoar
Polaganje kroga toplotne črpalke v rezervoar

Polaganje kroga toplotne črpalke v rezervoar

Za odvzem toplote iz tal se v jamo postavi zanka iz PVC cevi, izkopana do globine, ki presega globino zmrzovanja za vsaj pol metra. Razdalja med cevmi mora biti približno 1,5 m, hladilna tekočina, ki kroži v njih, je antifriz (običajno vodna slanica). Učinkovito delovanje konture tal je neposredno povezano z vsebnostjo vlage v tleh na mestu, kjer je postavljena - če je zemlja peščena, to pomeni, da ne more zadržati vode, je treba dolžino konture približno podvojiti. Toplotna črpalka lahko iz tekočega metra konture tal v povprečju odvzame od 30 do 60 W toplotne energije, odvisno od podnebnega pasu in vrste tal. Za toplotno črpalko z močjo 10 kW bo potreben 400-metrski krog, postavljen na 400 m 2 lokaciji. Stroški toplotne črpalke z zemeljskim krogom so približno 500.000 rubljev.

Polaganje vodoravnega kroga toplotne črpalke
Polaganje vodoravnega kroga toplotne črpalke

Polaganje vodoravne konture v tla

Za pridobivanje toplote iz kamnine bo potrebno polaganje vodnjakov s premerom od 168 do 324 mm do globine 100 metrov ali izvedba več vodnjakov manjše globine. V vsak vodnjak se spusti kontura, sestavljena iz dveh plastičnih cevi, ki sta na najnižji točki povezani s kovinsko cevjo v obliki črke U, ki deluje kot utež. Po ceveh kroži antifriz - le 30% raztopina etilnega alkohola, saj v primeru puščanja ne bo škodovala okolju. Vodnjak z vgrajenim konturjem se bo sčasoma napolnil s podtalnico, ki bo dovajala toploto hladilni tekočini. Vsak meter takšne vrtine bo dal približno 50 W toplotne energije, torej za toplotno črpalko z močjo 10 kW bo treba izvrtati 170 m vodnjaka. Za pridobitev več toplotne energije ni donosno vrtati vrtine globlje od 200 m - bolje je vrtati več manjših vodnjakov na razdalji 15–20 m med njimi. Večji kot je premer vrtine, plitvejši jo je treba izvrtati, hkrati pa je dosežen večji vnos toplotne energije - približno 600 W na tekoči meter.

Geotermalna sonda
Geotermalna sonda

Namestitev geotermalne sonde

V primerjavi s konturami, nameščenimi v tleh ali rezervoarju, kontura v vodnjaku zavzame najmanj prostora na lokaciji, sam vodnjak je mogoče izdelati v kateri koli vrsti tal, vključno s kamninami. Prenos toplote iz vodnega krogotoka bo stabilen kadar koli v letu in ob vsakem vremenu. Vendar bo povračilo takšne toplotne črpalke trajalo več desetletij, saj bo njena namestitev lastnika stanovanja stala več kot milijon rubljev.

Na koncu

Prednost toplotnih črpalk je njihov visok izkoristek, saj te enote porabijo največ 350 vatov električne energije na uro, da pridobijo en kilovat toplotne energije na uro. Za primerjavo: izkoristek elektrarn, ki proizvajajo elektriko s sežiganjem goriva, ne presega 50%. Sistem toplotne črpalke deluje v samodejnem načinu, obratovalni stroški med njegovo uporabo so izredno nizki - za delovanje kompresorja in črpalk je potrebna le elektrika. Skupne dimenzije enote toplotne črpalke so približno enake dimenzijam gospodinjskega hladilnika, raven hrupa med delovanjem prav tako sovpada z istim parametrom gospodinjske hladilne enote.

Toplotna črpalka "slanica-voda"
Toplotna črpalka "slanica-voda"

Toplotna črpalka "slanica-voda"

Toplotno črpalko lahko uporabimo tako za pridobivanje toplotne energije kot za njeno odstranjevanje - s preklopom delovanja tokokrogov na hlajenje, medtem ko se bo toplotna energija iz prostorov hiše po zunanjem krogotoku odvajala v zemljo, vodo ali zrak.

Edina pomanjkljivost ogrevalnega sistema s toplotno črpalko je njegova visoka cena. V Evropi, pa tudi v ZDA in na Japonskem so naprave s toplotnimi črpalkami precej pogoste - na Švedskem jih je več kot pol milijona, na Japonskem in v ZDA (zlasti v Oregonu) pa več milijonov. Priljubljenost toplotnih črpalk v teh državah je posledica njihove podpore iz državnih programov v obliki subvencij in odškodnin lastnikom stanovanj, ki so namestili takšne naprave.

Nobenega dvoma ni, da bodo toplotne črpalke v bližnji prihodnosti tudi v Rusiji prenehale biti nekaj nenavadnega glede na vsakoletno rast cen zemeljskega plina, ki je danes edini konkurent toplotnim črpalkam glede finančnih stroškov za pridobivanje toplote.

Priporočena: