Soojuspump – kütmiseks võtame soojust planeedilt Maa

Selles artiklis: soojuspumba ajalugu kuidas soojuspump töötab ja töötab; soojuspumpade tüübid; õhu, vee ja pinnase soojusenergia; lõpus – soojuspumpade plussid ja miinused.

Talvekülma lüüasaamiseks kulutavad koduomanikud energiat ja sobivaid küttekatlaid, kadestades õnnelikke, kelle majad on ühendatud maagaasi tarnivate kommunikatsioonidega. Igal talvel põletatakse ahjudes tuhandeid tonne puitu, kivisütt, naftatooteid, igal aastal suurenevate astronoomiliste koguste eest tarbitakse megavatt elektrit ja tundub, et muud väljapääsu lihtsalt pole. Samal ajal asub meie kodude lähedal alati üks soojusenergia allikas, kuid Maa elanikel on seda üsna keeruline märgata. Aga mis siis, kui kasutame oma planeedi soojust majade kütmiseks? Ja selleks on olemas sobiv seade – maasoojuspump.

Soojuspumba ajalugu

Selliste seadmete töö teoreetilise põhjenduse 1824. aastal esitas prantsuse füüsik Sadi Carnot, kes avaldas oma ainsa töö aurumasinatel, milles kirjeldati termodünaamilist tsüklit, mille füüsiline Benoit Cliperon kinnitas matemaatiliselt ja graafiliselt 10 aastat hiljem ning nimetas “Carnot’i tsükliks”..

Soojuspumba esimese laboratoorse mudeli lõi inglise füüsik William Thomson, lord Kelvin 1852. aastal termodünaamika katsete käigus. Muide, soojuspump sai oma nime lord Kelvinilt.

William Thomson, parun Kelvin

Tööstusliku soojuspumba mudeli ehitas 1856. aastal Austria kaevandusinsener Peter von Rittinger, kes kasutas seda seadet soolvee aurustamiseks ja soolade kuivendamiseks kuiva soola saamiseks.

Peter Ritter von Rittinger

Soojuspump võlgneb selle kasutamise majade kütmisel aga ameeriklasest leiutajale Robert Webberile, kes katsetas eelmise sajandi 40ndate lõpus sügavkülmikut. Robert märkas, et sügavkülmast väljuv toru on kuum ja otsustas seda soojust kasutada olmevajaduste jaoks, pikendades toru ja juhtides selle läbi katla veega. Leiutaja idee osutus õnnestunuks – sellest hetkest alates oli majapidamistes ohtralt sooja vett, samal ajal kui osa soojusest kulutati sihitult, jättes atmosfääri. Webber ei suutnud seda aktsepteerida ja lisas sügavkülmast väljalaskeavale mähise, mille kõrvale ta pani ventilaatori, mille tulemuseks oli maja õhkkütte paigaldus. Mõne aja pärast arvas leidlik ameeriklane, et tema jalge alt on võimalik sõna otseses mõttes maapinnast soojust ammutada ja mattis vasktorude süsteemi, mille kaudu freoon ringleb nende kaudu teatud sügavusele. Gaas kogus maapinnas soojust, toimetas selle majja ja andis ära ning viis tagasi maa-alusesse soojuskollektorisse. Webberi loodud soojuspump osutus nii efektiivseks, et ta kandis maja kütmise täielikult sellesse paigaldusse, hüljates traditsioonilised kütteseadmed ja energiaallikad..

Soojuspumpa, mille Robert Webber leiutas aastaid, peeti pigem absurdiks kui tõeliselt tõhusaks soojusenergia allikaks – õli energiat oli küllaga, üsna mõistlike hindadega. Huvi taastuvate soojusallikate vastu kasvas 70ndate alguses tänu 1973. aasta naftaembargole, mille jooksul Pärsia lahe riigid keeldusid ühehäälselt naftat tarnimast Ameerika Ühendriikidesse ja Euroopasse. Naftasaaduste puudus põhjustas energiahindade järsu hüppe – kiireloomuline vajadus olukorrast välja tulla. Hoolimata embargo hilisemast tühistamisest 1975. aastal ja naftavarude taastamisest, on Euroopa ja Ameerika tootjad hakanud tegelema oma maasoojuspumpade mudeli väljatöötamisega, mille väljakujunenud nõudlus on pärast seda ainult kasvanud..

Soojuspumba konstruktsioon ja tööpõhimõte

Vajudes maakooresse, mille pinnal me elame ja mille paksus maismaal on umbes 50–80 km, tõuseb selle temperatuur – see on tingitud magma ülemise kihi lähedusest, mille temperatuur on umbes 1300 ° С. 3 või enam meetri sügavusel on mulla temperatuur igal aastaajal positiivne; iga sügavuskilomeetri korral tõuseb see keskmiselt 3–10 ° C. Pinnase temperatuuri tõus koos sügavusega ei sõltu ainult klimaatilisest tsoonist, vaid ka pinnase geoloogiast, samuti endogeensest aktiivsusest antud maa-piirkonnas. Näiteks Aafrika mandri lõunaosas on temperatuuritõus mullasügavuse kilomeetri kohta 8 ° C ja Oregoni osariigis (USA), mille territooriumil täheldatakse üsna kõrget endogeenset aktiivsust – 150 ° C ühe kilomeetri sügavuse kohta. Soojuspumba tõhusaks tööks ei pea sellesse soojust tarniv välise vooluringi alla matma sadu meetrit maa alla – iga soojusenergia allikaks võib olla keskkond, mille temperatuur on üle 0 ° C..

Soojuspump edastab soojusenergiat õhust, veest või pinnasest, suurendades temperatuuri üleviimise ajal vajaliku temperatuurini külmutusagensi kokkusurumise (kokkusurumise) tõttu. Soojuspumpasid on kahte peamist tüüpi – kokkusurumine ja sorptsioon.

Survesoojuspumba põhistruktuur: 1 – maapind; 2 – soolvee ringlus; 3 – tsirkulatsioonipump; 4 – aurusti; 5 – kompressor; 6 – kondensaator; 7 – küttesüsteem; 8 – külmutusagens; 9 – õhuklapp

Vaatamata segasele nimele ei ole kompressioonsoojuspumbad küte, vaid jahutusseadmed, kuna need töötavad samal põhimõttel nagu iga külmik või õhukonditsioneer. Erinevus meile hästi tuntud soojuspumba ja jahutusseadmete vahel seisneb selles, et selle tööks on reeglina vaja kahte vooluringi – sisemist, milles ringleb jahutusaine, ja välist, jahutusvedeliku ringlusega..

Selle seadme töö ajal läbib sisemises ringluses olev jahutusaine järgmisi etappe:

• vedelas olekus jahutatud jahutusaine satub aurustisse läbi kapillaarava. Rõhu kiire languse mõjul külmutusagens aurustub ja muutub gaasiliseks. Liikudes mööda aurusti kõverjoonelisi torusid ja puutudes liikumise ajal kokku gaasilise või vedela soojuskandjaga, saab külmutusagens sellest madala temperatuuriga soojusenergiat, mille järel see siseneb kompressorisse;
• kompressorikambris surutakse külmutusagens kokku, samal ajal kui selle rõhk suureneb järsult, mis põhjustab külmutusagensi temperatuuri tõusu;
• Kompressorist järgib kuum külmutusagens vooluringi kondensaatorimähisesse, mis toimib soojusvahetina – siin eraldab külmutusagens maja küttekontuuris ringlevale jahutusvedelikule soojust (umbes 80–130 ° C). Kaotanud suurema osa soojusenergiast, naaseb külmutusagens vedelasse olekusse;
• paisuventiili (kapillaari) läbimisel – see asub soojuspumba sisemises vooluringis, järgides soojusvahetit – külmutusagensi jääkrõhk väheneb, mille järel see siseneb aurustisse. Sellest hetkest alates kordub töötsükkel uuesti.

Õhksoojuspumba tööpõhimõte

Seega koosneb soojuspumba sisemine struktuur kapillaarist (paisuventiil), aurustist, kompressorist ja kondensaatorist. Kompressori tööd kontrollib elektrooniline termostaat, mis katkestab kompressori toiteallika ja peatab seeläbi soojuse tekitamise protsessi, kui maja seatud õhutemperatuur on saavutatud. Kui temperatuur langeb alla teatud taseme, lülitab termostaat automaatselt kompressori sisse.

Freoonid R-134a või R-600a ringlevad soojuspumba sisemises ringluses jahutusainena – esimene põhineb tetrafluoroetaanil, teine ​​isobutaanil. Mõlemad külmutusagensid on Maa osoonikihile ohutud ja keskkonnasõbralikud. Survesoojuspumpasid saab juhtida elektrimootori või sisepõlemismootoriga.

Sorptsiooni soojuspumbad kasutavad neeldumist – füüsikalis-keemilist protsessi, mille käigus gaasi või vedeliku maht suureneb temperatuuri ja rõhu mõjul mõne teise vedeliku tõttu.

Neeldumissoojuspumba skemaatiline diagramm: 1 – kuumutatud vesi; 2 – jahutatud vesi; 3 – auru kuumutamine; 4 – kuumutatud vesi; 5 – aurusti; 6 – generaator; 7 – kondensaator; 8 – mittekondenseeruvad gaasid; 9 – vaakumpump; 10 – soojendav aurukondensaat; 11 – lahuse soojusvaheti; 12 – gaasi eraldaja; 13 – absorber; 14 – mördipump; 15 – jahutusvedeliku pump

Neeldumissoojuspumbad on varustatud maagaasi termokompressoriga. Nende vooluringis on külmutusagens (tavaliselt ammoniaak), mis aurustub madalal temperatuuril ja rõhul, absorbeerides samal ajal soojusenergiat ringlusringi ümbritsevast keskkonnast. Auruseisundis satub külmutusagens soojusvaheti absorberisse, kus see lahusti (tavaliselt vee) juuresolekul imendub ja soojus kantakse lahustisse. Lahustit tarnib termosüfoon, mis tsirkuleerib jahutusaine ja lahusti rõhu erinevuse kaudu, või madala energiatarbega pump suure võimsusega käitistes.

Külmutusagensi ja lahusti kombineerimise tulemusel, mille keemistemperatuurid on erinevad, põhjustab jahutusaine eralduv soojus mõlema aurustumise. Auru olekus olev jahutusagens, millel on kõrge temperatuur ja rõhk, siseneb kontuuri kondensaatori kaudu, muutub vedelaks ja eraldab soojust küttevõrgu soojusvahetisse. Pärast paisuventiili läbimist naaseb külmutusagens algsesse termodünaamilisse olekusse, samal viisil pöördub lahusti algsesse olekusse.

Neeldumissoojuspumpade eelisteks on võime töötada mis tahes soojusenergiaallikast ja liikuvate elementide täielik puudumine, st müratus. Puudused – väiksem võimsus võrreldes surveüksustega, kõrge hind, konstruktsiooni keerukuse ja keerukate korrosioonikindlate materjalide kasutamise vajaduse tõttu.

Imendumissoojuspumba seade

Adsorptsioonisoojuspumbad kasutavad tahkeid materjale nagu silikageel, aktiivsüsi või tseoliit. Esimesel tööetapil, mida nimetatakse desorptsioonifaasiks, antakse soojusenergia näiteks gaasi põletist soojusvaheti kambrisse, mis on seestpoolt kaetud sorbendiga. Kuumutamine põhjustab külmutusagensi (vee) aurustumist, saadud aur suunatakse teisele soojusvahetile, mis eraldab esimeses faasis auru kondenseerumisel küttesüsteemis saadud soojuse. Sorbendi täielik kuivatamine ja vee kondenseerumine teises soojusvahetis viivad lõpule töö esimese etapi – soojusenergia tarnimine esimese soojusvaheti kambrisse peatub. Teises etapis saab kondenseeritud vee soojusvahetist aurusti, mis tarnib väliskeskkonnast jahutusainele soojusenergiat. Kui rõhu suhe jõuab 0,6 kPa-ni, aurustub väliskeskkonnast tuleneva soojuse kokkupuutel külmutusagens – veeaur siseneb esimesse soojusvahetisse, kus see adsorbeeritakse sorbenti. Kuumus, mille aur eraldab adsorptsiooni käigus, kandub üle küttesüsteemi, pärast mida tsüklit korratakse. Tuleb märkida, et adsorptsioonisoojuspumbad ei sobi koduseks kasutamiseks – need on mõeldud ainult suurtele hoonetele (alates 400 m²), vähem võimsad mudelid on alles väljatöötamisel.

Soojuspumpade soojuskollektorite tüübid

Soojuspumpade soojusenergia allikad võivad olla erinevad – geotermiline (suletud ja avatud tüüpi), õhk, kasutades sekundaarset soojust. Vaatleme kõiki neid allikaid üksikasjalikumalt..

Maasoojuspumbad tarbivad maapinnast või põhjaveest saadavat soojusenergiat ja jagunevad kahte tüüpi – suletud ja avatud. Suletud soojusallikad jagunevad järgmiselt:

• Horisontaalne, samas kui soojust koguv kollektor paikneb rõngastes või siksakides kaevikutes, mille sügavus on vähemalt 1,3 meetrit (allpool külmumissügavust). See soojuskollektori vooluringi paigutamise meetod on efektiivne väikese maa-ala puhul.

Geotermiline küte horisontaalse soojuskollektoriga

• Vertikaalne, st soojuskollektori kollektor asetatakse vertikaalsetesse kaevudesse, mis on maasse kastetud 200 m sügavusele. Seda kollektori paigutamise meetodit kasutatakse juhtudel, kui kontuuri ei ole võimalik horisontaalselt asetada või on oht maastikku häirida..

Geotermiline küte vertikaalse soojuskollektoriga

• Vesi, samal ajal kui vooluringi kollektor paikneb siksakiliselt või rõngakujuliselt reservuaari põhjas, allpool selle külmumistaset. Võrreldes puurkaevude puurimisega on see meetod kõige odavam, kuid sõltub piirkonnast sõltuvalt veehoidla vee sügavusest ja kogumahust..

Avatud tüüpi soojuspumpades kasutatakse soojusvahetuseks vett, mis pärast soojuspumba läbimist juhitakse tagasi maapinnale. Seda meetodit on võimalik kasutada ainult siis, kui vesi on keemiliselt puhas ja kui põhjavee kasutamine selles rollis on seaduse seisukohast lubatav..

Avatud tüüpi geotermiline küte

Õhuringlustes kasutatakse õhku soojusenergia allikana.

Küte õhksoojuspumba abil

Teiseseid (tuletatud) soojusallikaid kasutatakse ettevõtetes reeglina, mille töötsükkel on seotud kolmanda osapoole (parasitaarse) soojusenergia tootmisega, mis nõuab täiendavat kasutamist.

Esimesed soojuspumpade mudelid olid täiesti sarnased ülalkirjeldatud konstruktsiooniga, mille leiutas Robert Webber – ringkonnakohtu vasktorud, mis toimisid samaaegselt nii välise kui ka sisemise kujul, koos neis ringleva jahutusainega, kasteti maasse. Sellise konstruktsiooni aurusti paigutati maa alla sügavusele, mis ületab külmumissügavuse, või nurga all või vertikaalsetes kaevudes, mis on puuritud nurga all (läbimõõt 40–60 mm) kuni 15–30 m sügavusele. Otsene vahetusvooluring (see sai selle nime) võimaldab selle väike ala ja väikese läbimõõduga torude kasutamisel tehke ilma vahepealse soojusvahetita. Otsene vahetus ei nõua jahutusvedeliku sunnitud pumpamist, kuna tsirkulatsioonipumpa pole vaja, siis kulutatakse vähem elektrit. Lisaks saab otsese vahetuskontuuriga soojuspumpa tõhusalt kasutada ka madalatel temperatuuridel – mis tahes objekt eraldab soojust, kui selle temperatuur on üle absoluutse nulli (-273,15 ° C) ja külmutusagens võib aurustuda temperatuuril kuni -40 ° C. Selle vooluringi puudused: suured jahutusvedeliku nõuded; vasktorude kõrge hind; vasesektsioonide usaldusväärne ühendamine on võimalik ainult jootmise teel, vastasel juhul ei saa külmutusagensi leket vältida; katoodkaitse vajadus happelistes muldades.

Soojuse sissevõtt õhust on kõige sobivam kuuma kliima jaoks, kuna nullist madalamal temperatuuril väheneb selle efektiivsus tõsiselt, mis nõuab täiendavaid kütteallikaid. Õhksoojuspumpade eeliseks on see, et pole vaja kaevude kallist puurimist, kuna aurusti ja ventilaatoriga väline vooluring asub majast mitte kaugel asuvas piirkonnas. Muide, iga monoblokk või split õhukonditsioneerimissüsteem on ühe ahelaga õhksoojuspumba esindaja. Näiteks õhksoojuspumba maksumus näiteks 24 kW võimsusega on umbes 163 000 rubla.

Õhuallika soojuspump

Reservuaarist saadav soojusenergia eraldatakse jõet või järve põhjale plasttorudest vooluringi pannes. Kui sügavus ulatub 2 meetrist, surutakse torud põhjas koormusega kiirusega 5 kg pikkuse meetri kohta. Sellise vooluringi igast jooksva meetrist eraldatakse umbes 30 W soojusenergiat, see tähendab, et 10 kW soojuspumba jaoks on vaja vooluringi kogupikkusega 300 m. Sellise vooluahela eelisteks on suhteliselt madalad kulud ja paigaldamise lihtsus, puudused – tugevate külmadega on soojusenergiat võimatu saada..

Soojuspumba vooluringi paigutamine reservuaari

Maapinnast soojuse ammutamiseks asetatakse PVC torusilmus kaevu, mis kaevatakse sügavusele, mis ületab külmumissügavuse vähemalt poole meetri võrra. Torude vaheline kaugus peaks olema umbes 1,5 m, neis ringlev jahutusvedelik on antifriis (tavaliselt vee soolvesi). Pinnasekontuuri efektiivne toimimine on otseselt seotud mulla niiskusesisaldusega selle paigutamise kohas – kui muld on liivane, see tähendab, et see ei suuda vett säilitada, siis tuleb kontuuri pikkus ligikaudu kahekordistada. Soojuspump võib mullakontuuri jooksvalt meetrilt eraldada keskmiselt 30–60 W soojusenergiat, sõltuvalt klimaatilisest tsoonist ja pinnase tüübist. 10 kW soojuspumba jaoks on vaja 400-meetrist vooluringi, mis asetatakse 400 m2 suurusele krundile². Pinnasekontuuriga soojuspumba maksumus on umbes 500 000 rubla.

Horisontaalse kontuuri paigutamine maasse

Kivimilt soojuse taastamiseks on vaja kas 168–324 mm läbimõõduga kaevude paigaldamist 100 meetri sügavusele või mitme madalama sügavusega kaevu rajamist. Igasse süvendisse lastakse kontuur, mis koosneb kahest plasttorust, mis on madalaimas kohas ühendatud U-kujulise metalltoruga, mis toimib kaaluna. Torude kaudu ringleb antifriis – ainult 30% etüülalkoholi lahus, kuna lekke korral ei kahjusta see keskkonda. Sellesse paigaldatud kontuuriga kaev täidetakse lõpuks põhjaveega, mis varustab jahutusvedelikku soojust. Sellise kaevu iga meeter annab umbes 50 W soojusenergiat, st soojuspumba jaoks võimsusega 10 kW on vaja puurida 170 m kaevu. Rohkem soojusenergia saamiseks pole kasum puurida sügavamale kui 200 m – parem on teha mitu väiksemat kaevu nende vahel 15–20 m kaugusel. Mida suurem on puuraugu läbimõõt, seda madalamat on vaja seda puurida, samal ajal saavutatakse suurem soojusenergia tarbimine – umbes 600 W jooksva meetri kohta.

Geotermilise sondi paigaldamine

Võrreldes maasse või reservuaari paigutatud kontuuridega võtab kaevu kontuur kohapeal minimaalselt ruumi, kaevu saab ise teha mis tahes tüüpi pinnasesse, sealhulgas kivimitesse. Soojusülekanne kaevu ahelast on stabiilne igal ajal aastas ja iga ilmaga. Kuid sellise soojuspumba tagasimaksmine võtab mitu aastakümmet, kuna selle paigaldamine maksab majaomanikule rohkem kui miljon rubla..

Lõpus

Soojuspumpade eeliseks on nende kõrge kasutegur, kuna ühe kilovati soojusenergia saamiseks tunnis tarbivad need seadmed mitte rohkem kui 350 vatti elektrit tunnis. Võrdluseks – elektrijaamade, mis toodavad kütust põletades elektrienergia, kasutegur ei ületa 50%. Soojuspumba süsteem töötab automaatrežiimis, töökulud selle kasutamise ajal on äärmiselt madalad – kompressori ja pumpade tööks on vaja ainult elektrit. Soojuspumba paigaldamise üldmõõtmed on ligikaudu võrdsed kodumajapidamises kasutatava külmiku mõõtmetega, müratase töö ajal langeb kokku ka majapidamises kasutatava külmutusseadme sama parameetriga.

Soolavesi-vesi soojuspump

Soojuspumpa saab kasutada nii soojusenergia saamiseks kui ka selle eemaldamiseks – lülitades vooluahelate töö jahutusele, samal ajal kui maja ruumidest eraldub soojusenergia välise vooluringi kaudu maapinnale, vette või õhku.

Soojuspumbapõhise küttesüsteemi ainsaks puuduseks on selle kõrge hind. Euroopas, aga ka USA-s ja Jaapanis on soojuspumpade paigaldamine üsna tavaline – Rootsis on neid üle poole miljoni ning Jaapanis ja USA-s (eriti Oregonis) mitu miljonit. Soojuspumpade populaarsus nendes riikides on tingitud nende toetusest valitsusprogrammidele subsiidiumide ja hüvitiste kujul majaomanikele, kes on sellised paigaldised paigaldanud..

Pole kahtlust, et lähitulevikus lakkavad soojuspumbad ka Venemaal midagi võõrast, arvestades maagaasi iga-aastast hinnatõusu, mis on täna soojuspumpade osas ainus konkurent soojusenergia saamise rahaliste kulude osas.