Tepelné čerpadlo – pro vytápění odebíráme teplo z planety Země

Obsah článku



V tomto článku: Historie tepelného čerpadla jak tepelné čerpadlo pracuje a jak funguje; typy tepelných čerpadel; tepelná energie ze vzduchu, vody a půdy; na konci – klady a zápory tepelných čerpadel.

Tepelné čerpadlo - pro vytápění odebíráme teplo z planety Země

S cílem porazit zimní chlad, majitelé domů hledají energii a vhodné vytápěcí kotle, závidět šťastlivcům, kteří mají přívody zemního plynu do svých domovů. Každou zimu se v kamenech spalují tisíce tun dřeva, uhlí, ropných produktů, megawatty elektřiny se spotřebují na astronomická množství, která se každým rokem zvyšují, a zdá se, že prostě neexistuje jiná cesta ven. Mezitím je jeden stálý zdroj tepelné energie vždy umístěn v blízkosti našich domovů, ale pro obyvatelstvo Země je v této kapacitě poměrně obtížné si to všimnout. Ale co když použijeme teplo naší planety k vytápění domů? K tomu je k dispozici vhodné zařízení – tepelné čerpadlo pozemního zdroje.

Historie tepelného čerpadla

Teoretické zdůvodnění fungování takových zařízení v roce 1824 poskytl francouzský fyzik Sadi Carnot, který publikoval svou jedinou práci na parních strojích, v níž byl popsán termodynamický cyklus, který byl matematicky a graficky potvrzen o 10 let později fyzikem Benoitem Cliperonem a nazval se „Carnotův cyklus“..

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

William Thomson, baron KelvinWilliam Thomson, baron Kelvin

Model průmyslového tepelného čerpadla byl postaven v roce 1856 rakouským důlním technikem Peterem von Rittingerem, který použil toto zařízení k odpařování solného roztoku a vypouštění solných mokřin k extrakci suché soli.

Peter Ritter von Rittinger Peter Ritter von Rittinger

Tepelné čerpadlo však vděčí za jeho použití ve vytápěcích domech americkému vynálezci Robertu Webberovi, který experimentoval s mrazničkou na konci 40. let minulého století. Robert si všiml, že potrubí opouštějící mrazák bylo horké, a rozhodl se využít toto teplo pro domácí potřeby prodloužením potrubí a jeho vedením vodou přes kotel. Myšlenka vynálezce se ukázala jako úspěšná – od té chvíle měly domácnosti hojnost horké vody, zatímco část tepla byla zbytečně utrácena, čímž opouštěla ​​atmosféru. Webber to nemohl přijmout a do vývodu z mrazáku přidal cívku, vedle které umístil ventilátor, což vedlo k instalaci pro vytápění domu vzduchem. Po nějaké době vymyslel Američan vynalézavý, že je možné doslova odebrat teplo ze země pod jeho nohama a zakopat systém měděných trubek s freonem cirkulujícím skrz ně do určité hloubky. Plyn shromažďoval teplo v zemi, dodával jej do domu a rozdával ho a potom se vrátil zpět do podzemního sběrače tepla. Tepelné čerpadlo vytvořené společností Webber se ukázalo být tak účinné, že úplně přenesl vytápění domu na tuto instalaci a opustil tradiční topná zařízení a zdroje energie..

Tepelné čerpadlo, vynalezené Robertem Webberem, bylo po mnoho let považováno spíše za absurditu než za skutečně účinný zdroj tepelné energie – olejová energie byla hojná, za docela rozumné ceny. Zájem o obnovitelné zdroje tepla rostl na počátku 70. let díky ropnému embargu z roku 1973, během něhož země Perského zálivu jednomyslně odmítly dodávat ropu do Spojených států a Evropy. Nedostatek ropných produktů způsobil prudký skok v cenách energie – naléhavá potřeba se dostat ze situace. Navzdory následnému zrušení embarga v roce 1975 a obnovení dodávek ropy se evropští a američtí výrobci vypořádali s vývojem svých vlastních modelů tepelných čerpadel pro pozemní zdroje, jejichž zavedená poptávka od té doby roste..

Návrh a princip činnosti tepelného čerpadla

Když se ponoříme do zemské kůry, na jejímž povrchu žijeme a jejíž tloušťka na zemi je asi 50–80 km, její teplota stoupá – je to kvůli blízkosti horní magmatické vrstvy, jejíž teplota je přibližně 1300 ° C. V hloubce 3 nebo více metrů je teplota půdy v každém ročním období pozitivní, s každým kilometrem hloubky stoupá v průměru o 3–10 ° C. Nárůst teploty půdy s její hloubkou závisí nejen na klimatické zóně, 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 ° C a v Oregonu (USA), na jehož území je zaznamenána poměrně vysoká endogenní aktivita – 150 ° C na každý kilometr hloubky. Pro efektivní provoz tepelného čerpadla však externí obvod, který do něj dodává teplo, nemusí být pohřben stovky metrů pod zemí – zdrojem tepelné energie může být jakékoli médium s teplotou vyšší než 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 – komprese a sorpce.

Do-it-yourself tepelné čerpadlo pro vytápění domácností Základní struktura kompresního tepelného čerpadla: 1 – zem; 2 – oběh solanky; 3 – oběhové čerpadlo; 4 – výparník; 5 – kompresor; 6 – kondenzátor; 7 – topný systém; 8 – chladivo; 9 – sytič

I přes matoucí název nejsou kompresní tepelná čerpadla topnými zařízeními, ale chladicími zařízeními, protože fungují na stejném principu jako jakákoli lednička nebo klimatizace. Rozdíl mezi tepelným čerpadlem a chladicími jednotkami, které jsou nám dobře známy, spočívá v tom, že pro jeho provoz jsou zpravidla zapotřebí dva okruhy – interní, v němž cirkuluje chladivo, a externí, s cirkulací chladiva..

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 vypařuje a mění se do plynného stavu. Chladivo, pohybující se podél zakřivených trubek výparníku a během pohybu s plynným nebo kapalným tepelným nosičem, dostává z něj tepelnou energii o nízké teplotě, poté vstoupí do kompresoru;
  • v komoře kompresoru je chladivo stlačeno, zatímco jeho tlak prudce stoupá, což způsobuje zvýšení teploty chladiva;
  • Z kompresoru horké chladivo sleduje obvod do kondenzátorové cívky, která funguje jako tepelný výměník – zde chladivo vydává teplo (asi 80–130 ° C) chladivu cirkulujícímu v topném okruhu domu. Po ztrátě většiny tepelné energie se chladivo vrací do kapalného stavu;
  • při průchodu expanzním ventilem (kapilárou) – je umístěn ve vnitřním okruhu tepelného čerpadla, po tepelném výměníku – zbytkový tlak v chladivu klesá a poté vstupuje do výparníku. Od této chvíle se pracovní cyklus opakuje znovu.

Tepelné čerpadlo vzduchu Pracovní princip tepelného čerpadla zdroje vzduchu

Vnitřní struktura tepelného čerpadla tedy sestává z kapiláry (expanzní ventil), výparníku, kompresoru a kondenzátoru. Činnost kompresoru je řízena elektronickým termostatem, který přerušuje přívod energie do kompresoru a tím zastavuje proces generování tepla, když je dosaženo 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 založen na tetrafluorethanu, druhý je založen na isobutanu. Obě tato chladiva jsou bezpečná pro ozonovou vrstvu Země a jsou šetrná k životnímu prostředí. Kompresní tepelná čerpadla mohou být poháněna elektromotorem nebo spalovacím motorem.

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

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 – zahřívání kondenzátu páry; 11 – výměník tepla v roztoku; 12 – odlučovač plynu; 13 – absorbér; 14 – maltové čerpadlo; 15 – čerpadlo chladicí kapaliny

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

V důsledku kombinace chladiva a rozpouštědla, které jsou různé teploty varu, způsobuje teplo dodávané chladivem odpařování. Chladivo v parním stavu, které má vysokou teplotu a tlak, vstupuje do kondenzátoru podél okruhu, mění se na kapalný stav a vydává teplo do tepelného výměníku topné sítě. Po průchodu expanzním ventilem přechází chladivo do svého původního termodynamického stavu, stejným způsobem se rozpouštědlo vrací do původního stavu.

Výhodou absorpčních tepelných čerpadel je schopnost pracovat z jakéhokoli zdroje tepelné energie a úplná absence pohyblivých prvků, tj. Nehlučnost. Nevýhody – menší výkon ve srovnání s kompresními jednotkami, vysoké náklady kvůli složitosti konstrukce a potřebě použití materiálů odolných vůči korozi, které je obtížné zpracovat.

Jednotka absorpčního tepelného čerpadla Jednotka absorpčního tepelného čerpadla

Adsorpční tepelná čerpadla používají pevné materiály, jako je silikagel, aktivní uhlí nebo zeolit. Během prvního pracovního kroku, nazývaného desorpční fáze, je tepelná energie přiváděna do komory tepelného výměníku, která je pokryta sorbentem zevnitř, například z plynového hořáku. Zahřívání způsobuje odpařování chladiva (vody), výsledná pára je dodávána do druhého výměníku tepla, který v první fázi uvolňuje teplo získané během kondenzace páry do topného systému. Úplné vysušení sorbentu a dokončení kondenzace vody ve druhém tepelném výměníku dokončí první etapu práce – zastaví se dodávka tepelné energie do komory prvního tepelného výměníku. Ve druhé etapě se z tepelného výměníku kondenzované vody stane odpařovač, který dodává tepelnou energii z vnějšího prostředí do chladiva. Výsledkem tlakového poměru 0,6 kPa se při kontaktu tepla z vnějšího prostředí odpařuje chladivo – vodní pára proudí zpět do prvního tepelného výměníku, kde je adsorbována do sorbentu. Teplo, které pára uvolňuje během adsorpčního procesu, se přenáší do topného systému, po kterém se cyklus opakuje. Je třeba poznamenat, že adsorpční tepelná čerpadla nejsou vhodná pro domácí použití – jsou určena pouze pro velké budovy (od 400 m)2), stále se vyvíjejí méně výkonné modely.

Druhy tepelných kolektorů pro tepelná čerpadla

Zdroje tepelné energie pro tepelná čerpadla mohou být různé – geotermální (uzavřený a otevřený typ), vzduch, s využitím sekundárního tepla. Podívejme se na každý z těchto zdrojů podrobněji..

Tepelná čerpadla pozemního zdroje spotřebovávají tepelnou energii ze země nebo podzemní vody a jsou rozdělena do dvou typů – uzavřené a otevřené. Uzavřené zdroje tepla se dělí na:

  • Vodorovně, zatímco kolektor shromažďující teplo je umístěn v prstencích nebo klikatách v zákopech s hloubkou 1,3 metru nebo více (pod hloubkou mrazu). Tento způsob umístění okruhu kolektoru tepla je účinný pro malou plochu pozemku.

Geotermální vytápění s horizontálním tepelným kolektorem Geotermální vytápění s horizontálním tepelným kolektorem

  • Vertikální, tj. Kolektor tepelného kolektoru je umístěn do vertikálních studní ponořených do země do hloubky 200 m. Tento způsob umístění kolektoru se používá v případech, kdy není možné horizontálně položit konturu nebo hrozí narušení krajiny..

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

  • Voda, zatímco kolektor okruhu je umístěn klikatým nebo prstencovým způsobem na dně nádrže, pod úrovní jeho zamrznutí. Ve srovnání s vrtnými studnami je tato metoda nejlevnější, ale záleží na hloubce a celkovém objemu vody v nádrži, v závislosti na regionu..

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

Otevřené geotermální vytápění Otevřené geotermální vytápění

Ve vzduchových okruzích se vzduch používá jako zdroj tepelné energie.

Vytápění vzduchovým tepelným čerpadlem Vytápění vzduchovým tepelným čerpadlem

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

První modely tepelných čerpadel byly zcela podobné konstrukci popsané výše, vynalezené Robertem Webberem – měděné trubky okruhu, které fungovaly současně jako vnější a vnitřní, s chladivem cirkulujícím v nich, byly ponořeny do země. Výparník v takovém provedení byl umístěn pod zemí v hloubce přesahující hloubku mrazu nebo v úhlových nebo vertikálních vrtech vrtaných pod úhlem (průměr od 40 do 60 mm) do hloubky 15 až 30 m. Okruh přímé výměny (obdržel tento název) umožňuje jeho umístění na na malém prostoru a při použití potrubí s malým průměrem se obejděte bez přechodného tepelného výměníku. Přímá výměna nevyžaduje nucené čerpání chladicího média, protože není potřeba oběhové čerpadlo, tak se spotřebuje méně elektřiny. Kromě toho lze tepelné čerpadlo s přímou výměnnou smyčkou efektivně využít i při nízkých teplotách – jakýkoli objekt emituje teplo, pokud je jeho teplota nad absolutní nulou (-273,15 ° C), a chladivo se může odpařovat při teplotách až do -40 ° C. Nevýhody takového obvodu: 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.

Odběr tepla ze vzduchu je nejvhodnější pro horké podnebí, protože při teplotách pod nulou se jeho účinnost výrazně sníží, což bude vyžadovat další zdroje vytápění. Výhoda vzduchových tepelných čerpadel spočívá v tom, že není nutné nákladné vrtání vrtů, protože vnější obvod s výparníkem a ventilátorem je umístěn v oblasti nedaleko od domu. Mimochodem, každý monoblok nebo split systém klimatizace je představitelem jednosložkového vzduchového tepelného čerpadla. Náklady na vzduchové tepelné čerpadlo s kapacitou například 24 kW jsou asi 163 000 rublů.

Tepelné čerpadlo zdroje vzduchu Tepelné čerpadlo zdroje vzduchu

Tepelná energie ze zásobníku je získávána položením obvodu z plastových trubek na dno řeky nebo jezera. Hloubka pokládky od 2 metrů, trubky jsou přitlačovány ke dnu se zatížením rychlostí 5 kg na metr délky. Z každého běžného měřiče takového okruhu je odebíráno asi 30 W tepelné energie, tj. Pro tepelné čerpadlo 10 kW bude zapotřebí okruh s celkovou délkou 300 m. Výhodou takového obvodu jsou relativně nízké náklady a snadnost instalace, nevýhody – při silných mrazech je nemožné získat tepelnou energii.

Položení okruhu tepelného čerpadla do nádrže Položení okruhu tepelného čerpadla do nádrže

Pro odvod tepla ze země je trubka z PVC umístěna do jámy, vykopaná do hloubky přesahující hloubku mrazu nejméně o půl metru. Vzdálenost mezi trubkami by měla být asi 1,5 m, chladicí kapalina, která v nich cirkuluje, je nemrznoucí směs (obvykle vodní solanka). Efektivní provoz obrysu půdy přímo souvisí s obsahem vlhkosti půdy v místě jejího umístění – pokud je půda písčitá, tj. Není schopna zadržovat vodu, musí se délka obrysu přibližně zdvojnásobit. Tepelné čerpadlo může odebírat průměrně 30 až 60 W tepelné energie z běžného metru půdního obrysu v závislosti na klimatické zóně a typu půdy. Tepelné čerpadlo o výkonu 10 kW bude vyžadovat obvod 400 metrů položený na ploše 400 m22. Náklady na tepelné čerpadlo s půdním okruhem jsou asi 500 000 rublů.

Položení vodorovného okruhu tepelného čerpadla Položení vodorovného obrysu do země

Regenerace tepla ze skály bude vyžadovat buď pokládku vrtů o průměru 168 až 324 mm do hloubky 100 metrů, nebo několik vrtů s malou hloubkou. Do každé jímky se spustí obrys, který se skládá ze dvou plastových trubek spojených v nejnižším bodě kovovou trubkou ve tvaru U, která působí jako závaží. Protimrznoucí kapalina cirkuluje potrubím – pouze 30% roztok ethylalkoholu, protože v případě úniku nepoškodí životní prostředí. Studna s obrysem v ní nainstalovaným se nakonec naplní podzemní vodou, která bude dodávat teplo do chladicí kapaliny. Každý metr takové studny dá asi 50 W tepelné energie, tj. Pro tepelné čerpadlo s výkonem 10 kW bude nutné vyvrtat 170 m studny. Abychom získali více tepelné energie, není výhodné vrtat hlouběji než 200 m – je lepší vyrobit několik menších vrtů ve vzdálenosti 15–20 m mezi nimi. Čím větší je průměr vrtu, tím menší je potřeba vrtat, přičemž se současně dosáhne většího příjmu tepelné energie – asi 600 W na běžný metr.

Geotermální sonda Instalace geotermální sondy

Ve srovnání s obrysy umístěnými v zemi nebo nádrži zabírá obrys studny minimální prostor na místě, samotná studna může být vytvořena v jakémkoli typu půdy, včetně horniny. Přenos tepla z okruhu studny bude stabilní v každém ročním období 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 spotřebovávají ne 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 během jeho používání jsou extrémně nízké – k provozu kompresoru a čerpadel je nutná pouze elektřina. Celkové rozměry instalace 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 Tepelné čerpadlo „solanka-voda“

Tepelné čerpadlo lze použít jak k získání tepelné energie, tak k jejímu odstranění – přepnutím provozu obvodů na chlazení, zatímco tepelná energie z prostor domu bude odstraněna vnějším obvodem 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 celkem běžná – ve Švédsku je jich více než půl milionu, v Japonsku a USA (zejména v Oregonu) několik milionů. Popularita tepelných čerpadel v těchto zemích je způsobena jejich podporou vládních programů ve formě dotací a kompenzací majitelům domů, kteří takové instalace nainstalovali..

Není pochyb o tom, že v blízké budoucnosti přestane být tepelná čerpadla také něčím cizím v Rusku, vzhledem k meziročnímu nárůstu cen zemního plynu, který je dnes jediným konkurentem tepelných čerpadel, pokud jde o finanční náklady na získávání tepelné energie..

Přečtěte si více  Elektrodový kotel pro vytápění soukromého domu
Ohodnoťte tento článek
( Zatím žádné hodnocení )
Přidejte komentáře

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