Tepelné čerpadlo - Pro Vytápění Odebíráme Teplo Z Planety Země

Obsah:

Tepelné čerpadlo - Pro Vytápění Odebíráme Teplo Z Planety Země
Tepelné čerpadlo - Pro Vytápění Odebíráme Teplo Z Planety Země

Video: Tepelné čerpadlo - Pro Vytápění Odebíráme Teplo Z Planety Země

Video: Tepelné čerpadlo - Pro Vytápění Odebíráme Teplo Z Planety Země
Video: Můžete porovnat vytápění plynem a tepelným čerpadlem ? 2024, Březen
Anonim
  • Historie tepelného čerpadla
  • Konstrukce a princip činnosti tepelného čerpadla
  • Typy kolektorů tepla pro tepelná čerpadla
  • Na konci
Tepelné čerpadlo - pro vytápění odebíráme teplo z planety Země
Tepelné čerpadlo - pro vytápění odebíráme teplo z planety Země

S cílem porazit zimní zimu hledají majitelé domů energii a vhodné topné kotle, závidí těm šťastlivcům, jejichž domy jsou zásobovány komunikacemi dodávajícími zemní plyn. Každou zimu se v kamnech spalují tisíce tun dřeva, uhlí, ropných produktů, megawatty elektřiny se spotřebují na astronomická množství, která se každý rok zvyšují, a zdá se, že prostě neexistuje jiné východisko. Mezitím se jeden stálý zdroj tepelné energie vždy nachází v blízkosti našich domovů, je však pro obyvatelstvo Země v této kapacitě dost těžké si toho všimnout. Co když použijeme teplo naší planety k vytápění domů? A k tomu existuje vhodné zařízení - geotermální tepelné čerpadlo.

Historie tepelného čerpadla

Teoretické zdůvodnění fungování těchto zařízení v roce 1824 poskytl francouzský fyzik Sadi Carnot, který publikoval svou jedinou práci o parních strojích, která popsala termodynamický cyklus, který matematicky a graficky potvrdil o 10 let později fyzik Benoit Cliperon a nazval jej „Carnotovým cyklem“.

První laboratorní model tepelného čerpadla vytvořil anglický fyzik William Thomson, lord Kelvin v roce 1852, během svých experimentů s termodynamikou. Mimochodem, tepelné čerpadlo dostalo své jméno od lorda Kelvina.

William Thomson, baron Kelvin
William Thomson, baron Kelvin

William Thomson, baron Kelvin

Model průmyslového tepelného čerpadla postavil v roce 1856 rakouský důlní inženýr Peter von Rittinger, který pomocí tohoto zařízení odpařoval solanku a odvodňoval močály k těžbě suché soli.

Peter Ritter von Rittinger
Peter Ritter von Rittinger

Peter Ritter von Rittinger

Tepelné čerpadlo však vděčí za své použití při vytápění domů americkému vynálezci Robertu Webberovi, který na konci 40. let minulého století experimentoval s mrazákem. Robert si všiml, že potrubí opouštějící mrazák je horké, a rozhodl se toto teplo využít pro domácí potřeby prodloužením potrubí a jeho průchodem přes kotel vodou. Myšlenka vynálezce se ukázala jako úspěšná - od té chvíle měly domácnosti dostatek horké vody, zatímco část tepla byla utracena bezcílně a opouštěla atmosféru. Webber to nemohl přijmout a přidal do vývodu z mrazáku cívku, vedle které umístil ventilátor, což vedlo k instalaci pro ohřev vzduchu v domě. Vynalézavý Američan na to po chvíli přišelže je možné získat teplo doslova ze země pod jeho nohama a pohřbít v určité hloubce soustavu měděných trubek s cirkulujícími freony. Plyn shromažďoval teplo v zemi, dodával ho do domu a rozdával ho a poté se vrátil zpět do podzemního kolektoru tepla. Ukázalo se, že tepelné čerpadlo, které vytvořil Webber, bylo tak účinné, že úplně přenesl vytápění domu do této instalace a upustil od tradičních topných zařízení a nosičů energie.

Tepelné čerpadlo, které vynalezl Robert Webber, bylo po mnoho let považováno spíše za absurditu než za skutečně účinný zdroj tepelné energie - energie nafty byla v hojnosti za docela rozumné ceny. Zájem o obnovitelné zdroje tepla vzrostl na začátku 70. let díky ropnému embargu z roku 1973, během něhož země Perského zálivu jednomyslně odmítly dodávat ropu do USA a Evropy. Nedostatek ropných produktů způsobil prudký skok v cenách energií - je naléhavě nutné se ze situace dostat. Navzdory následnému zrušení embarga v roce 1975 a obnovení dodávek ropy se evropští a američtí výrobci vyrovnali s vývojem vlastních modelů geotermálních tepelných čerpadel, jejichž zavedená poptávka od té doby pouze roste.

Konstrukce a princip činnosti tepelného čerpadla

Když se ponoříme do zemské kůry, na jejímž povrchu žijeme a jehož tloušťka na zemi je asi 50–80 km, její teplota stoupá - je to způsobeno blízkostí horní vrstvy magmatu, jehož teplota je přibližně 1300 ° C. V hloubce 3 metry a více je teplota půdy v každém ročním období pozitivní, s každým kilometrem hloubky stoupá v průměru o 3–10 ° C. Zvýšení teploty půdy s její hloubkou závisí nejen na klimatickém pásmu, ale také na geologii půdy, jakož i na endogenní aktivitě v dané oblasti Země. Například v jižní části afrického kontinentu je nárůst teploty na kilometr hloubky půdy 8 ° С a ve státě Oregon (USA), na jehož území je zaznamenána poměrně vysoká endogenní aktivita - 150 ° С na kilometr hloubky. Pro efektivní provoz tepelného čerpadla však nemusí být vnější okruh dodávající teplo zakopáván stovky metrů pod zemí - zdrojem tepelné energie může být jakékoli médium s teplotou nad 0 ° C.

Tepelné čerpadlo přenáší tepelnou energii ze vzduchu, vody nebo půdy a zvyšuje teplotu během přenosu na požadovanou teplotu v důsledku stlačení (stlačení) chladiva. Existují dva hlavní typy tepelných čerpadel - kompresní a sorpční.

Kutilské tepelné čerpadlo pro vytápění domů
Kutilské tepelné čerpadlo pro vytápění domů

Základní struktura kompresního tepelného čerpadla: 1 - zem; 2 - cirkulace solanky; 3 - oběhové čerpadlo; 4 - výparník; 5 - kompresor; 6 - kondenzátor; 7 - topný systém; 8 - chladivo; 9 - sytič

Navzdory matoucímu názvu nejsou kompresní tepelná čerpadla topnými zařízeními, ale chladicími zařízeními, protože fungují na stejném principu jako každá chladnička nebo klimatizace. Rozdíl mezi tepelným čerpadlem a chladicími jednotkami, který je nám dobře známý, spočívá v tom, že pro jeho provoz jsou zpravidla zapotřebí dva okruhy - vnitřní, ve kterém cirkuluje chladivo, a vnější, s cirkulací chladicí kapaliny.

Během provozu tohoto zařízení prochází chladivo ve vnitřním okruhu následujícími fázemi:

  • ochlazené chladivo v kapalném stavu vstupuje do výparníku kapilárním otvorem. Pod vlivem rychlého poklesu tlaku se chladivo odpaří a změní se na plynný stav. Po pohybu podél zakřivených trubek výparníku a kontaktování během pohybu s plynným nebo kapalným nosičem tepla chladivo z něj přijímá nízkoteplotní tepelnou energii, po které vstupuje do kompresoru;
  • v kompresorové komoře je chladivo stlačeno, zatímco jeho tlak prudce stoupá, což způsobuje zvýšení teploty chladiva;
  • z kompresoru sleduje horké chladivo okruh do kondenzátoru, který funguje jako výměník tepla - zde chladivo vydává teplo (asi 80–130 ° C) chladicí kapalině cirkulující ve topném okruhu domu. Po ztrátě většiny tepelné energie se chladivo vrací do kapalného stavu;
  • při průchodu expanzním ventilem (kapilárním) - je umístěn ve vnitřním okruhu tepelného čerpadla za tepelným výměníkem - zbytkový tlak v chladivu klesá, poté vstupuje do výparníku. Od tohoto okamžiku se pracovní cyklus znovu opakuje.
Zařízení vzduchového tepelného čerpadla
Zařízení vzduchového tepelného čerpadla

Princip fungování tepelného čerpadla se vzduchovým zdrojem

Vnitřní struktura tepelného čerpadla se tedy skládá z kapiláry (expanzní ventil), výparníku, kompresoru a kondenzátoru. Provoz kompresoru je řízen elektronickým termostatem, který odpojí napájení kompresoru a zastaví tak proces generování tepla při dosažení nastavené teploty vzduchu v domě. Když teplota klesne pod určitou úroveň, termostat automaticky zapne kompresor.

Freony R-134a nebo R-600a cirkulují jako chladivo ve vnitřním okruhu tepelného čerpadla - první je na bázi tetrafluorethanu, druhý na isobutanu. Obě tato chladiva jsou bezpečná pro ozonovou vrstvu Země a šetrná k životnímu prostředí. Kompresní tepelná čerpadla mohou být poháněna elektromotorem nebo spalovacím motorem.

Sorpční tepelná čerpadla využívají absorpci - fyzikálně-chemický proces, během kterého plyn nebo kapalina zvětšuje objem v důsledku jiné kapaliny pod vlivem teploty a tlaku.

Schéma absorpčního tepelného čerpadla
Schéma absorpčního tepelného čerpadla

Schéma absorpčního tepelného čerpadla: 1 - ohřátá voda; 2 - chlazená voda; 3 - topná pára; 4 - ohřátá voda; 5 - výparník; 6 - generátor; 7 - kondenzátor; 8 - nekondenzovatelné plyny; 9 - vakuové čerpadlo; 10 - kondenzát topné páry; 11 - výměník tepla řešení; 12 - odlučovač plynu; 13 - absorbér; 14 - maltové čerpadlo; 15 - čerpadlo chladicí kapaliny

Absorpční tepelná čerpadla jsou vybavena tepelným kompresorem na zemní plyn. V jejich okruhu je chladivo (obvykle čpavek), které se odpařuje při nízké teplotě a tlaku a absorbuje tepelnou energii z prostředí obklopujícího cirkulační okruh. V parním stavu vstupuje chladivo do absorbéru tepelného výměníku, kde je v přítomnosti rozpouštědla (obvykle vody) absorbováno a teplo je předáváno do rozpouštědla. Rozpouštědlo je dodáváno s termosyfonem, který cirkuluje tlakovým rozdílem mezi chladivem a rozpouštědlem, nebo nízkoenergetickým čerpadlem ve vysokokapacitních zařízeních.

V důsledku kombinace chladiva a rozpouštědla, které mají různé teploty varu, způsobí teplo dodávané chladivem odpařování obou. Chladivo v parním stavu, které má vysokou teplotu a tlak, vstupuje okruhem do kondenzátoru, mění se v kapalném stavu a vydává teplo tepelnému výměníku topné sítě. Po průchodu expanzním ventilem se chladivo vrátí do původního termodynamického stavu a rozpouštědlo se vrátí do původního stavu stejným způsobem.

Výhodami absorpčních tepelných čerpadel je schopnost pracovat z jakéhokoli zdroje tepelné energie a úplná absence pohyblivých prvků, tj. Bezhlučnost. Nevýhody - méně energie ve srovnání s kompresními jednotkami, vysoké náklady, kvůli složitosti konstrukce a nutnosti použití korozivzdorných materiálů, které se obtížně zpracovávají.

Absorpční jednotka tepelného čerpadla
Absorpční jednotka tepelného čerpadla

Absorpční jednotka tepelného čerpadla

Adsorpční tepelná čerpadla používají pevné materiály, jako je silikagel, aktivní uhlí nebo zeolit. Během prvního pracovního kroku, který se nazývá desorpční fáze, se tepelná energie dodává do komory výměníku tepla, která je zevnitř pokryta sorbentem, například z plynového hořáku. Zahřívání způsobuje odpařování chladiva (vody), výsledná pára se dodává do druhého tepelného výměníku, který v první fázi vydává teplo získané během kondenzace páry do topného systému. Úplné vysušení sorbentu a dokončení kondenzace vody ve druhém tepelném výměníku završuje první fázi práce - přívod tepelné energie do komory prvního tepelného výměníku se zastaví. Ve druhém stupni se z tepelného výměníku zkondenzované vody stává výparník dodávající tepelnou energii do chladiva z vnějšího prostředí. V důsledku toho, že tlakový poměr dosáhl 0,6 kPa,při kontaktu tepla z vnějšího prostředí se chladivo odpaří - vodní pára vstupuje do prvního tepelného výměníku, kde je adsorbována do sorbentu. Teplo, které pára vydává během adsorpčního procesu, se přenáší do topného systému a poté se cyklus opakuje. Je třeba poznamenat, že adsorpční tepelná čerpadla nejsou vhodná pro domácí použití - jsou určena pouze pro velké budovy (od 400 m2), méně výkonné modely jsou stále ve vývoji.

Typy kolektorů tepla pro tepelná čerpadla

Zdroje tepelné energie pro tepelná čerpadla mohou být různé - geotermální (uzavřený a otevřený typ), vzduch, využívající sekundární teplo. Zvažme každý z těchto zdrojů podrobněji.

Zemní tepelná čerpadla spotřebovávají tepelnou energii ze země nebo podzemní vody a jsou rozdělena do dvou typů - uzavřené a otevřené. Uzavřené zdroje tepla se dále dělí na:

Horizontální, zatímco kolektor shromažďující teplo je umístěn v prstencích nebo cikcacích v zákopech s hloubkou 1,3 metru nebo více (pod hloubkou mrazu). Tento způsob umístění okruhu kolektoru tepla je účinný pro malou pevninu

Geotermální vytápění s horizontálním kolektorem tepla
Geotermální vytápění s horizontálním kolektorem tepla

Geotermální vytápění s horizontálním kolektorem tepla

Svislý, tj. Kolektor tepelného kolektoru je umístěn ve svislých vrtech ponořených do země do hloubky 200 m. Tento způsob umístění kolektoru se používá v případech, kdy není možné horizontálně pokládat obrys nebo hrozí narušení krajiny

Geotermální vytápění s vertikálním kolektorem tepla
Geotermální vytápění s vertikálním kolektorem tepla

Geotermální vytápění s vertikálním kolektorem tepla

Voda, zatímco kolektor okruhu je umístěn klikatě nebo prstencovitě na dně nádrže, pod úrovní jejího zamrznutí. Ve srovnání s vrtáním studní je tato metoda nejlevnější, ale závisí na hloubce a celkovém objemu vody v nádrži, v závislosti na regionu

U otevřených tepelných čerpadel se k výměně tepla používá voda, která se po průchodu tepelným čerpadlem odvádí zpět do země. Tuto metodu je možné použít pouze v případě, že voda je chemicky čistá a pokud je použití podzemní vody v této roli přípustné z hlediska zákona.

Otevřené geotermální vytápění
Otevřené geotermální vytápění

Otevřené geotermální vytápění

Ve vzduchových okruzích se tedy vzduch používá jako zdroj tepelné energie.

Vytápění tepelným zdrojem vzduchu
Vytápění tepelným zdrojem vzduchu

Vytápění tepelným zdrojem vzduchu

Sekundární (derivativní) zdroje tepla se zpravidla používají v podnicích, jejichž provozní cyklus je spojen s výrobou (parazitní) tepelné energie třetích stran, která vyžaduje další využití.

První modely tepelných čerpadel byly zcela podobné konstrukci popsané výše, kterou vynalezl Robert Webber - měděné trubky okruhu, které fungovaly současně jako vnější i vnitřní, s cirkulujícím chladivem, byly ponořeny do země. Výparník v takovém provedení byl umístěn pod zemí v hloubce přesahující hloubku mrazu nebo v šikmých nebo svislých vrtech vyvrtaných pod úhlem (průměr od 40 do 60 mm) do hloubky 15 až 30 m. Okruh přímé výměny (dostal tento název) umožňuje jeho umístění na na malé ploše a při použití trubek s malým průměrem se obraťte na výměník tepla. Přímá výměna nevyžaduje nucené čerpání chladicí kapaliny, protože není potřeba oběhové čerpadlo, takže se spotřebuje méně elektřiny. Kromě,Tepelné čerpadlo s okruhem s přímou výměnou lze efektivně využívat i při nízkých teplotách - jakýkoli objekt vydává teplo, pokud je jeho teplota nad absolutní nulou (-273,15 ° C) a chladivo se může odpařovat při teplotách až do -40 ° C. Nevýhody tohoto okruhu: velké požadavky na chladivo; vysoké náklady na měděné trubky; spolehlivé připojení měděných profilů je možné pouze pájením, jinak nelze zabránit úniku chladiva; potřeba katodické ochrany v kyselých půdách.jinak nelze zabránit úniku chladiva; potřeba katodické ochrany v kyselých půdách.jinak nelze zabránit úniku chladiva; potřeba katodické ochrany v kyselých půdách.

Extrakce tepla ze vzduchu je nejvhodnější pro horké podnebí, protože při teplotách pod nulou se jeho účinnost vážně sníží, což bude vyžadovat další zdroje tepla. Výhodou vzduchových tepelných čerpadel je, že není nutné nákladné vrtání studní, protože vnější okruh s výparníkem a ventilátorem je umístěn v oblasti nedaleko od domu. Mimochodem, jakýkoli monoblok nebo dělený klimatizační systém je představitelem vzduchového tepelného čerpadla s jedním okruhem. Cena vzduchového tepelného čerpadla s výkonem například 24 kW je asi 163 000 rublů.

Vzduchové tepelné čerpadlo
Vzduchové tepelné čerpadlo

Vzduchové tepelné čerpadlo

Tepelná energie z nádrže se získává položením okruhu z plastových trubek na dno řeky nebo jezera. Při hloubce pokládky od 2 metrů jsou trubky přitlačovány ke dnu zátěží rychlostí 5 kg na metr délky. Z každého běžícího měřiče takového okruhu se odebírá asi 30 W tepelné energie, tj. Tepelné čerpadlo s výkonem 10 kW bude potřebovat okruh o celkové délce 300 m. Výhodou takového okruhu jsou relativně nízké náklady a snadná instalace, nevýhody - při silných mrazech není možné získat tepelnou energii …

Položení okruhu tepelného čerpadla do zásobníku
Položení okruhu tepelného čerpadla do zásobníku

Položení okruhu tepelného čerpadla do zásobníku

Aby se získalo teplo ze země, umístí se trubková smyčka z PVC do jámy vykopané do hloubky přesahující hloubku mrazu nejméně o půl metru. Vzdálenost mezi trubkami by měla být asi 1,5 m, chladivo v nich cirkulující je nemrznoucí (obvykle vodní solanka). Efektivní provoz půdního obrysu přímo souvisí s obsahem vlhkosti v půdě v místě jejího umístění - pokud je půda písčitá, to znamená, že není schopna zadržovat vodu, musí se délka obrysu přibližně zdvojnásobit. Tepelné čerpadlo může v závislosti na klimatickém pásmu a typu půdy extrahovat průměrně 30 až 60 W tepelné energie z běžného měřiče obrysu půdy. Tepelné čerpadlo o výkonu 10 kW bude vyžadovat 400metrový okruh položený na místě 400 m 2. Náklady na tepelné čerpadlo s půdním okruhem jsou asi 500 000 rublů.

Pokládka vodorovného okruhu tepelného čerpadla
Pokládka vodorovného okruhu tepelného čerpadla

Položení vodorovného obrysu do země

Obnova tepla ze skály bude vyžadovat buď pokládání studní o průměru 168 až 324 mm do hloubky 100 metrů, nebo několik studní mělčí hloubky. Do každé jamky je spuštěn obrys, který se skládá ze dvou plastových trubek spojených v nejnižším bodě kovovou trubkou ve tvaru písmene U, která působí jako závaží. Prostřednictvím potrubí cirkuluje nemrznoucí směs - pouze 30% roztok ethylalkoholu, protože v případě úniku nepoškodí životní prostředí. Studna s obrysem nainstalovaným v ní se nakonec naplní podzemní vodou, která dodá teplo chladicí kapalině. Každý metr takové studny poskytne asi 50 W tepelné energie, tj. Pro tepelné čerpadlo s výkonem 10 kW bude nutné vyvrtat 170 m studny. Pro získání větší tepelné energie není výhodné vrtat studnu hlubší než 200 m - je lepší udělat několik menších studní ve vzdálenosti 15–20 m mezi nimi. Čím větší je průměr vrtu, tím mělčí je třeba vrtat, a zároveň je dosaženo většího příjmu tepelné energie - asi 600 W na běžný metr.

Geotermální sonda
Geotermální sonda

Instalace geotermální sondy

Ve srovnání s obrysy umístěnými v zemi nebo v nádrži obrys ve studni zabírá minimální místo na místě, samotnou studnu lze vytvořit v jakémkoli typu půdy, včetně horniny. Přenos tepla z okruhu vrtu bude stabilní kdykoli během roku a za každého počasí. Návratnost takového tepelného čerpadla však bude trvat několik desetiletí, protože jeho instalace bude stát majitele domu více než milion rublů.

Na konci

Výhodou tepelných čerpadel je jejich vysoká účinnost, protože tyto jednotky nespotřebovávají více než 350 wattů elektřiny za hodinu, aby získaly jeden kilowatt tepelné energie za hodinu. Pro srovnání, účinnost elektráren, které vyrábějí elektřinu spalováním paliva, nepřesahuje 50%. Systém tepelného čerpadla pracuje v automatickém režimu, provozní náklady při jeho používání jsou extrémně nízké - k provozu kompresoru a čerpadel je zapotřebí pouze elektřina. Celkové rozměry jednotky tepelného čerpadla jsou přibližně stejné jako rozměry chladničky pro domácnost, hladina hluku během provozu se také shoduje se stejným parametrem chladicí jednotky pro domácnost.

Tepelné čerpadlo země / voda
Tepelné čerpadlo země / voda

Tepelné čerpadlo země / voda

Tepelné čerpadlo lze použít jak k získání tepelné energie, tak k jejímu odstranění - přepnutím provozu okruhů na chlazení, zatímco tepelná energie z prostor domu bude odváděna prostřednictvím vnějšího okruhu do země, vody nebo vzduchu.

Jedinou nevýhodou topného systému založeného na tepelném čerpadle jsou jeho vysoké náklady. V Evropě, stejně jako v USA a Japonsku, jsou instalace tepelných čerpadel zcela běžná - ve Švédsku je jich více než půl milionu a v Japonsku a USA (zejména v Oregonu) - několik milionů. Popularita tepelných čerpadel v těchto zemích je způsobena jejich podporou z vládních programů ve formě dotací a kompenzací majitelům domů, kteří si taková zařízení nainstalovali.

Není pochyb o tom, že v blízké budoucnosti již nebudou tepelná čerpadla v Rusku něčím neobvyklým, vezmeme-li v úvahu roční růst cen zemního plynu, který je dnes jediným konkurentem tepelných čerpadel z hlediska finančních nákladů na získávání tepelné energie.

Doporučená: