Енергія Землі. Теплові насоси Схема, опис

Безкоштовна технічна бібліотека

ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ
Безкоштовна бібліотека / Схеми радіоелектронних та електротехнічних пристроїв

Енергія Землі. Теплові насоси Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Безкоштовна технічна бібліотека

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Альтернативні джерела енергії

Коментарі до статті

Півтора століття тому британський фізик Вільям Томсон вигадав пристрій під назвою "помножувач тепла", заснований на наступних фізичних явищах:

речовина витрачає енергію при випаровуванні та віддає енергію при конденсації;
температура кипіння речовини змінюється разом із тиском.

В результаті і з'явився тепловий насос - пристрій для перенесення теплової енергії від джерела з нижчою температурою до джерела з вищою температурою, фактично - це холодильник з джерелом нижчої температури у зовнішньому середовищі або кондиціонер, що працює на нагрівання.

Принцип роботи теплового насоса заснований на тому, що холодоагент випаровується в камері з низьким тиском і температурою і конденсується в камері з високим тиском і температурою, здійснюючи таким чином перенесення енергії (тепла) від холодного тіла до нагрітого, тобто в напрямку, в якому мимовільний теплообмін неможливий.

Як низькопотенційне джерело теплової енергії для обігріву будинку може бути використане тепло природного походження (зовнішнє повітря; тепло ґрунтових, артезіанських та термальних вод; води річок. озер. морів та інших незамерзаючих природних водойм). Теплові насоси комплектуються системою керування та автоматики, що підтримує заданий режим роботи теплового насоса.

Енергетична ефективність застосування теплових насосів залежить від температури низькопотенційного джерела і буде тим вищою, чим вищу температуру він матиме

Теплові насоси не належать до дешевого обладнання. Початкові витрати на встановлення цих систем дещо вищі за вартість звичайних систем опалення та кондиціювання. Однак якщо розглядати експлуатаційні витрати. то початкові вкладення геотермальне обігрів, охолодження і гаряче водопостачання швидко окупаються з допомогою енергозбереження. Крім того, необхідно враховувати, що при роботі теплового насоса не потрібні додаткові комунікації, крім побутової електричної мережі.

Продуктивність теплового насоса (відношення кількості теплоти, переданої тілу до витраченої роботи) в ідеальному випадку дорівнює:

а = Т вих / (Т вих - Т вх.),

де Т вих. та T вх. - температури, відповідно, на виході та на вході насоса.

Влаштування теплового насоса

Основними елементами теплового насоса є з'єднані трубопроводом випарник, компресор, конденсатор та регулятор потоку - дросель, детандер або вихрова труба. Схематично тепловий насос можна представити у вигляді системи з трьох замкнутих контурів: у першому, зовнішньому, циркулює тепловіддатник (теплоносій, що збирає теплоту навколишнього середовища), у другому - речовина, яка випаровується, відбираючи теплоту віддавача, і конденсується, віддаючи теплоту теплоприймачу, у третьому - теплоприймач (вода в системах опалення та гарячого водопостачання будівлі).

Енергія Землі. Теплові насоси
Рис.1. Схема роботи теплового насоса: 1 – теплообмінники у свердловинах (система теплозбору); 2 - контур незамерзаючого теплоносія (тосол); 3 – тепловий насос; 4 - контур опалювальної води

Зовнішній контур (колектор) є укладеним у землю або у воду (напр., поліетиленовий) трубопровід, в якому циркулює незамерзаюча рідина - антифриз. Джерелом низькопотенційного тепла може бути ґрунт, скельна порода, озеро, річка, море і навіть вихід теплого повітря із системи вентиляції будь-якого промислового підприємства.

У другому контурі, де циркулює холодоагент, як і в побутовому холодильнику, вбудовані теплообмінники - випарник і конденсатор, а також пристрої, які змінюють тиск холодоагенту - дросель, що розпилює його в рідкій фазі (вузький калібрований отвір) і стискає його вже в газоподібному стані компресор.

Конструкції геотермальних насосів

При роботі цих систем використовується відновлюване тепло сонячного випромінювання, яке накопичене у землі:

насос із відкритим циклом (теплоносій подається безпосередньо з водойми і після проходження циклу охолодженим повертається назад);
насос із закритим циклом (теплоносій прокачується через замкнутий контур, який може бути прокладений глибоко в землі або дном водойми. Це екологічно безпечніший метод, ніж відкритий цикл);
насос із горизонтальним теплообмінником (замкнений контур теплообмінника укладається горизонтально у глибокі траншеї);
насос з вертикальним теплообмінником (замкнутий контур теплообмінника встановлюється вертикально у підготовлені отвори. Застосовується у важкому ґрунті або при обмеженості простору ділянки. Найбільш ефективним вважається тепловий насос із замкнутим циклом: теплоносій прокачується через замкнутий контур, який може бути прокладений глибоко в землі або по дну водоймища ).

Робочий цикл теплового насосу

Рідкий холодоагент продавлюється через дросель, його тиск падає, і він надходить у випарник, де закипає, відбираючи теплоту, що поставляється колектором із навколишнього середовища. Далі газ, на який перетворився холодоагент, всмоктується в компресор, стискається і, нагрітий, виштовхується в конденсатор Конденсатор є вузлом теплонасоса, що тепловіддає: тут теплота приймається водою в системі опалювального контуру. При цьому газ охолоджується і конденсується, щоб знову піддатися розрядженню в розширювальному вентилі і повернутися до випарника. Після цього робочий цикл починається спочатку.

Ефективність теплового насосу

У процесі роботи компресор витрачає електроенергію. На кожну витрачену кіловат-годину електроенергії тепловий насос виробляє 2,5-5 кіловат-годин теплової енергії. Співвідношення теплової енергії і споживаної електричної називається коефіцієнтом трансформації (або коефіцієнтом перетворення теплоти) і служить показником ефективності теплового насоса. Ця величина залежить від різниці рівня температур у випарнику та конденсаторі: чим більша різниця, тим менша ця величина.

З цієї причини тепловий насос повинен використовувати якомога більше джерела низькопотенційного тепла, не прагнучи домогтися його сильного охолодження. Справді, у своїй зростає ефективність теплового насоса, оскільки за слабкому охолодженні джерела тепла немає значного зростання різниці температур. З цієї причини теплові насоси роблять так, щоб маса низькотемпературного джерела тепла була значно більшою, ніж маса, що нагрівається.

Відмінність теплового насоса від паливних джерел тепла полягає в тому, що для роботи, крім енергії для компресора, йому потрібне також джерело низькопотенційного тепла, у той час як у традиційних джерелах тепла тепло залежить виключно від теплотворної здатності палива.

Проблема прив'язки теплового насоса до джерела низькопотенційного тепла, що має велику масу, може бути вирішена введенням в тепловий насос системи масопереносу, наприклад, системи прокачування води. Так влаштовано систему центрального опалення Стокгольма.

Умовний ККД теплових насосів

Тепловий насос здатний, використовуючи високопотенційні джерела енергії, "накачати" у приміщення (у відсотках від витраченої) від 200% до 600% низькопотенційної теплової енергії. У цьому немає порушення закону збереження енергії, тому що при цьому охолоджується довкілля.

Теоретично застосування теплових насосів для обігріву приміщень ефективніше за газові котли. Сучасні парогазотурбінні установки на електростанціях мають ККД трохи менший ККД газових котлів. В результаті при переході електроенергетики на сучасне обладнання та при застосуванні теплових насосів можна отримати економію газу до 3-5 разів у порівнянні з газовими казанами. Насправді доводиться враховувати накладні витрати на передачу, перетворення та розподілення електроенергії (тобто послуги енергомереж). У результаті відпускна вартість електрики в 3-5 разів перевищує його собівартість, що зводить нанівець застосування в загальному прогресивної технології. У зв'язку з цим доцільно використовувати електрику від альтернативних джерел (хвильові, вітрові, сонячні електростанції) або комбінувати генерацію електрики з газу з використанням його тут же на місці для отримання тепла в тепловому насосі.

Рекомендації щодо експлуатації теплового насосу

При використанні як джерела тепла енергії гранту трубопровід, в якому циркулює антифриз, заривають у землю на 30-50 см нижче за рівень промерзання ґрунту в даному регіоні. Мінімальна рекомендована відстань між трубами колектора – 0,8 1 м. Спеціальної підготовки ґрунту не потрібно. Але бажано використовувати ділянку з вологим ґрунтом, якщо ж вона суха, контур треба зробити довшим. Орієнтовне значення теплової потужності, що припадає на l м трубопроводу – 20-30 Вт. Таким чином, для встановлення теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідний земляний контур довжиною 350-450 м для укладання якого буде потрібна ділянка землі площею близько 400 м2 (20x20 м). При правильному розрахунку контур не впливає зелені насадження.
Якщо вільної ділянки для прокладання колектора немає або як джерело тепла використовується скеляста порода, трубопровід опускається в свердловину. Не обов'язково використовувати одну глибоку свердловину – можна пробурити кілька неглибоких, дешевших, щоб отримати загальну розрахункову глибину. Іноді як свердловин використовують фундаментні палі.
Орієнтовно на 1 погонний метр свердловини припадає 50-60 Вт теплової енергії. Таким чином, для встановлення теплового насоса продуктивністю 10 кВт потрібна свердловина глибиною 170 м.
Холодоагент подається безпосередньо до джерела земного типу, що забезпечує високу ефективність геотермальної опалювальної системи. Випарник встановлюють у фунт горизонтально нижче глибини промерзання або свердловини діаметром 40-60 мм, пробурені вертикально або під ухилом до глибини 15-30 м. Завдяки такому інженерному рішенню пристрій теплообмінного контуру виробляється на площі всього декількох квадратних метрів, не вимагає установки проміжного теплобмінника і додаткових витрат за роботу циркуляційного насоса.
При використанні джерела тепла прилеглої водойми контур укладається на дно. Цей варіант прийнято вважати ідеальним не дуже довгий зовнішній контур висока температура навколишнього середовища (температура води у водоймі взимку завжди плюсова; високий коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом).
Орієнтовне значення теплової потужності на 1 м трубопроводу – 30 Вт. Таким чином, для встановлення теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідно укласти в озеро контур довжиною 300 м. Щоб трубопровід не випливав, на 1 пог. м встановлюється близько 5 кг вантажу
Для отримання тепла із теплого повітря (наприклад, із витяжки системи вентиляції) використовується спеціальна модель теплового насоса з повітряним теплообмінником. Тепло з повітря для системи опалення та гарячого водопостачання також можна збирати на виробничих підприємствах.
Якщо тепла із зовнішнього контуру все ж таки недостатньо для опалення в сильні морози, практикується експлуатація насоса в парі з додатковим генератором тепла (у таких випадках говорять про використання бівалентної схеми опалення). Коли вулична температура опускається нижче за розрахунковий рівень (температури бівалечтності в роботу включається другий генератор тепла - найчастіше невеликий електронагрівник.

Переваги та недоліки теплового насосу

До переваг теплових насосів в першу чергу слід віднести економність: для передачі в систему опалення I кВт год теплової енергії установці необхідно витратити всього 0,2-0,35 кВт год електроенергії. Оскільки перетворення теплової енергії на електричну на великих електростанціях відбувається з ККД до 50%, ефективність використання палива при застосуванні теплових насосів підвищується. Спрощуються вимоги до систем вентиляції приміщень та підвищується рівень пожежної безпеки. Всі системи функціонують із використанням замкнутих контурів і практично не вимагають експлуатаційних витрат, крім вартості електроенергії, яка потрібна для роботи обладнання.

Ще однією перевагою теплових насосів є можливість перемикання з режиму опалення взимку на режим кондиціювання влітку: просто замість радіаторів до зовнішнього колектора підключаються фен-койли.

Тепловий насос надійний, його роботою керує автоматика. У процесі експлуатації система не потребує спеціального обслуговування, можливі маніпуляції не вимагають особливих навичок та описані в інструкції.

Важливою особливістю системи є суто індивідуальний характер для кожного споживача, який полягає в оптимальному виборі стабільного джерела низькопотенційної енергії, розрахунку коефіцієнта перетворення, окупності та іншого.

Теплонасос компактний (його модуль за розмірами не перевищує звичайний холодильник) і практично безшумний.

До недоліків теплових насосів, що використовуються для опалення, слід зарахувати велику вартість встановленого обладнання.

Дивіться інші статті розділу Альтернативні джерела енергії.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Розчинний транзистор 22.09.2010

У Стенфордському університеті (США) створено транзистор на основі біосумісних електропровідних полімерів із напівпровідниковими властивостями.

Вміщений у середу, що імітує умови в тканинах організму, він здатний працювати протягом місяця, а за наступні 40 днів розчиняється майже без залишку. Мікросхеми на основі таких транзисторів зможуть знайти застосування у тимчасових імплантах, наприклад, у пристроях, що поступово подають у кров певні ліки, потрібні протягом місяця.

До початку реального застосування необхідно знизити напругу, на якій працює біорозчинний транзистор. Зараз йому потрібна напруга 40 вольт, а для роботи в організмі допустима напруга не вище двох вольт.

Інші цікаві новини:

▪ Синхронізація бортового комп'ютера автомобіля з iPhone та годинником Apple Watch

▪ Поганий сон шкодить коханню

▪ MSP430FG6626 - мікроконтролер для портативних вимірювальних пристроїв

▪ Нова схема управління складними роботизованими системами

▪ Мережа для надшвидкого Інтернету

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Охорона праці. Добірка статей

▪ стаття Пожежа в поїзді. Основи безпечної життєдіяльності

▪ стаття Яка далека від нас найближча зірка? Детальна відповідь

▪ стаття Акушерка. Посадова інструкція

▪ стаття Фарбування вовни. Прості рецепти та поради

▪ стаття Загадки про комах та павуків

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт