Conținutul articolului
- Istoric pompa de caldura
- Proiectarea și principiul funcționării pompei de căldură
- Tipuri de colectoare de căldură pentru pompe de căldură
- La sfarsit
În acest articol: Istoria pompei de căldură modul în care funcționează și funcționează pompa de căldură; tipuri de pompe de căldură; energia termică din aer, apă și sol; la sfârșit – pro și contra pompelor de căldură.
Cu scopul de a învinge frigul de iarnă, proprietarii de locuințe scutură de energie și cazane de încălzire adecvate, invidioși pe cei norocoși, ale căror case sunt furnizate cu comunicații care furnizează gaz natural. În fiecare iarnă, mii de tone de lemn, cărbune, produse petroliere sunt arse în cuptoare, megawati de energie electrică sunt consumate pentru cantități astronomice care cresc în fiecare an și se pare că pur și simplu nu există altă ieșire. Între timp, o sursă constantă de energie termică este întotdeauna situată în apropierea caselor noastre, cu toate acestea, pentru populația Pământului este destul de dificil să o observe în această calitate. Dar dacă folosim căldura planetei noastre pentru a încălzi casele? Și există un dispozitiv adecvat pentru asta – o pompă de căldură la sursă.
Istoric pompa de caldura
Fundamentarea teoretică a funcționării unor astfel de dispozitive în 1824 a fost oferită de fizicianul francez Sadi Carnot, care a publicat singura sa lucrare la motoarele cu aburi, care a descris ciclul termodinamic, care a fost confirmat matematic și grafic 10 ani mai târziu de fizicianul Benoit Cliperon și numit „ciclul Carnot”.
Primul model de laborator al unei pompe de căldură a fost creat de fizicianul englez William Thomson, Lord Kelvin în 1852, în timpul experimentelor sale în termodinamică. Apropo, pompa de căldură și-a primit numele de la Lordul Kelvin..
William Thomson, baronul Kelvin
Modelul pompei de căldură industrială a fost construit în 1856 de inginerul minier austriac Peter von Rittinger, care a folosit acest dispozitiv pentru a evapora saramură și a scurge mlaștinile de sare pentru a extrage sare uscată.
Peter Ritter von Rittinger
Cu toate acestea, pompa de căldură datorează utilizarea sa în încălzirea caselor inventatorului american Robert Webber, care a experimentat cu un congelator la sfârșitul anilor 40 ai secolului trecut. Robert a observat că țeava care ieșea din congelator era fierbinte și a decis să folosească această căldură pentru nevoile casnice, întinzând conducta și trecând-o prin cazan cu apă. Ideea inventatorului s-a dovedit a fi reușită – din acel moment gospodăria avea o abundență de apă caldă, în timp ce o parte din căldură a fost cheltuită fără scop, părăsind atmosfera. Webber nu a putut accepta acest lucru și a adăugat o bobină la ieșirea din congelator, lângă care a așezat un ventilator, rezultând o instalare pentru încălzirea în aer a casei. După ceva timp, americanul inventiv și-a dat seama că era posibil să extragă căldura literalmente din pământ sub picioarele sale și a îngropat un sistem de țevi de cupru cu freon care circula prin ele până la o anumită adâncime. Gazul a colectat căldura în pământ, a livrat-o în casă și a cedat-o, apoi a revenit înapoi la colectorul de căldură subteran. Pompa de căldură creată de Webber s-a dovedit a fi atât de eficientă încât a transferat complet încălzirea casei către această instalație, abandonând dispozitivele tradiționale de încălzire și sursele de energie..
Pompa de căldură, inventată de Robert Webber, de mai mulți ani a fost considerată mai mult un absurd decât o sursă cu adevărat eficientă de energie termică – energia petrolului era din abundență, la prețuri destul de rezonabile. Interesul pentru sursele regenerabile de căldură a crescut la începutul anilor 70, datorită embargoului petrolului din 1973, timp în care țările din Golf au refuzat în unanimitate să furnizeze petrol către Statele Unite și Europa. Lipsa de produse petroliere a provocat o scădere bruscă a prețurilor la energie – o nevoie urgentă de a ieși din situație. În ciuda ridicării ulterioare a embargoului în 1975 și a restabilirii aprovizionării cu petrol, producătorii europeni și americani au ajuns să se confrunte cu dezvoltarea propriilor modele de pompe de căldură geotermale, cererea stabilită pentru care a crescut abia de atunci..
Proiectarea și principiul funcționării pompei de căldură
Pe măsură ce ne afundăm în scoarța terestră, pe suprafața căreia trăim și a căror grosime pe pământ este de aproximativ 50–80 km, temperatura acesteia crește – aceasta se datorează apropierii stratului superior al magmei, a cărei temperatură este de aproximativ 1300 ° C. La o adâncime de 3 metri sau mai mult, temperatura solului este pozitivă în orice moment al anului, cu fiecare kilometru de adâncime crește în medie de 3-10 ° C. Creșterea temperaturii solului cu adâncimea sa depinde nu numai de zona climatică, ci și de geologia solului, precum și de activitatea endogenă într-o anumită zonă a Pământului. De exemplu, în partea de sud a continentului african, creșterea temperaturii pe kilometru de adâncime a solului este de 8 ° C, iar în statul Oregon (SUA), pe teritoriul căruia se observă o activitate endogenă destul de ridicată – 150 ° C pentru fiecare kilometru de adâncime. Cu toate acestea, pentru funcționarea eficientă a pompei de căldură, circuitul extern care îi furnizează căldură nu trebuie să fie îngropat la sute de metri în subteran – orice mediu cu o temperatură mai mare de 0 ° C poate fi o sursă de energie termică..
Pompa de căldură transferă energia termică din aer, apă sau sol, crescând temperatura în timpul transferului la temperatura dorită datorită compresiei (compresiei) agentului frigorific. Există două tipuri principale de pompe de căldură – compresia și sorbia.
Structura de bază a unei pompe de căldură cu compresie: 1 – sol; 2 – circulația saramurii; 3 – pompă de circulație; 4 – evaporator; 5 – compresor; 6 – condensator; 7 – sistem de încălzire; 8 – agent frigorific; 9 – sufocare
În ciuda numelui confuz, pompele de căldură cu compresie nu sunt dispozitive de încălzire, ci dispozitive de refrigerare, deoarece funcționează pe același principiu ca orice frigider sau aparat de aer condiționat. Diferența dintre o pompă de căldură și unitățile de refrigerare cunoscute la noi este că, de regulă, sunt necesare două circuite pentru funcționarea sa – unul intern, în care circulă agentul frigorific și unul extern, cu circulație de răcire..
În timpul funcționării acestui dispozitiv, agentul frigorific din circuitul intern trece prin următoarele etape:
- agentul frigorific răcit în stare lichidă intră în evaporator prin orificiul capilar. Sub influența unei scăderi rapide a presiunii, agentul frigorific se evaporă și se transformă într-o stare gazoasă. Deplasându-se de-a lungul tuburilor curbate ale evaporatorului și contactând în procesul de mișcare cu un purtător de căldură gazos sau lichid, agentul frigorific primește energie termică la temperatură scăzută din acesta, după care intră în compresor;
- în camera compresorului, agentul frigorific este comprimat, în timp ce presiunea lui crește brusc, ceea ce determină o creștere a temperaturii agentului frigorific;
- De la compresor, agentul frigorific fierbinte urmează circuitul în bobina condensatorului, care acționează ca un schimbător de căldură – aici agentul frigorific degajă căldură (aproximativ 80-130 ° C) lichidului de răcire care circulă în circuitul de încălzire al casei. După ce a pierdut cea mai mare parte a energiei termice, agentul frigorific revine la o stare lichidă;
- la trecerea prin valva de expansiune (capilară) – este amplasată în circuitul intern al pompei de căldură, în urma schimbătorului de căldură – presiunea reziduală din agentul frigorific scade, după care intră în evaporator. Din acest moment, ciclul de lucru se repetă din nou.
Principiul de lucru al pompei de căldură la sursa de aer
Astfel, structura internă a unei pompe de căldură este formată dintr-un capilar (supapa de expansiune), un evaporator, un compresor și un condensator. Funcționarea compresorului este controlată de un termostat electronic, care întrerupe alimentarea cu compresorul și, astfel, oprește procesul de generare a căldurii la atingerea temperaturii de aer setate în casă. Când temperatura scade sub un anumit nivel, termostatul pornește automat compresorul.
Freonii R-134a sau R-600a circulă ca agent frigorific în circuitul intern al pompei de căldură – primul se bazează pe tetrafluoroetan, al doilea se bazează pe izobutan. Ambii dintre acești agenți frigorifici sunt siguri pentru stratul de ozon al Pământului și sunt ecologici. Pompele de căldură de compresie pot fi acționate de un motor electric sau un motor cu ardere internă.
Pompele de căldură cu absorbție folosesc absorbția – un proces fizico-chimic în timpul căruia un gaz sau un lichid crește în volum din cauza unui alt lichid sub influența temperaturii și presiunii.
Schema unei pompe de căldură de absorbție: 1 – apă încălzită; 2 – apă răcită; 3 – abur de încălzire; 4 – apă încălzită; 5 – evaporator; 6 – generator; 7 – condensator; 8 – gaze ne-condensabile; 9 – pompă de vid; 10 – condens de abur de încălzire; 11 – schimbător de căldură cu soluție; 12 – separator de gaze; 13 – absorbant; 14 – pompă de mortar; 15 – pompă de răcire
Pompele de căldură de absorbție sunt echipate cu un compresor termic cu gaz natural. În circuitul lor există un agent frigorific (de obicei amoniac), care se evaporă la temperaturi și presiuni scăzute, absorbind în același timp energie termică din mediul înconjurător. În stare de vapori, agentul frigorific intră în schimbătorul-schimbător de căldură, unde, în prezența unui solvent (de obicei apă), este absorbit și căldura este transferată solventului. Solventul este furnizat cu un termosifon care circulă prin diferența de presiune între agentul frigorific și solvent, sau cu o pompă cu energie scăzută în instalații de mare capacitate.
Ca urmare a combinării agentului frigorific și solventului, care punctele de fierbere sunt diferite, căldura furnizată de agent frigorific face ca ambele să se evapore. Refrigerantul în stare de vapori, având o temperatură și o presiune ridicate, intră în condensator de-a lungul circuitului, se transformă într-o stare lichidă și emite căldură schimbătorului de căldură al rețelei de încălzire. După trecerea prin valva de expansiune, agentul frigorific intră în starea termodinamică inițială, în același mod solventul revine la starea inițială.
Avantajele pompelor de căldură de absorbție sunt capacitatea de a funcționa din orice sursă de energie termică și absența completă a elementelor în mișcare, adică zgomot. Dezavantaje – putere mai mică comparativ cu unitățile de compresie, cost ridicat datorită complexității proiectării și necesității de a utiliza materiale rezistente la coroziune dificil de procesat.
Unitatea pompei de căldură de absorbție
Pompele de căldură prin adsorbție folosesc materiale solide precum gel de silice, carbon activat sau zeolit. În timpul primei etape de lucru, denumită faza de desorbție, energia termică este furnizată camerei schimbătoare de căldură, care este acoperită cu sorbent din interior, de exemplu, dintr-un arzător de gaz. Încălzirea provoacă vaporizarea agentului frigorific (apă), aburul rezultat este livrat celui de-al doilea schimbător de căldură, care în prima fază eliberează căldura obținută în timpul condensării aburului în sistemul de încălzire. Uscarea completă a sorbentului și finalizarea condensului de apă în al doilea schimbător de căldură finalizează prima etapă de lucru – furnizarea de energie termică către camera primului schimbător de căldură se oprește. În a doua etapă, schimbătorul de căldură cu apă condensată devine un evaporator, furnizând energie termică din mediul extern la agentul frigorific. Ca urmare a raportului de presiune care atinge 0,6 kPa, la contactul de căldură din mediul extern, agentul frigorific se evaporă – vaporii de apă curg înapoi în primul schimbător de căldură, unde este adsorbit în sorbent. Căldura pe care o emană aburul în timpul procesului de adsorbție este transferată sistemului de încălzire, după care ciclul se repetă. Trebuie menționat că pompele de căldură prin adsorbție nu sunt adecvate pentru uz casnic – sunt destinate doar clădirilor mari (de la 400 m2), încă sunt dezvoltate modele mai puțin puternice.
Tipuri de colectoare de căldură pentru pompe de căldură
Sursele de energie termică pentru pompele de căldură pot fi diferite – aerul geotermic (închis și deschis), folosind căldura secundară. Să luăm în considerare mai detaliat fiecare dintre aceste surse..
Pompele de căldură la sursă consumă energie termică din subteran sau din apele subterane și sunt împărțite în două tipuri – închise și deschise. Sursele de căldură închise sunt împărțite în:
- Orizontal, în timp ce colectorul care colectează căldura este situat în inele sau în zig-zag în tranșee cu o adâncime de 1,3 metri sau mai mult (sub adâncimea de îngheț). Această metodă de plasare a circuitului colectorului de căldură este eficientă pentru o suprafață mică de teren.
Încălzire geotermală cu colector de căldură orizontal
- Vertical, adică colectorul colectorului de căldură este plasat în puțuri verticale imersate în pământ la o adâncime de 200 m. Această metodă de plasare a colectorului este utilizată în cazurile în care nu este posibilă așezarea conturului pe orizontală sau există o amenințare de perturbare a peisajului..
Încălzire geotermală cu colector de căldură verticală
- Apa, în timp ce colectorul circuitului este amplasat în zig-zag sau inel în partea de jos a rezervorului, sub nivelul de îngheț al acestuia. Față de puțurile de foraj, această metodă este cea mai ieftină, dar depinde de adâncimea și volumul total de apă din rezervor, în funcție de regiune..
Pompele de căldură de tip deschis folosesc apă pentru schimbul de căldură, care, după trecerea prin pompa de căldură, este evacuată înapoi în pământ. Este posibilă utilizarea acestei metode numai dacă apa este chimică pură și dacă utilizarea apei subterane în acest rol este acceptabilă din punctul de vedere al legii.
Încălzire geotermală de tip deschis
În circuitele de aer, respectiv, aerul este utilizat ca sursă de energie termică.
Încălzirea prin pompa de căldură cu aer
Sursele de căldură secundare (derivate) sunt utilizate, de regulă, la întreprinderi, al căror ciclu de funcționare este asociat cu producerea de energie termică (parazitară) terță parte care necesită o utilizare suplimentară.
Primele modele de pompe de căldură au fost complet similare cu designul descris mai sus, inventat de Robert Webber – conductele de cupru ale circuitului, acționând simultan ca externe și interne, cu refrigerantul care circula în ele, au fost cufundate în pământ. Evaporatorul într-un astfel de proiect a fost amplasat subteran la o adâncime care depășește adâncimea de îngheț sau în puțuri unghiulare sau verticale găurite într-un unghi (40 până la 60 mm în diametru) până la adâncimea de 15 până la 30 m. suprafață mică și când utilizați conducte cu diametru mic, faceți fără un schimbător de căldură intermediar. Schimbul direct nu necesită pomparea forțată a lichidului de răcire, deoarece nu este nevoie de o pompă de circulație, atunci se consumă mai puțină energie electrică. În plus, o pompă de căldură cu o buclă de schimb direct poate fi utilizată eficient chiar și la temperaturi scăzute – orice obiect emite căldură dacă temperatura sa este peste zero absolut (-273,15 ° C), iar refrigerantul se poate evapora la temperaturi de până la -40 ° C. Dezavantaje ale unui astfel de circuit: cerințe mari de agent frigorific; costuri ridicate ale țevilor de cupru; Conectarea fiabilă a secțiunilor de cupru este posibilă numai prin lipire, în caz contrar, scurgerea agentului frigorific nu poate fi evitată; necesitatea protecției catodice în solurile acide.
Extracția de căldură din aer este cea mai potrivită pentru climatele calde, deoarece la temperaturi sub zero eficiența acesteia va scădea serios, ceea ce va necesita surse de încălzire suplimentare. Avantajul pompelor de căldură cu aer este că nu este necesară o foraj scump al puțurilor, deoarece circuitul extern cu un evaporator și un ventilator este situat într-o zonă nu departe de casă. Apropo, orice sistem de aer condiționat monobloc sau divizat este reprezentativ pentru o pompă de căldură cu aer cu un singur circuit. Costul unei pompe de căldură cu aer cu o capacitate, de exemplu, de 24 kW este de aproximativ 163.000 de ruble.
Pompa de caldura a sursei de aer
Energia termică din rezervor este extrasă prin amplasarea unui circuit realizat din țevi de plastic pe fundul unui râu sau lac. Adâncind stratul de la 2 metri, țevile sunt presate în partea de jos cu o sarcină la viteza de 5 kg pe metru lungime. Circa 30 W de energie termică este extrasă din fiecare contor de rulare al unui astfel de circuit, adică o pompă de căldură de 10 kW va avea nevoie de un circuit cu o lungime totală de 300 m. Avantajele unui astfel de circuit sunt costurile relativ reduse și ușurința de instalare, dezavantajele – în înghețurile severe, este imposibil de obținut energie termică.
Amplasarea circuitului pompei de căldură într-un rezervor
Pentru a extrage căldură din pământ, o buclă de țeavă de PVC este plasată într-o groapă, săpată la o adâncime care depășește adâncimea de îngheț cu cel puțin o jumătate de metru. Distanța dintre conducte trebuie să fie de aproximativ 1,5 m, lichidul de răcire care circulă în ele este antigel (de obicei saramură de apă). Funcționarea eficientă a conturului solului este direct legată de conținutul de umiditate al solului în punctul de amplasare a acestuia – dacă solul este nisipos, adică nu este capabil să țină apă, atunci lungimea conturului trebuie să fie aproximativ dublată. O pompă de căldură poate extrage în medie 30 – 60 W de energie termică dintr-un contor de rulare a conturului solului, în funcție de zona climatică și de tipul de sol. O pompă de căldură de 10 kW va necesita un circuit de 400 de metri așezat pe un teren de 400 m22. Costul unei pompe de căldură cu un circuit de sol este de aproximativ 500.000 de ruble.
Așezarea conturului orizontal în pământ
Recuperarea căldurii din rocă va necesita fie așezarea puțurilor cu un diametru de 168 până la 324 mm până la o adâncime de 100 de metri, fie mai multe godeuri de adâncime mai mică. Un contur este coborât în fiecare puț, format din două conducte de plastic conectate în punctul cel mai de jos de o țeavă metalică în formă de U care acționează ca o greutate. Antigelul circulă prin conducte – doar o soluție de 30% alcool etilic, deoarece în cazul unei scurgeri nu va dăuna mediului. Sonda cu conturul instalat în ea se va umple în cele din urmă cu apă subterană, care va furniza căldură lichidului de răcire. Fiecare contor dintr-un astfel de puț va produce aproximativ 50 W de energie termică, adică pentru o pompă de căldură cu o putere de 10 kW, va fi necesar să găuriți 170 m dintr-o sondă. Pentru a obține mai multă energie termică, nu este profitabil să găuriți un puț mai adânc de 200 m – este mai bine să faceți mai multe puțuri mai mici la o distanță de 15-20 m între ele. Cu cât diametrul găurilor de foraj este mai mare, cu atât trebuie să fie forată mai mică, iar în același timp se obține un aport mai mare de energie termică – aproximativ 600 W pe metru de rulare.
Instalarea unei sonde geotermale
Față de contururile amplasate în pământ sau în rezervor, conturul în puț ocupă un spațiu minim pe șantier, puțul în sine poate fi realizat în orice tip de sol, inclusiv în rocă. Transferul de căldură din circuitul puțului va fi stabil în orice moment al anului și în orice vreme. Cu toate acestea, rambursarea unei astfel de pompe de căldură va dura câteva decenii, deoarece instalarea ei va costa proprietarul casei mai mult de un milion de ruble..
La sfarsit
Avantajul pompelor de căldură este eficiența ridicată a acestora, deoarece aceste unități consumă nu mai mult de 350 wați de energie electrică pe oră pentru a obține un kilowatt de energie termică pe oră. Pentru comparație, eficiența centralelor care generează energie electrică prin arderea combustibilului nu depășește 50%. Sistemul de pompe de căldură funcționează în regim automat, costurile de operare în timpul utilizării sale sunt extrem de scăzute – este necesară numai electricitate pentru a acționa compresorul și pompele. Dimensiunile generale ale unității de pompă de căldură sunt aproximativ egale cu cele ale unui frigider casnic, nivelul de zgomot în timpul funcționării coincide, de asemenea, cu același parametru al unei unități frigorifice de uz casnic..
Pompa de caldura „apa saramura” Puteți utiliza o pompă de căldură atât pentru a obține energie termică, cât și pentru a o elimina – prin trecerea funcționării circuitelor la răcire, în timp ce energia termică din spațiile casei va fi eliminată prin circuitul extern în pământ, apă sau aer.
Singurul dezavantaj al unui sistem de încălzire pe bază de pompe de căldură este costul ridicat al acestuia. În Europa, precum și în SUA și Japonia, instalațiile de pompe de căldură sunt destul de comune – în Suedia există mai mult de jumătate de milion, iar în Japonia și SUA (în special în statul Oregon) – câteva milioane. Popularitatea pompelor de căldură din aceste țări se datorează sprijinului acordat de programele guvernamentale sub formă de subvenții și compensații pentru proprietarii de case care au instalat astfel de instalații..
Nu există nici o îndoială că, în viitorul apropiat, pompele de căldură nu vor mai fi ceva extravagant și în Rusia, având în vedere creșterea anuală a prețurilor la gazele naturale, care astăzi este singurul concurent pentru pompele de căldură din punct de vedere al costurilor financiare pentru obținerea energiei termice.
Ce avantaje și dezavantaje are pompa de căldură în comparatie cu alte surse de încălzire, precum centrala termică sau sistemul de încălzire electric? În ce măsură sunt mai eficiente și mai prietenoase cu mediul înconjurător? Cum funcționează procesul de preluare a căldurii de pe suprafața Pământului și transferul acesteia în încăpere?