Varmepumpe – for oppvarming tar vi varme fra planeten Jorden

I denne artikkelen: Historien om varmepumpen hvordan varmepumpen fungerer og fungerer; typer varmepumper; termisk energi fra luft, vann og jord; på slutten – fordeler og ulemper med varmepumper.

For å beseire vinterkulda, skure huseiere etter energi og passende varmekjeler, misunnelige på de heldige, hvis hus er koblet til kommunikasjon som leverer naturgass. Hver vinter forbrennes tusenvis av tonn tre, kull, oljeprodukter i ovnene, megawatt strøm forbrukes for astronomiske mengder som øker hvert år, og det ser ut til at det rett og slett ikke er noen annen utvei. I mellomtiden er en konstant kilde for termisk energi alltid plassert i nærheten av hjemmene våre, men det er ganske vanskelig for jordens befolkning å merke den i denne kapasiteten. Men hva om vi bruker varmen fra planeten vår til å varme opp hus? Og det er et passende apparat for dette – en varmepumpe fra bakken.

Innholdsfortegnelse i artikkelen

1. Varmepumpehistorie
2. Design og prinsipp for drift av varmepumpen
3. Typer varmesamlere for varmepumper
4. På slutten

Varmepumpehistorie

Den teoretiske underbyggingen av driften av slike apparater i 1824 ble gitt av den franske fysikeren Sadi Carnot, som publiserte sitt eneste arbeid med dampmotorer, som beskrev den termodynamiske syklus, som ble matematisk og grafisk bekreftet 10 år senere av fysiker Benoit Cliperon og kalt «Carnot-syklusen».

Den første laboratoriemodellen av en varmepumpe ble opprettet av den engelske fysikeren William Thomson, Lord Kelvin i 1852, under sine eksperimenter i termodynamikk. For øvrig fikk varmepumpen navnet fra Lord Kelvin.

William Thomson, Baron Kelvin

Den industrielle varmepumpemodellen ble bygget i 1856 av den østerrikske gruveingeniøren Peter von Rittinger, som brukte denne enheten til å fordampe saltlake og drenere saltmyrer for å trekke ut tørt salt.

Peter Ritter von Rittinger

Varmepumpen skylder imidlertid bruken i oppvarming av hus til den amerikanske oppfinneren Robert Webber, som eksperimenterte med en fryser på slutten av 40-tallet av forrige århundre. Robert la merke til at røret som forlater fryseren var varmt og bestemte seg for å bruke denne varmen til husholdningsbehov ved å forlenge røret og føre det gjennom kjelen med vann. Oppfinnerens idé viste seg å være vellykket – fra det øyeblikket hadde husholdninger en overflod av varmt vann, mens deler av varmen ble brukt målløst og forlot atmosfæren. Webber kunne ikke godta dette og la en spole til uttaket fra fryseren, ved siden av han plasserte en vifte, noe som resulterte i en installasjon for luftvarme av huset. Etter en tid fant den oppfinnsomme amerikaneren ut at det var mulig å bokstavelig talt trekke ut varme fra bakken under føttene og begravet et system av kobberrør med freon som sirkulerte gjennom dem til en viss dybde. Gassen samlet varme i bakken, leverte den til huset og ga den bort, og returnerte deretter tilbake til den underjordiske varmesamleren. Varmepumpen opprettet av Webber viste seg å være så effektiv at han overførte oppvarmingen av huset til denne installasjonen fullstendig, og forlot tradisjonelle varmeenheter og energikilder..

Varmepumpen, oppfunnet av Robert Webber, ble i mange år ansett som en absurditet enn en virkelig effektiv kilde for termisk energi – oljenergi var i overflod, til ganske rimelige priser. Interessen for fornybare varmekilder vokste på begynnelsen av 70-tallet, takket være oljebrettet i 1973, der Gulf-landene enstemmig nektet å levere olje til USA og Europa. Mangelen på petroleumsprodukter forårsaket et kraftig hopp i energiprisene – et presserende behov for å komme ut av situasjonen. Til tross for den påfølgende opphevingen av embargo i 1975 og restaurering av oljeforsyninger, har europeiske og amerikanske produsenter grepet tak i utviklingen av sine egne modeller av varmepumper fra bakkekilden, den etablerte etterspørselen som bare har vokst siden den gang..

Design og prinsipp for drift av varmepumpen

Når vi synker ned i jordskorpen, på overflaten vi lever av og hvis tykkelse på land er omtrent 50-80 km, stiger dens temperatur – dette skyldes nærheten til det øvre lag av magma, hvis temperatur er omtrent 1300 ° C. På en dybde på 3 meter eller mer er temperaturen på jorda positiv når som helst på året, med hver dybdekilometer stiger den med et gjennomsnitt på 3–10 ° C. Økningen i jordtemperatur med dens dybde avhenger ikke bare av den klimatiske sonen, men også av jordens geologi, samt endogen aktivitet i et gitt område av jorden. For eksempel, i den sørlige delen av det afrikanske kontinentet, er temperaturøkningen per kilometer jorddybde 8 ° C, og i Oregon (USA), på territoriet hvor det noteres en ganske høy endogen aktivitet – 150 ° C for hver dybdekilometer. For effektiv drift av varmepumpen trenger den eksterne kretsen som leverer varme til den ikke å bli gravlagt hundrevis av meter under jorden – ethvert medium med en temperatur på mer enn 0 ° C kan være en kilde til termisk energi..

Varmepumpen overfører varmeenergi fra luft, vann eller jord, og øker temperaturen under overføringen til ønsket temperatur på grunn av komprimering (komprimering) av kjølemediet. Det er to hovedtyper av varmepumper – kompresjon og sorpsjon.

Den grunnleggende strukturen til en kompresjonsvarmepumpe: 1 – bakken; 2 – saltlaksirkulasjon; 3 – sirkulasjonspumpe; 4 – fordamper; 5 – kompressor; 6 – kondensator; 7 – varmesystem; 8 – kjølemedium; 9 – choke

Til tross for det forvirrende navnet, oppvarmer ikke kompresjonsvarmepumper, men kjøleenheter, fordi de fungerer på samme prinsipp som ethvert kjøleskap eller klimaanlegg. Forskjellen mellom en varmepumpe og kjøleaggregat som er godt kjent for oss, er at det som regel er to kretsløp som kreves for driften – en intern en, der kjølemediet sirkulerer, og en ekstern, med en kjølevæskesirkulasjon..

Under drift av denne enheten går kjølemediet i den interne kretsen gjennom følgende trinn:

• det avkjølte kjølemediet i flytende tilstand kommer inn i fordamperen gjennom kapillæråpningen. Under påvirkning av en rask reduksjon i trykk, fordamper kjølemediet og blir til en gassform. Når den beveger seg langs de buede rørene til fordamperen og kommer i kontakt under bevegelsen med en gassformig eller flytende varmebærer, mottar kjølemediet lav temperatur termisk energi fra den, hvoretter den kommer inn i kompressoren;
• i kompressorkammeret komprimeres kjølemediet, mens trykket øker kraftig, noe som forårsaker en økning i temperaturen på kjølemediet;
• Fra kompressoren følger det varme kjølemediet kretsen inn i kondensatoren, som fungerer som en varmeveksler – her avgir kjølemediet varme (ca. 80–130 ° C) til kjølevæsken som sirkulerer i husets varmekrets. Etter å ha mistet mesteparten av den termiske energien, går kjølemediet tilbake til flytende tilstand;
• når du passerer gjennom ekspansjonsventilen (kapillær) – den er plassert i den indre kretsen til varmepumpen, etter varmeveksleren – reduseres resttrykket i kjølemediet, hvoretter det kommer inn i fordamperen. Fra dette øyeblikket gjentas arbeidssyklusen igjen.

Arbeidsprinsipp for luftvarmepumpe

Dermed består den indre strukturen til en varmepumpe av en kapillær (ekspansjonsventil), en fordamper, en kompressor og en kondensator. Betjeningen av kompressoren styres av en elektronisk termostat, som kutter strømforsyningen til kompressoren og derved stopper prosessen med å generere varme når den innstilte lufttemperaturen i huset er nådd. Når temperaturen synker under et visst nivå, slår termostaten automatisk på kompressoren.

Freoner R-134a eller R-600a sirkulerer som et kjølemedium i den indre kretsen til varmepumpen – den første er basert på tetrafluoretan, den andre er basert på isobutan. Begge disse kjølemediene er trygge for jordas ozonlag og miljøvennlige. Kompresjonsvarmepumper kan drives av en elektrisk motor eller en forbrenningsmotor.

Sorption varmepumper bruker absorpsjon – en fysisk-kjemisk prosess der en gass eller væske øker i volum på grunn av en annen væske under påvirkning av temperatur og trykk.

Skjematisk diagram over en absorpsjonsvarmepumpe: 1 – oppvarmet vann; 2 – avkjølt vann; 3 – oppvarming av damp; 4 – oppvarmet vann; 5 – fordamper; 6 – generator; 7 – kondensator; 8 – ikke-kondensbare gasser; 9 – vakuumpumpe; 10 – oppvarming av dampkondensat; 11 – løsning varmeveksler; 12 – gassutskiller; 13 – absorber; 14 – mørtelpumpe; 15 – kjølevæskepumpe

Absorpsjonsvarmepumpene er utstyrt med en termisk naturgasskompressor. I deres krets er det et kjølemedium (vanligvis ammoniakk), som fordamper ved lav temperatur og trykk, mens de absorberer termisk energi fra omgivelsene som omgir sirkulasjonskretsen. I damptilstand går kjølemediet inn i varmeveksler-absorberen, hvor det i nærvær av et løsningsmiddel (vanligvis vann) absorberes og varme overføres til løsningsmidlet. Løsningsmiddel leveres av et termosyfon som sirkulerer gjennom trykkforskjellen mellom kjølemiddel og løsemiddel, eller en lavenergipumpe i høykapasitetsinstallasjoner.

Som et resultat av å kombinere kjølemediet og løsningsmidlet, hvilke kokepunkter er forskjellige, får varmen som tilføres av kjølemediet begge fordampet. Kuldemediet i damptilstand, med høy temperatur og trykk, kommer inn i kondensatoren gjennom kretsløpet, blir til en flytende tilstand og avgir varme til varmeveksleren i varmenettet. Etter å ha passert gjennom ekspansjonsventilen, går kjølemediet tilbake til sin opprinnelige termodynamiske tilstand, på samme måte som løsningsmidlet går tilbake til sin opprinnelige tilstand.

Fordelene med absorpsjonsvarmepumper er evnen til å operere fra enhver kilde av termisk energi og fullstendig fravær av bevegelige elementer, dvs. støyløshet. Ulemper – lavere effekt sammenlignet med komprimeringsenheter, høye kostnader på grunn av kompleksiteten i designen og behovet for å bruke korrosjonsbestandige materialer som er vanskelige å behandle.

Absorpsjon varmepumpeenhet

Adsorpsjonsvarmepumper bruker faste materialer som silikagel, aktivert karbon eller zeolit. I løpet av det første driftstrinnet, kalt desorpsjonsfasen, tilføres varmeenergi til varmevekslerkammeret, som er belagt fra innsiden med et sorbent, fra for eksempel en gassbrenner. Oppvarming forårsaker fordampning av kjølemediet (vann), den resulterende dampen blir levert til den andre varmeveksleren, som i den første fasen avgir varmen som oppnås under kondensasjonen av damp til varmesystemet. Fullstendig tørking av sorbenten og fullføring av vannkondens i den andre varmeveksleren fullfører det første trinnet i arbeidet – tilførselen av termisk energi til kammeret i den første varmeveksleren stopper. I det andre trinnet blir kondensvannets varmeveksler en fordamper, som leverer termisk energi til kjølemediet fra det ytre miljø. Som et resultat av at trykkforholdet når 0,6 kPa, ved kontakt med varme fra det ytre miljøet, fordamper kjølemediet – vanndamp kommer inn i den første varmeveksleren, hvor det adsorberes i sorbenten. Varmen som dampen avgir under adsorpsjonsprosessen overføres til varmesystemet, hvoretter syklusen gjentas. Det skal bemerkes at adsorpsjonsvarmepumper ikke egner seg til husbruk – de er kun beregnet på store bygninger (fra 400 m²), mindre kraftige modeller er fortsatt under utvikling.

Typer varmesamlere for varmepumper

Kilder til varmeenergi for varmepumper kan være forskjellige – geotermisk (lukket og åpen type), luft, ved bruk av sekundær varme. La oss vurdere hver av disse kildene mer detaljert..

Varmepumper fra grunnkilden bruker termisk energi fra grunnen eller grunnvannet og er delt inn i to typer – lukket og åpen. Lukkede varmekilder er delt inn i:

• Horisontalt, mens samleren som samler varme befinner seg i ringer eller sikksekker i skyttergraver med en dybde på 1,3 meter eller mer (under frysedybden). Denne metoden for å plassere varmekollektorkretsen er effektiv for et lite landområde.

Geotermisk oppvarming med horisontal varmeoppsamler

• Vertikal, dvs. varmesamlerens oppsamler plasseres i vertikale brønner nedsenket i bakken til en dybde på 200 m. Denne metoden for å plassere samleren brukes til i tilfeller der det ikke er mulig å legge konturen horisontalt eller det er en trussel om å forstyrre landskapet.

Geotermisk oppvarming med vertikal varmeoppsamler

• Vann, mens kretsens kollektor er plassert i en sikksakk eller ringformet måte i bunnen av reservoaret, under frysningsnivået. Sammenlignet med å bore brønner, er denne metoden den billigste, men avhenger av dybden og det totale volumet av vann i reservoaret, avhengig av regionen..

I varmepumper av åpen type brukes vann til varmeveksling, som etter å ha passert gjennom varmepumpen ledes ut i bakken. Det er mulig å bruke denne metoden bare hvis vannet er kjemisk rent og hvis bruk av grunnvann i denne rollen er tillatt fra lovens synspunkt..

Geotermisk oppvarming av åpen type

I henholdsvis luftkretser brukes luft som en kilde til termisk energi.

Oppvarming med luftkilde varmepumpe

Sekundære (deriverte) varmekilder brukes som regel hos bedrifter, hvis driftssyklus er assosiert med produksjon av tredjeparts (parasittisk) varmeenergi som krever ytterligere utnyttelse.

De første modellene av varmepumper var helt lik designen beskrevet ovenfor, oppfunnet av Robert Webber – kobberrør fra kretsen, som fungerte samtidig som utvendig og innvendig, med kjølemediet som sirkulerte i dem, ble nedsenket i bakken. Fordamperen i en slik utforming ble plassert under jorden på en dybde som overskrider frysedybden eller i vinklede eller vertikale brønner som er boret i en vinkel (diameter fra 40 til 60 mm) til en dybde på 15 til 30 m. Den direkte utvekslingskretsen (den fikk dette navnet) tillater at den kan plasseres på lite område, og når du bruker rør med liten diameter, må du gjøre uten en mellomliggende varmeveksler. Direkte utveksling krever ikke tvungen pumping av kjølevæsken, siden det ikke er behov for en sirkulasjonspumpe, da blir mindre strøm brukt. I tillegg kan en varmepumpe med en direkte utvekslingssløyfe brukes effektivt selv ved lave temperaturer – ethvert objekt avgir varme hvis temperaturen er over absolutt null (-273,15 ° C), og kjølemediet kan fordampe ved temperaturer ned til -40 ° C. Ulemper ved denne kretsen: store krav til kjølemedium; høye kostnader for kobberrør; pålitelig tilkobling av kobberseksjoner er bare mulig ved lodding, ellers kan lekkasje av kjølemedium ikke unngås; behovet for katodisk beskyttelse i sure jordarter.

Inntaket av varme fra luften er best egnet for varmt klima, siden ved temperaturer under null er effektiviteten alvorlig redusert, noe som vil kreve ytterligere varmekilder. Fordelen med luftvarmepumper er at det ikke er behov for kostbar boring av brønner, siden den eksterne kretsen med en fordamper og en vifte er lokalisert i et område ikke langt fra huset. For øvrig er ethvert monoblokk eller delt klimaanlegg en representant for en en-kretss luftvarmepumpe. Kostnaden for en luftvarmepumpe med en kapasitet på for eksempel 24 kW er omtrent 163 000 rubler.

Luftkilde varmepumpe

Termisk energi fra reservoaret trekkes ut ved å legge en krets laget av plastrør på bunnen av en elv eller innsjø. Legg dybde fra 2 meter, rørene presses til bunnen med en belastning med en hastighet på 5 kg per meter lengde. Cirka 30 W termisk energi blir trukket ut fra hver løpende meter i en slik krets, det vil si at en 10 kW varmepumpe trenger en krets med en total lengde på 300 m. Fordelene med en slik krets er relativt lave kostnader og enkel installasjon, ulempene – i alvorlige frost er det umulig å få termisk energi.

Legge varmepumpekretsen i et reservoar

For å hente ut varme fra bakken plasseres en PVC-rørsløyfe i en grop, gravd til en dybde som overstiger frysedybden med minst en halv meter. Avstanden mellom rørene skal være ca. 1,5 m, kjølevæsken som sirkulerer i dem er frostvæske (vanligvis vannlake). Den effektive driften av jordkonturen er direkte relatert til fuktighetsinnholdet i jorda på tidspunktet for dens plassering – hvis jorda er sand, det vil si ikke er i stand til å holde på vann, må konturens lengde omtrent dobles. En varmepumpe kan trekke ut gjennomsnittlig 30 til 60 W termisk energi fra en løpende meter av jordkonturen, avhengig av klimasone og jordtype. En 10 kW varmepumpe trenger en 400 meter krets lagt på en 400 m2 tomt². Kostnaden for en varmepumpe med en jordkrets er omtrent 500 000 rubler.

Legge den horisontale konturen i bakken

Gjenvinning av varme fra berget vil kreve enten legging av brønner med en diameter fra 168 til 324 mm til 100 meters dyp, eller flere brønner med lavere dybde. En kontur senkes ned i hver brønn, bestående av to plastrør koblet på det laveste punktet av et metall U-formet rør som fungerer som en vekt. Frostvæske sirkulerer gjennom rørene – bare en 30% løsning av etylalkohol, siden det i tilfelle av en lekkasje ikke vil skade miljøet. Brønnen med konturen installert i den vil etter hvert fylles med grunnvann, som vil tilføre varme til kjølevæsken. Hver meter av en slik brønn vil gi omtrent 50 W termisk energi, dvs. for en varmepumpe med en effekt på 10 kW, vil det være nødvendig å bore 170 m av en brønn. For å få mer varmeenergi er det ikke lønnsomt å bore en brønn dypere enn 200 m – det er bedre å lage flere mindre brønner i en avstand på 15–20 m mellom dem. Jo større borehullsdiameter, desto lavere skal den bores, samtidig som man oppnår et større inntak av termisk energi – omtrent 600 W per løpende meter.

Installasjon av en geotermisk sonde

Sammenlignet med konturene som er plassert i bakken eller et reservoar, tar konturen i brønnen et minimum av plass på stedet, og selve brønnen kan lages i alle typer jord, inkludert berg. Varmeoverføringen fra brønnkretsen vil være stabil når som helst på året og i all slags vær. Imidlertid vil tilbakebetalingen av en slik varmepumpe ta flere tiår, siden installasjonen vil koste huseieren mer enn en million rubler..

På slutten

Fordelen med varmepumper er deres høye effektivitet, siden disse enhetene bruker ikke mer enn 350 watt strøm i timen for å få en kilowatt varmeenergi i timen. Til sammenligning overstiger ikke effektiviteten til kraftverk som produserer strøm ved å brenne drivstoff 50%. Varmepumpesystemet fungerer i automatisk modus, driftskostnadene under bruk er ekstremt lave – bare strøm er nødvendig for å betjene kompressoren og pumpene. De overordnede dimensjonene til varmepumpeanlegget er tilnærmet lik dimensjonene til et kjøleskap til husholdningen, støynivået under drift sammenfaller også med den samme parameteren til en husholdnings-kjøleenhet.

Saltvann til vann varmepumpe

En varmepumpe kan brukes både til å skaffe varmeenergi og for å fjerne den – ved å slå driften av kretsene til avkjøling, mens den termiske energien fra huset til huset fjernes gjennom den eksterne kretsen i bakken, vannet eller luften.

Den eneste ulempen med et varmepumpebasert varmesystem er det høye kostnader. I Europa, så vel som i USA og Japan, er varmepumpeanlegg ganske vanlig – i Sverige er det mer enn en halv million, og i Japan og USA (spesielt i Oregon) – flere millioner. Populariteten til varmepumper i disse landene skyldes deres støtte fra regjeringsprogrammer i form av tilskudd og kompensasjon til huseiere som har installert slike installasjoner..

Det er ingen tvil om at varmepumper i løpet av en nær fremtid vil slutte å være noe utenlandske også i Russland, gitt den årlige prisøkningen på naturgass, som i dag er den eneste konkurrenten til varmepumper når det gjelder økonomiske kostnader for å generere varme..