Топлотна пумпа – за грејање ми узимамо топлоту са планете Земље

Садржај препоруке

• Историја топлотних пумпи
• Дизајн и принцип рада топлотне пумпе
• Врсте колектора топлоте за топлотне пумпе
• На крају

У овом чланку: Историја топлотне пумпе како ради и ради топлотна пумпа; врсте топлотних пумпи; топлотна енергија из ваздуха, воде и земље; на крају – предности и недостаци топлотних пумпи.

У циљу победе над зимском хладноћом, власници кућа траже енергију и погодне котлове за грејање, завидљиви срећницима, чије су куће снабдевене комуникацијама које снабдевају природним гасом. Сваке зиме хиљаде тона дрва, угља, нафтних деривата сагоревају се у пећи, мегавати електричне енергије троше се за астрономске количине које се сваке године повећавају, а чини се да једноставно нема другог излаза. У међувремену, један константан извор топлотне енергије увек се налази у близини наших домова, међутим, становништво Земље је прилично тешко да га примети у овом својству. Али шта ако топлину наше планете користимо за грејање кућа? А за то постоји погодан уређај – топлотна пумпа са изворима земље.

Историја топлотних пумпи

Теоријско утемељење рада таквих уређаја 1824. године дао је француски физичар Сади Царнот, који је објавио свој једини рад на парним моторима, који је описао термодинамички циклус, који је математички и графички потврдио 10 година касније физичар Беноит Цлиперон и назвао „Царнотов циклус“.

Први лабораторијски модел топлотне пумпе створио је енглески физичар Виллиам Тхомсон, Лорд Келвин 1852. године, током својих експеримената у термодинамици. Узгред, топлотна пумпа је добила име по лорду Келвину..

Виллиам Тхомсон, Барон Келвин

Модел индустријске топлотне пумпе изграђен је 1856. аустријски рударски инжењер Петер вон Риттингер, који је овај уређај користио за испаравање слане воде и испуштање сланих мочвара за вађење суве соли.

Петер Риттер вон Риттингер

Међутим, топлотна пумпа своју употребу у грејању кућа дугује америчком проналазачу Роберту Веберу, који је експериментирао са замрзивачем крајем 40-их година прошлог века. Роберт је приметио да је цев која излази из замрзивача врућа и одлучио је да искористи ову топлоту за кућне потребе тако што ће цев продужити и проћи кроз бојлер са водом. Идеја проналазача показала се успешном – од тог тренутка домаћинства су имала обилну топлу воду, док је део топлоте беспотребно трошио, напуштајући атмосферу. Веббер то није могао прихватити и додао је завојницу на излаз из замрзивача, поред којег је ставио вентилатор, што је резултирало инсталацијом за гријање куће на ваздуху. Након неког времена, инвентивни Американац је схватио да је могуће извући топлоту буквално из земље под ногама и закопао систем бакарних цеви са фреоном који циркулише кроз њих до одређене дубине. Плин је скупљао топлоту у земљи, достављао је кући и одавао је, а затим се вратио у подземни колектор топлоте. Топлотна пумпа коју је створио Веббер показала се толико ефикасном да је у потпуности пренео грејање куће у ову инсталацију, одустајући од традиционалних грејних уређаја и извора енергије..

Топлотна пумпа, коју је измислио Роберт Веббер, дуги низ година се сматрала више апсурдом него истински ефикасним извором топлотне енергије – енергије у уљу било је у изобиљу, по сасвим повољним ценама. Интересовање за обновљиве изворе топлоте порасло је раних 70-их захваљујући нафтном ембаргу из 1973. године, током којег су заливске земље једногласно одбијале испоруку нафте Сједињеним Државама и Европи. Мањак нафтних деривата изазвао је нагли скок цена енергије – хитна потреба да се изађе из те ситуације. Упркос накнадном укидању ембарга 1975. године и обнављању залиха нафте, европски и амерички произвођачи су се сукобили са развојем сопствених модела топлотних пумпи из приземља, чија је потражња од тада све већа..

Дизајн и принцип рада топлотне пумпе

Како се урањамо у земљину коре, на површини у којој живимо и чија дебљина на копну износи око 50–80 км, његова температура расте – то је због близине горњег слоја магме, чија је температура приближно 1300 ° Ц. На дубини од 3 метра или више, температура тла је позитивна у свако доба године, а са сваким километром дубине расте у просјеку за 3–10 ° Ц. Пораст температуре тла са његовом дубином зависи не само од климатске зоне, већ и од геологије тла, као и од ендогене активности у одређеном подручју Земље. На пример, у јужном делу афричког континента пораст температуре по километру дубине тла је 8 ° Ц, а у држави Орегон (САД), на чијој се територији примећује прилично висока ендогена активност – 150 ° Ц на сваки километар дубине. Међутим, за ефикасан рад топлотне пумпе, спољни круг који снабдева топлотном енергијом није потребно закопати стотине метара под земљом – било који медијум са температуром већом од 0 ° Ц може бити извор топлотне енергије..

Топлотна пумпа преноси топлотну енергију из ваздуха, воде или тла, повећавајући температуру током преноса на потребну температуру услед компресије (компресије) расхладног средства. Постоје две главне врсте топлотних пумпи – компресије и сорпције.

Основна структура компресионе топлотне пумпе: 1 – земља; 2 – циркулација раствора; 3 – циркулациона пумпа; 4 – испаривач; 5 – компресор; 6 – кондензатор; 7 – систем грејања; 8 – расхладно средство; 9 – пригушница

Упркос збуњујућем називу, компресионе топлотне пумпе нису грејни уређаји, већ расхладни уређаји, јер раде на истом принципу као и сваки фрижидер или клима уређај. Разлика између топлотне пумпе и нама добро познатих расхладних јединица је у томе што су по правилу потребна два круга за њен рад – унутрашњи, у коме циркулише расхладно средство, и спољњи, са циркулацијом расхладне течности..

Током рада овог уређаја, расхладно средство у унутрашњем кругу пролази кроз следеће фазе:

• охлађени расхладни флуид у течном стању улази у испаривач кроз отвор капиларе. Под утицајем брзог пада притиска, расхладно средство испарава и претвара се у гасовито стање. Крећући се по закривљеним цевима испаривача и додирујући се током кретања са гасовитим или течним носачем топлоте, расхладно средство прима из њега топлотну енергију ниске температуре, након чега улази у компресор;
• у комори компресора, расхладно средство се компримира, док се његов притисак нагло повећава, што изазива пораст температуре расхладног средства;
• Из компресора вруће расхладно средство прати круг у завојницу кондензатора, који делује као измјењивач топлоте – овдје расхладно средство одаје топлину (око 80-130 ° Ц) расхладном течности која циркулише у кругу гријања куће. Изгубивши већину топлотне енергије, расхладно средство се враћа у течно стање;
• при проласку кроз експанзијски вентил (капиларни) – налази се у унутрашњем кругу топлотне пумпе, пратећи измењивач топлоте – заостали притисак у расхладном средству смањује се, након чега улази у испаривач. Од овог тренутка радни циклус се понавља.

Принцип рада ваздушне топлотне пумпе

Стога се унутрашња структура топлотне пумпе састоји од капиларе (експанзијског вентила), испаривача, компресора и кондензатора. Рад компресора контролише електронски термостат који прекида напајање компресором и на тај начин зауставља процес производње топлоте када се достигне задата температура ваздуха у кући. Када температура падне испод одређеног нивоа, термостат аутоматски укључује компресор.

Фреони Р-134а или Р-600а циркулишу као расхладно средство у унутрашњем кругу топлотне пумпе – први се заснива на тетрафлуороетану, други на бази изобутана. Оба ова расхладна средства су сигурна за озонски омотач Земље и еколошка су. Компресионе топлотне пумпе могу се покретати електричним мотором или мотором са унутрашњим сагоревањем.

Сорпционе топлотне пумпе користе апсорпцију – физикохемијски процес током кога се гас или течност повећавају у волумену услед друге течности под утицајем температуре и притиска.

Схематски дијаграм апсорпционе топлотне пумпе: 1 – загрејана вода; 2 – охлађена вода; 3 – грејна пара; 4 – грејна вода; 5 – испаривач; 6 – генератор; 7 – кондензатор; 8 – гасови који се не могу кондензовати; 9 – вакуум пумпа; 10 – грејање парним кондензатом; 11 – измењивач топлоте раствора; 12 – сепаратор гаса; 13 – апсорбер; 14 – малтер пумпа; 15 – пумпа расхладне течности

Апсорпционе топлотне пумпе су опремљене термичким компресором за природни гас. У њиховом кругу се налази расхладно средство (обично амонијак), које испарава при ниској температури и притиску, истовремено апсорбујући топлотну енергију из окружења које окружује циркулациони круг. У стању испаравања, расхладно средство улази у апсорбер измењивача топлоте, где се у присуству растварача (обично воде) апсорбује и топлота преноси у растварач. Отапало се испоручује помоћу термосфона који циркулише кроз разлику притиска између расхладног средства и растварача, или пумпе ниске енергије у инсталацијама великог капацитета.

Као резултат комбиновања расхладног средства и растварача, које су тачке кључања различите, топлота коју расхладно средство пружа, обоје испарава. Расхладно средство у стању паре, које има високу температуру и притисак, улази у кондензатор дуж круга, претвара се у течно стање и одаје топлоту измењивачу топлоте грејне мреже. Након проласка кроз експанзијски вентил, расхладно средство се враћа у првобитно термодинамичко стање, а растварач се враћа на првобитно стање на исти начин.

Предности апсорпционих топлотних пумпи су могућност рада из било којег извора топлотне енергије и потпуно одсуство покретних елемената, тј. Без буке. Недостаци – мања снага у поређењу са јединицама за компресију, велика цена, због сложености дизајна и потребе за коришћењем материјала отпорних на корозију које је тешко обрадити..

Јединица топлотне пумпе за апсорпцију

Адсорпционе топлотне пумпе користе чврсте материјале попут силика гела, активног угља или зеолита. Током првог радног корака, који се назива фаза десорпције, топлотна енергија се доводи у комору за размењивање топлоте, која је изнутра прекривена сорбентом, на пример, гасним гориоником. Гријање узрокује испаравање расхладног средства (воде), резултирајућа пара се доводи у други измјењивач топлине, који у првој фази испушта топлину добијену током кондензације паре у сустав гријања. Потпуно сушење сорбента и кондензација воде у другом измјењивачу топлоте завршава прву фазу рада – испорука топлотне енергије у комору првог измјењивача топлине се зауставља. У другој фази, кондензовани измењивач топлоте воде постаје испаривач, испоручујући топлотну енергију из спољне средине расхладном средству. Као резултат односа притиска који достиже 0,6 кПа, приликом додира топлоте са спољашње средине, расхладно средство испарава – водена пара се враћа у први измењивач топлоте, где се адсорбује у сорбент. Топлина коју пара испушта током процеса адсорпције преноси се у систем грејања, након чега се циклус понавља. Треба напоменути да адсорпционе топлотне пумпе нису погодне за употребу у домаћинству – намењене су само великим зградама (од 400 м²), мање моћни модели су још увек у фази развоја.

Врсте колектора топлоте за топлотне пумпе

Извори топлотне енергије за топлотне пумпе могу бити различити – геотермални (затворени и отворени), ваздушни, користећи секундарну топлоту. Размотримо сваки од ових извора детаљније..

Топлотне пумпе подземног извора троше топлотну енергију из земље или подземне воде и деле се на две врсте – затворене и отворене. Затворени извори топлоте деле се на:

• Водоравни, док се сакупљач топлоте налази у прстеновима или цик-цаковима у рововима дубине од 1,3 метра или више (испод дубине смрзавања). Ова метода постављања круга колектора топлоте је ефикасна за малу површину.

Геотермално грејање са хоризонталним колектором топлоте

• Вертикални, тј. Колектор колектора топлоте поставља се у вертикалне бушотине потопљене у земљу до дубине од 200 м. Овом методом постављања колектора посежу се у случајевима када није могуће положити контуру водоравно или постоји опасност од нарушавања пејзажа.

Геотермално грејање са вертикалним сакупљачем топлоте

• Вода, док се колектор круга налази цик-цак или прстенасто на дну резервоара, испод нивоа његовог смрзавања. У поређењу са бушотинама, ова метода је најјефтинија, али зависи од дубине и укупне запремине воде у резервоару, зависно од региона..

У топлотним пумпама отвореног типа вода се користи за размену топлоте која се, након проласка кроз топлотну пумпу, испушта назад у земљу. Ову методу је могуће користити само ако је вода хемијски чиста и ако је употреба подземних вода у овој улози прихватљива са становишта закона.

Геотермално грејање отвореног типа

У ваздушним круговима, ваздух се користи као извор топлотне енергије.

Грејање ваздушном топлотном пумпом

Секундарни (деривативи) извори топлине се по правилу користе у предузећима, чији је радни циклус повезан са производњом треће (паразитске) топлотне енергије која захтева додатно коришћење.

Први модели топлотних пумпи били су потпуно слични горе описаном дизајну, који је изумио Роберт Веббер – бакарне цеви у кругу, које делују истовремено као спољне и унутрашње, са расхладним средством које циркулише у њима, уроњене су у земљу. Испаривач у таквом дизајну постављен је под земљу на дубини која прелази дубину смрзавања или у кутним или вертикалним бушотинама избушеним под углом (пречника 40 до 60 мм) до дубине од 15 до 30 м. Директни круг за размену (добио је ово име) омогућава му мале површине и када користите цеви малог пречника, немојте да користите без међуизмењивача топлоте. Директна размена не захтева присилно испумпавање расхладне течности, јер не постоји потреба за циркулацијском пумпом, тада се троши мање електричне енергије. Поред тога, топлотна пумпа са директном петљом за измену може се ефикасно користити чак и на ниским температурама – било који предмет емитује топлоту ако је његова температура изнад апсолутне нуле (-273,15 ° Ц), а расхладно средство може испаравати на температурама до -40 ° Ц. Недостаци таквог круга: велики захтеви за расхладним средством; високе цијене бакарних цијеви; поуздано повезивање бакарних секција је могуће само лемљењем, јер се у противном не може избећи цурење расхладног средства; потреба за катодном заштитом у киселим тлима.

Извлачење топлоте из ваздуха је најприкладније за топлу климу, јер ће се при нижим температурама његова ефикасност озбиљно смањити, што ће захтевати додатне изворе грејања. Предност ваздушних топлотних пумпи је што нема потребе за скупим бушењем бушотина, јер се спољни круг са испаривачем и вентилатором налази у близини недалеко од куће. Успут, било који моноблок или сплит систем климатизације представља јединствену топлотну пумпу са једним кругом. Цена ваздушне топлотне пумпе капацитета, на пример, 24 кВ износи око 163 000 рубаља.

Топлотна пумпа извора ваздуха

Топлотна енергија из резервоара се црпи постављањем круга од пластичних цеви на дну реке или језера. Дубина полагања од 2 метра цеви се притисне на дно са оптерећењем брзином од 5 кг по метру дужине. Отприлике 30 В топлотне енергије извлачи се из сваког текућег метра таквог круга, тј. За топлотну пумпу од 10 кВ биће потребан круг укупне дужине 300 м. Предности таквог круга су релативно ниски трошкови и једноставност уградње, недостаци – у јаким мразима немогуће је добити топлотну енергију.

Постављање круга топлотне пумпе у резервоар

Да би се топлота извадила из земље, петља од ПВЦ цеви се поставља у јаму, ископану до дубине која прелази дубину смрзавања за најмање пола метра. Размак између цеви треба да буде око 1,5 м, расхладна течност која циркулише у њима је антифриз (обично водени слани раствор). Ефикасан рад контуре тла директно је повезан са садржајем влаге у земљи на месту његовог постављања – ако је тло песковито, односно није способно да задржи воду, тада дужина контуре мора бити приближно удвостручена. Топлотна пумпа може да извади у просеку 30 до 60 В топлотне енергије из метра контуре тла, у зависности од климатске зоне и врсте тла. За топлотну пумпу од 10 кВ требат ће круг од 400 метара постављен на парцели површине 400 м2². Цена топлотне пумпе са кругом тла износи око 500 000 рубаља.

Полагање хоризонталне контуре у земљу

За враћање топлоте из стене биће потребно или полагање бунара пречника од 168 до 324 мм до дубине од 100 метара, или извршавање неколико бушотина мање плитке. У сваки бунар је спуштена контура која се састоји од две пластичне цеви повезане у најнижој тачки металном цевима у облику слова У која делује као тежина. Антифриз циркулише кроз цеви – само 30% раствора етилног алкохола, јер у случају пропуштања неће наштетити животној средини. Бунар са контурама уграђеном у њега на крају ће се напунити подземном водом која ће топлотном материјалом доводити топлину. Сваки метар таквог бунара даће око 50 В топлотне енергије, тј. За топлотну пумпу од 10 кВ биће потребно бушити 170 м бушотине. Да бисте добили више топлотне енергије, није исплативо бушити бушотине дубље од 200 м – боље је направити неколико мањих бушотина на удаљености од 15–20 м између њих. Што је већи пречник бушотине, то је потребно плиће бушење, а истовремено се постиже већи унос топлотне енергије – око 600 В по метру.

Инсталација геотермалне сонде

У поређењу са контурама које се налазе у земљи или резервоару, контура у бунару заузима најмање простора на локацији, сам бунар може да се направи у било којој врсти тла, укључујући стену. Пренос топлоте из круга бушотине биће стабилан у било које доба године и у било које време. Међутим, повраћај такве топлотне пумпе трајаће неколико деценија, јер ће њена инсталација коштати власника куће више од милион рубаља..

На крају

Предност топлотних пумпи је њихова висока ефикасност, јер ове јединице троше не више од 350 вати електричне енергије на сат да би се добио један киловат топлотне енергије на сат. За поређење, ефикасност електрана које производе електричну енергију сагоревањем горива не прелази 50%. Систем топлотних пумпи ради у аутоматском режиму, радни трошкови током његове употребе су изузетно ниски – потребна је само струја за рад компресора и пумпи. Укупне димензије јединице топлотне пумпе су приближно једнаке димензијама кућног фрижидера, а ниво буке током рада такође се подудара са истим параметром расхладне јединице у домаћинству..

Топлотна пумпа „слана вода“

Топлотна пумпа се може користити и за добијање топлотне енергије и за уклањање – пребацивањем рада кругова на хлађење, док ће се топлотна енергија из просторија куће уклањати спољним кругом у земљу, воду или ваздух.

Једини недостатак система грејања на бази топлотних пумпи су његове велике цене. У Европи, као иу САД-у и Јапану, инсталације топлотних пумпи су прилично честе – у Шведској их има више од пола милиона, а у Јапану и САД-у (посебно у Орегону) неколико милиона. Популарност топлотних пумпи у овим земљама настаје захваљујући њиховој подршци владиних програма у виду субвенција и накнада власницима кућа који су поставили такве инсталације..

Нема сумње да ће у блиској будућности топлотне пумпе престати да буду нешто страно и у Русији, с обзиром на годишње повећање цена природног гаса, који је данас једини конкурент топлотним пумпама у погледу финансијских трошкова за добијање топлотне енергије..