Varmepumpe – til opvarmning tager vi varme fra planeten Jorden

Indholdet af artiklen

• Varmepumpe historie
• Design og princip for drift af varmepumpen
• Typer af varmesamlere til varmepumper
• I slutningen

I denne artikel: Varmepumpens historie hvordan varmepumpen fungerer og fungerer; typer af varmepumper; termisk energi fra luft, vand og jord; i slutningen – fordele og ulemper ved varmepumper.

For at besejre vinterkulden skure husejere efter energi og passende varmekedler, misundelige på de heldige, hvis huse er forbundet med kommunikation, der leverer naturgas. Hver vinter forbrændes tusinder af tonsvis af træ, kul, olieprodukter i ovnene, megawatt elektricitet forbruges til astronomiske mængder, der øges hvert år, og det ser ud til, at der simpelthen ikke er nogen anden udvej. I mellemtiden er en konstant kilde til termisk energi altid placeret i nærheden af ​​vores hjem, men det er temmelig vanskeligt for jordens befolkning at bemærke det i denne kapacitet. Men hvad nu hvis vi bruger vores planetes varme til at varme huse? Og der er en passende anordning til dette – en jordvarmepumpe.

Varmepumpe historie

Den teoretiske underbygning af driften af ​​sådanne apparater i 1824 blev leveret af den franske fysiker Sadi Carnot, der offentliggjorde sit eneste arbejde med dampmaskiner, hvor den termodynamiske cyklus blev beskrevet, som blev matematisk og grafisk bekræftet 10 år senere af fysikeren Benoit Cliperon og kaldte “Carnot-cyklus”.

Den første laboratoriemodel af en varmepumpe blev oprettet af den engelske fysiker William Thomson, Lord Kelvin i 1852, under hans eksperimenter i termodynamik. For øvrig fik varmepumpen sit navn fra Lord Kelvin.

William Thomson, Baron Kelvin

Den industrielle varmepumpemodel blev bygget i 1856 af den østrigske minedriftingeniør Peter von Rittinger, der brugte denne enhed til at fordampe saltvand og dræne saltmyrer til at udvinde tørt salt.

Peter Ritter von Rittinger

Imidlertid skylder varmepumpen dens anvendelse i opvarmning af huse til den amerikanske opfinder Robert Webber, der eksperimenterede med en fryser i slutningen af ​​40’erne i forrige århundrede. Robert bemærkede, at røret, der forlod fryseren, var varmt og besluttede at bruge denne varme til husholdningsbehov ved at forlænge røret og føre det gennem kedlen med vand. Opfindernes idé viste sig at være en succes – fra det øjeblik havde husholdninger en overflod af varmt vand, mens en del af varmen blev brugt målløst og forlader atmosfæren. Webber kunne ikke acceptere dette og tilføjede en spole til stikkontakten fra fryseren, hvor han placerede en ventilator, hvilket resulterede i en installation til luftopvarmning af huset. Efter nogen tid regnede den opfindelige amerikaner ud med, at det var muligt bogstaveligt talt at udtrække varme fra jorden under hans fødder og begravet et system af kobberrør med freon, der cirkulerede gennem dem til en bestemt dybde. Gassen opsamlede varme i jorden, leverede den til huset og gav den væk og vendte derefter tilbage til den underjordiske varmesamler. Varmepumpen oprettet af Webber viste sig at være så effektiv, at han helt overførte opvarmningen af ​​huset til denne installation, idet han opgav traditionelle varmeenheder og energikilder..

Varmepumpen, opfundet af Robert Webber, blev i mange år betragtet som en mere absurd end en virkelig effektiv kilde til termisk energi – olieenergi var i overflod til ganske rimelige priser. Interessen for vedvarende varmekilder voksede i begyndelsen af ​​70’erne takket være olieembargo fra 1973, hvor Golf-landene enstemmigt nægtede at levere olie til De Forenede Stater og Europa. Manglen på olieprodukter medførte et kraftigt spring i energipriserne – et presserende behov for at komme ud af situationen. På trods af den efterfølgende ophævelse af embargo i 1975 og restaurering af olieforsyninger, har europæiske og amerikanske producenter grebet fat i udviklingen af ​​deres egne modeller af geotermiske varmepumper, hvis etablerede efterspørgsel kun er vokset siden da..

Design og princip for drift af varmepumpen

Når vi synker ned i jordskorpen, på den overflade, vi lever af, og hvis tykkelse på land er ca. 50–80 km, stiger dens temperatur – dette skyldes nærheden af ​​det øverste lag af magma, hvis temperatur er ca. 1300 ° С. På en dybde på 3 meter eller mere er jordens temperatur positiv på ethvert tidspunkt af året, med hver dybdekilometer stiger den med et gennemsnit på 3-10 ° C. Stigningen i jordtemperatur med dens dybde afhænger ikke kun af den klimatiske zone, men også af jordens geologi, såvel som endogen aktivitet i et givet område på Jorden. For eksempel i den sydlige del af det afrikanske kontinent er temperaturstigningen pr. Kilometer jorddybde 8 ° C, og i staten Oregon (USA), på det territorium, hvor der bemærkes en ret høj endogen aktivitet – 150 ° C per kilometer dybde. For effektiv drift af varmepumpen behøver det eksterne kredsløb, der leverer varme til den, ikke at blive begravet hundreder af meter under jorden – ethvert medium med en temperatur på mere end 0 ° C kan være en kilde til termisk energi..

Varmepumpen overfører varmeenergi fra luft, vand eller jord, hvilket øger temperaturen under overførslen til den krævede temperatur på grund af kompression (komprimering) af kølemidlet. Der er to hovedtyper af varmepumper – kompression og sorption.

Den grundlæggende struktur i en kompressionsvarmepumpe: 1 – jord; 2 – saltopløsning; 3 – cirkulationspumpe; 4 – fordamper; 5 – kompressor; 6 – kondensator; 7 – varmesystem; 8 – kølemiddel; 9 – kvæl

På trods af det forvirrende navn er kompressionsvarmepumper ikke varmeenheder, men køleindretninger, da de fungerer på samme princip som ethvert køleskab eller klimaanlæg. Forskellen mellem en varmepumpe og køleenheder, der er velkendt for os, er, at der som regel kræves to kredsløb til dens drift – en intern en, hvor kølemediet cirkulerer, og et eksternt, med en kølemiddelscirkulation..

Under betjening af denne enhed gennemgår kølemediet i det interne kredsløb de følgende trin:

• det afkølede kølemiddel i flydende tilstand trænger ind i fordamperen gennem kapillæråbningen. Under påvirkning af et hurtigt fald i tryk fordamper kølemediet og bliver til en gasformig tilstand. Bevægelse langs fordamperens buede rør og kontakt under bevægelse med en gasformig eller flydende varmebærer, modtager kølemidlet termisk energi fra lav temperatur, hvorefter det kommer ind i kompressoren;
• i kompressorkammeret komprimeres kølemediet, medens dets tryk stiger kraftigt, hvilket medfører en stigning i kølemidlets temperatur;
• fra kompressoren følger det varme kølemiddel kredsløbet ind i kondensatoren, der fungerer som en varmeveksler – her afgiver kølemediet varme (ca. 80–130 ° C) til kølemidlet, der cirkulerer i husets varmekreds. Efter at have mistet det meste af den termiske energi vender kølemediet tilbage til en flydende tilstand;
• når man passerer gennem ekspansionsventilen (kapillær) – den er placeret i det indre kredsløb i varmepumpen efter varmeveksleren – formindskes resttrykket i kølemediet, hvorefter det kommer ind i fordamperen. Fra dette øjeblik gentages arbejdscyklussen igen.

Arbejdsprincip for luftvarmepumpe

Den indre struktur i en varmepumpe består således af en kapillær (ekspansionsventil), en fordamper, en kompressor og en kondensator. Kompressorens drift styres af en elektronisk termostat, der afbryder strømforsyningen til kompressoren og derved stopper processen med at generere varme, når den indstillede lufttemperatur i huset er nået. Når temperaturen falder til under et bestemt niveau, tænder termostaten automatisk kompressoren.

Freoner R-134a eller R-600a cirkulerer som et kølemiddel i det indre kredsløb i varmepumpen – den første er baseret på tetrafluorethan, den anden er baseret på isobutan. Begge disse kølemidler er sikre for jordens ozonlag og miljøvenlige. Kompressionsvarmepumper kan drives af en elektrisk motor eller en forbrændingsmotor.

Sorption varmepumper bruger absorption – en fysisk-kemisk proces, hvor en gas eller væske stiger i volumen på grund af en anden væske under påvirkning af temperatur og tryk.

Skematisk diagram over en absorptionsvarmepumpe: 1 – opvarmet vand; 2 – afkølet vand; 3 – opvarmning af damp; 4 – opvarmet vand; 5 – fordamper; 6 – generator; 7 – kondensator; 8 – ikke-kondenserbare gasser; 9 – vakuumpumpe; 10 – opvarmning af dampkondensat; 11 – opløsningsvarmeveksler; 12 – gasseparator; 13 – absorber; 14 – mørtelpumpe; 15 – kølevæske pumpe

Absorptionsvarmepumperne er udstyret med en termisk kompressor i naturgas. I deres kredsløb er der et kølemiddel (normalt ammoniak), der fordamper ved lav temperatur og tryk, mens der absorberes termisk energi fra miljøet, der omgiver kredsløbskredsløbet. I damptilstand kommer kølemediet ind i varmevekslerabsorberen, hvor det i nærværelse af et opløsningsmiddel (normalt vand) absorberes, og varme overføres til opløsningsmidlet. Opløsningsmiddel leveres af en termosyphon, der cirkulerer gennem trykforskellen mellem kølemiddel og opløsningsmiddel, eller en lavenergipumpe i installationer med høj kapacitet.

Som et resultat af at kombinere kølemidlet og opløsningsmidlet, hvilke kogepunkter er forskellige, får varmen, der tilføres af kølemidlet, begge til at fordampe. Kølemediet i damptilstand, der har en høj temperatur og et tryk, trænger ind i kondensatoren gennem kredsløbet, omdannes til en flydende tilstand og afgiver varme til varmeveksleren i opvarmningsnetværket. Efter at have passeret gennem ekspansionsventilen vender kølemediet tilbage til sin oprindelige termodynamiske tilstand, på samme måde som opløsningsmidlet vender tilbage til sin oprindelige tilstand.

Fordelene ved absorptionsvarmepumper er evnen til at betjene fra enhver kilde til termisk energi og det komplette fravær af bevægelige elementer, dvs. støjløshed. Ulemper – mindre effekt sammenlignet med kompressionsenheder, høje omkostninger på grund af kompleksiteten i designet og behovet for at bruge korrosionsbestandige materialer, der er vanskelige at behandle.

Absorptionsvarmepumpeenhed

Adsorptionsvarmepumper bruger faste materialer såsom silicagel, aktivt kul eller zeolit. I det første driftstrin, kaldet desorptionsfasen, tilføres varmeenergi til varmevekslerkammeret, som for eksempel er dækket med sorbent fra en gasbrænder. Opvarmning forårsager fordampning af kølemediet (vand), den resulterende damp afgives til den anden varmeveksler, som i den første fase afgiver den varme, der er opnået under kondensationen af ​​damp til varmesystemet. Komplet tørring af sorbenten og færdiggørelse af vandkondens i den anden varmeveksler afslutter det første arbejdstrin – tilførslen af ​​termisk energi til kammeret i den første varmeveksler stopper. På det andet trin bliver kondensvand-varmeveksleren en fordamper, der leverer termisk energi til kølemediet fra det ydre miljø. Som et resultat af, at trykforholdet når 0,6 kPa, når varmekontakt fra det ydre miljø fordampes, fordamper kølemediet – vanddamp kommer ind i den første varmeveksler, hvor det adsorberes i sorbenten. Den varme, som dampen afgiver under adsorptionsprocessen, overføres til varmesystemet, hvorefter cyklussen gentages. Det skal bemærkes, at adsorptionsvarmepumper ikke er egnede til husholdningsbrug – de er kun beregnet til store bygninger (fra 400 m²), mindre kraftige modeller er stadig under udvikling.

Typer af varmesamlere til varmepumper

Kilder til varmeenergi til varmepumper kan være forskellige – geotermisk (lukket og åben type), luft, ved hjælp af sekundær varme. Lad os overveje hver af disse kilder mere detaljeret..

Jordvarmepumper forbruger termisk energi fra grunden eller grundvandet og er opdelt i to typer – lukket og åben. Lukkede varmekilder er opdelt i:

• Horisontalt, mens samleren, der opsamler varme, er placeret i ringe eller zigzags i skyttegrave med en dybde på 1,3 meter eller mere (under frysedybden). Denne metode til placering af varmekollektorkredsløb er effektiv i et lille landområde.

Geotermisk opvarmning med vandret varmekollektor

• Lodret, dvs. varmekollektorens opsamler placeres i lodrette brønde nedsænket i jorden til en dybde på 200 m. Denne metode til placering af samleren anvendes til i tilfælde, hvor det ikke er muligt at placere konturen vandret eller der er fare for at forstyrre landskabet.

Geotermisk opvarmning med lodret varmekollektor

• Vand, mens kredsløbets samler er placeret i en zigzag eller ringformet måde i bunden af ​​reservoiret, under niveauet for dets frysning. Sammenlignet med borebrønde er denne metode den billigste, men afhænger af dybden og det samlede vandmængde i reservoiret, afhængigt af regionen..

I åbne varmepumper bruges vand til varmeudveksling, der efter passering gennem varmepumpen ledes tilbage i jorden. Det er kun muligt at bruge denne metode, hvis vandet er kemisk rent, og hvis brugen af ​​grundvand i denne rolle er tilladt ud fra lovens synspunkt..

Geotermisk opvarmning i åben type

I henholdsvis luftkredsløb bruges luft som en kilde til termisk energi.

Opvarmning med luftkilde varmepumpe

Sekundære (afledte) varmekilder bruges som regel til virksomheder, hvis driftscyklus er forbundet med produktionen af ​​tredjeparts (parasitisk) varmeenergi, der kræver yderligere udnyttelse.

De første modeller af varmepumper lignede fuldstændigt det design, der er beskrevet ovenfor, opfundet af Robert Webber – kobberrør fra kredsløbet, der fungerede samtidigt som eksternt og internt, med kølemediet, der cirkulerer i dem, blev nedsænket i jorden. Fordamperen i en sådan konstruktion blev anbragt under jorden på en dybde, der overstiger frysedybden eller i vinklede eller lodrette brønde, der er boret i en vinkel (diameter fra 40 til 60 mm) til en dybde på 15 til 30 m. Direkte udvekslingskredsløbet (det modtog dette navn) gør det muligt at placere den på lille område, og når du bruger rør med lille diameter, skal du undgå en mellemliggende varmeveksler. Direkte udveksling kræver ikke tvungen pumpning af kølevæsken, da der ikke er behov for en cirkulationspumpe, da bruges mindre elektricitet. Derudover kan en varmepumpe med en direkte udvekslingssløjfe bruges effektivt selv ved lave temperaturer – ethvert objekt udsender varme, hvis dens temperatur er over absolut nul (-273,15 ° C), og kølemediet kan fordampe ved temperaturer ned til -40 ° C. Ulemper ved dette kredsløb: store krav til kølemedium; høje omkostninger ved kobberrør; pålidelig tilslutning af kobbersektioner er kun mulig ved lodning, ellers kan kølemedielækage ikke undgås; behovet for katodisk beskyttelse i sure jordarter.

Indtagelse af varme fra luften er bedst egnet til varmt klima, da dens temperaturer under nul nedsætter effektiviteten alvorligt, hvilket kræver yderligere varmekilder. Fordelen ved luftvarmepumper er, at der ikke er behov for dyre boring af brønde, da det eksterne kredsløb med en fordamper og en ventilator er placeret i et område ikke langt fra huset. For øvrig er ethvert monoblok eller delt klimaanlæg et repræsentativt for en en-kredsløbs luftvarmepumpe. Omkostningerne ved en luftvarmepumpe med en kapacitet på for eksempel 24 kW er ca. 163.000 rubler.

Luftkilde varmepumpe

Termisk energi fra reservoiret udvindes ved at lægge et kredsløb lavet af plastrør i bunden af ​​en flod eller sø. Lægedybde fra 2 meter, rørene presses til bunden med en belastning med en hastighed på 5 kg pr. Meter længde. Cirka 30 W termisk energi udvindes fra hver løbende meter i et sådant kredsløb, det vil sige en 10 kW varmepumpe har brug for et kredsløb med en samlet længde på 300 m. Fordelene ved et sådant kredsløb er relativt lave omkostninger og let installation, ulemperne – i svære frost er det umuligt at få termisk energi.

Anbringelse af varmepumpekredsløb i et reservoir

For at udvinde varme fra jorden anbringes en PVC-rørsløjfe i en pit, der graves til en dybde, der overstiger frysedybden med mindst en halv meter. Afstanden mellem rørene skal være ca. 1,5 m, kølevæsken, der cirkulerer i dem, er frostvæske (normalt vand saltvand). Jordkonturens effektive drift er direkte relateret til jordens fugtighedsindhold på det sted, hvor den er placeret – hvis jorden er sandet, dvs. ikke er i stand til at tilbageholde vand, skal konturens længde tilnærmelsesvis fordobles. En varmepumpe kan udtrække i gennemsnit 30 til 60 W termisk energi fra en løbende meter fra jordkonturen, afhængigt af den klimatiske zone og jordtypen. En 10 kW varmepumpe har brug for et 400 meter kredsløb lagt på en 400 m2 grund². Omkostningerne ved en varmepumpe med et jordkredsløb er ca. 500.000 rubler.

Lægning af den vandrette kontur i jorden

Gendannelse af varme fra klippen kræver enten lægning af brønde med en diameter fra 168 til 324 mm til en dybde på 100 meter eller udførelse af flere brønde med lavere dybde. En kontur sænkes ned i hver brønd, der består af to plastrør, der er forbundet på det laveste punkt med et U-formet rør af metal, der fungerer som en vægt. Frostvæske cirkulerer gennem rørene – kun en 30% opløsning af ethylalkohol, da det i tilfælde af lækage ikke vil skade miljøet. Brønden med konturen installeret i den vil til sidst blive fyldt med grundvand, som vil levere varme til kølevæsken. Hver meter af en sådan brønd giver ca. 50 W termisk energi, dvs. for en varmepumpe med en effekt på 10 kW, vil det være nødvendigt at bore 170 m af en brønd. For at få mere varmeenergi er det ikke rentabelt at bore en brønd dybere end 200 m – det er bedre at fremstille flere mindre brønde i en afstand af 15-20 m mellem dem. Jo større borehullsdiameteren er, jo lavere skal den bores, samtidig med at der opnås et større indtag af termisk energi – ca. 600 W pr. Løbende meter.

Installation af en geotermisk sonde

Sammenlignet med konturerne, der er placeret i jorden eller et reservoir, optager konturen i brønden et minimum af plads på stedet, kan selve brønden fremstilles i enhver jordtype, inklusive klippe. Varmeoverførslen fra brøndkredsløbet vil være stabil når som helst på året og i vejrforhold. Imidlertid vil tilbagebetaling af en sådan varmepumpe tage flere årtier, da installationen koster husejeren mere end en million rubler..

I slutningen

Fordelen ved varmepumper er deres høje effektivitet, da disse enheder forbruger ikke mere end 350 watt elektricitet i timen for at opnå en kilowatt varmeenergi i timen. Til sammenligning overstiger effektiviteten af ​​kraftværker, der genererer elektricitet ved forbrænding af brændstof, ikke 50%. Varmepumpesystemet fungerer i automatisk tilstand, driftsomkostningerne under dets anvendelse er ekstremt lave – kun elektricitet er nødvendigt for at betjene kompressoren og pumperne. De overordnede dimensioner af varmepumpeinstallationen er omtrent lig med dimensionerne på et køleskab til husholdningen. Støjniveauet under drift falder også sammen med den samme parameter som en husholdningskøleenhed.

Saltvand til vand-varmepumpe

En varmepumpe kan bruges både til at opnå varmeenergi og til at fjerne den – ved at skifte betjening af kredsløbene til afkøling, mens den termiske energi fra husets lokaler fjernes gennem det ydre kredsløb i jorden, vand eller luft.

Den eneste ulempe ved et varmepumpebaseret varmesystem er dets høje omkostninger. I Europa såvel som i USA og Japan er varmepumpeinstallationer ret almindelige – i Sverige er der mere end en halv million, og i Japan og USA (især i Oregon) – flere millioner. Populariteten af ​​varmepumper i disse lande skyldes deres støtte fra regeringsprogrammer i form af tilskud og kompensation til husejere, der har installeret sådanne installationer..

Der er ingen tvivl om, at varmepumper i den nærmeste fremtid vil ophøre med at være noget ude i Rusland i betragtning af den årlige stigning i priserne på naturgas, som i dag er den eneste konkurrent til varmepumper med hensyn til økonomiske omkostninger til produktion af varme.

Lignende poster:

1. Gør-det-selv-varmepumpe til opvarmning af hjemmet Gør-det-selv-varmepumpen har alle de nødvendige funktioner til effektiv opvarmning af hjemmet. Det har en nem at bruge design, brugervenlig styresystem og er særdeles energibesparende. Det eliminerer behovet for lagring og...
2. Opvarmning af et hus med en luft-til-luft varmepumpe Luft-til-luft varmepumper er et økonomisk alternativ til traditionelle opvarmningsmetoder, med store fordele når det kommer til effektivitet, komfort og økonomi. De er nemme at installere og har høj energieffektivitet, hvilket...
3. Prisbillig elektrisk opvarmning med en Electrolux Viking varmepumpe Med en Electrolux Viking varmepumpe får du prisbillig elektrisk opvarmning, der er effektiv og energibesparende. Varmepumpen har et innovativt design, der leverer cirka 6 gange den effekt for den samme...
4. De mest usædvanlige og ekstreme hoteller på planeten Tag på en uforglemmelig rejse og oplev nogle af de mest ekstreme og usædvanlige hoteller på planeten! Fra himmelhvælvede igloer, der folder sig ud fra en ravefest igennem til boblehoteller,...

Læs mere  Grundlæggende regler