Hőszivattyú – a fűtéshez hőt veszünk a Föld bolygóról

A cikk tartalma

• A hőszivattyú előzményei
• A hőszivattyú kialakítása és működési elve
• A hőszivattyúk hőgyűjtőinek típusai
• A végén

Ebben a cikkben: A hőszivattyú története hogyan működik és működik a hőszivattyú; típusú hőszivattyúk; hőenergia levegőből, vízből és talajból; a végén – a hőszivattyú előnyei és hátrányai.

A téli hideg legyőzése érdekében a háztulajdonosok energiát és megfelelő fűtőkazánokat fogyasztanak, irigylem a szerencsésekre, akiknek földgázellátó vezetéke van otthonukba. Minden télen több ezer tonna fa, szén, olajtermékek égenek a kályhákban, megawatt villamos energiát fogyasztanak csillagászati ​​összegekből, amelyek évente növekednek, és úgy tűnik, hogy egyszerűen nincs más kiút. Időközben az állandó hőforrás mindig otthonunk közelében található, azonban a Föld lakosságának meglehetősen nehéz ezt észlelni. De mi van, ha bolygónk hőjét házak fűtésére használjuk? És ehhez van egy megfelelő eszköz – földi hőszivattyú.

A hőszivattyú előzményei

Az ilyen eszközök 1824-ben történő működésének elméleti igazolását Sadi Carnot, a francia fizikus adta ki, aki egyetlen gőzgép-motorral kapcsolatos munkáját publikálta, amely leírta a termodinamikai ciklust, amelyet 10 évvel később a fizikus, Benoit Cliperon megerősített és „Carnot ciklusnak” neveztek..

A hőszivattyú első laboratóriumi modelljét William Thomson angol fizikus, Lord Kelvin 1852-ben, a termodinamikai kísérletek során készítette. Mellesleg, a hőszivattyú Lord Kelvin-től kapta a nevét.

William Thomson, Kelvin báró

Ipari hőszivattyú-modellt 1856-ban épített Peter von Rittinger osztrák bányászati ​​mérnök, aki ezt az eszközt a sóoldat elpárologtatásához és a sós mocsarak ürítéséhez használták a száraz só kinyerésére..

Peter Ritter von Rittinger

A hőszivattyú azonban házak fűtésében való felhasználását az amerikai feltalálónak, Robert Webbernek köszönheti, aki a múlt század 40-es éveiben kísérletezett egy fagyasztóval. Robert észrevette, hogy a fagyasztót elhagyó cső forró, és úgy döntött, hogy ezt a hőt háztartási célokra használja fel, meghosszabbítva a csövet, és vízzel átvezetve a kazánon. A feltaláló ötlet sikeresnek bizonyult – attól a pillanattól kezdve a háztartásban rengeteg forró víz volt, miközben a hő egy részét céltalanul költötték el, elhagyva a légkört. Webber ezt nem tudta elfogadni, és tekercset adott a fagyasztó kimeneti nyílásához, mellette ventilátort helyezett el, amelynek eredményeként a ház levegőfűtésre került. Néhány idő múlva a találékony amerikai kitalálta, hogy szó szerint a talajból lehet hőt kinyerni, és egy rézcsövek rendszert temettek be rajtuk keresztül egy freonnal egy bizonyos mélységig. A gáz a talajban összegyűjtötte a hőt, eljuttatta a házba, adta el, majd visszajuttatta a földalatti hőgyűjtőhöz. A Webber által létrehozott hőszivattyú olyan hatékonynak bizonyult, hogy a ház fűtését teljes mértékben átengedte erre a létesítményre, elhagyva a hagyományos fűtőberendezéseket és az energiaforrásokat..

A Robert Webber által feltalált hőszivattyút sok éven át inkább abszurdnak tekintették, mint egy valóban hatékony hőenergia-forrást – az olajenergia bőséges volt, meglehetősen elfogadható áron. A megújuló hőforrások iránti érdeklődés a 70-es évek elején növekedett, köszönhetően az 1973-as olajembargónak, amelynek során az Öböl-országok egyhangúlag elutasították az olajszállítást az Egyesült Államokba és Európába. A kőolajtermékek hiánya az energiaárak hirtelen ugrását okozta – sürgős szükség van a helyzetből való kilépésre. Annak ellenére, hogy az embargó 1975-ben megszűnt, és az olajellátás helyreállt, az európai és az amerikai gyártók megbékéltek saját geotermikus hőszivattyúik modelleinek fejlesztésével, amelyek iránti igény azóta csak növekszik..

A hőszivattyú kialakítása és működési elve

Amikor belemerülünk a földkéregbe, amelynek felületén élünk és amelynek vastagsága szárazföldön körülbelül 50–80 km, a hőmérséklete megemelkedik – ennek oka a felső magma réteg közelsége, amelynek hőmérséklete megközelítőleg 1300 ° C. Legalább 3 méter mélységben a talaj hőmérséklete az év bármely szakában pozitív, minden mélységkilométerrel átlagosan 3–10 ° C-kal emelkedik. A talaj hőmérsékletének növekedése a mélységével nem csak az éghajlati zónától, hanem a talaj geológiájától, valamint a Föld adott területének endogén aktivitásától is függ. Például az afrikai kontinens déli részén a talajmélység kilométerenkénti hőmérséklet-emelkedése 8 ° C, Oregonban (USA), amelynek területén meglehetősen magas az endogén aktivitás – 150 ° C minden mélységkilométerenként. A hőszivattyú hatékony működéséhez azonban a hőt szolgáltató külső áramkört nem kell több száz méter alatt eltemetni – bármely 0 ° C-ot meghaladó közeg hőenergia-forrás lehet..

A hőszivattyú továbbítja a hőenergiát a levegőből, vízből vagy talajból, és a hűtőközeg összenyomódása (kompressziója) következtében a hőmérsékletet növeli a kívánt hőmérsékletre. A hőszivattyúknak két fő típusa van – a sűrítés és a szorpció.

A kompressziós hőszivattyú alapvető felépítése: 1 – talaj; 2 – sós vízkeringés; 3 – cirkulációs szivattyú; 4 – párologtató; 5 – kompresszor; 6 – kondenzátor; 7 – fűtési rendszer; 8 – hűtőközeg; 9 – fojtó

A zavaró név ellenére a kompressziós hőszivattyúk nem fűtőkészülékek, hanem hűtőberendezések, mivel ugyanazon az elvön működnek, mint bármely hűtőszekrény vagy légkondicionáló. A közismert hőszivattyú és a hűtőegységek közötti különbség az, hogy működéséhez általában két áramkör szükséges – egy belső áramkör, amelyben a hűtőközeg cirkulál, és egy külső áramkör, amelynek hűtőközeg-cirkulációja van..

Ennek az eszköznek a működése során a belső áramkörben lévő hűtőközeg a következő szakaszokon megy keresztül:

• a folyékony hűtött hűtőközeg a kapilláris nyíláson keresztül jut be az elpárologtatóba. A gyors nyomáscsökkentés hatására a hűtőközeg elpárolog és gáz halmazállapotúvá válik. A párologtató ívelt csövei mentén mozogva, és mozgás közben érintkezve egy gáznemű vagy folyékony hőhordozóval, a hűtőközeg alacsony hőmérsékleti hőenergiát kap belőle, majd a kompresszorba kerül;
• a kompresszorkamrában a hűtőközeget összenyomják, miközben a nyomása hirtelen emelkedik, ami a hűtőközeg hőmérsékletének emelkedését okozza;
• a kompresszorból a forró hűtőközeg követi az áramkört a kondenzátor tekercsében, amely hőcserélőként működik – itt a hűtőközeg hőt (kb. 80–130 ° C) bocsát ki a ház fűtőkörében keringő hűtőfolyadék számára. A hőenergia nagy részének elvesztése után a hűtőközeg folyékony állapotba tér vissza;
• ha a tágulási szelepen (kapillárison) halad át – ez a hőszivattyú belső körében helyezkedik el, a hőcserélő után -, a hűtőközegben a maradék nyomás csökken, miután belép a párologtatóba. Ettől a pillanattól kezdve a munkaciklus megismétlődik.

A levegő hőszivattyú működési elve

Így a hőszivattyú belső szerkezete kapillárisból (tágulási szelep), párologtatóból, kompresszorból és kondenzátorból áll. A kompresszor működését egy elektronikus termosztát vezérli, amely megszakítja a kompresszor tápellátását, és ezzel megállítja a hőtermelő folyamatot, amikor a házban a beállított levegő hőmérsékletet eléri. Amikor a hőmérséklet egy bizonyos szint alá esik, a termosztát automatikusan bekapcsolja a kompresszort.

Az R-134a vagy R-600a freonok hűtőközegként cirkulálnak a hőszivattyú belső áramkörében – az első tetrafluor-etán, a második izobután. Mindkét hűtőközeg biztonságos a Föld ózonrétegére és környezetbarát. A kompressziós hőszivattyúkat elektromos motor vagy belső égésű motor hajthatja meg.

A szorpciós hőszivattyúk abszorpciót használnak – egy fizikai-kémiai folyamatot, amelynek során a gáz vagy folyadék térfogata növekszik egy másik folyadék miatt hőmérséklet és nyomás hatására.

Az abszorpciós hőszivattyú vázlata: 1 – fűtött víz; 2 – lehűtött víz; 3 – melegítő gőz; 4 – fűtött víz; 5 – párologtató; 6 – generátor; 7 – kondenzátor; 8 – nem kondenzálható gázok; 9 – vákuumszivattyú; 10 – melegítő gőzkondenzátum; 11 – oldat-hőcserélő; 12 – gázszeparátor; 13 – abszorber; 14 – habarcs szivattyú; 15 – hűtőfolyadék szivattyú

Az abszorpciós hőszivattyúk földgáz hőkompresszorral vannak felszerelve. Áramkörükben van egy hűtőközeg (általában ammónia), amely alacsony hőmérsékleten és nyomáson elpárolog, miközben elnyeli a hőenergiát a keringető áramkört körülvevő környezetből. Gőz állapotban a hűtőközeg belép a hőcserélő-abszorbeálóba, ahol oldószer (általában víz) jelenlétében abszorbeálódik, és a hő átjut az oldószerbe. Az oldószert hőszifonnal szállítják, amely a hűtőközeg és az oldószer nyomáskülönbségén keresztül kering, vagy alacsony energiaszivattyúval, nagy kapacitású létesítményekben.

A hűtőközeg és az oldószer kombinációjának eredményeként, amelyek forráspontjai eltérőek, a hűtőközeg által szolgáltatott hő mindkettő elpárolog. A magas hőmérsékletű és nyomású gőzállapotú hűtőközeg az áramkör mentén belép a kondenzátorba, folyékony állapotba kerül és hőt bocsát ki a fűtési hálózat hőcserélőjére. A tágulási szelepen való áthaladás után a hűtőközeg visszatér eredeti termodinamikai állapotába, és az oldószer ugyanúgy visszatér eredeti állapotába.

Az abszorpciós hőszivattyúk előnyei a hőenergia bármely forrásából való működés és a mozgó elemek teljes hiánya, azaz a zajmentesség. Hátrányok – kevesebb energia a kompressziós egységekhez képest, magas költségek a konstrukció bonyolultsága és a nehezen feldolgozható korrózióálló anyagok használatának szükségessége miatt.

Abszorpciós hőszivattyú egység

Az adszorpciós hőszivattyúk szilárd anyagokat, például szilikagélt, aktív szént vagy zeolitot használnak. Az első, a deszorpciós fázisnak nevezett munkafolyamat során például a gázégőből hőenergiát juttatunk a hőcserélő kamrához, amelyet belülről szorbenssel borítunk. A hevítés a hűtőközeg (víz) elpárologtatását okozza, a kapott gőzt a második hőcserélőbe juttatják, amely az első fázisban kibocsátja a hőt, amely a gőz kondenzációja során keletkezik a fűtőrendszerbe. A szorbens teljes szárítása és a víz kondenzációjának befejezése a második hőcserélőben befejezi a munka első szakaszát – megáll a hőenergia-ellátás az első hőcserélő kamrájába. A második szakaszban a kondenzvíz-hőcserélő párologtatóvá válik, és hőenergiát szállít a külső környezetből a hűtőközegbe. Mivel a nyomásarány eléri a 0,6 kPa-t, a külső környezetből származó hő érintkezésével a hűtőközeg elpárolog – a vízgőz visszaáramlik az első hőcserélőbe, ahol a szorbensbe adszorbeálódik. Az a hő, amelyet a gőz adszorpciós folyamat során bocsát ki, a fűtőrendszerbe kerül, majd a ciklust megismételjük. Meg kell jegyezni, hogy az adszorpciós hőszivattyúk nem alkalmasak háztartási használatra – csak nagy épületekhez (400 m²), a kevésbé erős modellek még fejlesztés alatt állnak.

A hőszivattyúk hőgyűjtőinek típusai

A hőszivattyúk hőenergia-forrásai különbözőek lehetnek – geotermikus (zárt és nyitott típusú), levegő, másodlagos hő felhasználásával. Nézzük meg mindezen forrásokat részletesebben..

A földi hőszivattyúk a talajból vagy a talajvízből származó hőenergiát fogyasztják, és két típusra oszthatók – zárt és nyitott. A zárt hőforrásokat fel lehet osztani:

• Vízszintesen, míg a hőt gyűjtő gyűrű gyűrűkben vagy cikcakkokban található, legalább 1,3 méter mélységű árkokban (a fagyás mélysége alatt). A hőgyűjtő kör elhelyezésének ez a módja egy kis földterületnél hatékony.

Geotermikus fűtés vízszintes hőgyűjtővel

• Függőleges, azaz a hőgyűjtő kollektorát függőleges kutakba helyezik, amelyeket a talajba merítenek 200 m mélyre. Ez a kollektor elhelyezési módszer olyan esetekben alkalmazható, amikor nem lehetséges a kontúr vízszintes fektetése, vagy fennáll a táj zavarásának veszélye..

Geotermikus fűtés függőleges hőgyűjtővel

• Víz, míg az áramköri kollektor cikcakkban vagy gyűrű alakban van a tartály alján, a fagyás szintje alatt. A kutak fúrásával összehasonlítva ez a módszer a legolcsóbb, de a régiótól függően a tartály vízének mélységétől és teljes vízmennyiségétől függ..

Nyílt típusú hőszivattyúkban vizet használnak a hőcseréhez, amelyet a hőszivattyún való áthaladás után a földbe engednek. Ezt a módszert csak akkor lehet használni, ha a víz kémiai tisztaságú, és ha a felszín alatti vizet ebben a szerepben lehet használni a törvény szempontjából.

Nyílt típusú geotermikus fűtés

A levegőáramkörökben a levegőt hőenergia-forrásként használják.

Fűtés levegő hőszivattyúval

Másodlagos (származtatott) hőforrásokat általában a vállalkozásoknál használnak, amelyek működési ciklusa harmadik fél (parazita) hőenergia előállításához kapcsolódik, amely további felhasználást igényel.

Az első hőszivattyú-modellek teljesen hasonlóak voltak a fentiekben leírtakhoz, amelyeket Robert Webber talált ki – az áramkör rézcsövei, amelyek egyszerre működnek külső és belső állapotban, és a benne keringő hűtőközeg a földbe merültek. Az ilyen kivitelű párologtató a föld alatt, a fagyás mélységét meghaladó mélységben, vagy szögben (átmérő 40–60 mm) és 15–30 m mélységben fúrt szögletes vagy függőleges kutakban helyezkedik el. A közvetlen csereáramkör (ezt a nevet kapta) lehetővé teszi kis terület, és kis átmérőjű csövek használata közben, közbenső hőcserélő nélkül. A közvetlen csere nem igényli a hűtőfolyadék kényszerített pumpálását, mivel nincs szükség cirkulációs szivattyúra, akkor kevesebb áramot kell felhasználni. Ezenkívül egy közvetlen hőcserélő hőszivattyú alacsony hőmérsékleten is hatékonyan használható – bármilyen tárgy hőt bocsát ki, ha hőmérséklete abszolút nulla (-273,15 ° C) felett van, és a hűtőközeg -40 ° C hőmérsékleten elpárologhat. Egy ilyen áramkör hátrányai: nagy hűtőközeg-igény; magas rézcsövek költsége; a rézszakaszok megbízható csatlakoztatása csak forrasztással lehetséges, különben a hűtőközeg szivárgása nem kerülhető el; katódos védelem szükségessége savas talajban.

A hőnek a levegőből történő kivonása a legmegfelelőbb a forró éghajlathoz, mivel nulla alatti hőmérsékleten hatékonysága súlyosan csökken, ami további fűtési forrásokat igényel. A levegő hőszivattyúk előnye, hogy nincs szükség drága kutak fúrásához, mivel a külső áramkör párologtatóval és ventilátorral a háztól nem messze helyezkedik el. Mellesleg, bármely monoblokkos vagy osztott légkondicionáló rendszer képviseli az egyáramú léghőszivattyút. Például 24 kW teljesítményű levegő hőszivattyú költsége körülbelül 163 000 rubel.

Levegő hőszivattyú

A tározóból származó hőenergiát műanyag csövekből álló áramkörnek egy folyó vagy tó aljára történő kivonásával nyerik ki. A mélység 2 m-től kezdve a csöveket az aljára nyomják, teherrel 5 kg / méter hosszú. Körülbelül 30 W hőenergiát nyernek minden ilyen áramköri mérőórából, azaz 10 kW hőszivattyúhoz 300 m teljes hosszúságú áramkörre lesz szükség. Egy ilyen áramkör előnyei viszonylag olcsók és könnyen telepíthetők, hátrányok – súlyos fagyok esetén hőenergiát nem lehet előállítani..

A hőszivattyú körének elhelyezése a tartályban

A talajból hő kinyerése érdekében egy PVC csőhurkot egy gödörbe helyeznek, amelyet legalább fél méterrel meghaladnak a fagyás mélységét. A csövek közötti távolságnak körülbelül 1,5 m-nek kell lennie, és a benne keringő hűtőfolyadék fagyálló (általában víz-sóoldat). A talaj kontúrjának hatékony működése közvetlenül kapcsolódik a talaj nedvességtartalmához az elhelyezés pontjában – ha a talaj homokos, vagyis nem képes vizet tartani, akkor a kontúr hosszát megközelítőleg meg kell duplázni. A hőszivattyú az éghajlati zónától és a talaj típusától függően átlagosan 30–60 W hőenergiát képes kiszolgálni a talaj kontúrjának futóméterén. A 10 kW-os hőszivattyú 400 m-es áramkört igényel egy 400 m2-es telken². A talajköri hőszivattyú költsége körülbelül 500 000 rubel.

A vízszintes kontúr lerakása a talajba

A kőzetből a hő visszaszerzéséhez vagy 168–324 mm átmérőjű kutak 100 méteres mélységére vagy több, a sekélyebb mélységű kút elhelyezésére van szükség. Mindegyik lyukba egy kontúr van leengedve, amely két műanyag csőből áll, amelyeket a legalacsonyabb ponton egy súlyként működő fém U-alakú cső köt össze. A fagyálló kering a csöveken – csak 30% etil-alkohol oldat, mivel szivárgás esetén nem károsítja a környezetet. A beépített kontúrral ellátott kút végül feltöltődik a talajvízzel, amely hőt szolgáltat a hűtőfolyadékhoz. Egy ilyen kút minden métere körülbelül 50 W hőenergiát szolgáltat, azaz 10 kW teljesítményű hőszivattyú számára 170 m kutyát kell fúrni. Ahhoz, hogy több hőenergiát nyerjünk, nem célszerű 200 m-nél mélyebb fúrtat fúrni – jobb, ha több kisebb kút készül 15-20 m távolságra közöttük. Minél nagyobb a fúrólyuk átmérője, annál sekélyebbre van szüksége fúrni, ugyanakkor nagyobb hőenergia-felvételt ér el – kb. 600 W futóméterenként.

Geotermikus szonda felszerelése

A talajba vagy a tartályba helyezett kontúrokkal összehasonlítva a kút kontúrja minimális helyet foglal el a helyszínen, maga a kút bármilyen típusú talajban készíthető, beleértve a kőzetet is. A kútkörből származó hőátadás az év bármely szakaszában és bármilyen időjárásban stabil. Egy ilyen hőszivattyú megtérülése azonban évtizedekig tart, mivel a telepítése több mint egymillió rubelt fog fizetni a háztulajdonosnak..

A végén

A hőszivattyúk előnye a nagy hatékonyság, mivel ezek az egységek óránként legfeljebb 350 watt villamos energiát fogyasztanak, hogy óránként egy kilovatt hőenergiát nyerjenek. Összehasonlításképpen: az üzemanyag elégetésével villamos energiát előállító erőművek hatékonysága nem haladja meg az 50% -ot. A hőszivattyú rendszer automatikus üzemmódban működik, használat közben a működési költségek rendkívül alacsonyak – csak a kompresszor és a szivattyú működtetéséhez szükséges áram. A hőszivattyú egység általános méretei megközelítőleg megegyeznek a háztartási hűtőszekrények méretével, az üzem közbeni zajszint egybeesik a háztartási hűtőegység ugyanazon paraméterével..

„Sós víz” hőszivattyú

A hőszivattyú hőenergia előállítására és eltávolítására is felhasználható – az áramkörök működését hűtésre állítva, miközben a ház helyiségeiből származó hőenergia a külső áramkörön keresztül a talajba, vízbe vagy levegőbe kerül..

A hőszivattyú alapú fűtési rendszer egyetlen hátránya a magas költségek. Európában, valamint az Egyesült Államokban és Japánban a hőszivattyú-telepítés meglehetősen gyakori – Svédországban több mint félmillió, Japánban és az Egyesült Államokban (különösen Oregon államban) – több millió. A hőszivattyúk népszerűsége ezekben az országokban annak köszönhető, hogy a kormányzati programok támogatások és kompenzációk formájában támogatják azokat a háztulajdonosokat, akik ilyen létesítményeket telepítettek..

Nem kétséges, hogy a közeljövőben a hőszivattyúk Oroszországban is szokatlanul vesznek részt, tekintettel a földgáz éves áremelkedésére, amely manapság a hőszivattyúk egyetlen versenytársa a hőenergia előállításának pénzügyi költségei szempontjából..