Värmepump – för uppvärmning tar vi värme från planeten Jorden

I den här artikeln: Värmepumpens historia hur värmepumpen fungerar och fungerar; typer av värmepumpar; värmeenergi från luft, vatten och jord; i slutet – för- och nackdelar med värmepumpar.

Värmepump - för uppvärmning tar vi värme från planeten Jorden

För att besegra vinterkylan söker husägare efter energi och lämpliga värmepannor, avundsjuka på de lyckliga, vars hus är anslutna till kommunikation som levererar naturgas. Varje vinter bränns tusentals ton trä, kol, oljeprodukter i ugnarna, megawatt el förbrukas för astronomiska mängder som ökar varje år, och det verkar som om det helt enkelt inte finns någon annan väg ut. Samtidigt finns alltid en konstant källa för termisk energi nära våra hem, men det är ganska svårt för jordens befolkning att märka den i denna kapacitet. Men vad händer om vi använder världens planet för att värma hus? Och det finns en lämplig anordning för detta – en jordvärmepump.

Värmepumpens historia

Den teoretiska underbyggnaden av driften av sådana anordningar 1824 tillhandahölls av den franska fysikern Sadi Carnot, som publicerade sitt enda verk på ångmotorer, som beskrev den termodynamiska cykeln, som matematiskt och grafiskt bekräftades 10 år senare av fysikern Benoit Cliperon och kallades ”Carnot-cykeln”.

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

William Thomson, Baron KelvinWilliam Thomson, Baron Kelvin

Den industriella värmepumpsmodellen byggdes 1856 av den österrikiska gruvtekniker Peter von Rittinger, som använde denna anordning för att avdunka saltlösning och dränera saltmyror för att utvinna torrt salt.

Peter Ritter von Rittinger Peter Ritter von Rittinger

Värmepumpen är dock skyldig dess användning i uppvärmning av hus till den amerikanska uppfinnaren Robert Webber, som experimenterade med en frys i slutet av 40-talet av förra seklet. Robert märkte att röret som lämnade frysen var varmt och beslutade att använda detta värme för hushållsbehov genom att förlänga röret och leda det genom pannan med vatten. Uppfinnarens idé visade sig vara framgångsrik – från det ögonblicket hade hushåll ett överflöd av varmt vatten, medan en del av värmen tillbringades mållöst och lämnade atmosfären. Webber kunde inte acceptera detta och lade till en spole till utloppet från frysen, bredvid vilken han placerade en fläkt, vilket resulterade i en installation för luftuppvärmning av huset. Efter en tid insåg den uppfinningsrika amerikanen att det var möjligt att utvinna värme bokstavligen från marken under hans fötter och begravde ett system av kopparrör med freon som cirkulerade genom dem till ett visst djup. Gassen samlade värme i marken, levererade den till huset och gav bort den och återvände sedan tillbaka till den underjordiska värmefångaren. Värmepumpen skapad av Webber visade sig vara så effektiv att han helt överförde uppvärmningen av huset till denna installation och övergav traditionella värmeenheter och energikällor..

Värmepumpen, uppfunnet av Robert Webber, ansågs i många år snarare som en absurditet än en verkligt effektiv källa för termisk energi – oljeenergi var i överflöd, till ganska rimliga priser. Intresset för förnybara värmekällor växte i början av 70-talet, tack vare oljembargot 1973, varvid Golfländerna enhälligt vägrade att leverera olja till USA och Europa. Bristen på petroleumprodukter orsakade ett kraftigt hopp i energipriserna – ett brådskande behov av att komma ur situationen. Trots den senare upphävningen av embargot 1975 och restaureringen av oljeförsörjningen har europeiska och amerikanska tillverkare tagit grepp om utvecklingen av sina egna modeller av jordvärmepumpar, vars etablerade efterfrågan bara har ökat sedan dess..

Design och princip för drift av värmepumpen

När vi sjunker ner i jordskorpan, på vilken ytan vi lever och vars tjocklek på land är cirka 50–80 km, stiger dess temperatur – detta beror på närheten till det övre lagret av magma, vars temperatur är ungefär 1300 ° С. På ett djup på 3 meter eller mer är jordens temperatur när som helst på året positiv; med varje djupkilometer stiger den med i genomsnitt 3–10 ° C. Ökningen av markens temperatur 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 markdjup 8 ° C, och i delstaten Oregon (USA), på territoriet där en relativt hög endogen aktivitet noteras – 150 ° C per kilometer djup. För effektiv drift av värmepumpen behöver den externa kretsen, som tillför värme till den, inte begravas hundratals meter under jord – något medium med en temperatur på mer än 0 ° C kan vara en källa till värmeenergi..

Värmepumpen överför värmeenergi från luft, vatten eller jord, vilket ökar temperaturen under överföringen till den erforderliga temperaturen på grund av kylmediets kompression (komprimering). Det finns två huvudtyper av värmepumpar – kompression och sorption.

Gör-det-själv värmepump för uppvärmning i hemmet Den grundläggande strukturen för en kompressionsvärmepump: 1 – mark; 2 – saltlösning; 3 – cirkulationspump; 4 – förångare; 5 – kompressor; 6 – kondensator; 7 – värmesystem; 8 – köldmedium; 9 – choke

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

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

  • det kylda kylmediet i flytande tillstånd går in i förångaren genom kapilläröppningen. Under påverkan av en snabb minskning av trycket förångas kylmediet och förvandlas till ett gasformigt tillstånd. När man rör sig längs de böjda rören i förångaren och kommer i kontakt under rörelsen med en gasformig eller flytande värmebärare, får köldmediet låg temperatur från den termiska energin, varefter den kommer in i kompressorn;
  • i kompressorkammaren komprimeras kylmediet medan trycket ökar kraftigt, vilket orsakar en ökning av kylmedlets temperatur;
  • Från kompressorn följer det heta kylmediet kretsen in i kondensorspolen, som fungerar som en värmeväxlare – här avger köldmediet värme (cirka 80–130 ° C) till kylvätskan som cirkulerar i husets värmekrets. Efter att ha tappat det mesta av den termiska energin återgår köldmediet till ett flytande tillstånd;
  • när man passerar genom expansionsventilen (kapillär) – den är placerad i den inre kretsen för värmepumpen efter värmeväxlaren – minskar resttrycket i kylmediet, varefter det kommer in i förångaren. Från detta ögonblick upprepas arbetscykeln igen.

Luftvärmepumpenhet Arbetsprincip för luftvärmepump

Således består den inre strukturen hos en värmepump av en kapillär (expansionsventil), en förångare, en kompressor och en kondensor. Kompressorns drift styrs av en elektronisk termostat, som stänger av 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 kylmedium i den inre kretsen för värmepumpen – 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 fysisk-kemisk process under vilken en gas eller vätska ökar i volym på grund av en annan vätska under påverkan av temperatur och tryck.

Schematiskt diagram över en absorptionsvärmepump Schematiskt diagram över en absorptionsvärmepump: 1 – uppvärmt vatten; 2 – kylt vatten; 3 – uppvärmning av ånga; 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 – murbrukspump; 15 – kylvätskepump

Absorptionsvärmepumparna är utrustade med en termisk kompressor av naturgas. I deras krets finns ett köldmedium (vanligtvis ammoniak), som avdunstar vid låg temperatur och tryck, samtidigt som den absorberar värmeenergi från omgivningen som omger cirkulationskretsen. I ångtillståndet kommer köldmediet in i värmeväxlarabsorberaren, där det i närvaro av ett lösningsmedel (vanligtvis vatten) absorberas och värme överförs till lösningsmedlet. Lösningsmedel tillförs med hjälp av en termosyfon som cirkulerar genom tryckskillnaden mellan köldmedium och lösningsmedel, eller en lågenergipump i installationer med hög kapacitet.

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

Fördelarna med absorptionsvärmepumpar är förmågan att driva från vilken källa som helst av värmeenergi och fullständig frånvaro av rörliga element, dvs bruslöshet. Nackdelar – lägre effekt jämfört med kompressionsenheter, höga kostnader, på grund av komplexiteten i konstruktionen och behovet av att använda korrosionsbeständiga material som är svåra att bearbeta.

Absorptionsvärmepumpsenhet Absorptionsvärmepumpsenhet

Adsorptionsvärmepumpar använder fasta material såsom kiselgel, aktivt kol eller zeolit. Under det första driftssteget, kallad desorptionsfasen, tillförs värmeenergi till värmeväxlarkammaren, som täcks med sorbent från insidan, från exempelvis en gasbrännare. Uppvärmning orsakar förångning av köldmediet (vatten), den resulterande ångan tillförs den andra värmeväxlaren, som i den första fasen avger värmen som erhålls under kondensationen av ånga till värmesystemet. Fullständig torkning av sorbenten och slutförande av vattenkondensation i den andra värmeväxlaren slutför det första arbetssteget – tillförseln av termisk energi till kammaren i den första värmeväxlaren stannar. I det andra steget blir kondensvattenvärmeväxlaren en förångare, som levererar termisk energi till kylmediet från den yttre miljön. Som ett resultat av att tryckförhållandet når 0,6 kPa, vid kontakt med värme från den yttre miljön, förångas kylmediet – 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 m)2), mindre kraftfulla modeller är fortfarande under utveckling.

Typer av värmeavskiljare för värmepumpar

Källor till värmeenergi för värmepumpar kan vara olika – geotermisk (stängd och öppen typ), luft, med hjälp av sekundärvärme. Låt oss överväga var och en av dessa källor mer detaljerat..

Värmepumpar från markkällan förbrukar termisk energi från grunden eller grundvattnet och är indelade i två typer – stängda och öppna. Stängda värmekällor är indelade i:

  • Horisontellt, medan samlarens uppsamlingsvärme är belägen i ringar eller sicksackar i diken med ett djup av 1,3 meter eller mer (under frysdjupet). Denna metod för placering av värmekollektorkretsen är effektiv för ett litet landområde.

Geotermisk uppvärmning med horisontell värmekollektor Geotermisk uppvärmning med horisontell värmekollektor

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

Geotermisk uppvärmning med vertikal värmekollektor Geotermisk uppvärmning med vertikal värmekollektor

  • Vatten medan kretsens kollektor är belägen på en sicksack eller ringformigt i botten av behållaren, under dess frysningsnivå. Jämfört med borrbrunnar är denna metod den billigaste, men beror på djupet och den totala vattenvolymen i behållaren, beroende på regionen..

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

Geotermisk uppvärmning av öppen typ Geotermisk uppvärmning av öppen typ

I luftkretsar används luft som källa för termisk energi.

Värme med luftkällans värmepump Värme med luftkällans värmepump

Sekundära (derivat) värmekällor används som regel vid företag vars driftcykel är förknippad med produktion av tredjeparts (parasit) värmeenergi som kräver ytterligare utnyttjande.

De första modellerna av värmepumpar liknade fullständigt den ovan beskrivna konstruktionen, uppfunnet av Robert Webber – kopparrör i kretsen, som fungerade samtidigt som externa och inre, med kylmediet cirkulerande i dem, nedsänktes i marken. Förångaren i en sådan konstruktion placerades under jord på ett djup som överstiger frysdjupet eller i vinklade eller vertikala brunnar som borrats i en vinkel (diameter från 40 till 60 mm) till ett djup av 15 till 30 m. Direktbytarkretsen (den fick detta namn) tillåter att den placeras på litet område och när du använder rör med liten diameter, gör det utan mellanliggande värmeväxlare. Direktbyte kräver inte tvångspumpning av kylvätskan, eftersom det inte finns något behov av en cirkulationspump, då mindre energi används. Dessutom kan en värmepump med direktväxlingsslinga användas effektivt även vid låga temperaturer – varje objekt avger värme om dess temperatur är över absolut noll (-273,15 ° C), och kylmediet kan avdunsta vid temperaturer ner till -40 ° C. Nackdelar med denna krets: stora kylmedelsbehov; höga kostnader för kopparrör; tillförlitlig anslutning av kopparsektioner är endast möjlig genom lödning, annars kan kylmedelsläckage inte undvikas; behovet av katodiskt skydd i sura jordar.

Inloppet av värme från luften är bäst lämpat för heta klimat, eftersom vid temperaturer under noll kommer dess effektivitet allvarligt att minska, vilket kommer att kräva ytterligare värmekällor. Fördelen med luftvärmepumpar är att det inte finns något behov av dyra borrningar av brunnar, eftersom den externa kretsen med en förångare och en fläkt är belägen i ett område inte långt från huset. Företrädesvis är en representant för en en-kretsad luftvärmepump varje monoblock eller delat luftkonditioneringssystem. Kostnaden för en luftvärmepump med en kapacitet på till exempel 24 kW är cirka 163 000 rubel.

Luftkällans värmepump Luftkällans värmepump

Termisk energi från behållaren utvinns genom att lägga en krets av plaströr på botten av en flod eller sjö. Om du lägger djupet från 2 meter pressas rören till botten med en belastning med en hastighet av 5 kg per meter. Cirka 30 W värmeenergi utvinns från varje körmätare i en sådan krets, det vill säga 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, nackdelarna – i svåra frost är det omöjligt att få termisk energi.

Lägga värmepumpkretsen i en behållare Lägga värmepumpkretsen i en behållare

För att utvinna 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). Jordkonturens effektiva drift är direkt relaterad till markens fuktinnehåll vid dess placering – om jorden är sandig, det vill säga inte kan hålla vatten, måste konturens längd ungefär fördubblas. En värmepump kan utvinna i genomsnitt 30 till 60 W värmeenergi från en rinnande meter från jordkonturen, beroende på klimatzonen och jordtypen. En värmepump på 10 kW kommer att behöva en 400 meters krets som är placerad på en 400 m2 stor tomt2. Kostnaden för en värmepump med en jordkrets är cirka 500 000 rubel.

Läggning av en horisontell värmepumpskrets Lägga den horisontella konturen i marken

Återvinning 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 ned i varje brunn, som består av två plaströr anslutna vid den lägsta punkten av ett U-format metallrör som fungerar som en vikt. Frostskyddsmedel cirkulerar genom rören – endast en 30% lösning av etylalkohol, eftersom det vid 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 värmeenergi, 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 göra flera mindre brunnar på ett avstånd av 15–20 m mellan dem. Ju större borrhålsdiametern är, desto grundare måste den borras, samtidigt som ett större intag av värmeenergi uppnås – cirka 600 W per rinnande meter.

Geotermisk sond Installation av en geotermisk sond

Jämfört med konturerna i marken eller i en reservoar tar konturen i brunnen ett minimum av utrymme på platsen, och själva brunnen kan göras i alla typer av jord, inklusive berg. Värmeöverföringen från brunnskretsen kommer att vara stabil när som helst på året och i alla väder. Emellertid kommer återbetalningen av en sådan värmepump att ta 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 högst 350 watt el per timme för att erhålla en kilowatt värmeenergi per timme. Som jämförelse överskrider inte effektiviteten hos kraftverk som genererar el genom att bränna bränsle 50%. Värmepumpsystemet fungerar i automatiskt läge, driftskostnaderna under dess användning är extremt låga – endast elektricitet behövs för att driva kompressorn och pumparna. De övergripande måtten på värmepumpinstallationen är ungefär lika med måtten på ett hushållskylskåp, ljudnivån under drift sammanfaller också med samma parameter som en hushållskylenhet.

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

En värmepump kan användas både för att erhålla värmeenergi och för att ta bort den – genom att koppla kretsens drift till kylning, medan den termiska energin från husets lokaler kommer att tas bort genom den externa kretsen i marken, vatten eller luft.

Den enda nackdelen med ett värmepumpsbaserat värmesystem är dess höga kostnad. I Europa såväl som 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. Populariteten för värmepumpar 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 en snar framtid kommer att upphöra att vara något outlandiskt i Ryssland, med tanke på den årliga höjningen av priserna på naturgas, som idag är den enda konkurrenten för värmepumpar när det gäller finansiella kostnader för att generera värme.

Läs mer  Euroluce-2019: ett urval av de mest intressanta lamporna
Betygsätt den här artikeln
( Inga betyg än )
Lägg till kommentarer

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: