Värmepump - För Uppvärmning Tar Vi Värme Från Planeten Jorden

Innehållsförteckning:

Värmepump - För Uppvärmning Tar Vi Värme Från Planeten Jorden
Värmepump - För Uppvärmning Tar Vi Värme Från Planeten Jorden

Video: Värmepump - För Uppvärmning Tar Vi Värme Från Planeten Jorden

Video: Värmepump - För Uppvärmning Tar Vi Värme Från Planeten Jorden
Video: Lyfco luftvärmepump 2024, Mars
Anonim
  • Värmepumpens historia
  • Värmepumpens funktion och princip
  • Typer värmefångare för värmepumpar
  • I slutet
Värmepump - för uppvärmning tar vi värme från planeten Jorden
Värmepump - för uppvärmning tar vi värme från planeten Jorden

I syfte att besegra vinterkylan söker husägare efter energi och lämpliga värmepannor, avundsjuka på de lyckliga, vars hus har kommunikation som levererar naturgas. Varje vinter bränns tusentals ton ved, kol, oljeprodukter i kaminerna, megawatt el förbrukas för astronomiska mängder som ökar varje år, och det verkar som om det helt enkelt inte finns någon annan väg ut. Under tiden finns en konstant källa till termisk energi alltid nära våra hem, men det är ganska svårt för jordens befolkning att märka det i denna egenskap. Vad händer om vi använder värmen från vår planet för att värma hus? Och det finns en lämplig anordning för detta - en geotermisk värmepump.

Värmepumpens historia

Den teoretiska underbyggnaden av driften av sådana anordningar 1824 gavs av den franska fysikern Sadi Carnot, som publicerade sitt enda arbete med ångmotorer, som beskrev den termodynamiska cykeln, som matematiskt och grafiskt bekräftades 10 år senare av fysikern Benoit Cliperon och kallade "Carnot-cykeln".

Den första laboratoriemodellen av en värmepump skapades av den engelska fysikern William Thomson, Lord Kelvin 1852, under hans experiment inom termodynamik. Förresten fick värmepumpen sitt namn från Lord Kelvin.

William Thomson, Baron Kelvin
William Thomson, Baron Kelvin

William Thomson, Baron Kelvin

Den industriella värmepumpsmodellen byggdes 1856 av den österrikiska gruvingenjören Peter von Rittinger, som använde denna enhet för att avdunsta saltlösning och dränera saltmyrar för att extrahera torrt salt.

Peter Ritter von Rittinger
Peter Ritter von Rittinger

Peter Ritter von Rittinger

Värmepumpen är dock skyldig att använda den i uppvärmningshus till den amerikanska uppfinnaren Robert Webber, som experimenterade med en frys i slutet av 40-talet under förra seklet. Robert märkte att röret som lämnade frysen var varmt och bestämde sig för att använda denna värme för hushållsbehov genom att förlänga röret och leda det genom pannan med vatten. Uppfinnarens idé visade sig vara framgångsrik - från det ögonblicket hade hushållet ett överflöd av varmt vatten, medan en del av värmen spenderades mållöst och lämnade ut i atmosfären. Webber kunde inte acceptera detta och lade till en spole i utloppet från frysen, bredvid vilken han placerade en fläkt, vilket resulterade i en installation för luftuppvärmning av huset. Efter ett tag fick den sparsamma amerikanerna reda påatt det är möjligt att extrahera värme bokstavligen från marken under hans fötter och begravde på ett visst djup ett system av kopparrör med freon som cirkulerar genom dem. Gasen samlade värme i marken, levererade den till huset och gav bort den, och återvände sedan tillbaka till den underjordiska värmekollektorn. Värmepumpen som skapades av Webber visade sig vara så effektiv att han helt bytte uppvärmningen av huset till denna installation och övergav traditionella värmeapparater och energibärare.

Värmepumpen, uppfunnen av Robert Webber, ansågs i många år vara absurd än en verkligt effektiv källa till termisk energi - oljeenergi var i överflöd till ganska rimliga priser. Intresset för förnybara värmekällor ökade i början av 70-talet tack vare oljeembargot 1973, under vilket Gulf-länderna enhälligt vägrade att leverera olja till USA och Europa. Bristen på oljeprodukter orsakade ett kraftigt hopp i energipriserna - ett akut behov av att komma ur situationen. Trots det efterföljande upphävandet av embargot 1975 och återställningen av oljeförsörjningen har europeiska och amerikanska tillverkare tagit tag i utvecklingen av sina egna modeller av geotermiska värmepumpar, vars efterfrågan bara har ökat sedan dess.

Värmepumpens funktion och princip

När vi sjunker ner i jordskorpan, på vars yta vi lever och vars tjocklek på land är cirka 50-80 km, stiger temperaturen - det beror på närheten av det övre lagret av magma, vars temperatur är ungefär 1300 ° C. På ett djup av 3 meter eller mer är markens temperatur positiv när som helst på året, med varje kilometer djup stiger den i genomsnitt 3–10 ° С. Ökningen av marktemperaturen med dess djup beror inte bara på klimatzonen utan också på jordens geologi, såväl som endogen aktivitet i ett givet område på jorden. Till exempel i den södra delen av den afrikanska kontinenten är temperaturökningen per kilometer jorddjup 8 ° С och i delstaten Oregon (USA), på vars territorium en ganska hög endogen aktivitet noteras - 150 ° С per kilometer djup. För effektiv drift av en värmepump behöver den externa kretsen som levererar värme till den dock inte begravas hundratals meter under jorden - något medium med en temperatur över 0 ° C kan vara en källa till värmeenergi.

Värmepumpen överför värmeenergi från luft, vatten eller jord, vilket ökar temperaturen under överföringen till önskad temperatur på grund av komprimering (kompression) av köldmediet. Det finns två huvudtyper av värmepumpar - kompression och sorption.

Gör-det-själv värmepump för uppvärmning av hemmet
Gör-det-själv värmepump för uppvärmning av hemmet

Grundstrukturen för en kompressionsvärmepump: 1 - jordad; 2 - saltlake cirkulation; 3 - cirkulationspump; 4 - förångare; 5 - kompressor; 6 - kondensator; 7 - värmesystem; 8 - köldmedium; 9 - choke

Trots det förvirrande namnet är kompressionsvärmepumpar inte värmeenheter utan kylanordningar, eftersom de fungerar på samma princip som alla kylskåp eller luftkonditioneringsapparater. Skillnaden mellan en värmepump och kylenheter som är välkända för oss är att det som regel krävs två kretsar för dess drift - en intern, där kylmediet cirkulerar och en extern, med en kylvätskecirkulation.

Under drift av denna enhet genomgår köldmediet i den interna kretsen följande steg:

  • det kylda köldmediet i flytande tillstånd kommer in i förångaren genom kapilläröppningen. Under påverkan av en snabb tryckminskning avdunstar köldmediet och övergår till gasform. Rör sig längs de böjda rören på förångaren och kommer i kontakt med rörelsen med en gasformig eller flytande värmebärare, mottar kylmediet termisk energi från låg temperatur, varefter det kommer in i kompressorn;
  • i kompressorkammaren komprimeras kylmediet medan dess tryck ökar kraftigt, vilket orsakar en ökning av kylmedlets temperatur;
  • från kompressorn följer det heta köldmediet kretsen in i kondensorns spole, som fungerar som en värmeväxlare - här avger kylmediet värme (cirka 80–130 ° C) till kylvätskan som cirkulerar i husets värmekrets. Efter att ha förlorat det mesta av den termiska energin återgår köldmediet till flytande tillstånd.
  • när den passerar genom en expansionsventil (kapillär) - den är placerad i värmepumpens interna krets, efter värmeväxlaren - minskar resttrycket i köldmediet, varefter det kommer in i förångaren. Från detta ögonblick upprepas arbetscykeln igen.
Luftvärmepumpsenhet
Luftvärmepumpsenhet

Arbetsprincip för luftvärmepump

Således består den inre strukturen i en värmepump av en kapillär (expansionsventil), en förångare, en kompressor och en kondensor. Driften av kompressorn styrs av en elektronisk termostat som avbryter strömförsörjningen till kompressorn och därmed stoppar processen att generera värme när den inställda lufttemperaturen i huset uppnås. När temperaturen sjunker under en viss nivå slår termostaten automatiskt på kompressorn.

Freoner R-134a eller R-600a cirkulerar som ett köldmedium i värmepumpens interna krets - den första är baserad på tetrafluoroetan, den andra är baserad på isobutan. Båda dessa köldmedier är säkra för jordens ozonskikt och miljövänliga. Kompressionsvärmepumpar kan drivas av en elmotor eller en förbränningsmotor.

Sorptionsvärmepumpar använder absorption - en fysikalisk-kemisk process, under vilken en gas eller vätska ökar i volym på grund av en annan vätska under påverkan av temperatur och tryck.

Schematisk bild av en absorptionsvärmepump
Schematisk bild av en absorptionsvärmepump

Schematisk bild av en absorptionsvärmepump: 1 - uppvärmt vatten; 2 - kylt vatten; 3 - uppvärmningsånga; 4 - uppvärmt vatten; 5 - förångare; 6 - generator; 7 - kondensator; 8 - icke kondenserbara gaser; 9 - vakuumpump; 10 - uppvärmning av ångkondensat; 11 - lösningsvärmeväxlare; 12 - gasseparator; 13 - absorberare; 14 - mortelpump; 15 - kylvätskepump

Absorptionsvärmepumparna är utrustade med en naturgas termisk kompressor. I deras krets finns det ett köldmedium (vanligtvis ammoniak), som avdunstar vid låg temperatur och lågt tryck samtidigt som det absorberar värmeenergi från omgivningen kring cirkulationskretsen. I ångtillstånd kommer kylmediet in i värmeväxlarens absorberare, där det i närvaro av ett lösningsmedel (vanligtvis vatten) absorberas och värme överförs till lösningsmedlet. Lösningsmedlet levereras med en termosyfon som cirkulerar genom tryckdifferensen mellan köldmediet och lösningsmedlet, eller en lågenergipump i installationer med hög kapacitet.

Som ett resultat av att köldmediet och lösningsmedlet kombineras med olika kokpunkter får värmen som levereras av köldmediet att båda avdunstar. Köldmediet i ångtillstånd, med hög temperatur och högt tryck, kommer in i kondensorn genom kretsen, förvandlas till flytande tillstånd och avger värme till värmeväxlaren i värmenätet. Efter att ha passerat expansionsventilen återgår köldmediet till sitt ursprungliga termodynamiska tillstånd och lösningsmedlet återgår till sitt ursprungliga tillstånd på samma sätt.

Fördelarna med absorptionsvärmepumpar är förmågan att arbeta från vilken som helst termisk energikälla och den fullständiga frånvaron av rörliga element, dvs. ljudlöshet. Nackdelar - mindre effekt jämfört med kompressionsenheter, höga kostnader på grund av designens komplexitet och behovet av att använda korrosionsbeständiga material som är svåra att bearbeta.

Absorptionsvärmepumpsenhet
Absorptionsvärmepumpsenhet

Absorptionsvärmepumpsenhet

Adsorptionsvärmepumpar använder fasta material som kiselgel, aktivt kol eller zeolit. Under det första driftssteget, kallat desorptionsfasen, tillförs värmeenergi till värmeväxlarkammaren, som täcks inifrån med ett sorbent, till exempel från en gasbrännare. Uppvärmning orsakar förångning av köldmediet (vatten), den resulterande ångan levereras till den andra värmeväxlaren, som i den första fasen avger värmen som erhålls under kondensationen av ånga till värmesystemet. Fullständig torkning av sorbenten och fullbordande av vattenkondensation i den andra värmeväxlaren fullbordar det första steget i arbetet - tillförseln av termisk energi till kammaren i den första värmeväxlaren slutar. I det andra steget blir värmeväxlaren kondensvatten en förångare som levererar termisk energi till köldmediet från den yttre miljön. Som ett resultat av att tryckförhållandet når 0,6 kPa,vid kontakt med värme från den yttre miljön, avdunstar köldmediet - vattenånga kommer in i den första värmeväxlaren, där den adsorberas i sorbenten. Värmen som ångan avger under adsorptionsprocessen överförs till värmesystemet, varefter cykeln upprepas. Det bör noteras att adsorptionsvärmepumpar inte är lämpliga för hushållsbruk - de är endast avsedda för stora byggnader (från 400 m2), mindre kraftfulla modeller är fortfarande under utveckling.

Typer värmefångare för värmepumpar

Källorna till värmeenergi för värmepumpar kan vara olika - geotermisk (stängd och öppen typ), luft, med sekundär värme. Låt oss överväga var och en av dessa källor mer detaljerat.

Markvärmepumpar förbrukar termisk energi från marken eller grundvattnet och är indelade i två typer - stängda och öppna. Stängda värmekällor är indelade i:

Horisontell, medan samlaren samlar värme i ringar eller sicksackar i diken med ett djup av 1,3 meter eller mer (under frysdjupet). Denna metod för att placera värmekollektorkretsen är effektiv för ett litet landområde

Geotermisk uppvärmning med horisontell värmeuppsamlare
Geotermisk uppvärmning med horisontell värmeuppsamlare

Geotermisk uppvärmning med horisontell värmeuppsamlare

Vertikalt, dvs värmekollektorns uppsamlare placeras i vertikala brunnar nedsänkta i marken till ett djup av 200 m. Denna metod för att placera uppsamlaren används i fall där det inte är möjligt att lägga konturen horisontellt eller det finns ett hot att störa landskapet

Geotermisk uppvärmning med vertikal värmeuppsamlare
Geotermisk uppvärmning med vertikal värmeuppsamlare

Geotermisk uppvärmning med vertikal värmeuppsamlare

Vatten, medan kretsens kollektor är belägen på en sicksack eller ringformat på botten av behållaren, under nivån för frysningen. Jämfört med borrning av brunnar är denna metod den billigaste men beror på djupet och den totala vattenvolymen i behållaren, beroende på region

I värmepumpar av öppen typ används vatten för värmeväxling, som efter att ha passerat genom värmepumpen släpps tillbaka i marken. Det är endast möjligt att använda denna metod om vattnet är kemiskt rent och om användning av grundvatten i denna roll är tillåten ur lagens synvinkel.

Öppen typ av geotermisk uppvärmning
Öppen typ av geotermisk uppvärmning

Öppen typ av geotermisk uppvärmning

I luftkretsar används därför luft som en källa för termisk energi.

Uppvärmning med luftvärmepump
Uppvärmning med luftvärmepump

Uppvärmning med luftvärmepump

Sekundära (derivata) värmekällor används som regel i företag vars driftscykel är associerad med alstring av tredje part (parasitisk) värmeenergi som kräver ytterligare användning.

De första modellerna av värmepumpar liknade helt den design som beskrivits ovan, uppfunnen av Robert Webber - kopparrör i kretsen, som fungerade samtidigt som yttre och inre, med köldmediet som cirkulerade i dem, nedsänktes i marken. Förångaren i en sådan konstruktion var belägen under jord på ett djup som överstiger frysdjupet eller i vinklade eller vertikala brunnar borrade i en vinkel (40 till 60 mm i diameter) till ett djup av 15 till 30 m. liten yta och när du använder rör med liten diameter, gör utan en mellanliggande värmeväxlare. Direktbyte kräver inte tvångspumpning av kylvätskan, eftersom det inte finns något behov av en cirkulationspump, då spenderas mindre el. Förutom,En värmepump med en direktutbyteskrets kan användas effektivt även vid låga temperaturer - vilket objekt som helst avger värme om temperaturen är över absolut noll (-273,15 ° C) och köldmediet kan avdunsta vid temperaturer ner till -40 ° C. Nackdelar med denna krets: stora köldmediekrav; höga kostnader för kopparrör; tillförlitlig anslutning av kopparsektioner är endast möjlig genom lödning, annars kan köldmedieläckage inte undvikas. behovet av katodiskt skydd i sura jordar.annars kan inte köldmedieläckage undvikas. behovet av katodiskt skydd i sura jordar.annars kan inte köldmedieläckage undvikas. behovet av katodiskt skydd i sura jordar.

Extraktionen av värme från luften är mest lämplig för heta klimat, eftersom dess temperaturer under noll minskar effektiviteten allvarligt, vilket kräver ytterligare värmekällor. Fördelen med luftvärmepumpar är att det inte finns något behov av dyr borrning av brunnar, eftersom den externa kretsen med en förångare och en fläkt ligger i ett område inte långt från huset. Förresten, alla monoblocks- eller delade luftkonditioneringssystem är en representant för en enda kretsluftvärmepump. Kostnaden för en luftvärmepump med en kapacitet på till exempel 24 kW är cirka 163 000 rubel.

Luftkällvärmepump
Luftkällvärmepump

Luftkällvärmepump

Värmeenergi från behållaren extraheras genom att lägga en krets av plaströr på botten av en flod eller sjö. Läggdjup från 2 meter pressas rör till botten med en belastning på 5 kg per meter längd. Cirka 30 W termisk energi extraheras från varje löpande meter i en sådan krets, dvs en 10 kW värmepump behöver en krets med en total längd på 300 m. Fördelarna med en sådan krets är relativt låga kostnader och enkel installation, nackdelar - i svåra frost är det omöjligt att erhålla termisk energi …

Lägga värmepumpskretsen i en behållare
Lägga värmepumpskretsen i en behållare

Lägga värmepumpskretsen i en behållare

För att extrahera värme från marken placeras en PVC-rörslinga i en grop, grävd till ett djup som överstiger frysdjupet med minst en halv meter. Avståndet mellan rören bör vara cirka 1,5 m, kylvätskan som cirkulerar i dem är frostskyddsmedel (vanligtvis vattenlösning). Markkonturens effektiva funktion är direkt relaterad till jordens fuktinnehåll vid platsen för dess placering - om jorden är sandig, det vill säga inte kan hålla kvar vatten, måste konturens längd ungefär fördubblas. En värmepump kan extrahera i genomsnitt 30 till 60 W termisk energi från en löpande meter av markkonturen, beroende på klimatzon och jordtyp. En värmepump på 10 kW kräver en 400 meter krets, placerad på en 400 m 2 plats. Kostnaden för en värmepump med en jordkrets är cirka 500 000 rubel.

Lägga en horisontell värmepumpskrets
Lägga en horisontell värmepumpskrets

Lägga den horisontella konturen i marken

Återhämtning av värme från berget kräver antingen läggning av brunnar med en diameter från 168 till 324 mm till ett djup av 100 meter eller utförande av flera brunnar med grundare djup. En kontur sänks ner i varje brunn, bestående av två plaströr förbundna vid den lägsta punkten med ett U-format metallrör som fungerar som vikt. Frostskydd cirkulerar genom rören - endast en 30% -ig lösning av etylalkohol, eftersom det i händelse av läckage inte skadar miljön. Brunnen med konturen installerad i den kommer så småningom att fyllas med grundvatten, vilket kommer att tillföra värme till kylvätskan. Varje meter av en sådan brunn kommer att ge cirka 50 W termisk energi, dvs. för en värmepump med en effekt på 10 kW kommer det att vara nödvändigt att borra 170 m av en brunn. För att få mer värmeenergi är det inte lönsamt att borra en brunn djupare än 200 m - det är bättre att borra flera mindre brunnar på ett avstånd av 15–20 m mellan dem. Ju större borrhålsdiametern är, desto grundare behöver den borras, samtidigt som ett större intag av termisk energi uppnås - cirka 600 W per löpande meter.

Geotermisk sond
Geotermisk sond

Installation av en geotermisk sond

Jämfört med konturerna placerade i marken eller reservoaren tar konturen i brunnen ett minimalt utrymme på platsen, brunnen i sig kan göras i alla typer av jord, inklusive berg. Värmeöverföringen från brunnkretsen kommer att vara stabil när som helst på året och i alla väder. Återbetalningen av en sådan värmepump tar dock flera decennier, eftersom installationen kommer att kosta husägaren mer än en miljon rubel.

I slutet

Fördelen med värmepumpar är deras höga effektivitet, eftersom dessa enheter förbrukar inte mer än 350 watt el per timme för att få ett kilowatt värmeenergi per timme. Som jämförelse överstiger inte effektiviteten hos kraftverk som genererar el genom att bränna bränsle 50%. Värmepumpssystemet fungerar i automatiskt läge, driftskostnaderna under dess användning är extremt låga - endast el behövs för att driva kompressorn och pumparna. Värmepumpsenhetens övergripande dimensioner är ungefär lika stora som för ett hushållskylskåp, ljudnivån under drift sammanfaller också med samma parameter som en hushållskylenhet.

Salt-till-vatten-värmepump
Salt-till-vatten-värmepump

Salt-till-vatten-värmepump

En värmepump kan användas både för att erhålla termisk energi och för att ta bort den - genom att koppla kretsarnas drift till kylning, medan värmeenergin från husets lokaler kommer att avlägsnas genom den externa kretsen till marken, vattnet eller luften.

Den enda nackdelen med ett värmepumpbaserat värmesystem är dess höga kostnad. I Europa, liksom i USA och Japan, är värmepumpinstallationer ganska vanliga - i Sverige finns det mer än en halv miljon och i Japan och USA (särskilt i Oregon) - flera miljoner. Värmepumparnas popularitet i dessa länder beror på deras stöd från statliga program i form av subventioner och kompensation till husägare som har installerat sådana installationer.

Det råder ingen tvekan om att värmepumpar inom den närmaste framtiden kommer att upphöra att vara något outlandish också i Ryssland, med tanke på den årliga tillväxten av priser på naturgas, som idag är den enda konkurrenten för värmepumpar när det gäller ekonomiska kostnader för att erhålla värmenergi.

Rekommenderas: