Hő pumpa

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. augusztus 22-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 23 szerkesztést igényelnek .

A hőszivattyú  egy hőmotor , egy olyan berendezés, amely a hőenergiát a forrásból a fogyasztóhoz továbbítja. Ellentétben a spontán hőátadással, amely mindig forró testről hidegre megy végbe, a hőszivattyú az ellenkező irányba viszi át a hőt [1] . A hőszivattyú működéséhez külső energiaforrásra van szüksége. A leggyakoribb hőszivattyú-konstrukció egy kompresszorból , egy hőtágulási szelepből, egy elpárologtatóból és egy kondenzátorból áll . Az ezekben az alkatrészekben keringő hűtőfolyadékot hűtőközegnek [2] nevezzük .

A hőszivattyúk figyelemre méltó példái a hűtőszekrények és a légkondicionálók . A hőszivattyúk fűtésre és hűtésre egyaránt használhatók [3] . Ha a hőszivattyút fűtésre használjuk, az ugyanolyan típusú termodinamikai ciklust valósít meg , mint a hűtőszekrény, de ellenkező irányban, hőt bocsát ki a fűtött helyiségben, és hőt vesz fel a hidegebb környezeti levegőből [4] .

A Nemzetközi Energia Ügynökség előrejelzései szerint 2020-ra a hőszivattyúk biztosítják az OECD-országok fűtési energiaszükségletének 10% -át, 2050-re pedig 30%-át [5]

Általános információk

A világon ma üzemeltetett hőszivattyús berendezéspark alapját a gőzkompressziós hőszivattyúk képezik, de alkalmaznak abszorpciós , elektrokémiai és termoelektromos hőszivattyúkat is .

Hagyományos fűtés alkalmazásakor olyan energiaforrással, amely mechanikai munkavégzésre használható , a fűtési rendszerbe jutó hőmennyiség megegyezik ezzel a munkával .

Ha ezt a munkát használják a hőszivattyú meghajtására, akkor a fűtött test által kapott hő nagyobb lesz, mint az elvégzett munka . Legyen a fűtési rendszerben lévő víz hőmérséklete , a fűtött helyiség környezetének hőmérséklete pedig legyen , és . Ekkor a fűtési rendszer által kapott hőmennyiség . Így minél kevésbé tér el a fűtési rendszer hőmérséklete a környezeti hőmérséklettől , annál nagyobb nyereséget ad a hőszivattyú a munka hővé alakításához képest [6] .

Az értéket a hőszivattyú transzformációs arányának nevezzük. A hőszivattyú, vagy hőszivattyús hőellátó rendszer (HST) „Ktr” transzformációs együtthatója a hőellátó rendszerből elvitt hasznos hőnek a fogyasztóhoz viszonyított aránya a hőszivattyús hőellátó rendszer működésére fordított energiához , és számszerűen egyenlő a Тout és Тin hőmérsékleten kapott hasznos hő mennyiségével, a HP vagy a TST meghajtására fordított energiaegységre vonatkoztatva. A valós átalakulási arány az ideálistól, amelyet az (1 1) képlet ír le, a h együttható értékével tér el, amely figyelembe veszi a GTST termodinamikai tökéletességének mértékét és a ciklus megvalósítása során bekövetkező visszafordíthatatlan energiaveszteségeket. A [7] -ben a hőszivattyús hőellátó rendszer valós és ideális transzformációs viszonyainak (Ktr) függése a kis potenciálú Тin hőforrás hőmérsékletétől és a fűtési rendszerbe távozó hő hőmérsékleti potenciáljától Тout szerepel. A függőségek felépítésénél a TST h termodinamikai tökéletességi fokát 0,55-nek vettük, a kondenzátorban és a hőszivattyús elpárologtatóban a hőmérsékletkülönbséget (a freon és a hűtőközeg hőmérséklete közötti különbséget) 7 °C-nak adtuk. A hőcserélő berendezés valós paramétereinek figyelembevétele szempontjából a h termodinamikai tökéletesség fokának, valamint a fűtő- és hőgyűjtő rendszer freonja és hőhordozói közötti hőmérséklet-különbségnek ezek az értékei közel állnak a valósághoz ( hőszivattyúk kondenzátor és elpárologtató), valamint a keringtető szivattyúk, automatizálási rendszerek, elzáró- és szabályozószelepek meghajtásához szükséges elektromos energia kapcsolódó költségei.

Általánosságban elmondható, hogy a h hőszivattyús hőellátó rendszerek termodinamikai tökéletességének foka számos paramétertől függ, mint például: kompresszor teljesítménye, hőszivattyú-alkatrészek gyártási minősége és visszafordíthatatlan energiaveszteségek, amelyek viszont magukban foglalják:

Az 1-1. táblázatok a termodinamikai tökéletesség h fokának "átlagos" értékeit mutatják be a modern hőszivattyús hőellátó rendszerekben használt egyes típusú kompresszorok esetében.

1-1. táblázat. A modern hőszivattyús fűtési rendszerekben használt egyes kompresszortípusok hatékonysága

teljesítmény, kWt Kompresszor típusa Hatásfok
(termodinamikai tökéletesség foka)
h, mértékegységek töredékei.
300-3000 nyitott centrifugális 0,55-0,75
50-500 nyitott dugattyú 0,5-0,65
20-50 félig hermetikus 0,45-0,55
2-25 Lezárt, R-22-vel 0,35-0,5
0,5-3,0 Lezárt, R-12-vel 0,2-0,35
<0,5 Zárt <0,25

A hűtőhöz hasonlóan a hőszivattyú is energiát fogyaszt a termodinamikai ciklus megvalósításához (kompresszorhajtás). A hőszivattyú konverziós tényezője - a hőteljesítmény és a villamosenergia-fogyasztás aránya - az elpárologtató és a kondenzátor hőmérsékletétől függ. A hőszivattyúk hőellátásának hőmérsékleti szintje ma már 35 °C és 55 °C között változhat, ami szinte bármilyen fűtési rendszer használatát lehetővé teszi. Az energiaforrások megtakarítása eléri a 70%-ot [8] . A műszakilag fejlett országok ipara gőzkompressziós hőszivattyúk széles skáláját állítja elő 5-1000 kW hőteljesítménnyel.

Történelem

A hőszivattyúk koncepcióját még 1852-ben a kiváló brit fizikus és mérnök, William Thomson (Lord Kelvin) dolgozta ki, majd Peter Ritter von Rittinger osztrák mérnök fejlesztette tovább és részletezte . Peter Ritter von Rittingert tartják a hőszivattyú feltalálójának, aki 1855-ben tervezte és telepítette az első ismert hőszivattyút [9] . A hőszivattyú gyakorlati alkalmazását azonban jóval később, pontosabban a XX. század 40-es éveiben nyerte el, amikor a feltaláló-rajongó Robert C. Webber fagyasztóval kísérletezett [10] . Egy nap Weber véletlenül megérintett egy forró csövet a kamra kijáratánál, és rájött, hogy a hőt egyszerűen kidobták. A feltaláló átgondolta, hogyan használja fel ezt a hőt, és úgy döntött, hogy egy csövet tesz egy kazánba, hogy melegítse a vizet. Ennek eredményeként Weber olyan mennyiségű meleg vizet biztosított családjának, amelyet fizikailag nem tudtak felhasználni, miközben a felmelegített víz hőjének egy része a levegőbe került. Ez arra késztette, hogy elgondolkodjon, hogy a víz és a levegő egyidejűleg melegíthető egy hőforrásból, ezért Weber továbbfejlesztette találmányát, és elkezdte a forró vizet spirálisan vezetni (egy tekercsen keresztül ), és egy kis ventilátort használt a hő elosztására. a házat felfűteni. Idővel Webernek támadt az ötlete, hogy „kiszivattyúzza” a hőt a földből, ahol a hőmérséklet nem sokat változott az év során. Rézcsöveket helyezett a földbe, amelyeken keresztül freon keringett , ami "összegyűjtötte" a föld hőjét. A gáz lecsapódott, feladta hőjét a házban, és ismét áthaladt a tekercsen, hogy felvegye a következő hőmennyiséget. A levegőt egy ventilátor indította el, és keringtette az egész házban. A következő évben Weber eladta régi széntűzhelyét.

Az 1940-es években a hőszivattyú rendkívüli hatékonyságáról volt ismert, de az igazi igény az 1973-as olajválság után jelent meg , amikor az alacsony energiaárak ellenére érdeklődés mutatkozott az energiatakarékosság iránt .

Hatékonyság

Működés közben a kompresszor áramot fogyaszt. A szivattyúzott hőenergia és a felhasznált elektromos energia arányát transzformációs aránynak (vagy teljesítménytényezőnek (COP rövidítése a teljesítménytényező rövidítése) nevezzük, és   a hőszivattyú hatásfokának mutatójaként szolgál. A következő képletet használjuk COP kiszámítása:

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

ahol

 a dimenzió nélküli együttható;  a szivattyú által végzett munka [J];  a hőszivattyú által alacsony minőségű hőforrásból felvett hő [J];  — a fogyasztó által kapott hő [J]. k- hatékonysági tényező

Az A értéke megmutatja, hogy a hőszivattyúnak mennyi munkát kell végeznie egy bizonyos mennyiségű hő "szivattyúzásához". Ez az érték az elpárologtató és a kondenzátor hőmérsékleti szintje közötti különbségtől függ: vagyis a hűtőfolyadék hőmérsékletének a „készülék hideg részében” mindig alacsonyabbnak kell lennie, mint az alacsony minőségű hőforrás hőmérséklete, hogy az alacsony minőségű hőforrásból származó energia önkényesen áramolhat a hűtőközegbe vagy a munkaközegbe (a termodinamika második törvénye) .

vagyis a COP = 2 azt jelenti, hogy a hőszivattyú kétszer annyi hasznos hőt ad át, mint amennyit a munkájára fordít.

Példa:

A hőszivattyú Ptn = 1 kW-ot fogyaszt, COP = 3,0 - azt jelenti, hogy a fogyasztó Ptn * COP = 1 * 3 = 3 kW-ot kap;

a fogyasztó Pp = 3 kW, COP = 3,0 - azt jelenti, hogy a hőszivattyú Pp / COP = 3 / 3 = 1 kW

úgy gondoljuk, hogy a kompresszor vagy az azt helyettesítő folyamat hatásfoka 100%

Emiatt a hőszivattyúnak a lehető legnagyobb alacsony minőségű hőforrást kell használnia anélkül, hogy megpróbálná elérni az erős hűtést. Valójában ebben az esetben a hőszivattyú hatásfoka növekszik, mivel a hőforrás gyenge hűtésével megmarad annak a lehetősége, hogy a hő spontán áramoljon a gyenge hőforrásból a hőhordozóba. Emiatt a hőszivattyúk ügyelnek arra, hogy az alacsony minőségű hőforrás hőtartaléka (C * m * T, c a hőkapacitás, m a tömeg, T a hőmérséklet) a lehető legnagyobb legyen.

Például: a gáz (munkaközeg) energiát ad le a hőszivattyú „forró” részére (ehhez a gázt összenyomják), majd alacsony hőforrás alá hűtik (fojtószelep hatás (Joule- Thomson-effektus) használható). A gáz az alacsony minőségű hőforrásba kerül, és onnan melegszik fel, majd a ciklus megismétlődik.

A hőszivattyú alacsony minőségű, nagy hőtartalékkal rendelkező hőforráshoz való kötésének problémája megoldható, ha a hőszivattyúba olyan hőhordozó rendszert vezetünk be, amely hőt ad át a munkaközegnek. Ilyen közvetítők lehetnek a jelentős hőkapacitású anyagok, mint például a víz.

Jól látható, hogy egy hatékony gép felépítéséhez olyan munkaközeget kell kiválasztani, hogy a kompresszióhoz (a munkaközegből hő kinyeréséhez) a kompresszor minimális energiát használjon fel, és a lehető legkevesebbet ( a lehetséges források száma meredeken növekszik) a munkaközeg hőmérséklete akkor lenne, ha azt alacsony minőségű hőforráshoz vezetnék.

Hőszivattyúk feltételes hatásfoka

A hőszivattyú hatásfoka sokakat megzavar, mert ha egy „nyilvánvaló számítást” végez, akkor az alapvetően nagyobb, mint 1, de a hőszivattyú működése tulajdonképpen teljesen az energiamegmaradás törvénye alá tartozik. A „nyilvánvaló számítás” hibája, hogy ha magát a hőszivattyút „fekete doboznak” tekintjük, akkor valóban kevesebb energiát fogyaszt a készülék, mint amennyi hőt termel, ami alapvető.

Az ilyen számítások azonban egyszerűen hibásak, és nem veszik figyelembe az elfogyasztott elektromosságon kívül az energiaforrást. Ilyen forrás általában meleg levegő vagy a Nap, illetve geotermikus folyamatok által felmelegített víz. A készülékben lévő villamos energiát nem közvetlenül fűtésre fordítják, hanem csak egy alacsony minőségű hőforrás energiájának „koncentrálására”, amely általában energiát biztosít a kompresszor működéséhez. Vagyis a hőszivattyúnak két energiaforrása van - elektromos áram és egy alacsony minőségű hőforrás, és a "nyilvánvaló számítások" nem veszik figyelembe a második forrást, és tévesen kapnak egynél nagyobb értékeket.

Példa :

Fogyasszon a hőszivattyú 1 kW-ot az elektromos hálózatról és adjon 4 kW-ot a fogyasztónak, és vegyen el 5 kW-ot alacsony feszültségű forrásból.

A Pconsumer/Pnetwork = 4/1 = 4 típus számítása hibás, mivel nem veszi figyelembe a gyenge hőforrást.

A hőszivattyú hatásfokának helyes számítása:

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

Általában meglehetősen nehéz megbecsülni, hogy a hőszivattyú mennyi hőt ad át egy alacsony minőségű hőforrásból, ami hibához vezet.

Ha azonban a kispotenciálú hőforrást is figyelembe vesszük a számításnál, akkor a gép hatásfoka alapvetően egységnyinél kisebb lesz. A félreértések elkerülése érdekében együtthatókat vezettünk be: COP és a termodinamikai tökéletesség mértéke. A COP azt mutatja meg, hogy a fogyasztónak átadott hőenergia hányszor haladja meg a kispotenciálú forrás hőátadásához szükséges munkamennyiséget, a termodinamikai tökéletesség mértéke pedig azt mutatja meg, hogy a valós hőszivattyú-ciklus milyen közel áll az ideális hőciklushoz.

Levegős hőszivattyú teljesítményének kiválasztása

Az éghajlati viszonyok figyelembe vétele, a ház hőelosztó rendszerének elemzése és a körökben az előremenő hőmérséklet meghatározása után, figyelembe véve a fő egységek és a segédmodulok lehetséges elhelyezkedését, kiszámításra kerül a hőszivattyú hőteljesítménye. A HP hőteljesítményének elegendőnek kell lennie az épület összes hőveszteségének teljes fedezésére az év leghidegebb időszakában.

Jobb, ha minden számítást szakemberre bíz, azonban a teljesítmény előzetes felméréséhez önálló számítást is végezhet.

Először is meghatározzák a ház fűtéséhez és melegvízellátásához szükséges hőterhelést.

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

ahol 0,050 kW / m2 egy szigetelt ház hővesztesége; 200 - a ház területe.

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

ahol 0,25 a melegvízellátás hőteljesítménye 1 főre vonatkoztatva; 4 - a házban élők száma.

Ptotal=10+1=11kW

A hőmérséklet-különbség és a bivalenciapont figyelembevételével a HP hőteljesítményének számított értéke:

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

ahol +20, -7, -22 a helyiség levegő hőmérsékletének, a bivalenciapont hőmérsékletének és a külső tervezési hőmérsékletnek az értékei.

Hasonlóképpen, a megfelelő hőbevitel szerint a HP szükséges teljesítményét az otthoni klímaberendezésen végzett munka során határozzák meg. Ezután válassza ki a legközelebbi nagy mutatókkal rendelkező modellt.

A hő- és hidegellátó rendszer hatékonysága a számítások helyességétől és műveltségétől függ.

A hőszivattyúk típusai

A működési elvtől függően a hőszivattyúkat kompressziós és abszorpciós hőszivattyúkra osztják . A kompressziós hőszivattyúkat mindig mechanikai energia (villamos energia) hajtja, míg az abszorpciós hőszivattyúk hőt is használhatnak energiaforrásként (villamos energia vagy tüzelőanyag felhasználásával).
Ismertek olyan félvezető hőszivattyúk is, amelyek a Peltier-effektust használják munkájuk során [11] . A hőelszívás forrásától függően a hőszivattyúkat a következőkre osztják: [12]  :

1) Geotermikus (a föld, a talaj vagy a felszín alatti talajvíz hőjének felhasználása)

a) zárt típusú

A kollektort gyűrűkben vagy tekercselve vízszintes árkokban helyezik el a talajfagyás mélysége alatt (általában 1,2 m-től vagy annál nagyobbtól) [13] . Ez a módszer a legköltséghatékonyabb lakóépületeknél, feltéve, hogy nincs hiány a kontúrhoz.

A kollektort függőlegesen, legfeljebb 200 m mély kutakba helyezik el [14] . Ezt a módszert olyan esetekben alkalmazzák, amikor a földterület nem teszi lehetővé a kontúr vízszintes elhelyezését, vagy fennáll a táj károsodásának veszélye.

A kollektort kanyargósan vagy gyűrűkben egy tározóban (tó, tó, folyó) a fagymélység alatt helyezzük el. Ez a legolcsóbb lehetőség, de egy adott régióban megkövetelik a víz minimális mélységét és térfogatát a tározóban.

Az előző típusoktól eltérően a hűtőközeget a hőszivattyú kompresszora szállítja az alábbi rézcsöveken keresztül:

A hűtőközeg hőszivattyús kompresszor általi keringtetése és a freon hőcseréje közvetlenül a nagyobb hővezető képességű rézcső falán keresztül biztosítja a geotermikus fűtési rendszer nagy hatékonyságát és megbízhatóságát. Ezenkívül ennek a technológiának a használata lehetővé teszi a kutak fúrásának teljes hosszának csökkentését, ezáltal csökkentve a DX Direct Exchange hőszivattyú telepítési költségeit.

b) nyílt típusú
Ez a rendszer hőcserélő folyadékként a talajhőszivattyús rendszeren keresztül nyílt körfolyamatban közvetlenül keringő vizet használ, vagyis a rendszeren áthaladó víz visszakerül a talajba. Ez a lehetőség csak akkor valósítható meg a gyakorlatban, ha elegendő mennyiségű, viszonylag tiszta víz áll rendelkezésre, és feltéve, hogy a talajvíz felhasználásának ezt a módját jogszabály nem tiltja.

2) Levegő (a levegő a hőelszívás forrása) A levegőt alacsony minőségű hőenergia forrásaként használják fel. Sőt, a hőforrás nemcsak a kültéri (légköri) levegő, hanem az épületek elszívott (általános vagy helyi) szellőztetése is lehet.

3) Származtatott (másodlagos) hő felhasználása (például egy központi fűtési vezeték hője). Ez az opció a legmegfelelőbb olyan ipari létesítmények számára, ahol kóbor hőforrások vannak, amelyeket ártalmatlanítani kell .

Az ipari modellek típusai

A bemeneti és kimeneti körökben lévő hűtőfolyadék típusa szerint a szivattyúkat nyolc típusra osztják: "talaj-víz", "víz-víz", "levegő-víz", "talaj-levegő", "víz-levegő" , "levegő-levegő" " freon-víz", "freon-levegő". A hőszivattyúk felhasználhatják a helyiségből kibocsátott levegő hőjét, miközben a befújt levegőt - rekuperátorokat fűtik .

Hő kinyerése a levegőből

Egy bizonyos hőenergia-forrás hatásfoka és megválasztása erősen függ az éghajlati viszonyoktól, különösen, ha a hőelvonás forrása légköri levegő. Valójában ez a típus inkább klímaberendezésként ismert. A forró országokban több tízmillió ilyen eszköz van. Az északi országokban a fűtés a legjelentősebb télen. Levegő-levegő és levegő-víz rendszereket télen is alkalmaznak mínusz 25 fokos hőmérsékleten, egyes modellek -40 fokig tovább működnek. De hatásfokuk alacsony, körülbelül 1,5-szeres, és a fűtési szezonban átlagosan körülbelül 2,2-szeres az elektromos fűtőtestekhez képest. Súlyos fagyok esetén további fűtést alkalmaznak. Ha a fő fűtési rendszer hőszivattyús teljesítménye nem elegendő, további hőellátási források kapcsolódnak be. Az ilyen rendszert bivalensnek nevezik.

Hő kinyerése kőzetből

A kőzethez kellő mélységű (100-200 méter) vagy több ilyen kutat kell fúrni. Egy U alakú súlyt engednek a kútba két műanyag csővel, amelyek a kontúrt alkotják. A csövek fagyállóval vannak feltöltve. Környezetvédelmi okokból ez 30%-os etil-alkohol oldat. A kút természetes módon feltöltődik talajvízzel, és a víz a kőből a hőt a hűtőfolyadékba vezeti. A kút elégtelen hosszúsága vagy a talajból történő többletteljesítmény megszerzése esetén ez a víz és még fagyálló is megfagyhat, ami korlátozza az ilyen rendszerek maximális hőteljesítményét. A visszaküldött fagyálló hőmérséklete az automatizálási áramkör egyik mutatója. Körülbelül 50-60 W hőteljesítményt számolnak el a kút 1 lineáris méterére. Így egy 10 kW teljesítményű hőszivattyú telepítéséhez kb 170 m mély kút szükséges, 200 méternél mélyebbre nem érdemes fúrni, olcsóbb több kisebb mélységű kutat készíteni 10-20 méterrel egymástól. Akár egy 110-120 nm-es kis házhoz is. alacsony energiafogyasztás mellett a megtérülési idő 10-15 év. Szinte minden forgalomban lévő berendezés nyáron üzemel, miközben a hőt (lényegében a napenergiát) a helyiségből veszik el, és a kőzetben vagy a talajvízben oszlatják el. A sziklás talajú skandináv országokban a gránit masszív radiátorként működik, nyáron/nappal hőt vesz fel, télen/éjszaka pedig visszavezeti. Ezenkívül a hő folyamatosan érkezik a Föld beléből és a talajvízből.

Hő kinyerése a talajból

A leghatékonyabb, de egyben a legdrágább konstrukciók már több méteres mélységben biztosítják a hő kinyerését a talajból, amelynek hőmérséklete egész évben nem változik, így a telepítés az időjárástól gyakorlatilag független. Alapján 2006-ban Svédországban félmillió, Finnországban 50 000, Norvégiában pedig 70 000 ilyen berendezést telepítettek évente. A gyakorlatban 0,7-1,2 méter . A gyártók által javasolt minimális távolság a kollektorcsövek között 1,2 ... 1,5 méter. Itt nincs szükség fúrásra, de nagyobb területen kiterjedtebb feltárásra van szükség, és nagyobb a csővezeték sérülésének veszélye. A hatásfok megegyezik a kút hőkivételével. Speciális talaj-előkészítés nem szükséges. De kívánatos egy nedves talajú helyet használni, de ha száraz, akkor a kontúrt hosszabbra kell tenni. A hőteljesítmény hozzávetőleges értéke a csővezeték 1 m-ére vonatkoztatva: agyagban - 50-60 W, homokban - 30-40 W mérsékelt szélességeken, északon az értékek kisebbek. Így a 10 kW teljesítményű hőszivattyú telepítéséhez 350-450 m hosszú földelőkörre van szükség, amelynek lefektetéséhez körülbelül 400 m²-es (20x20 m) földterületre lesz szükség. Helyes számítással a kontúr kevés hatással van a zöldfelületekre .

Spirális elosztó

A spirális tartály a függőleges kutak és a vízszintes tartály kombinációja. Ott alkalmazzák, ahol geológiai okok miatt a fúrás nagyon költséges (például gránitlap előfordulása). Drágább, mint a vízszintes kollektor opció, mivel ehhez vékonyabb (általában 25 mm-es) csőspirálokat kell előre legyártani, amelyek magassága 2-3 méter. Szükség van előre gyártott kutakra is, mivel az átmérő csökkenése miatt a rendszerben lévő cső teljes hossza megnő. [tizenöt]

Vegyes

A 218-324 mm átmérőjű kutakban a kút szükséges mélysége jelentősen, 50-70 m-re csökkenthető, a hőenergia-kivétel legalább 700 W-ra növelhető 1 lineáris méterenként. m-es kutak és biztosítják az egész éves működés stabilitását [16] lehetővé teszi egy vízkút kútjában elhelyezett hőszivattyú primer konverterének aktív körének használatát ( búvárszivattyús kutakban használják , cső nélküli vízemelő berendezés, amely folyadékáramlást hoz létre a fúrólyukban, átfújva a szivattyúzott folyékony hőcserélő kör áramával a hőszivattyú primer konverterének hűtőközegével, növelve a hőkivonást nemcsak a szomszédos talajtömegből, hanem a szivattyúzott folyadékból).

Hő kinyerése tározóból

Ha egy közeli víztestet használnak hőforrásként, az áramkört az aljára kell fektetni. Mélysége nem kevesebb, mint 2 méter. A hőszivattyú energiaátalakítási együtthatója ugyanaz, mint a talajból történő hőkivételnél. A csővezeték 1 m-ére eső hőteljesítmény hozzávetőleges értéke 30 W. Így a 10 kW teljesítményű hőszivattyú telepítéséhez 300 m hosszú kört kell lefektetni a tóban A csővezeték felúszásának megakadályozása érdekében 1 futásra. m van telepítve körülbelül 5 kg rakomány. Ipari kivitelek: évi 70 - 80 kWh/m.

Ha a külső körből származó hő még mindig nem elegendő a fűtéshez súlyos fagyok esetén, akkor a szivattyút egy további hőtermelővel párhuzamosan működtetik (ilyen esetekben kétértékű fűtési rendszer használatáról beszélnek). Amikor a külső hőmérséklet a számított szint (a bivalens hőmérséklet) alá csökken, bekapcsol egy második hőtermelő - leggyakrabban egy kis elektromos fűtőtest .

Előnyök és hátrányok

Mindenekelőtt a hőszivattyúk előnyei közé tartozik a hatékonyság: 1 kWh hőenergia átviteléhez a fűtési rendszernek mindössze 0,2-0,35 kWh villamos energiát kell elköltenie. Mivel a nagy erőművekben a hőenergia elektromos energiává történő átalakítása akár 50%-os hatásfokkal is megtörténik, a hőszivattyúk használatakor az üzemanyag-felhasználás hatékonysága nő - trigeneráció . Egyszerűsített követelmények a szellőzőrendszerekre és növelik a tűzbiztonság szintjét. Minden rendszer zárt hurkokkal működik, és gyakorlatilag nem igényel működési költséget, kivéve a berendezés működtetéséhez szükséges villamos energia költségét.

A hőszivattyúk másik előnye, hogy télen fűtési üzemmódról nyáron légkondicionálásra válthatnak: csak radiátorok helyett fan coil vagy „ hideg mennyezeti ” rendszer csatlakozik egy külső kollektorhoz.

A hőszivattyú megbízható, működését automatika vezérli. Működés közben a rendszer nem igényel különleges karbantartást, az esetleges manipulációk nem igényelnek különleges készségeket, és az utasításokban vannak leírva.

A rendszer fontos jellemzője a tisztán egyéni jellege minden fogyasztó számára, amely az alacsony minőségű energia stabil forrásának optimális kiválasztásából, az átalakítási együttható kiszámításából, a megtérülésből és egyéb dolgokból áll.

A hőszivattyú kompakt (modulja nem haladja meg a hagyományos hűtőszekrény méretét) és szinte hangtalan.

Bár Lord Kelvin 1852-ben megfogalmazott ötlete négy évvel később valósult meg, a hőszivattyúkat csak az 1930-as években alkalmazták. 2012-re Japánban több mint 3,5 millió egység üzemel [17] , Svédországban körülbelül 500 000 házat fűtenek különféle típusú hőszivattyúk.

A fűtésre használt geotermikus hőszivattyúk hátrányai közé tartozik a beépített berendezések magas költsége, a külső földalatti vagy víz alatti hőcserélő körök bonyolult és költséges telepítésének szükségessége. A levegős hőszivattyúk hátránya az alacsonyabb hőátalakítási hatásfok, amely a külső "levegő" elpárologtatóban lévő hűtőközeg alacsony forráspontjához kapcsolódik. A hőszivattyúk általános hátránya a felmelegített víz viszonylag alacsony hőmérséklete, a legtöbb esetben nem haladja meg a +50 °C - +60 °C-ot, és minél magasabb a felmelegített víz hőmérséklete, annál kisebb a hatásfok és a megbízhatóság. hő pumpa.

Perspektívák

A hőszivattyú telepítéséhez kezdeti költségekre van szükség: a szivattyú és a rendszer telepítésének költsége 300-1200 dollár 1 kW szükséges fűtési teljesítményenként. A hőszivattyúk megtérülési ideje 4-9 év, élettartamuk nagyjavítás előtt 15-20 év.

Van egy alternatív nézet is a hőszivattyúk telepítésének gazdasági megvalósíthatóságáról. Tehát, ha egy hőszivattyút hitelből felvett forrásból telepítenek, a hőszivattyú használatából származó megtakarítás kisebb lehet, mint a hitel felhasználásának költsége. Ezért a magánszektorban a hőszivattyúk tömeges elterjedésére akkor lehet számítani, ha a hőszivattyús berendezések költsége összemérhető a gázfűtés telepítésének és a gázhálózatra való csatlakozás költségével.

Még ígéretesebb egy olyan rendszer, amely a geotermikus forrást és a hőszivattyút egyetlen hőellátó rendszerben egyesíti. Ugyanakkor a geotermikus forrás lehet természetes (geotermikus vizek kibocsátása) vagy mesterséges (kút hideg víz befecskendezésével egy mély rétegbe, és kilép a felmelegített víz felszínére).

A hőszivattyú másik lehetséges alkalmazása a meglévő távfűtési rendszerekkel való összekapcsolása lenne. Ebben az esetben viszonylag hideg vizet lehet eljuttatni a fogyasztóhoz, melynek hőjét a hőszivattyú a fűtéshez elegendő potenciállal rendelkező hővé alakítja. Ugyanakkor a hűtőfolyadék alacsonyabb hőmérséklete miatt a fogyasztóhoz vezető úton (a hűtőfolyadék és a környezet hőmérséklet-különbségével arányos) veszteségek jelentősen csökkenthetők. A központi fűtés csöveinek kopása is csökken, mivel a hideg víz kevésbé korrozív, mint a meleg víz.

A hőszivattyúk alkalmazhatóságának korlátai

A hőszivattyú fő hátránya a hatékonysága és a hőforrás és a fogyasztó közötti hőmérsékletkülönbség közötti fordított összefüggés. Ez bizonyos korlátozásokat ír elő a levegő-víz rendszerek használatára vonatkozóan. A modern hőszivattyúk tényleges hatásfoka -20 °C forráshőmérsékleten körülbelül COP=2,0, +7 °C forráshőmérsékleten pedig körülbelül COP=4,0. Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy a fogyasztó meghatározott hőmérsékleti rendszerének alacsony levegőhőmérsékleten történő biztosítása érdekében jelentős többletkapacitású berendezéseket kell használni, ami a tőkebefektetések irracionális felhasználásával jár (ez azonban mindenre vonatkozik egyéb hőenergia-források). A probléma megoldása az úgynevezett bivalens fűtési séma alkalmazása, amelyben a fő (alap) terhelést a hőszivattyú viszi, a csúcsterheléseket pedig egy segédforrás (gáz- vagy villanybojler) fedezi. A hőszivattyús rendszer optimális teljesítménye a szükséges beépített teljesítmény 60…70%-a, ami a hőszivattyús fűtőberendezés vételárát is befolyásolja. Ebben az esetben a hőszivattyú a fogyasztó hőenergia-szükségletének legalább 95%-át biztosítja a teljes fűtési szezonban. Egy ilyen sémával az átlagos szezonális energiaátszámítási tényező Közép-Európa éghajlati viszonyaira körülbelül COP=3. Egy ilyen rendszer elsődleges tüzelőanyag-felhasználási tényezője könnyen meghatározható, mivel a hőerőművek hatásfoka 40%-tól (kondenzációs típusú hőerőművek) 55%-ig (kombinált ciklusú erőművek) terjed. Ennek megfelelően a szóban forgó hőszivattyús üzemben a primer tüzelőanyag felhasználási tényezője 120%…165% tartományban van, ami 2...3-szor magasabb, mint a gázkazánok (65%) vagy központi fűtési rendszerek megfelelő teljesítményjellemzői. (50…60%). Nyilvánvaló, hogy a geotermikus hőforrást vagy talajvíz hőt használó rendszerek mentesek ettől a hátránytól. A kompresszor sűrítési arányának növekedésével a kilépő hőmérséklet emelkedik, ami korlátozza a kondenzációs hőmérsékletet. A kompresszor kompressziós fokának korlátozása és hatékonyságának csökkenése a kompresszió mértékének növekedésével alacsony hőmérsékletű fűtési rendszerek (felületfűtési rendszerek, például "meleg padló", meleg fal, meleg alaplap) alkalmazásának szükségességét vonja maga után. , ventilátoros fűtési rendszereket stb.) . Ez a korlátozás csak a magas hőmérsékletű radiátoros fűtési rendszerekre vonatkozik. A hűtőkompresszorok fejlesztésével olyan kompresszorok jelentek meg, amelyek lehetővé teszik a magas kondenzációs hőmérséklet elérését gőz és folyékony freon (freon) befecskendezésével a kompressziós folyamatban, ami lehetővé teszi a kompressziós arány növelését és a kompresszor túlmelegedésének csökkentését. Ebből a helyzetből a kiút egy nagynyomású vízgyűrűs kompresszor használatával lehetséges, ahol a légköri levegő összenyomása során a hőt azonnal elnyeli a víz, miközben kettős előny érhető el: meleg víz + sűrített levegő, ami lehetővé teszi. hogy áramot szerezzen mind a GPU, mind a GTP számára.

Technikailag a hőszivattyú teljesítményét alacsony hőmérsékleten az elpárologtató belsejében és a külső hőmérséklet-különbség határozza meg. Ha az elpárologtatón kívül -30 C, belül pedig -40 C a hőmérséklet, akkor a hűtőközeg által elnyelt hőenergia mennyisége alacsony lesz. Ha azonban a párologtató hőmérséklete -100 C, az abszorpciós hatásfok jelentősen megnő. Ehhez azonban megfelelő műszaki megvalósításra lesz szükség, ami az ipari hűtőközegek tulajdonságai miatt nem mindig lehetséges, vagy túl drágának bizonyul. Mindenesetre a "hűtés" üzemmódban működő hagyományos háztartási klímához képest a kétirányú hőszivattyú kialakítása drágább és masszívabb, mert masszívabb párologtató, hatékonyabb kompresszor, téli vízelvezető fűtési rendszer stb. Emellett a hőszivattyúk anyag- és szerkezeti követelményei is magasabbak, mert. az elemek folyamatosan váltakozó üzemmódban működnek (fűtés - hűtés).

Alapvető fűtési sémák hőszivattyúval

Irodalom

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Hőszivattyú // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
  2. ↑ Cikk az IEA HPT TCP-ről Hogyan működik a hőszivattyú?  (angol) . Letöltve: 2019. november 26. Az eredetiből archiválva : 2021. február 13.
  3. ↑ Hőszivattyúk – hatékony megoldás az energiaválságra | dw | 2022.08.21 . DW.COM . Letöltve: 2022. augusztus 22.
  4. ↑ Levegős  hőszivattyúk . Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium. Letöltve: 2019. november 26. Az eredetiből archiválva : 2018. július 10.
  5. ↑ Alternatív energiaforrások: amit tudnod kell . RBC Trends . Letöltve: 2022. február 28. Az eredetiből archiválva : 2022. február 28..
  6. ↑ Butikov E. I., Bykov A. A., Kondratiev A. S. Fizika példákban és problémákban. - M., Nauka , 1989. - Példányszám 310 000 példány. - Val vel. 212
  7. ↑ Vasziljev G.P. Épületek és építmények hő- és hidegellátása a Föld felszíni rétegeinek alacsony hőenergiájával (monográfia). "Border" kiadó. M., "Vörös csillag" - 2006. - 220 ° C.
  8. ↑ Vasziljev G. P., Khrustachev L. V., Rozin A. G., Abuev I. M. et al. Irányelvek a másodlagos energiaforrásokat és a nem hagyományos megújuló energiaforrásokat használó hőszivattyúk használatához // Moszkvai Moskomarchitectura kormány, Állami Egységes Vállalat "NIAC", 2001.
  9. ↑ Burg Rabenstein Archiválva : 2010. szeptember 11.
  10. ↑ Rólunk. Mi az IGSHPA? Archivált : 2013. május 10., a Wayback Machine / International Ground Source Heat Pump  Association
  11. ↑ Balyan S. V. Műszaki termodinamika és hőgépek. - L., Mashinostroenie, 1973. - Példányszám: 23 000 példány. - Val vel. 141
  12. ↑ Különböző típusú hőszivattyúk rendszerelméleti modelljei archiválva 2013. június 18-án a Wayback Machine -n // WSEAS Conference in Portoroz, Szlovénia. 2007.  (angol)
  13. ↑ Energiatakarékos eszközök: Geotermikus hőszivattyús rendszerek típusai Archivált 2010. december 29.
  14. ↑ Alapkőzethőszivattyú (nem elérhető link) . Letöltve: 2010. augusztus 19. Az eredetiből archiválva : 2013. december 24.. 
  15. ↑ spirál hőszivattyú . Letöltve: 2020. június 29. Az eredetiből archiválva : 2020. június 30.
  16. ↑ Vasziljev G.P. Épületek és építmények hő- és hidegellátása a Föld felszíni rétegeinek alacsony hőenergiájával (monográfia). "Border" kiadó. M., "Vörös csillag" - 2006. - 220c.
  17. ↑ A hőszivattyú-piac fejlődése Japánban 2014. február 21-i archív példány a Wayback Machine  -n - Portal-Energo.ru - energiahatékonyság és energiatakarékosság, 2013.03.27.
  18. ↑ Geotermikus fűtés. Hőszivattyúk . Letöltve: 2017. június 15. Az eredetiből archiválva : 2018. április 19.
  19. ↑ A hőszivattyúk használatának kérdéséről . Letöltve: 2017. június 15. Az eredetiből archiválva : 2016. október 12..