Топлинна помпа – за отопление взимаме топлина от планетата Земя

Съдържанието на статията

• История на термопомпите
• Конструкция и принцип на работа на термопомпата
• Видове топлинни колектори за термопомпи
• Накрая

В тази статия: Историята на топлинната помпа как работи и работи термопомпата; видове термопомпи; топлинна енергия от въздух, вода и почва; в края – плюсовете и минусите на термопомпите.

С цел да победят зимния студ, собствениците на жилища търсят енергия и подходящи отоплителни котли, завиждат на късметлиите, чиито къщи са снабдени с комуникации, които доставят природен газ. Всяка зима в пещите се изгарят хиляди тонове дърва, въглища, нефтопродукти, консумират се мегавати електроенергия за астрономически количества, които се увеличават всяка година и изглежда, че просто няма друг изход. Междувременно един постоянен източник на топлинна енергия винаги се намира близо до домовете ни, но населението на Земята е доста трудно да го забележи в това си качество. Но какво ще стане, ако използваме топлината на нашата планета за отопление на къщи? И за това има подходящо устройство – заземен термопомпа.

История на термопомпите

Теоретичната обосновка на работата на подобни устройства през 1824 г. е предоставена от френския физик Сади Карно, който публикува единствената си работа върху парните двигатели, в която е описан термодинамичният цикъл, който е математически и графично потвърден 10 години по-късно от физика Беноа Клиперон и наречен „цикъл на Карно“.

Първият лабораторен модел на термопомпа е създаден от английския физик Уилям Томсън, лорд Келвин през 1852 г., по време на експериментите му в термодинамиката. Между другото, термопомпата получи името си от лорд Келвин..

Уилям Томсън, барон Келвин

Моделът на промишлената термопомпа е построен през 1856 г. от австрийския минен инженер Петер фон Ритингер, който използва това устройство за изпаряване на солен разтвор и изтичане на солени блата за извличане на суха сол.

Питър Ритер фон Ритингер

Въпреки това, термопомпата дължи използването си в отоплителни къщи на американския изобретател Робърт Уебър, който експериментира с фризер в края на 40-те години на миналия век. Робърт забеляза, че тръбата, която напуска фризера, е гореща и реши да използва тази топлина за битови нужди, като удължи тръбата и я прекара през бойлера с вода. Идеята на изобретателя се оказа успешна – от този момент домакинството имаше изобилие от топла вода, докато част от топлината се изразходваше безцелно, напускайки атмосферата. Уебър не можа да приеме това и добави намотка към изхода от фризера, до който постави вентилатор, което доведе до инсталация за отопление с въздух на къщата. След известно време изобретателният американец разбрал, че е възможно да извлича топлина буквално от земята под краката си и заровил система от медни тръби с фреон, циркулиращ през тях на определена дълбочина. Газът събира топлина в земята, доставя я в къщата и я раздава, след което се връща обратно в подземния колектор за топлина. Топлинната помпа, създадена от Уебър, се оказа толкова ефективна, че напълно прехвърли отоплението на къщата към тази инсталация, изоставяйки традиционните отоплителни устройства и енергийните източници..

Топлинната помпа, изобретена от Робърт Уебър, дълги години се считаше повече за абсурд, отколкото за наистина ефективен източник на топлинна енергия – петролната енергия е в изобилие, на доста разумни цени. Интересът към възобновяеми източници на топлина нараства в началото на 70-те, благодарение на петролното ембарго от 1973 г., по време на което страните от Персийския залив единодушно отказват да доставят нефт за Съединените щати и Европа. Недостигът на петролни продукти предизвика рязък скок в цените на енергията – спешна нужда да се излезе от ситуацията. Въпреки последващото премахване на ембаргото през 1975 г. и възстановяване на доставките на петрол, европейските и американските производители се сблъскаха с разработването на свои собствени модели термопомпи за наземни източници, установеното търсене на които оттогава нараства..

Конструкция и принцип на работа на термопомпата

Докато потъваме в земната кора, на повърхността на която живеем и чиято дебелина на сушата е около 50–80 км, нейната температура се повишава – това се дължи на близостта на горния слой магма, чиято температура е приблизително 1300 ° C. На дълбочина от 3 метра или повече температурата на почвата е положителна по всяко време на годината; с всеки километър дълбочина тя се повишава средно от 3-10 ° C. Повишаването на температурата на почвата с нейната дълбочина зависи не само от климатичната зона, но и от геологията на почвата, както и от ендогенната активност в дадена област на Земята. Например в южната част на африканския континент покачването на температурата на километър дълбочина на почвата е 8 ° C, а в щата Орегон (САЩ), на територията на която се отбелязва доста висока ендогенна активност – 150 ° C за всеки километър дълбочина. Въпреки това, за ефективна работа на термопомпата, външната верига, която доставя топлина към нея, не е необходимо да бъде погребана стотици метри под земята – всяка среда с температура над 0 ° C може да бъде източник на топлинна енергия..

Термопомпата пренася топлинната енергия от въздух, вода или почва, повишавайки температурата по време на прехвърлянето до необходимата температура поради компресията (компресията) на хладилния агент. Има два основни типа термопомпи – компресия и сорбция.

Основната структура на компресионна термопомпа: 1 – земята; 2 – циркулация на саламура; 3 – циркулационна помпа; 4 – изпарител; 5 – компресор; 6 – кондензатор; 7 – отоплителна система; 8 – хладилен агент; 9 – дросел

Въпреки объркващото име, компресионните термопомпи не са отоплителни устройства, а хладилни устройства, тъй като работят на същия принцип като всеки хладилник или климатик. Разликата между добре познатата ни термопомпа и хладилни агрегати е, че като правило за работата му са необходими две вериги – вътрешна, в която циркулира хладилният агент, и външна, с циркулация на охлаждащата течност..

По време на работа на това устройство хладилният агент във вътрешната верига преминава през следните етапи:

• охладеният хладилен агент в течно състояние влиза в изпарителя през отвора на капиляра. Под влияние на бързо понижаване на налягането хладилният агент се изпарява и се превръща в газообразно състояние. Движейки се по извитите тръби на изпарителя и контактувайки в процеса на движение с газообразен или течен топлоносител, хладилният агент получава нискотемпературна топлинна енергия от него, след което влиза в компресора;
• в камерата на компресора хладилният агент се компресира, докато налягането му рязко се повишава, което причинява повишаване на температурата на хладилния агент;
• От компресора горещият хладилен агент следва веригата в кондензаторната бобина, която действа като топлообменник – тук хладилният агент отделя топлина (около 80-130 ° C) на охлаждащата течност, циркулираща в отоплителния кръг на къщата. Като загуби по-голямата част от топлинната енергия, хладилният агент се връща в течно състояние;
• при преминаване през разширителния клапан (капилярен) – той се намира във вътрешната верига на термопомпата, следвайки топлообменника – остатъчното налягане в хладилния агент намалява, след което той влиза в изпарителя. От този момент работният цикъл се повтаря отново.

Принцип на работа на термопомпата с източник на въздух

По този начин вътрешната структура на термопомпата се състои от капиляр (разширителен клапан), изпарител, компресор и кондензатор. Работата на компресора се контролира от електронен термостат, който прекъсва захранването на компресора и по този начин спира процеса на генериране на топлина при достигане на зададената температура на въздуха в къщата. Когато температурата падне под определено ниво, термостатът автоматично включва компресора.

Фреони R-134a или R-600a циркулират като хладилен агент във вътрешната верига на термопомпата – първата се основава на тетрафлуороетан, втората се основава на изобутан. И двата хладилни агента са безопасни за озоновия слой на Земята и са екологични. Компресионните термопомпи могат да бъдат задвижвани от електродвигател или двигател с вътрешно горене.

Сорбционните термопомпи използват абсорбция – физикохимичен процес, при който газ или течност се увеличават в обем поради друга течност под влияние на температура и налягане.

Принципна схема на абсорбционна термопомпа: 1 – загрята вода; 2 – охладена вода; 3 – загряваща пара; 4 – загрята вода; 5 – изпарител; 6 – генератор; 7 – кондензатор; 8 – некондензируеми газове; 9 – вакуумна помпа; 10 – отоплителен парен кондензат; 11 – разтворен топлообменник; 12 – газов сепаратор; 13 – абсорбатор; 14 – хоросанна помпа; 15 – помпа за охлаждаща течност

Абсорбционните термопомпи са оборудвани с термокомпресор с природен газ. В тяхната верига има хладилен агент (обикновено амоняк), който се изпарява при ниска температура и налягане, като в същото време абсорбира топлинна енергия от околната среда, обграждаща циркулационната верига. В състояние на пара хладилният агент влиза в абсорбера на топлообменника, където в присъствието на разтворител (обикновено вода) той се абсорбира и топлината се прехвърля към разтворителя. Разтворителят се доставя с помощта на термосифон, който циркулира чрез разликата в налягането между хладилен агент и разтворител, или помпа с ниска енергия в инсталации с голям капацитет.

В резултат на комбинирането на хладилния агент и разтворителя, чиито температури на кипене са различни, топлината, подавана от хладилния агент, води до изпаряване и на двата. Хладилният агент в състояние на пара, имащ висока температура и налягане, навлиза в кондензатора по веригата, превръща се в течно състояние и отделя топлина към топлообменника на отоплителната мрежа. След преминаване през разширителния вентил, хладилният агент преминава в първоначалното си термодинамично състояние, по същия начин, по който разтворителят се връща в първоначалното си състояние.

Предимствата на абсорбционните термопомпи са възможността за работа от всеки източник на топлинна енергия и пълното отсъствие на подвижни елементи, т.е. безшумност. Недостатъци – по-малка мощност в сравнение с компресионните единици, висока цена поради сложността на дизайна и необходимостта от използване на устойчиви на корозия материали, които са трудни за обработка.

Абсорбционен термопомпа

Адсорбционните термопомпи използват твърди материали като силикагел, активен въглен или зеолит. По време на първия работен етап, наречен фаза на десорбция, топлинната енергия се подава в камерата на топлообменника, която е покрита със сорбент отвътре, от газова горелка, например. Загряването води до изпаряване на хладилния агент (вода), получената пара се доставя във втория топлообменник, който в първата фаза отделя топлината, получена по време на кондензацията на парата в отоплителната система. Пълното изсушаване на сорбента и завършването на водната кондензация във втория топлообменник завършва първия етап на работа – доставката на топлинна енергия в камерата на първия топлообменник спира. На втория етап кондензираният воден топлообменник се превръща в изпарител, доставяйки топлинна енергия от външната среда към хладилния агент. В резултат на съотношението на налягане, достигащо 0,6 kPa, при контакт на топлина от външната среда, хладилният агент се изпарява – водната пара изтича обратно в първия топлообменник, където се адсорбира в сорбента. Топлината, която парата отделя по време на процеса на адсорбция, се прехвърля в отоплителната система, след което цикълът се повтаря. Трябва да се отбележи, че адсорбционните термопомпи не са подходящи за битова употреба – те са предназначени само за големи сгради (от 400 м²), по-малко мощните модели все още се разработват.

Видове топлинни колектори за термопомпи

Източниците на топлинна енергия за термопомпите могат да бъдат различни – геотермални (от затворен и отворен тип), въздушни, с помощта на вторична топлина. Нека разгледаме всеки от тези източници по-подробно..

Термопомпите на наземния източник консумират топлинна енергия от земята или подземните води и са разделени на два вида – затворени и отворени. Затворените източници на топлина се подразделят на:

• Хоризонтален, докато колекторът, който събира топлина, е разположен на пръстени или зигзаги в окопи с дълбочина 1,3 метра или повече (под дълбочината на замръзване). Този метод за поставяне на веригата на колектора на топлина е ефективен за малка площ на земята.

Геотермално отопление с хоризонтален колектор за топлина

• Вертикален, т.е. колекторът на топлинния колектор се поставя във вертикални кладенци, потопени в земята до дълбочина 200 м. Този метод за поставяне на колектора се прибягва в случаите, когато не е възможно да се положи контур хоризонтално или има опасност от нарушаване на пейзажа.

Геотермално отопление с вертикален колектор за топлина

• Вода, докато колекторът на веригата е разположен по зигзагообразен или пръстеновиден начин на дъното на резервоара, под нивото на неговото замръзване. В сравнение с сондажни кладенци този метод е най-евтиният, но зависи от дълбочината и общия обем на водата в резервоара, в зависимост от региона..

При термопомпите от отворен тип се използва вода за топлообмен, която след преминаване през термопомпата се изхвърля обратно в земята. Възможно е да се използва този метод само ако водата е химически чиста и ако използването на подземни води в тази роля е допустимо от гледна точка на закона.

Геотермално отопление от отворен тип

Във въздушните вериги съответно въздухът се използва като източник на топлинна енергия.

Отопление с въздушна термопомпа

Вторичните (производни) топлинни източници се използват като правило в предприятия, чийто работен цикъл е свързан с производството на трета страна (паразитна) топлинна енергия, която изисква допълнително използване.

Първите модели термопомпи бяха напълно подобни на описания по-горе дизайн, изобретен от Робърт Уебър – медни тръби на веригата, действащи едновременно като външни и вътрешни, с хладилния агент, циркулиращ в тях, бяха потопени в земята. Изпарителят в такава конструкция е бил разположен под земята на дълбочина, надвишаваща дълбочината на замръзване, или в ъглови или вертикални кладенци, пробити под ъгъл (диаметър от 40 до 60 мм) до дълбочина от 15 до 30 м. Директната обменна верига (получила това име) позволява нейното поставяне на малка площ и когато използвате тръби с малък диаметър, направете без междинен топлообменник. Директният обмен не изисква принудително изпомпване на охлаждащата течност, тъй като няма нужда от циркулационна помпа, тогава се изразходва по-малко електроенергия. В допълнение, термопомпа с директен обменен контур може да се използва ефективно дори при ниски температури – всеки обект отделя топлина, ако температурата му е над абсолютната нула (-273.15 ° C), а хладилният агент може да се изпари при температури до -40 ° C. Недостатъци на тази верига: големи изисквания за хладилен агент; висока цена на медни тръби; надеждно свързване на медни секции е възможно само чрез запояване, в противен случай не може да се избегне изтичане на хладилен агент; необходимостта от катодна защита в кисели почви.

Приемът на топлина от въздуха е най-подходящ за горещ климат, тъй като при минусови температури неговата ефективност ще намалее сериозно, което ще изисква допълнителни източници на отопление. Предимството на въздушните термопомпи е, че няма нужда от скъпо пробиване на кладенци, тъй като външната верига с изпарител и вентилатор е разположена в район, недалеч от къщата. Между другото, всяка моноблокова или разделена климатична система е представител на едноконтурна въздушна термопомпа. Цената на въздушна термопомпа с мощност например 24 kW е около 163 000 рубли.

Термопомпа с източник на въздух

Топлинната енергия от резервоара се извлича чрез полагане на верига от пластмасови тръби на дъното на река или езеро. Дълбочината на полагане от 2 метра тръбите се притискат към дъното с товар с размери 5 кг на метър дължина. Около 30 W топлинна енергия се извлича от всеки работещ метър на такава верига, тоест за термопомпа от 10 кВт ще е необходима схема с обща дължина 300 м. Предимствата на такава верига са сравнително ниска цена и лесна инсталация, недостатъците – при силни студове е невъзможно да се получи топлинна енергия.

Полагане на веригата на термопомпата в резервоар

За извличане на топлина от земята, контур от PVC тръба се поставя в яма, изкопана на дълбочина, превишаваща дълбочината на замръзване с поне половин метър. Разстоянието между тръбите трябва да бъде около 1,5 m, охлаждащата течност, циркулираща в тях, е антифриз (обикновено водна солна луга). Ефективната работа на почвения контур е пряко свързана със съдържанието на влага в почвата в точката на нейното поставяне – ако почвата е песъчлива, тоест не може да задържа вода, тогава дължината на контура трябва да бъде приблизително удвоена. Термопомпата може да извлича средно от 30 до 60 W топлинна енергия от метър на почвения контур, в зависимост от климатичната зона и вида на почвата. За термопомпа от 10 кВт ще е необходима верига от 400 метра, положена върху парцел с площ 400 м2². Цената на термопомпа с почвена верига е около 500 000 рубли.

Полагане на хоризонталния контур в земята

Възстановяването на топлината от скалата ще изисква или полагане на кладенци с диаметър от 168 до 324 мм до дълбочина 100 метра, или изпълнение на няколко кладенци с по-малка дълбочина. Във всеки кладенец се спуска контур, състоящ се от две пластмасови тръби, свързани в най-ниската точка с метална U-образна тръба, която действа като тежест. Антифризът циркулира през тръбите – само 30% разтвор на етилов алкохол, тъй като в случай на теч няма да навреди на околната среда. Кладенецът с контура, инсталиран в него, в крайна сметка ще се запълни с подземни води, които ще доставят топлина на охлаждащата течност. Всеки метър от такъв кладенец ще даде около 50 W топлинна енергия, т.е. за термопомпа с мощност 10 кВт ще е необходимо да се пробият 170 м кладенец. За да получите повече топлинна енергия, не е изгодно да пробивате кладенец по-дълбок от 200 m – по-добре е да направите няколко по-малки кладенци на разстояние 15-20 m между тях. Колкото по-голям е диаметърът на сондажа, толкова по-плик е необходимо да се пробие, като в същото време се постига по-голям прием на топлинна енергия – около 600 W на метър.

Монтаж на геотермална сонда

В сравнение с контурите, разположени в земята или резервоара, контурът в кладенеца заема минимално пространство на площадката, самият кладенец може да бъде направен във всякакъв вид почва, включително скала. Топлопредаването от веригата на кладенеца ще бъде стабилно по всяко време на годината и при всяко време. Изплащането на такава термопомпа обаче ще отнеме няколко десетилетия, тъй като инсталирането й ще струва на собственика на жилището повече от милион рубли..

Накрая

Предимството на термопомпите е тяхната висока ефективност, тъй като тези агрегати консумират не повече от 350 вата електроенергия на час, за да получат един киловат топлинна енергия на час. За сравнение, ефективността на електроцентралите, които генерират електричество чрез изгаряне на гориво, не надвишава 50%. Системата за термопомпа работи в автоматичен режим, експлоатационните разходи по време на нейното използване са изключително ниски – за работа на компресора и помпите е необходимо само електричество. Общите размери на инсталацията за термопомпа са приблизително равни на размерите на домакински хладилник, нивото на шума по време на работа също съвпада със същия параметър на домакински хладилен агрегат.

Термопомпа „саламура“

Термопомпата може да се използва както за получаване на топлинна енергия, така и за нейното отстраняване – чрез превключване на работата на веригите към охлаждане, докато топлинната енергия от помещенията на къщата ще бъде отстранена чрез външната верига в земята, водата или въздуха.

Единственият недостатък на отоплителната система на основата на термопомпа е високата й цена. В Европа, както и в САЩ и Япония, инсталациите за термопомпи са доста често срещани – в Швеция има повече от половин милион, а в Япония и САЩ (особено в щата Орегон) – няколко милиона. Популярността на термопомпите в тези страни се дължи на подкрепата им от правителствени програми под формата на субсидии и компенсации на собствениците на жилища, които са инсталирали такива инсталации..

Няма съмнение, че в близко бъдеще термопомпите ще престанат да бъдат нещо чуждо и в Русия, предвид годишното увеличение на цените на природния газ, който днес е единственият конкурент на термопомпите по отношение на финансовите разходи за получаване на топлинна енергия..