Toplinska pumpa – za grijanje uzimamo toplinu sa planete Zemlje

Sadržaj članka

• Povijest toplinske pumpe
• Dizajn i princip rada toplinske pumpe
• Vrste kolektora topline za toplinske pumpe
• Na kraju

U ovom članku: Povijest toplinske pumpe kako radi i radi toplinska pumpa; vrste toplinskih pumpi; toplinska energija iz zraka, vode i tla; na kraju – prednosti i nedostaci toplinskih pumpi.

S ciljem da se izbore sa zimskom hladnoćom, vlasnici kuća traže energiju i pogodne kotlove za grijanje, zavidjeli sretnicima koji imaju vodove za opskrbu prirodnim plinom. Svake zime tisuće tona drva, ugljena, naftnih proizvoda spaljuju se u štednjacima, megavati električne energije troše se za astronomske iznose koji se svake godine povećavaju, a čini se da jednostavno nema drugog izlaza. U međuvremenu, jedan stalan izvor toplinske energije uvijek se nalazi u blizini naših domova, međutim, stanovništvo Zemlje je prilično teško to primijetiti u ovom svojstvu. Ali što ako toplinu našeg planeta koristimo za grijanje kuća? A za to postoji prikladan uređaj – toplinska pumpa s izvorima zemlje.

Povijest toplinske pumpe

Teorijsko utemeljenje rada takvih uređaja 1824. dao je francuski fizičar Sadi Carnot, koji je objavio svoje jedino djelo o parnim strojevima, u kojem je opisan termodinamički ciklus, koji je matematički i grafički potvrdio 10 godina kasnije fizičar Benoit Cliperon i nazvao „Carnotov ciklus“.

Prvi laboratorijski model toplinske pumpe stvorio je engleski fizičar William Thomson, Lord Kelvin 1852. godine, tijekom svojih eksperimenata u termodinamici. Usput, toplinska pumpa je dobila ime po lordu Kelvinu..

William Thomson, barun Kelvin

Model industrijske toplinske crpke sagradio je 1856. austrijski rudarski inženjer Peter von Rittinger, koji je ovaj uređaj koristio za isparavanje slane vode i isušivanje slanih močvara za vađenje suhe soli.

Peter Ritter von Rittinger

Međutim, toplinska pumpa svoju upotrebu u grijanju kuća duguje američkom izumitelju Robertu Webberu, koji je eksperimentirao s zamrzivačem krajem 40-ih godina prošlog stoljeća. Robert je primijetio da je cijev koja izlazi iz zamrzivača vruća i odlučio je iskoristiti tu toplinu za kućne potrebe tako što će cijev produljiti i proći kroz bojler s vodom. Ideja izumitelja pokazala se uspješnom – od tog trenutka je kućanstvo obilno imalo tople vode, dok je dio topline besprijekorno trošio, napuštajući atmosferu. Webber to nije mogao prihvatiti i dodao je zavojnicu na izlaz iz zamrzivača, pored kojeg je stavio ventilator, što je rezultiralo instalacijom za grijanje kuće na zraku. Nakon nekog vremena, inventivni Amerikanac shvatio je da je moguće izvući toplinu doslovno iz zemlje pod nogama i zakopao sustav bakrenih cijevi s freonom koji je cirkulirao kroz njih do određene dubine. Plin je skupljao toplinu u zemlji, dostavljao je kući i odavao je, a zatim vratio natrag u podzemni kolektor topline. Toplinska pumpa koju je stvorio Webber pokazala se toliko učinkovitom da je potpuno prenio grijanje kuće na ovu instalaciju, odustajući od tradicionalnih grijaćih uređaja i izvora energije..

Toplinska pumpa, koju je izumio Robert Webber, dugi niz godina smatrala se više apsurdom nego istinski učinkovitim izvorom toplinske energije – energije u ulju bilo je u izobilju, po sasvim povoljnim cijenama. Interes za obnovljive izvore topline porastao je početkom 70-ih, zahvaljujući naftnom embargu iz 1973., tijekom kojeg su zaljevske zemlje jednoglasno odbijale isporuku nafte Sjedinjenim Državama i Europi. Manjak naftnih derivata uzrokovao je nagli skok cijena energije – hitna potreba za izlaskom iz situacije. Unatoč naknadnom ukidanju embarga 1975. i obnavljanju zaliha nafte, europski i američki proizvođači su se sukobili s razvojem vlastitih modela geotermalnih toplinskih pumpi, čija je potražnja od tada sve veća..

Dizajn i princip rada toplinske pumpe

Kako tonemo u zemljinu koru, na površini u kojoj živimo i čija debljina na kopnu iznosi oko 50–80 km, njegova temperatura raste – to je zbog blizine gornjeg sloja magme, čija je temperatura približno 1300 ° C. Na dubini od 3 metra ili više, temperatura tla je pozitivna u svako doba godine, a sa svakim kilometrom dubine povećava se u prosjeku 3–10 ° C. Porast temperature tla s njegovom dubinom ovisi ne samo o klimatskoj zoni, već i o geologiji tla, kao i endogenoj aktivnosti u određenom području Zemlje. Primjerice, u južnom dijelu afričkog kontinenta porast temperature po kilometru dubine tla iznosi 8 ° C, a u državi Oregon (SAD), na čijem području se primjećuje prilično visoka endogena aktivnost – 150 ° C na svaki kilometar dubine. Međutim, za učinkovit rad toplinske crpke, vanjski krug koji opskrbljuje toplinom nije potrebno zakopati stotine metara pod zemljom – bilo koji medij s temperaturom većom od 0 ° C može biti izvor toplinske energije..

Toplinska pumpa prenosi toplinsku energiju iz zraka, vode ili tla, povećavajući temperaturu tijekom prijenosa na potrebnu temperaturu uslijed kompresije (kompresije) rashladnog sredstva. Postoje dvije glavne vrste toplinskih pumpi – kompresijska i sorpcijska.

Osnovna struktura kompresijske toplinske pumpe: 1 – tlo; 2 – cirkulacija slane vode; 3 – cirkulacijska pumpa; 4 – isparivač; 5 – kompresor; 6 – kondenzator; 7 – sustav grijanja; 8 – rashladno sredstvo; 9 – prigušnica

Unatoč zbunjujućem nazivu, kompresijske toplinske pumpe nisu uređaji za grijanje, već rashladni uređaji, jer rade na istom principu kao i bilo koji hladnjak ili klima uređaj. Razlika između dobro poznate toplinske pumpe i rashladnih jedinica je u tome što u pravilu za njezin rad trebaju dva kruga – unutarnji, u kojem cirkulira rashladno sredstvo, i vanjski, s cirkulacijom rashladne tekućine..

Tijekom rada ovog uređaja, rashladno sredstvo u unutarnjem krugu prolazi kroz sljedeće faze:

• ohlađeno rashladno sredstvo u tekućem stanju ulazi u isparivač kroz kapilarni otvor. Pod utjecajem brzog pada tlaka, rashladno sredstvo isparava i pretvara se u plinovito stanje. Krećući se po zakrivljenim cijevima isparivača i dodirujući se tijekom kretanja s plinovitim ili tekućim nosačem topline, rashladno sredstvo prima iz njega toplotnu energiju niske temperature, nakon čega ulazi u kompresor;
• u komori kompresora, rashladno sredstvo se komprimira, dok se njegov tlak naglo povećava, što uzrokuje porast temperature rashladnog sredstva;
• Iz kompresora vruće rashladno sredstvo prati krug u zavojnicu kondenzatora, koji djeluje kao izmjenjivač topline – ovdje rashladno sredstvo otpušta toplinu (oko 80-130 ° C) rashladnom tekućinom koja kruži u krugu grijanja kuće. Izgubivši većinu toplinske energije, rashladno sredstvo se vraća u tekuće stanje;
• pri prolasku kroz ekspanzijski ventil (kapilarni) – nalazi se u unutarnjem krugu toplinske pumpe, nakon izmjenjivača topline – zaostali tlak u rashladnom sredstvu smanjuje se, nakon čega ulazi u isparivač. Od ovog trenutka radni ciklus se ponavlja.

Načelo rada toplinske pumpe izvora zraka

Dakle, unutarnja struktura toplinske pumpe sastoji se od kapilare (ekspanzijskog ventila), isparivača, kompresora i kondenzatora. Rad kompresora kontrolira elektronički termostat koji prekida dovod struje kompresora i na taj način zaustavlja proces proizvodnje topline kad se dosegne zadana temperatura zraka u kući. Kad temperatura padne ispod određene razine, termostat automatski uključuje kompresor.

Freoni R-134a ili R-600a cirkuliraju kao rashladno sredstvo u unutarnjem krugu toplinske pumpe – prvi se temelji na tetrafluoroetanu, drugi se temelji na izobutanu. Oba ova rashladna sredstva sigurna su za ozonski omotač Zemlje i ekološka su. Kompresijske toplinske pumpe mogu se pokretati električnim motorom ili motorom s unutarnjim izgaranjem.

Sorpcijske toplinske pumpe koriste apsorpciju – fizikalno-kemijski proces tijekom kojeg se plin ili tekućina povećavaju u volumenu zbog druge tekućine pod utjecajem temperature i tlaka.

Shematski dijagram apsorpcijske toplinske pumpe: 1 – grijana voda; 2 – ohlađena voda; 3 – grijana para; 4 – grijana voda; 5 – isparivač; 6 – generator; 7 – kondenzator; 8 – nekondenzirani plinovi; 9 – vakuum pumpa; 10 – grijanje parnim kondenzatom; 11 – izmjenjivač topline otopine; 12 – separator plina; 13 – apsorber; 14 – mortna pumpa; 15 – pumpa rashladnog sredstva

Apsorpcijske toplinske pumpe opremljene su termičkim kompresorom prirodnog plina. U njihovom krugu nalazi se rashladno sredstvo (obično amonijak), koje isparava pri niskoj temperaturi i tlaku, dok apsorbira toplinsku energiju iz okruženja koje okružuje cirkulacijski krug. U stanju pare, rashladno sredstvo ulazi u apsorber izmjenjivača topline, gdje se u prisustvu otapala (obično vode) apsorbira i toplina se prenosi u otapalo. Otapalo se dovodi pomoću termosfona koji cirkulira kroz razliku tlaka između rashladnog sredstva i otapala, ili pumpe niske energije u instalacijama velikog kapaciteta.

Kao rezultat kombiniranja rashladnog sredstva i otapala, a točke vrelišta su različite, toplina koju rashladno sredstvo isporučuje uzrokuje da oboje ispari. Rashladno sredstvo u stanju pare, koje ima visoku temperaturu i tlak, ulazi u kondenzator kroz krug, pretvara se u tekuće stanje i odaje toplinu izmjenjivaču topline mreže grijanja. Nakon prolaska ekspanzijskog ventila, rashladno sredstvo prelazi u prvobitno termodinamičko stanje, na isti način na koji se otapalo vraća u prvobitno stanje.

Prednosti apsorpcijskih toplinskih crpki su mogućnost rada iz bilo kojeg izvora toplinske energije i potpuna odsutnost pokretnih elemenata, tj. Bez buke. Nedostaci – manja snaga u usporedbi s kompresijskim jedinicama, visoki trošak zbog složenosti dizajna i potrebe korištenja materijala otpornih na koroziju koje je teško obraditi.

Jedinica toplinske pumpe za apsorpciju

Adsorpcijske toplinske pumpe koriste čvrste materijale poput silikagela, aktivnog ugljena ili zeolita. Tijekom prvog radnog koraka, nazvanog faza desorpcije, toplinska energija se dovodi u komoru izmjenjivača topline, koja je iznutra prekrivena sorbentom, na primjer, plinskim plamenikom. Grijanje uzrokuje isparavanje rashladnog sredstva (vode), rezultirajuća para se dovodi u drugi izmjenjivač topline koji u prvoj fazi ispušta toplinu dobivenu tijekom kondenzacije pare u sustav grijanja. Potpuno sušenje sorbenta i kondenzacija vode u drugom izmjenjivaču topline završava prvu fazu rada – zaustavlja se opskrba toplinskom energijom u komori prvog izmjenjivača topline. U drugoj fazi, kondenzirani izmjenjivač topline vode postaje isparivač, isporučujući toplinsku energiju iz vanjskog okruženja u rashladno sredstvo. Kao rezultat tlačnog omjera koji doseže 0,6 kPa, prilikom dodira topline iz vanjskog okoliša, rashladno sredstvo isparava – vodena para se vraća u prvi izmjenjivač topline, gdje se adsorbira u sorbent. Toplina koju para odvaja tijekom procesa adsorpcije prenosi se u sustav grijanja, nakon čega se ciklus ponavlja. Treba napomenuti da adsorpcijske toplinske pumpe nisu prikladne za kućnu uporabu – namijenjene su samo velikim zgradama (od 400 m²), manje snažni modeli još uvijek su u fazi izrade.

Vrste kolektora topline za toplinske pumpe

Izvori toplinske energije za toplinske pumpe mogu biti različiti – geotermalni (zatvoreni i otvoreni), zrak, koristeći sekundarnu toplinu. Razmotrimo svaki od ovih izvora detaljnije..

Toplinske pumpe podzemnog izvora troše toplinsku energiju iz zemlje ili podzemne vode i dijele se na dvije vrste – zatvorene i otvorene. Zatvoreni izvori topline dijele se na:

• Vodoravno, dok se skupljač koja skuplja toplinu nalazi u prstenima ili cik-cakovima u rovovima dubine 1,3 metra ili više (ispod dubine smrzavanja). Ova metoda postavljanja kruga kolektora topline učinkovita je za malo zemljište.

Geotermalno grijanje s vodoravnim kolektorom topline

• Okomiti, tj. Skupljanje kolektora topline postavlja se u okomite jažice uronjene u zemlju do dubine od 200 m. Ovom metodom postavljanja kolektora pribjegava se slučajevima kada nije moguće položiti konturu vodoravno ili postoji opasnost od narušavanja pejzaža.

Geotermalno grijanje s vertikalnim kolektorom topline

• Voda, dok se kolektor kruga nalazi cik-cak ili prstenasto na dnu rezervoara, ispod razine zamrzavanja. U usporedbi s bušenjem bušotina, ova je metoda najjeftinija, ali ovisi o dubini i ukupnoj količini vode u rezervoaru, ovisno o regiji..

U otvorenim toplinskim crpkama, voda se koristi za izmjenu topline koja se nakon prolaska kroz toplinsku pumpu ispušta natrag u zemlju. Ovu metodu moguće je koristiti samo ako je voda kemijski čista i ako je upotreba podzemnih voda u ovoj ulozi dopuštena sa stajališta zakona.

Geotermalno grijanje otvorenog tipa

U strujnim krugovima, zrak se koristi kao izvor toplinske energije.

Grijanje zračnom toplinskom pumpom

Sekundarni (derivativi) izvori topline se u pravilu koriste u poduzećima, čiji je radni ciklus povezan s proizvodnjom treće (parazitske) toplinske energije koja zahtijeva dodatno korištenje.

Prvi modeli toplinskih pumpi bili su potpuno slični gore opisanom dizajnu, koji je izumio Robert Webber – bakrene cijevi kruga, koje djeluju istovremeno kao vanjske i unutarnje, s rashladnim sredstvom koje cirkulira u njima, uronjene su u zemlju. Isparivač takvog dizajna bio je smješten pod zemljom na dubini koja prelazi dubinu smrzavanja ili u kutnim ili vertikalnim bušotinama, izbušenim pod kutom (promjera od 40 do 60 mm) do dubine od 15 do 30 m. Izravni krug razmjene (dobio je to ime) omogućava postavljanje na malo područje i kada koristite cijevi malog promjera, nemojte raditi bez posrednog izmjenjivača topline. Izravna razmjena ne zahtijeva prisilno crpljenje rashladnog sredstva, jer nema potrebe za cirkulacijskom pumpom, tada se troši manje električne energije. Osim toga, toplinska pumpa s izravnom petljom za izmjenu može se učinkovito koristiti čak i pri niskim temperaturama – bilo koji predmet emitira toplinu ako je njegova temperatura iznad apsolutne nule (-273,15 ° C), a rashladno sredstvo može ispariti na temperaturama do -40 ° C. Nedostaci takvog kruga: veliki zahtjevi za rashladno sredstvo; visoki trošak bakrenih cijevi; pouzdano spajanje bakrenih dijelova moguće je samo lemljenjem, jer se u protivnom ne može izbjeći istjecanje rashladnog sredstva; potreba za katodnom zaštitom u kiselim tlima.

Izvlačenje topline iz zraka je najprikladnije za toplu klimu, jer će se pri nižim temperaturama njegova učinkovitost ozbiljno smanjiti, što će zahtijevati dodatne izvore grijanja. Prednost zračnih toplinskih crpki je u tome što ne treba skupo bušenje bušotina, budući da se vanjski krug s isparivačem i ventilatorom nalazi na području nedaleko od kuće. Usput, bilo koji monoblok ili split sustav klimatizacije predstavlja zračnu toplinsku pumpu s jednim krugom. Trošak zračne toplinske pumpe kapaciteta, na primjer, 24 kW iznosi oko 163 000 rubalja.

Toplinska pumpa izvora zraka

Toplinska energija iz akumulacije se crpi postavljanjem kruga od plastičnih cijevi na dnu rijeke ili jezera. Dubina polaganja od 2 metra cijevi se pritisne na dno s opterećenjem brzinom od 5 kg po metru duljine. Otprilike 30 W toplinske energije izvlači se iz svakog tekućeg metra takvog kruga, tj. Toplinskoj pumpi od 10 kW trebat će strujni krug ukupne duljine 300 m. Prednosti takvog kruga su relativno niski troškovi i jednostavnost ugradnje, nedostaci – u jakim mrazima nemoguće je dobiti toplinsku energiju.

Postavljanje kruga toplinske pumpe u rezervoar

Da bi se toplina izvadila iz zemlje, petlja PVC cijevi postavlja se u jamu, iskopanu do dubine koja prelazi dubinu smrzavanja za najmanje pola metra. Udaljenost između cijevi trebala bi biti oko 1,5 m, rashladno sredstvo koje cirkulira u njima je antifriz (obično vodena slana otopina). Učinkovit rad konture tla izravno je povezan s sadržajem vlage u tlu na mjestu njegovog postavljanja – ako je tlo pjeskovito, tj. Nije sposobno zadržavati vodu, tada se dužina konture mora približno udvostručiti. Toplinska pumpa može izvući prosječno 30 do 60 W toplinske energije iz tekućeg metra konture tla, ovisno o klimatskoj zoni i vrsti tla. Za toplinsku pumpu od 10 kW trebat će se krug od 400 metara postavljen na parceli površine 400 m2². Trošak toplinske crpke s krugom tla iznosi oko 500 000 rubalja.

Polaganje vodoravne konture u zemlju

Obnavljanje topline iz stijene zahtijevat će ili polaganje bušotina promjera od 168 do 324 mm do dubine od 100 metara, ili izvršavanje nekoliko bušotina s manjom dubinom. U svaku jažicu se spušta kontura koja se sastoji od dvije plastične cijevi povezane u najnižoj točki metalnom cijevi u obliku slova U koja djeluje kao težina. Antifriz cirkulira cijevima – samo 30% -tna otopina etilnog alkohola, jer u slučaju propuštanja neće naštetiti okolišu. Bunar s konturama ugrađenom u njega s vremenom će se napuniti podzemnom vodom, koja će opskrbljivati ​​toplinom rashladnu tekućinu. Svaki metar takvog bušotine dat će oko 50 W toplinske energije, tj. Za toplinsku pumpu od 10 kW bit će potrebno bušiti 170 m bušotine. Da biste dobili više toplinske energije, nije isplativo bušiti bušotine dublje od 200 m – bolje je napraviti nekoliko manjih bušotina na udaljenosti od 15-20 m između njih. Što je veći promjer bušotine, to je pliće potrebno izbušiti, a istodobno se postiže i veći unos toplinske energije – oko 600 W po metru koji radi.

Instalacija geotermalne sonde

U usporedbi s konturama smještenim u tlu ili rezervoaru, kontura u bušotini zauzima najmanje prostora na mjestu, sama bušotina može se napraviti u bilo kojoj vrsti tla, uključujući stijenu. Prijenos topline iz kruga bušotine bit će stabilan u bilo koje doba godine i bilo koje vrijeme. Međutim, povrat takve toplinske crpke trajat će nekoliko desetljeća, jer će njezina instalacija koštati vlasnika kuće više od milijun rubalja..

Na kraju

Prednost toplinskih pumpi je njihova visoka učinkovitost, jer ove jedinice troše ne više od 350 vata električne energije na sat da bi se dobio jedan kilovat toplinske energije na sat. Za usporedbu, učinkovitost elektrana koje proizvode gorivo gorivom ne prelazi 50%. Sustav toplinske crpke radi u automatskom načinu rada, pogonski troškovi za vrijeme njegove uporabe izuzetno su mali – za rad kompresora i crpki potreban je samo struj. Ukupne dimenzije jedinice toplinske crpke približno su jednake dimenzijama kućanskog hladnjaka, razina buke tijekom rada također se podudara s istim parametrom rashladne jedinice kućanstva..

Toplinska pumpa “slana voda”

Toplinsku pumpu možete koristiti i za dobivanje toplinske energije i za uklanjanje – prebacivanjem rada krugova na hlađenje, dok će se toplinska energija iz prostora kuće uklanjati vanjskim krugom u zemlju, vodu ili zrak.

Jedini nedostatak sustava grijanja s toplinskom pumpom su visoki troškovi. U Europi, kao i u SAD-u i Japanu, instalacije toplinske crpke su prilično česte – u Švedskoj ih ima više od pola milijuna, a u Japanu i SAD-u (posebno u državi Oregon) – nekoliko milijuna. Popularnost toplinskih pumpi u tim zemljama zaslužna je njihovom podrškom vladinih programa u obliku subvencija i naknada vlasnicima domova koji su ugradili takve instalacije..

Nema sumnje da će u skoroj budućnosti toplinske crpke prestati biti nešto neobično i u Rusiji, s obzirom na godišnje povećanje cijena prirodnog plina, koji je danas jedini konkurent toplotnim crpkama u smislu financijskih troškova za dobivanje toplinske energije..

Povezani unosi:

1. Moderan građevinski alat – pumpa za beton Sadržaj članka Vrste i princip rada betonskih pumpi Stacionarna betonska pumpa Betonske pumpe Važan element betonske pumpe su vrata (ventil) Beton za postavljanje betona Kakva betonska mješavina može pumpati betonsku pumpu...
2. Kako kupiti vibropres: uzimamo u obzir karakteristike, izračunavamo povrat Sadržaj članka Glavne karakteristike Izvođenje Trajanje ciklusa formacije Formiranje veličine zone Visina oblika Frekvencija vibracija Sila kompresije Potrošnja energije Uslužno osoblje Koliko košta vibropres Otplata vibracije U ovom ćemo članku detaljnije...
3. Izbor toplotnog pištolja – uzimamo u obzir sve čimbenike Sadržaj članka Što ćemo grijati i koliko to košta? Odabir električnog toplinskog pištolja Odabir plinskog toplinskog pištolja Odabir dizelskog toplinskog pištolja zaključci Što se tiče toplotnih pištolja, njihovih vrsta, već smo...
4. Ukrašavanje ribnjaka biljkama: uzimamo u obzir vrijeme cvatnje, značajke rasta, shemu boja U ovom malom rezervoaru zasađene su Siebold hosta (s plavkasto-zelenim lišćem) i Hosta lanceolatna bijela obrubljena. Vlažna mikroklima daje astilbi priliku da cvjeta dugo i veličanstveno, ovo je mjesto pogodno i...

Čitaj više  Kako povećati tlak vode u kući