Pompa de caldura

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 22 august 2022; verificările necesită 23 de modificări .

O pompă de căldură  este un motor termic , un dispozitiv pentru transferul energiei termice de la o sursă la un consumator. Spre deosebire de transferul spontan de căldură, care are loc întotdeauna de la un corp fierbinte la unul rece, o pompă de căldură transferă căldură în sens invers [1] . O pompă de căldură are nevoie de o sursă externă de energie pentru a funcționa. Cea mai comună pompă de căldură constă dintr-un compresor , o supapă de expansiune termică, un evaporator și un condensator . Lichidul de răcire care circulă în interiorul acestor componente se numește agent frigorific [2] .

Exemple notabile de pompe de căldură sunt frigiderele și aparatele de aer condiționat . Pompele de căldură pot fi folosite atât pentru încălzire, cât și pentru răcire [3] . Când o pompă de căldură este folosită pentru încălzire, aceasta implementează același tip de ciclu termodinamic ca și un frigider, dar în sens opus, eliberând căldură în camera încălzită și preluând căldură din aerul ambiental mai rece [4] .

Conform previziunilor Agenției Internaționale pentru Energie , pompele de căldură vor asigura 10% din necesarul de energie pentru încălzire în țările OCDE până în 2020 și 30% până în 2050 [5]

Informații generale

Baza parcului de echipamente cu pompe de căldură operate astăzi în lume o constituie pompele de căldură cu compresie de vapori , dar sunt folosite și cele de absorbție , electrochimice și termoelectrice .

Când se utilizează încălzire convențională cu o sursă de energie care poate fi utilizată pentru a obține lucru mecanic , cantitatea de căldură care intră în sistemul de încălzire este egală cu acest lucru .

Dacă această muncă este folosită pentru a antrena pompa de căldură, atunci căldura primită de corpul încălzit va fi mai mare decât munca efectuată . Temperatura apei din sistemul de încălzire să fie , iar temperatura mediului din jurul camerei încălzite să fie , și . Atunci cantitatea de căldură primită de sistemul de încălzire este . Astfel, cu cât temperatura sistemului de încălzire diferă mai puțin de temperatura ambiantă , cu atât câștigul este mai mare dat de pompa de căldură în comparație cu conversia directă a muncii în căldură [6] .

Valoarea se numește raportul de transformare al pompei de căldură. Coeficientul de transformare al unei pompe de căldură sau al unui sistem de alimentare cu căldură cu pompă de căldură (HST) „Ktr” este raportul dintre căldura utilă eliminată din sistemul de alimentare cu căldură către consumator și energia cheltuită pentru funcționarea sistemului de alimentare cu căldură cu pompă de căldură. , și este numeric egal cu cantitatea de căldură utilă primită la temperaturile Тout și Тin , pe unitatea de energie cheltuită pe unitatea HP sau TST. Raportul de transformare real diferă de cel ideal, descris prin formula (1 1), prin valoarea coeficientului h, care ia în considerare gradul de perfecțiune termodinamică a GTST și pierderile ireversibile de energie în timpul implementării ciclului. În [7] , sunt date dependențele raporturilor de transformare reale și ideale (Ktr) ale unui sistem de alimentare cu căldură cu pompă de căldură de temperatura unei surse de căldură cu potențial scăzut Тin și potențialul de temperatură al căldurii evacuate către sistemul de încălzire Тout. La construirea dependențelor, gradul de perfecțiune termodinamică al TST h a fost luat egal cu 0,55, iar diferența de temperatură (diferența dintre temperaturile freonului și lichidului de răcire) în condensator și în evaporatorul pompei de căldură a fost egală cu 7 °C. Aceste valori ale gradului de perfecțiune termodinamică h și diferența de temperatură dintre freon și purtătorii de căldură ai sistemului de încălzire și colectare a căldurii par a fi apropiate de realitate în ceea ce privește luarea în considerare a parametrilor reali ai echipamentului de schimb de căldură ( condensator și evaporator) ale pompelor de căldură, precum și costurile asociate cu energia electrică pentru antrenarea pompelor de circulație, sistemelor de automatizare, supapelor de închidere și control.

În general, gradul de perfecțiune termodinamică a sistemelor de alimentare cu căldură cu pompe de căldură h depinde de mulți parametri, cum ar fi: puterea compresorului, calitatea producției componentelor pompei de căldură și pierderile ireversibile de energie, care, la rândul lor, includ:

Tabelele 1-1 prezintă valori „medii” ale gradului de perfecțiune termodinamică h pentru unele tipuri de compresoare utilizate în sistemele moderne de alimentare cu căldură cu pompe de căldură.

Tabelul 1-1. Eficiența unor tipuri de compresoare utilizate în sistemele moderne de încălzire cu pompă de căldură

putere, kWt Tip compresor Eficiență
(grad de perfecțiune termodinamică)
h, fracții de unități.
300-3000 centrifugă deschisă 0,55—0,75
50-500 piston deschis 0,5—0,65
20-50 semiermetice 0,45—0,55
2-25 Sigilat, cu R-22 0,35—0,5
0,5—3,0 Sigilat, cu R-12 0,2—0,35
<0,5 Sigilat <0,25

La fel ca un frigider, o pompă de căldură consumă energie pentru a implementa un ciclu termodinamic (acţionarea compresorului). Factorul de conversie al unei pompe de căldură - raportul dintre producția de căldură și consumul de energie electrică - depinde de nivelul temperaturii din evaporator și condensator. Nivelul temperaturii de alimentare cu căldură de la pompele de căldură poate varia acum de la 35 °C la 55 °C, ceea ce permite utilizarea aproape oricărui sistem de încălzire. Economisirea resurselor energetice ajunge la 70% [8] . Industria țărilor dezvoltate tehnic produce o gamă largă de pompe de căldură cu compresie de vapori cu putere termică de la 5 la 1000 kW.

Istorie

Conceptul de pompe de căldură a fost dezvoltat încă din 1852 de remarcabilul fizician și inginer britanic William Thomson (Lord Kelvin) și îmbunătățit și detaliat în continuare de inginerul austriac Peter Ritter von Rittinger . Peter Ritter von Rittinger este considerat inventatorul pompei de căldură, având proiectat și instalat prima pompă de căldură cunoscută în 1855 [9] . Dar pompa de căldură a căpătat aplicație practică mult mai târziu, mai precis în anii 40 ai secolului XX, când inventatorul-entuziast Robert C. Webber a experimentat cu un congelator [10] . Într-o zi, Weber a atins accidental o țeavă fierbinte la ieșirea din cameră și și-a dat seama că căldura a fost pur și simplu aruncată afară. Inventatorul s-a gândit cum să folosească această căldură și a decis să pună o țeavă într-un cazan pentru a încălzi apa. Drept urmare, Weber a oferit familiei sale o cantitate de apă caldă pe care nu o puteau folosi fizic, în timp ce o parte din căldura de la apa încălzită a fost eliberată în aer. Acest lucru l-a determinat să creadă că atât apa, cât și aerul pot fi încălzite dintr-o singură sursă de căldură în același timp, așa că Weber și-a îmbunătățit invenția și a început să conducă apa fierbinte în spirală (printr-o bobină ) și să folosească un mic ventilator pentru a distribui căldura în jur. casa pentru a o încălzi. De-a lungul timpului, Weber a fost cel care a avut ideea de a „pompa” căldură de pe pământ, unde temperatura nu s-a schimbat prea mult în timpul anului. El a pus în pământ țevi de cupru, prin care circula freonul , care „aduna” căldura pământului. Gazul s-a condensat, a renunțat la căldură în casă și a trecut din nou prin bobină pentru a prelua următoarea porțiune de căldură. Aerul era pus în mișcare de un ventilator și circula prin toată casa. În anul următor, Weber și-a vândut vechea sobă cu cărbune.

În anii 1940, pompa de căldură era cunoscută pentru eficiența sa extremă, dar nevoia reală a acesteia a apărut după criza petrolului din 1973 , când, în ciuda prețurilor scăzute la energie, a existat un interes pentru conservarea energiei .

Eficiență

În timpul funcționării, compresorul consumă energie electrică. Raportul dintre energia termică pompată și energia electrică consumată se numește raport de transformare (sau coeficient de performanță ( ing.  COP  - prescurtare pentru coeficient de performanță ) și servește ca un indicator al eficienței unei pompe de căldură. Următoarea formulă este utilizată pentru a calcula COP:

C O P = Q c o n s u m e r A = Q i n × k A {\displaystyle COP={\frac {Q_{consumator}}{A}}={\frac {Q_{in}\times k}{A}}}

Unde

 este coeficientul adimensional;  este munca efectuată de pompa [J];  este căldura preluată de pompa de căldură de la o sursă de căldură de calitate scăzută [J];  — căldură primită de consumator [J]. k- factor de eficiență

Valoarea lui A arată cât de multă muncă trebuie să facă pompa de căldură pentru a „pompa” o anumită cantitate de căldură. Această valoare depinde de diferența dintre nivelurile de temperatură din evaporator și condensator: adică temperatura lichidului de răcire din „partea rece a dispozitivului” trebuie să fie întotdeauna mai mică decât temperatura sursei de căldură de calitate scăzută, astfel încât energia de la sursa de căldură de calitate scăzută poate curge în mod arbitrar către lichidul de răcire sau fluidul de lucru (a doua lege a termodinamicii).

adică COP = 2 înseamnă că pompa de căldură transferă de două ori mai multă căldură utilă decât cheltuiește pentru munca sa.

Exemplu:

Pompa de căldură consumă Ptn = 1 kW, COP = 3,0 - înseamnă că consumatorul primește Ptn * COP = 1 * 3 = 3 kW;

consumatorul primește Pp = 3 kW, COP = 3,0 - înseamnă că pompa de căldură consumă Pp / COP = 3 / 3 = 1 kW

considerăm că eficiența compresorului sau a procesului de înlocuire a acestuia este de 100%

Din acest motiv, pompa de căldură ar trebui să folosească cea mai mare sursă posibilă de căldură de calitate scăzută, fără a încerca să obțină o răcire puternică. Într-adevăr, în acest caz, eficiența pompei de căldură crește, deoarece cu o răcire slabă a sursei de căldură, rămâne posibilitatea ca căldura să curgă spontan de la sursa de căldură de calitate scăzută către purtătorul de căldură. Din acest motiv, pompele de căldură se asigură că rezerva de căldură (C * m * T, c este capacitatea de căldură, m este masa, T este temperatura) a sursei de căldură de calitate scăzută este cât mai mare posibil.

De exemplu: gazul (fluidul de lucru) eliberează energie în partea „fierbintă” a pompei de căldură (pentru aceasta, gazul este comprimat), după care este răcit sub o sursă de căldură de calitate scăzută (un efect de accelerație (Joule- efectul Thomson) poate fi folosit). Gazul intră în sursa de căldură slabă și este încălzit din această sursă, apoi ciclul se repetă.

Problema legării unei pompe de căldură la o sursă de căldură de calitate scăzută cu o rezervă mare de căldură poate fi rezolvată prin introducerea unui sistem de transfer de căldură în pompa de căldură cu un purtător de căldură care transferă căldura fluidului de lucru. Substanțele cu o capacitate termică semnificativă, precum apa, pot fi astfel de mediatori.

Se vede clar că, pentru a construi o mașină eficientă, este necesar să se selecteze un astfel de fluid de lucru, astfel încât pentru compresie (pentru a extrage căldura din fluidul de lucru) compresorul să utilizeze un minim de energie și cât mai scăzut posibil ( numărul posibil de surse crește brusc) temperatura fluidului de lucru ar fi atunci când a fost alimentat la o sursă de căldură de grad scăzut.

Eficiența condiționată a pompelor de căldură

Eficiența unei pompe de căldură îi încurcă pe mulți, deoarece dacă efectuați un „calcul evident”, atunci acesta este fundamental mai mare decât 1, dar funcționarea unei pompe de căldură este de fapt complet supusă legii conservării energiei. Eroarea în „calculul evident” este că, dacă considerăm pompa de căldură în sine ca o „cutie neagră”, atunci, într-adevăr, dispozitivul consumă mai puțină energie decât produce căldură, ceea ce este fundamental.

Cu toate acestea, astfel de calcule sunt pur și simplu greșite și nu iau în considerare sursa de energie, alta decât energia electrică consumată. O astfel de sursă este de obicei aer cald sau apă încălzită de Soare sau de procese geotermale. Electricitatea din dispozitiv nu este cheltuită direct pentru încălzire, ci doar pentru „concentrarea” energiei unei surse de căldură de calitate scăzută, de regulă, furnizând energie pentru funcționarea compresorului. Adică, pompa de căldură are două surse de energie - electricitate și o sursă de căldură de calitate scăzută, iar „calculele evidente” nu iau în considerare a doua sursă, iar valori mai mari decât una sunt obținute în mod eronat.

Exemplu :

Lasă pompa de căldură să consume 1 kW din rețeaua electrică și să ofere 4 kW consumatorului și să ia 5 kW dintr-o sursă cu potențial scăzut.

Calculul tipului Pconsumer/Pnetwork = 4/1 = 4 este incorect, deoarece nu ia în considerare sursa de căldură de grad scăzut.

Calcul corect pentru randamentul pompei de caldura:

Psink /(Pnetwork + Psource) = 4 /(1 + 5) = 0,67

De regulă, este destul de dificil de estimat câtă pompă de căldură transferă căldură de la o sursă de căldură de calitate scăzută, ceea ce duce la o eroare.

Cu toate acestea, dacă în calcul se ia în considerare și sursa de căldură cu potențial scăzut, atunci eficiența mașinii va deveni fundamental mai mică decât unitatea. Pentru a evita confuziile au fost introduși coeficienți: COP și gradul de perfecțiune termodinamică. COP arată de câte ori energia termică transferată către consumator depășește cantitatea de muncă necesară pentru a transfera căldură dintr-o sursă cu potențial scăzut, iar gradul de perfecțiune termodinamică arată cât de aproape este ciclul real al pompei de căldură de ciclul ideal de căldură.

Selectarea capacitatii unei pompe de caldura cu sursa de aer

După luarea în considerare a condițiilor climatice, analizarea sistemului de distribuție a căldurii din casă și determinarea temperaturii de alimentare în circuite, luând în considerare posibila amplasare a unităților principale și modulelor auxiliare, se calculează puterea termică a pompei de căldură. Puterea termică a HP ar trebui să fie suficientă pentru a acoperi complet toate pierderile de căldură ale clădirii în perioada cea mai rece a anului.

Este mai bine să încredințați toate calculele specialiștilor, cu toate acestea, pentru o evaluare preliminară a puterii, puteți face și un calcul independent.

În primul rând, se determină sarcina termică necesară pentru a asigura casa cu încălzire și apă caldă.

Gură. \u003d 0,050 * 200 \u003d 10 kW ,

unde 0,050 kW / m2 este rata de pierdere de căldură a unei case izolate; 200 - suprafața casei.

Rgvs \u003d 0,25 * 4 \u003d 1 kW,

unde 0,25 este puterea termică pentru alimentarea cu apă caldă la 1 persoană; 4 - numărul de persoane care locuiesc în casă.

Ptotal=10+1=11kW

Luând în considerare diferența de temperatură și punctul de bivalență, valoarea calculată a puterii termice a HP:

Ptn \u003d (10 + 1) * (20- (-7)) / (20- (-22)) \u003d 11 * 27 / 42 \u003d 7,07 kW,

unde +20, -7, -22 sunt valorile temperaturii aerului din încăpere, temperatura punctului de bivalență și temperatura exterioară de proiectare.

În mod similar, în funcție de aporturile de căldură adecvate, puterea necesară a HP este determinată atunci când se lucrează la aer condiționat acasă. Apoi alegeți modelul cu cei mai apropiați indicatori mari.

Eficiența sistemului de alimentare cu căldură/frig depinde de corectitudinea și alfabetizarea calculelor.

Tipuri de pompe de căldură

În funcție de principiul de funcționare, pompele de căldură sunt împărțite în compresie și absorbție . Pompele de căldură prin compresie sunt întotdeauna acționate de energie mecanică (electricitate), în timp ce pompele de căldură cu absorbție pot folosi și căldura ca sursă de energie (folosind electricitate sau combustibil).
De asemenea, sunt cunoscute pompele de căldură cu semiconductor care utilizează efectul Peltier în activitatea lor [11] . În funcție de sursa de extracție a căldurii, pompele de căldură se împart în [12]  :

1) Geotermal (utilizați căldura pământului, a apei subterane sau subterane)

a) tip închis

Colectorul este plasat în inele sau în șanțuri orizontale sub adâncimea înghețului solului (de obicei de la 1,2 m sau mai mult) [13] . Această metodă este cea mai eficientă din punct de vedere al costurilor pentru unitățile rezidențiale, cu condiția să nu existe lipsă de teren pentru contur.

Colectorul este amplasat vertical în puțuri de până la 200 m adâncime [14] . Această metodă este utilizată în cazurile în care suprafața terenului nu permite plasarea conturului pe orizontală sau există amenințarea de deteriorare a peisajului.

Colectorul este plasat sinuos sau în inele într-un rezervor (lac, iaz, râu) sub adâncimea de îngheț. Aceasta este cea mai ieftină opțiune, dar există cerințe pentru adâncimea și volumul minim de apă din rezervor pentru o anumită regiune.

Spre deosebire de tipurile anterioare, agentul frigorific este furnizat de compresorul pompei de căldură prin conducte de cupru situate:

Circulația agentului frigorific de către compresorul pompei de căldură și schimbul de căldură de freon direct prin peretele conductei de cupru cu conductivitate termică mai mare asigură eficiență și fiabilitate ridicate a sistemului de încălzire geotermal. De asemenea, utilizarea acestei tehnologii permite reducerea lungimii totale de forare a sondelor, reducand astfel costul instalarii unei pompe de caldura DX Direct Exchange.

b) tip deschis
Acest sistem folosește ca fluid schimbător de căldură apa care circulă direct prin sistemul de pompă de căldură din sursa solului într-un ciclu deschis, adică apa după trecerea prin sistem revine în sol. Această opțiune poate fi implementată în practică numai dacă există o cantitate suficientă de apă relativ curată și cu condiția ca această metodă de utilizare a apelor subterane să nu fie interzisă prin lege.

2) Aer (aerul este sursa de extracție a căldurii) Ei folosesc aerul ca sursă de energie termică de calitate scăzută. Mai mult, sursa de căldură poate fi nu numai aerul exterior (atmosferic), ci și aerul de evacuare (general sau local) ventilația clădirilor.

3) Utilizarea căldurii derivate (secundare) (de exemplu, căldura unei conducte de încălzire centrală). Această opțiune este cea mai potrivită pentru instalațiile industriale în care există surse de căldură dispersă care trebuie eliminate .

Tipuri de modele industriale

În funcție de tipul de lichid de răcire din circuitele de admisie și de evacuare, pompele sunt împărțite în opt tipuri: "sol-apă", "apă-apă", "aer-apă", "sol-aer", "apă-aer" , „aer-aer” „freon-apă”, „freon-aer”. Pompele de căldură pot folosi căldura aerului eliberat din cameră, în timp ce încălzirea aerului de alimentare - recuperatoare .

Extragerea căldurii din aer

Eficiența și alegerea unei anumite surse de energie termică depind puternic de condițiile climatice, mai ales dacă sursa de extracție a căldurii este aerul atmosferic. De fapt, acest tip este mai bine cunoscut ca aparat de aer condiționat. Există zeci de milioane de astfel de dispozitive în țările fierbinți. Pentru țările din nord, încălzirea este cea mai relevantă iarna. Sistemele aer-aer și aer-apă sunt, de asemenea, folosite iarna la temperaturi de până la minus 25 de grade, unele modele continuă să funcționeze până la -40 de grade. Dar randamentul lor este mic, de aproximativ 1,5 ori, iar pentru sezonul de incalzire, in medie, de aproximativ 2,2 ori fata de radiatoarele electrice. În înghețuri severe, se utilizează încălzire suplimentară. Când capacitatea sistemului principal de încălzire cu pompe de căldură nu este suficientă, sunt pornite surse suplimentare de alimentare cu căldură. Un astfel de sistem se numește bivalent.

Extragerea căldurii din rocă

Roca necesită forarea unui puț la o adâncime suficientă (100-200 de metri) sau a mai multor astfel de puțuri. O greutate în formă de U este coborâtă în puț cu două tuburi de plastic care alcătuiesc conturul. Tuburile sunt umplute cu antigel. Din motive de mediu, aceasta este o soluție de 30% de alcool etilic. Fântâna este umplută cu apă subterană în mod natural, iar apa conduce căldura de la piatră la lichidul de răcire. La o lungime insuficientă a puțului sau la încercarea de a obține puterea în exces din sol, această apă și chiar antigel pot îngheța, ceea ce limitează puterea termică maximă a unor astfel de sisteme. Este temperatura antigelului returnat care servește ca unul dintre indicatorii circuitului de automatizare. Aproximativ 50-60 W de putere termică este contabilizată pentru 1 metru liniar al puțului. Astfel, pentru a instala o pompă de căldură cu o capacitate de 10 kW, este necesară o sondă cu o adâncime de aproximativ 170 m. Nu este indicat să forați mai mult de 200 de metri, este mai ieftin să faceți mai multe puțuri de adâncime mai mică 10–20. metri una de alta. Chiar și pentru o casă mică de 110-120 mp. cu un consum redus de energie, perioada de rambursare este de 10-15 ani. Aproape toate instalatiile disponibile pe piata functioneaza vara, in timp ce caldura (in esenta energie solara) este preluata din incapere si disipata in roca sau apa subterana. În țările scandinave cu sol stâncos, granitul acționează ca un radiator masiv, primind căldură vara/zi și disipând-o înapoi iarna/noaptea. De asemenea, căldura vine în mod constant din intestinele Pământului și din apele subterane.

Extragerea căldurii din sol

Cele mai eficiente, dar și cele mai scumpe scheme prevăd extragerea căldurii din sol, a cărei temperatură nu se modifică pe parcursul anului deja la o adâncime de câțiva metri, ceea ce face ca instalația să fie practic independentă de vreme. Conform În 2006, o jumătate de milion de astfel de instalații au fost instalate în Suedia, 50.000 în Finlanda și până la 70.000 au fost instalate în Norvegia pe an, cu 50 cm sub nivelul de îngheț al solului din această regiune. În practică, 0,7 - 1,2 metri . Distanța minimă între țevile colectoare recomandată de producători este de 1,2 ... 1,5 metri. Nu este necesară forarea aici, dar este necesară o excavare mai extinsă pe o suprafață mare, iar conducta este mai expusă riscului de deteriorare. Eficiența este aceeași ca la extragerea căldurii dintr-un puț. Nu este necesară pregătirea specială a solului. Dar este de dorit să folosiți un site cu sol umed, dar dacă este uscat, conturul trebuie făcut mai lung. Valoarea aproximativă a puterii termice pe 1 m de conductă: în argilă - 50-60 W, în nisip - 30-40 W pentru latitudini temperate, în nord valorile sunt mai puține. Astfel, pentru instalarea unei pompe de caldura cu o capacitate de 10 kW este necesar un circuit de pamant de 350-450 m lungime, pentru amenajari pentru care va fi necesar un teren de aproximativ 400 m² (20x20 m). Cu un calcul corect, conturul are un efect redus asupra spațiilor verzi .

Variator spiralat

Rezervorul în spirală este o combinație între puțuri verticale și un rezervor orizontal. Se folosește acolo unde, din motive geologice, forarea este foarte costisitoare (de exemplu, apariția unei plăci de granit). Mai scump decât opțiunea colector orizontal, deoarece necesită prefabricarea spiralelor de țevi mai subțiri (de obicei 25 mm) cu o înălțime de 2 până la 3 metri. De asemenea, este nevoie de puțuri prefabricate, deoarece datorită scăderii diametrului, lungimea totală a conductei din sistem crește. [cincisprezece]

Diverse

În puțurile cu un diametru de 218–324 mm, este posibil să se reducă semnificativ adâncimea necesară a sondei la 50–70 m, pentru a crește extracția energiei termice la cel puțin 700 W pe 1 metru liniar. m. de puțuri și asigură stabilitatea funcționării pe tot parcursul anului [16] permite utilizarea unui circuit activ al convertorului primar al unei pompe de căldură situată în forajul sondei unui puț de apă (utilizat în puțuri cu pompă submersibilă , cu un Dispozitiv de ridicare a apei fără tub, care creează un flux de fluid în sondă, suflând cu curentul circuitului de schimb de căldură lichid pompat cu agentul frigorific al convertorului primar al pompei de căldură, crescând extragerea căldurii nu numai din masa de sol adiacentă, ci și din lichidul pompat).

Extragerea căldurii dintr-un rezervor

Când folosiți un corp de apă din apropiere ca sursă de căldură, circuitul este așezat pe fund. Adâncime nu mai puțin de 2 metri. Coeficientul de conversie a energiei de către o pompă de căldură este același ca la extragerea căldurii din sol. Valoarea aproximativă a puterii termice pe 1 m de conductă este de 30 W. Astfel, pentru a instala o pompă de căldură cu o capacitate de 10 kW, este necesar să așezați în lac un circuit lung de 300 m. Pentru a preveni plutirea conductei în sus, pentru 1 rulare. m este instalat aproximativ 5 kg de marfă. Modele industriale: 70 - 80 kWh/m pe an.

Dacă căldura din circuitul extern încă nu este suficientă pentru încălzire în înghețuri severe, se practică operarea pompei în tandem cu un generator de căldură suplimentar (în astfel de cazuri, se vorbește despre utilizarea unei scheme de încălzire bivalentă). Când temperatura exterioară scade sub nivelul calculat (temperatura bivalentă), un al doilea generator de căldură este pornit - cel mai adesea un mic încălzitor electric .

Avantaje și dezavantaje

În primul rând, avantajele pompelor de căldură includ eficiența: pentru a transfera 1 kWh de energie termică către sistemul de încălzire, instalația trebuie să cheltuiască doar 0,2-0,35 kWh de energie electrică. Deoarece conversia energiei termice în energie electrică la centralele mari are loc cu o eficiență de până la 50%, eficiența utilizării combustibilului la utilizarea pompelor de căldură crește - trigenerarea . Simplificarea cerințelor pentru sistemele de ventilație și crește nivelul de siguranță la incendiu. Toate sistemele funcționează folosind bucle închise și nu necesită practic niciun cost de operare, în afară de costul energiei electrice necesar pentru exploatarea echipamentului.

Un alt avantaj al pompelor de căldură este capacitatea de a trece de la modul de încălzire iarna la modul de aer condiționat vara: doar în loc de radiatoare, ventiloconvectorul sau sistemele „ tavan rece ” sunt conectate la un colector extern.

Pompa de căldură este fiabilă, funcționarea sa este controlată de automatizare. În timpul funcționării, sistemul nu necesită întreținere specială, posibilele manipulări nu necesită abilități speciale și sunt descrise în instrucțiuni.

O caracteristică importantă a sistemului este natura sa pur individuală pentru fiecare consumator, care constă în alegerea optimă a unei surse stabile de energie de calitate scăzută, calculul coeficientului de conversie, rambursarea și alte lucruri.

Pompa de căldură este compactă (modulul său nu depășește dimensiunea unui frigider convențional) și este aproape silentioasă.

Deși ideea exprimată de Lord Kelvin în 1852 a fost realizată patru ani mai târziu, pompele de căldură au fost puse în practică abia în anii 1930. Până în 2012, în Japonia sunt în funcțiune peste 3,5 milioane de unități [17] , în Suedia, aproximativ 500.000 de case sunt încălzite cu diverse tipuri de pompe de căldură.

Dezavantajele pompelor de căldură geotermale utilizate pentru încălzire includ costul ridicat al echipamentelor instalate, necesitatea instalării complexe și costisitoare a circuitelor externe subterane sau subacvatice de schimb de căldură. Dezavantajul pompelor de căldură cu sursă de aer este eficiența mai mică de conversie a căldurii asociată cu punctul de fierbere scăzut al agentului frigorific din evaporatorul extern „aer”. Un dezavantaj comun al pompelor de căldură este temperatura relativ scăzută a apei încălzite, în majoritatea cazurilor nu mai mult de +50 ° C - +60 ° C, iar cu cât temperatura apei încălzite este mai mare, cu atât eficiența și fiabilitatea acesteia sunt mai mici. pompa de caldura.

Perspective

Pentru a instala o pompă de căldură, sunt necesare costuri inițiale: costul pompei și instalarea sistemului este de 300-1200 USD per 1 kW de putere de încălzire necesară. Timpul de amortizare al pompelor de căldură este de 4-9 ani, cu o durată de viață de 15-20 de ani înainte de revizie.

Există, de asemenea, o viziune alternativă cu privire la fezabilitatea economică a instalării pompelor de căldură. Deci, dacă o pompă de căldură este instalată cu fonduri luate pe credit, economiile din utilizarea pompei de căldură pot fi mai mici decât costul utilizării împrumutului. Prin urmare, se poate aștepta utilizarea în masă a pompelor de căldură în sectorul privat dacă costul echipamentului pompei de căldură este comparabil cu costul instalării încălzirii cu gaz și al conectării la rețeaua de gaz.

Și mai promițător este un sistem care combină o sursă geotermală și o pompă de căldură într-un singur sistem de alimentare cu căldură. În același timp, o sursă geotermală poate fi fie naturală (ieșire de ape geotermale) fie artificială (o fântână cu injectare de apă rece într-un strat adânc și ieșire la suprafața apei încălzite).

O altă posibilă aplicație a unei pompe de căldură ar fi combinarea acesteia cu sistemele de termoficare existente. În acest caz, consumatorului poate fi furnizată apă relativ rece, a cărei căldură este convertită de pompa de căldură în căldură cu un potențial suficient pentru încălzire. Dar, în același timp, datorită temperaturii mai scăzute a lichidului de răcire, pierderile pe drumul către consumator (proporționale cu diferența de temperatură dintre lichidul de răcire și mediu) pot fi reduse semnificativ. De asemenea, uzura conductelor de încălzire centrală va fi redusă, deoarece apa rece este mai puțin corozivă decât apa caldă.

Limitări de aplicabilitate a pompelor de căldură

Principalul dezavantaj al unei pompe de căldură este relația inversă dintre randamentul acesteia și diferența de temperatură dintre sursa de căldură și consumator. Acest lucru impune anumite restricții privind utilizarea sistemelor aer-apă. Valorile efective ale eficienței pompelor de căldură moderne sunt de aproximativ COP=2,0 la o temperatură a sursei de -20 °C și aproximativ COP=4,0 la o temperatură a sursei de +7 °C. Acest lucru duce la faptul că, pentru a asigura regimul de temperatură specificat al consumatorului la temperaturi scăzute ale aerului, este necesar să se utilizeze echipamente cu un exces semnificativ de capacitate, care este asociat cu utilizarea irațională a investițiilor de capital (cu toate acestea, acest lucru se aplică și oricăror alte surse de energie termică). Soluția la această problemă este utilizarea așa-numitei scheme de încălzire bivalentă, în care sarcina principală (de bază) este transportată de pompa de căldură, iar sarcinile de vârf sunt acoperite de o sursă auxiliară (boiler electric sau pe gaz). Capacitatea optimă a unei instalații cu pompă de căldură este de 60…70% din capacitatea instalată necesară, ceea ce afectează și prețul de achiziție al unei instalații de încălzire cu pompă de căldură. În acest caz, pompa de căldură asigură cel puțin 95% din necesarul de energie termică al consumatorului pentru întregul sezon de încălzire. Cu o astfel de schemă, factorul mediu de conversie a energiei sezoniere pentru condițiile climatice din Europa Centrală este de aproximativ COP=3. Factorul primar de utilizare a combustibilului pentru un astfel de sistem este ușor de determinat, pe baza faptului că randamentul centralelor termice variază de la 40% (centrale termice de tip condensare) la 55% (centrale cu ciclu combinat). În consecință, pentru instalația de pompă de căldură luată în considerare, factorul de utilizare a combustibilului primar este în intervalul 120%...165%, ceea ce este de 2...3 ori mai mare decât caracteristicile de performanță corespunzătoare ale cazanelor pe gaz (65%) sau ale sistemelor de încălzire centrală. (50...60%). Este clar că sistemele care utilizează o sursă de căldură geotermală sau căldură subterană nu prezintă acest dezavantaj. Pe măsură ce raportul de compresie al compresorului crește, temperatura de refulare crește, ceea ce limitează temperatura de condensare. Restricționarea gradului de compresie a compresorului și scăderea eficienței acestuia cu creșterea gradului de compresie duce la necesitatea utilizării sistemelor de încălzire la temperatură scăzută (sisteme de încălzire la suprafață, cum ar fi „pardoseală caldă”, perete cald, plint cald. , sisteme de încălzire a aerului folosind ventiloconvector etc.) . Această limitare se aplică numai sistemelor de încălzire cu radiatoare la temperatură înaltă. Odată cu dezvoltarea compresoarelor frigorifice au apărut compresoare care fac posibilă atingerea unor temperaturi ridicate de condensare folosind injecția de abur și freon lichid (freon) în procesul de compresie, ceea ce face posibilă creșterea raportului de compresie și reducerea supraîncălzirii compresorului. Ieșirea din această situație este posibilă prin utilizarea unui compresor inel de apă de înaltă presiune, unde în procesul de comprimare a aerului atmosferic, căldura este absorbită instantaneu de apă, obținându-se în același timp un dublu beneficiu: apă caldă + aer comprimat, ceea ce face posibilă. pentru a obține energie electrică atât pentru GPU cât și pentru GTP.

Din punct de vedere tehnic, performanța unei pompe de căldură la temperaturi scăzute este determinată de diferența de temperatură din interiorul evaporatorului și din exterior. Dacă temperatura este -30C în exterior și -40C în interiorul evaporatorului, atunci cantitatea de energie termică absorbită de agentul frigorific va fi scăzută. Cu toate acestea, dacă temperatura în evaporator este -100C, eficiența de absorbție va crește semnificativ. Dar aceasta va necesita o implementare tehnică adecvată, ceea ce nu este întotdeauna posibil datorită proprietăților agenților frigorifici industriali, sau se dovedește a fi prea scump. În orice caz, în comparație cu un aparat de aer condiționat convențional de uz casnic care funcționează în modul „răcire”, proiectarea unei pompe de căldură bidirecționale este mai scumpă și mai masivă, deoarece sunt necesare un evaporator mai masiv, un compresor mai eficient, un sistem de incalzire cu drenaj de iarna etc. De asemenea, pompele de căldură au cerințe mai mari pentru materiale și construcție, deoarece. elementele funcționează constant în moduri alternative (încălzire - răcire).

Scheme de bază de încălzire folosind pompe de căldură

Literatură

Vezi și

Note

  1. ↑ Pompă de căldură // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
  2. ↑ Articolul despre IEA HPT TCP Cum funcționează o pompă de căldură?  (engleză) . Preluat la 26 noiembrie 2019. Arhivat din original la 13 februarie 2021.
  3. ↑ Pompe de căldură - o soluție eficientă pentru criza energetică | dw | 21.08.2022 . DW.COM . Preluat: 22 august 2022.
  4. ↑ Pompe de căldură cu sursă de aer  . Laboratorul Național de Energie Regenerabilă. Consultat la 26 noiembrie 2019. Arhivat din original la 10 iulie 2018.
  5. ↑ Surse alternative de energie: ce trebuie să știți . Tendințe RBC . Consultat la 28 februarie 2022. Arhivat din original pe 28 februarie 2022.
  6. ↑ Butikov E. I., Bykov A. A., Kondratiev A. S. Fizica în exemple și probleme. - M., Nauka , 1989. - Tiraj 310.000 exemplare. - Cu. 212
  7. ↑ Vasiliev G.P. Alimentarea cu căldură și rece a clădirilor și structurilor folosind energia termică de grad scăzut a straturilor de suprafață ale Pământului (Monografie). Editura „Border”. M., „Steaua roșie” - 2006. - 220 ° C.
  8. ↑ Vasiliev G. P., Hrustachev L. V., Rozin A. G., Abuev I. M. și colab. Linii directoare pentru utilizarea pompelor de căldură folosind resurse de energie secundară și surse de energie regenerabilă netradițională // Guvernul Moscovei Moskomarchitectura, Întreprinderea Unitară de Stat „NIAC”, 2001.
  9. ↑ Burg Rabenstein Arhivat 11 septembrie 2010.
  10. ↑ Despre noi. Ce este IGSHPA? Arhivat pe 10 mai 2013 la Wayback Machine / Asociația internațională de pompe de căldură cu surse terestre 
  11. ↑ Balyan S. V. Termodinamică tehnică și motoare termice. - L., Mashinostroenie, 1973. - Tiraj 23.000 exemplare. - Cu. 141
  12. ↑ System Theory Models of Different Types of Heat Pumps Arhivat 18 iunie 2013 la Wayback Machine // Conferința WSEAS din Portoroz, Slovenia. 2007.  (engleză)
  13. ↑ Energy Savers: Types of Geothermal Heat Pump Systems Arhivat 29 decembrie 2010.
  14. ↑ Pompă de căldură Bedrock (link indisponibil) . Preluat la 19 august 2010. Arhivat din original la 24 decembrie 2013. 
  15. ↑ pompă de căldură spirală . Preluat la 29 iunie 2020. Arhivat din original la 30 iunie 2020.
  16. ↑ Vasiliev G.P. Alimentarea cu căldură și rece a clădirilor și structurilor folosind energia termică de grad scăzut a straturilor de suprafață ale Pământului (Monografie). Editura „Border”. M., „Steaua roșie” - 2006. - 220c.
  17. ↑ Dezvoltarea pieței pompelor de căldură în Japonia Copie de arhivă din 21 februarie 2014 pe Wayback Machine  - Portal-Energo.ru - eficiență energetică și economisire a energiei, 27.03.2013
  18. ↑ Încălzire geotermală. Pompe de caldura . Consultat la 15 iunie 2017. Arhivat din original la 19 aprilie 2018.
  19. ↑ Despre problema utilizării pompelor de căldură . Consultat la 15 iunie 2017. Arhivat din original la 12 octombrie 2016.