Lämpöpumppu

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 22. elokuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 23 muokkausta .

Lämpöpumppu  on lämpömoottori , laite, joka siirtää lämpöenergiaa lähteestä kuluttajalle. Toisin kuin spontaani lämmönsiirto, joka tapahtuu aina kuumasta kappaleesta kylmään, lämpöpumppu siirtää lämpöä vastakkaiseen suuntaan [1] . Lämpöpumppu tarvitsee toimiakseen ulkoisen energialähteen. Yleisin lämpöpumppurakenne koostuu kompressorista , lämpöpaisuntaventtiilistä, höyrystimestä ja lauhduttimesta . Näiden komponenttien sisällä kiertävää jäähdytysnestettä kutsutaan kylmäaineeksi [2] .

Merkittäviä esimerkkejä lämpöpumpuista ovat jääkaapit ja ilmastointilaitteet . Lämpöpumppuja voidaan käyttää sekä lämmitykseen että jäähdytykseen [3] . Lämmitykseen käytettäessä lämpöpumppua se toteuttaa samanlaisen termodynaamisen kierron kuin jääkaappi, mutta päinvastaiseen suuntaan vapauttaen lämpöä lämmitetystä huoneesta ja ottamalla lämpöä kylmemmästä ympäröivästä ilmasta [4] .

Kansainvälisen energiajärjestön ennusteiden mukaan lämpöpumput kattavat 10 % lämmityksen energiatarpeesta OECD-maissa vuoteen 2020 mennessä ja 30 % vuoteen 2050 mennessä [5]

Yleistä tietoa

Nykyään maailmassa käytettävän lämpöpumppukaluston perustana ovat höyrykompressiolämpöpumput , mutta käytetään myös absorptio- , sähkökemiallisia ja lämpösähköisiä .

Käytettäessä tavanomaista lämmitystä energialähteellä, jolla voidaan saada mekaanista työtä , lämmitysjärjestelmään tuleva lämmön määrä vastaa tätä työtä .

Jos tätä työtä käytetään lämpöpumpun ohjaamiseen, lämmitettävän kappaleen vastaanottama lämpö on suurempi kuin tehty työ . Olkoon lämmitysjärjestelmän veden lämpötila ja lämmitettävää huonetta ympäröivän ympäristön lämpötila ja . Tällöin lämmitysjärjestelmän vastaanottaman lämmön määrä on . Eli mitä vähemmän lämmitysjärjestelmän lämpötila poikkeaa ympäristön lämpötilasta , sitä suuremman voiton lämpöpumppu antaa verrattuna työn suoraan muuntamiseen lämmöksi [6] .

Arvoa kutsutaan lämpöpumpun muunnossuhteeksi. Lämpöpumpun tai lämpöpumppulämmönsyöttöjärjestelmän (HST) muuntokerroin "Ktr" on lämmönjakelujärjestelmään kuluttajalle siirretyn hyötylämmön suhde lämpöpumpun lämmönsyöttöjärjestelmän toimintaan käytettyyn energiaan. , ja on numeerisesti yhtä suuri kuin lämpötiloissa Тout ja Тin vastaanotetun hyötylämmön määrää HP:n tai TST:n taajuusmuuttoon käytettyä energiayksikköä kohti. Todellinen muunnossuhde eroaa kaavalla (1 1) kuvatusta ideaalista kertoimen h arvolla, joka ottaa huomioon GTST:n termodynaamisen täydellisyyden asteen ja palautumattomat energiahäviöt syklin toteutuksen aikana. Kohdassa [7] on esitetty lämpöpumppulämmönsyöttöjärjestelmän todellisen ja ideaalisen muunnossuhteen (Ktr) riippuvuudet pienipotentiaalisen lämmönlähteen Тin lämpötilasta ja lämmitysjärjestelmään Тout poistetun lämmön lämpötilapotentiaalista. Riippuvuuksia muodostettaessa TST h:n termodynaamisen täydellisyysasteeksi otettiin 0,55 ja lämpötilaeroksi (freonin ja jäähdytysnesteen lämpötilojen ero) lauhduttimessa ja lämpöpumpun höyrystimessä oli 7 °C. Nämä termodynaamisen täydellisyyden asteen h ja lämmitys- ja lämmönkeräysjärjestelmän freonin ja lämmönsiirtolaitteiden välisen lämpötilaeron arvot näyttävät olevan lähellä todellisuutta, kun otetaan huomioon lämmönvaihtolaitteiston todelliset parametrit ( lämpöpumppujen lauhdutin ja höyrystin) sekä niihin liittyvät sähköenergiakustannukset kiertovesipumppujen, automaatiojärjestelmien, sulku- ja ohjausventtiilien käyttämiseen.

Yleisesti ottaen lämpöpumppujen lämmönsyöttöjärjestelmien termodynaamisen täydellisyyden aste riippuu monista parametreista, kuten: kompressorin teho, lämpöpumpun komponenttien tuotannon laatu ja peruuttamattomat energiahäviöt, jotka puolestaan ​​sisältävät:

Taulukoissa 1-1 on esitetty termodynaamisen täydellisyysasteen h "keskimääräiset" arvot tietyntyyppisille kompressoreille, joita käytetään nykyaikaisissa lämpöpumppulämmönsyöttöjärjestelmissä.

Taulukko 1-1. Eräiden nykyaikaisissa lämpöpumppulämmitysjärjestelmissä käytettyjen kompressoreiden tehokkuus

teho, kWt Kompressorin tyyppi Tehokkuus
(termodynaamisen täydellisyyden aste)
h, yksiköiden murto-osat.
300-3000 avoin keskipako 0,55-0,75
50-500 avoin mäntä 0,5-0,65
20-50 puolihermeettinen 0,45-0,55
2-25 Suljettu, R-22:lla 0,35-0,5
0,5-3,0 Suljettu, R-12:lla 0,2-0,35
<0,5 Suljettu <0,25

Kuten jääkaappi, lämpöpumppu kuluttaa energiaa termodynaamisen syklin (kompressorikäytön) toteuttamiseen. Lämpöpumpun muuntokerroin - lämmöntuoton suhde sähkönkulutukseen - riippuu höyrystimen ja lauhduttimen lämpötilatasosta. Lämpöpumppujen lämmönsyötön lämpötilataso voi nyt vaihdella 35 °C:sta 55 °C:seen, mikä mahdollistaa lähes minkä tahansa lämmitysjärjestelmän käytön. Energiavarojen säästö on 70 % [8] . Teknisesti kehittyneiden maiden teollisuus tuottaa laajan valikoiman höyrypuristuslämpöpumppuja, joiden lämpöteho on 5 - 1000 kW.

Historia

Lämpöpumppukonseptin kehitti vuonna 1852 erinomainen brittiläinen fyysikko ja insinööri William Thomson (Lord Kelvin), ja itävaltalainen insinööri Peter Ritter von Rittinger paransi ja tarkensi sitä edelleen . Peter Ritter von Rittingeriä pidetään lämpöpumpun keksijänä, joka suunnitteli ja asensi ensimmäisen tunnetun lämpöpumpun vuonna 1855 [9] . Mutta lämpöpumppu sai käytännön sovelluksen paljon myöhemmin, tarkemmin XX vuosisadan 40-luvulla, kun keksijä-innostunut Robert C. Webber kokeili pakastinta [10] . Eräänä päivänä Weber kosketti vahingossa kuumaa putkea kammion ulostulossa ja tajusi, että lämpö yksinkertaisesti heitettiin ulos. Keksijä ajatteli, kuinka käyttää tätä lämpöä, ja päätti laittaa putken kattilaan veden lämmittämiseksi. Tämän seurauksena Weber toimitti perheelleen sellaisen määrän kuumaa vettä, jota he eivät fyysisesti kyenneet käyttämään, kun taas osa lämmitetyn veden lämmöstä vapautui ilmaan. Tämä sai hänet ajattelemaan, että sekä vettä että ilmaa voidaan lämmittää yhdestä lämmönlähteestä samaan aikaan, joten Weber paransi keksintöään ja alkoi ajaa kuumaa vettä spiraalina ( kierukan läpi ) ja käyttää pientä tuuletinta lämmön jakamiseen ympäriinsä. taloa lämmittääkseen sitä. Ajan myötä Weber sai idean "pumpata pois" lämpöä maasta, jossa lämpötila ei juurikaan muuttunut vuoden aikana. Hän asetti maahan kupariputket, joiden läpi freoni kiertää , mikä "keräsi" maan lämmön. Kaasu tiivistyi, luopui lämmöstään talossa ja kulki jälleen kierukan läpi kerätäkseen seuraavan osan lämpöä. Ilma pantiin liikkeelle tuulettimella ja kierrätettiin koko talossa. Seuraavana vuonna Weber myi vanhan hiiliuuninsa.

1940-luvulla lämpöpumppu tunnettiin äärimmäisestä hyötysuhteestaan, mutta todellinen tarve sille syntyi vuoden 1973 öljykriisin jälkeen , kun alhaisista energianhinnoista huolimatta kiinnostus energiansäästöön oli .

Tehokkuus

Käytön aikana kompressori kuluttaa sähköä. Pumpatun lämpöenergian ja kulutetun sähköenergian suhdetta kutsutaan muunnossuhteeksi (tai tehokertoimeksi ( eng.  COP  - lyhenne sanoista Suorituskyky ) ja se toimii lämpöpumpun hyötysuhteen indikaattorina. Seuraavaa kaavaa käytetään laske COP:

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

missä

 on dimensioton kerroin;  on pumpun tekemä työ [J];  on lämpöpumpun heikkolaatuisesta lämmönlähteestä ottama lämpö [J];  — kuluttajan vastaanottama lämpö [J]. k- hyötysuhde

A :n arvo osoittaa, kuinka paljon työtä lämpöpumpun on tehtävä "pumppatakseen" tietyn määrän lämpöä. Tämä arvo riippuu höyrystimen ja lauhduttimen lämpötilatasojen erosta: eli jäähdytysnesteen lämpötilan "laitteen kylmässä osassa" tulee aina olla alhaisempi kuin huonolaatuisen lämmönlähteen lämpötila, jotta heikkolaatuisesta lämmönlähteestä tuleva energia voi mielivaltaisesti virrata jäähdytysnesteeseen tai käyttönesteeseen (termodynamiikan toinen laki).

eli COP = 2 tarkoittaa, että lämpöpumppu siirtää kaksi kertaa enemmän hyötylämpöä kuin se kuluttaa työhönsä.

Esimerkki:

Lämpöpumppu kuluttaa Ptn = 1 kW, COP = 3,0 - tarkoittaa, että kuluttaja saa Ptn * COP = 1 * 3 = 3 kW;

kuluttaja saa Pp = 3 kW, COP = 3,0 - tarkoittaa, että lämpöpumppu kuluttaa Pp / COP = 3 / 3 = 1 kW

katsomme, että kompressorin tai sen korvaavan prosessin hyötysuhde on 100 %

Tästä syystä lämpöpumpun tulee käyttää suurinta mahdollista matalalaatuista lämmönlähdettä yrittämättä saavuttaa sen voimakasta jäähdytystä. Todellakin, tässä tapauksessa lämpöpumpun hyötysuhde kasvaa, koska lämmönlähteen heikon jäähdytyksen kanssa säilyy mahdollisuus, että lämpö virtaa spontaanisti matalalaatuisen lämmön lähteestä lämmönsiirtoaineeseen. Tästä syystä lämpöpumput varmistavat, että matalalaatuisen lämmönlähteen lämpövarasto (C * m * T, c on lämpökapasiteetti, m on massa, T on lämpötila) on mahdollisimman suuri.

Esimerkiksi: kaasu (työneste) luovuttaa energiaa lämpöpumpun "kuumalle" osalle (tätä varten kaasu puristetaan), minkä jälkeen se jäähdytetään matalalaatuisen lämmönlähteen alapuolelle (kaasuvaikutus (Joule- Thomson-ilmiö) voidaan käyttää). Kaasu tulee matalalaatuisen lämmön lähteeseen ja lämmitetään tästä lähteestä, sitten sykli toistetaan.

Ongelma lämpöpumpun sitomisesta matalalaatuiseen lämmönlähteeseen, jolla on suuri lämpövarasto, voidaan ratkaista ottamalla lämpöpumppuun lämmönsiirtojärjestelmä lämmönsiirtoaineella, joka siirtää lämpöä käyttönesteeseen. Tällaisia ​​välittäjiä voivat olla aineet, joilla on merkittävä lämpökapasiteetti, kuten vesi.

On selvästi nähtävissä, että tehokkaan koneen rakentamiseksi on välttämätöntä valita sellainen työneste, että kompressori käyttää kompressointia varten (lämmön poistamiseksi käyttönesteestä) mahdollisimman vähän energiaa ja mahdollisimman vähän ( mahdollinen lähteiden määrä kasvaa jyrkästi) käyttönesteen lämpötila olisi silloin, kun se syötetään heikkolaatuiseen lämpölähteeseen.

Lämpöpumppujen ehdollinen hyötysuhde

Lämpöpumpun hyötysuhde hämmentää monia, koska jos tekee "ilmeisen laskelman", se on pohjimmiltaan suurempi kuin 1, mutta lämpöpumpun toiminta on itse asiassa täysin energiansäästölain alainen. Virhe "ilmeisessä laskelmassa" on se, että jos pidämme lämpöpumppua itseään "mustana laatikkona", niin laite todellakin kuluttaa vähemmän energiaa kuin tuottaa lämpöä, mikä on olennaista.

Tällaiset laskelmat ovat kuitenkin yksinkertaisesti vääriä eivätkä ota huomioon muuta energialähdettä kuin kulutettua sähköä. Tällainen lähde on yleensä lämmin ilma tai Auringon tai geotermisten prosessien lämmittämä vesi. Laitteessa olevaa sähköä ei kuluteta suoraan lämmitykseen, vaan vain matalalaatuisen lämmönlähteen energian "keskittämiseen", joka yleensä tuottaa energiaa kompressorin toimintaan. Toisin sanoen lämpöpumpulla on kaksi energianlähdettä - sähkö ja heikkolaatuisen lämmön lähde, ja "ilmeisissä laskelmissa" ei oteta huomioon toista lähdettä ja yhtä suurempia arvoja saadaan virheellisesti.

Esimerkki :

Anna lämpöpumpun kuluttaa 1 kW sähköverkosta ja antaa 4 kW kuluttajalle ja ottaa 5 kW pienjännitelähteestä.

Laskelma tyypistä Pconsumer/Pnetwork = 4/1 = 4 on virheellinen, koska se ei ota huomioon heikkolaatuisen lämmön lähdettä.

Oikea laskelma lämpöpumpun hyötysuhteesta:

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

Yleensä on melko vaikea arvioida, kuinka paljon lämpöpumppu siirtää lämpöä huonolaatuisesta lämmönlähteestä, mikä johtaa virheeseen.

Kuitenkin, jos laskennassa otetaan huomioon myös matalan potentiaalin lämmön lähde, koneen hyötysuhde tulee olennaisesti yksikköä pienemmäksi. Sekaannusten välttämiseksi otettiin käyttöön kertoimet: COP ja termodynaamisen täydellisyyden aste. COP osoittaa, kuinka monta kertaa kuluttajalle siirretty lämpöenergia ylittää pienen potentiaalin lähteen lämmön siirtämiseen tarvittavan työn määrän, ja termodynaamisen täydellisyyden aste osoittaa, kuinka lähellä lämpöpumpun todellinen kierto on ihanteellinen lämpökierto.

Ilmalämpöpumpun tehon valinta

Ilmasto-olosuhteiden huomioimisen, talon lämmönjakelujärjestelmän analysoinnin ja virtapiirien menolämpötilan määrityksen, pääyksiköiden ja apumoduulien mahdollisen sijainnin huomioimisen jälkeen lasketaan lämpöpumpun lämpöteho. HP:n lämpötehon tulee olla riittävä kattamaan täysin kaikki rakennuksen lämpöhäviöt vuoden kylmimpänä ajanjaksona.

On parempi uskoa kaikki laskelmat asiantuntijoille, mutta alustavaa tehonarviointia varten voit myös tehdä itsenäisen laskelman.

Ensin määritetään talon lämmityksen ja käyttöveden tuottamiseen tarvittava lämpökuorma.

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

missä 0,050 kW / m2 on eristetyn talon lämpöhäviö; 200 - talon pinta-ala.

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

missä 0,25 on lämpöteho kuuman veden toimittamiseen yhtä henkilöä kohti; 4 - talossa asuvien ihmisten lukumäärä.

Pyh.=10+1=11kW

Kun otetaan huomioon lämpötilaero ja bivalenssipiste, HP:n lämpötehon laskettu arvo:

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

missä +20, -7, -22 ovat huoneen ilman lämpötilan, bivalenssipisteen lämpötilan ja ulkolämpötilan arvot.

Samoin soveltuvien lämmönsyötöjen mukaan HP:n tarvittava teho määräytyy, kun työskentelet ilmastointia kotona. Valitse sitten malli, jossa on lähimmät suuret indikaattorit.

Lämmön/kylmän syöttöjärjestelmän tehokkuus riippuu laskelmien oikeellisuudesta ja lukutaidosta.

Lämpöpumpputyypit

Toimintaperiaatteen mukaan lämpöpumput jaetaan kompressio- ja absorptiopumppuihin . Kompressiolämpöpumput toimivat aina mekaanisella energialla (sähköllä), kun taas absorptiolämpöpumput voivat käyttää myös lämpöä energianlähteenä (käyttäen sähköä tai polttoainetta).
Tunnetaan myös puolijohdelämpöpumput, jotka käyttävät työssään Peltier-ilmiötä [11] . Lämmönottolähteestä riippuen lämpöpumput jaetaan [12]  :

1) Geoterminen (käytetään maan, maan tai maanalaisen pohjaveden lämpöä)

a) suljettu tyyppi

Kerääjä sijoitetaan renkaisiin tai kierteisesti vaakasuoraan kaivantoon maan jäätymissyvyyden alapuolelle (yleensä 1,2 m tai enemmän) [13] . Tämä menetelmä on kustannustehokkain asuinrakennuksissa, jos ääriviivaa varten ei ole pulaa maasta.

Keräin sijoitetaan pystysuoraan kaivoihin, joiden syvyys on enintään 200 m [14] . Tätä menetelmää käytetään tapauksissa, joissa maan pinta-ala ei salli ääriviivan sijoittamista vaakasuoraan tai on olemassa uhka maiseman vahingoittumisesta.

Keräin sijoitetaan kiemuraisesti tai renkaisiin altaaseen (järvi, lampi, joki) jäätymissyvyyden alapuolelle. Tämä on halvin vaihtoehto, mutta tietyn alueen säiliössä olevan veden vähimmäissyvyydestä ja -tilavuudesta on vaatimuksia.

Toisin kuin edellisissä tyypeissä, kylmäaine syötetään lämpöpumpun kompressorista kupariputkien kautta, jotka sijaitsevat:

Kylmäaineen kierto lämpöpumpun kompressorin toimesta ja freonin lämmönvaihto suoraan kupariputken seinämän läpi korkeammalla lämmönjohtavuudella varmistaa maalämpöjärjestelmän korkean hyötysuhteen ja luotettavuuden. Tämän tekniikan käyttö mahdollistaa myös kaivojen porauksen kokonaispituuden lyhentämisen, mikä vähentää DX Direct Exchange -lämpöpumpun asennuskustannuksia.

b) avoin tyyppi
Tämä järjestelmä käyttää lämmönvaihtonesteenä vettä, joka kiertää suoraan maalämpöpumppujärjestelmän läpi avoimessa kierrossa, eli järjestelmän läpi kulkenut vesi palaa takaisin maahan. Tämä vaihtoehto voidaan toteuttaa käytännössä vain, jos suhteellisen puhdasta vettä on riittävästi ja jos tämä pohjaveden käyttötapa ei ole laissa kielletty.

2) Ilma (ilma on lämmönpoiston lähde) He käyttävät ilmaa matalalaatuisen lämpöenergian lähteenä. Lisäksi lämmönlähde voi olla ulkoilman (ilmakehän) lisäksi myös rakennusten poistoilman (yleinen tai paikallinen) ilmanvaihto.

3) Johdetun (sekundaarisen) lämmön (esimerkiksi keskuslämmitysputken lämmön) käyttäminen. Tämä vaihtoehto sopii parhaiten teollisuustiloihin, joissa on hajalämmön lähteitä, jotka on hävitettävä .

Teollisuusmallien tyypit

Tulo- ja poistopiirien jäähdytysnesteen tyypin mukaan pumput on jaettu kahdeksaan tyyppiin: "maa-vesi", "vesi-vesi", "ilma-vesi", "maa-ilma", "vesi-ilma" , "ilma-ilma" " freon-vesi", "freon-ilma". Lämpöpumput voivat käyttää huoneesta vapautuvan ilman lämpöä lämmittäen samalla tuloilmaa - rekuperaattoreita .

Lämmön otto ilmasta

Tietyn lämpöenergialähteen tehokkuus ja valinta riippuvat voimakkaasti ilmasto-olosuhteista, varsinkin jos lämmönpoistolähteenä on ilmakehän ilma. Itse asiassa tämä tyyppi tunnetaan paremmin ilmastointilaitteena. Kuumissa maissa on kymmeniä miljoonia tällaisia ​​laitteita. Pohjoismaissa lämmitys on tärkeintä talvella. Ilma-ilma- ja ilma-vesi-järjestelmiä käytetään myös talvella miinus 25 asteen lämpötiloissa, jotkut mallit jatkavat toimintaansa -40 asteeseen asti. Mutta niiden hyötysuhde on alhainen, noin 1,5 kertaa, ja lämmityskaudella keskimäärin noin 2,2 kertaa sähkölämmittimiin verrattuna. Vaikeissa pakkasissa käytetään lisälämmitystä. Kun päälämmitysjärjestelmän kapasiteetti lämpöpumpuilla ei riitä, kytketään päälle lisälämmönlähteitä. Tällaista järjestelmää kutsutaan bivalentiksi.

Lämmön otto kivestä

Kallio vaatii poraamisen riittävän syvyyteen (100-200 metriä) tai useamman tällaisen kaivon. U-muotoinen paino lasketaan kaivoon kahdella muoviputkella, jotka muodostavat ääriviivan. Putket on täytetty pakkasnesteellä. Ympäristösyistä tämä on 30-prosenttinen etyylialkoholiliuos. Kaivo täytetään pohjavedellä luonnollisella tavalla ja vesi johtaa lämpöä kivestä jäähdytysnesteeseen. Jos kaivon pituus on riittämätön tai yritetään saada ylimääräistä tehoa maasta, tämä vesi ja jopa jäätymisenestoaine voivat jäätyä, mikä rajoittaa tällaisten järjestelmien enimmäislämpötehoa. Palautetun pakkasnesteen lämpötila toimii yhtenä automaatiopiirin indikaattoreista. Lämpötehoa on noin 50-60 W 1 lineaarimetrissä kaivoa. Siten 10 kW:n lämpöpumpun asentamiseen tarvitaan noin 170 m syvyys kaivoa. Ei kannata porata syvemmälle kuin 200 metriä, halvempaa on tehdä useita pienempiä syvyyksiä 10-20 metrin päässä toisistaan. Jopa pienelle 110-120 neliömetrin talolle. alhaisella energiankulutuksella takaisinmaksuaika on 10-15 vuotta. Lähes kaikki markkinoilla olevat asennukset toimivat kesällä, kun taas lämpö (lähinnä aurinkoenergia) otetaan huoneesta ja haihdutetaan kallioon tai pohjaveteen. Skandinavian maissa, joissa on kivinen maaperä, graniitti toimii massiivisena lämpöpatterina, joka vastaanottaa lämpöä kesällä/päivällä ja haihduttaa sen takaisin talvella/yöllä. Myös lämpöä tulee jatkuvasti maan suolistosta ja pohjavedestä.

Lämmön otto maasta

Tehokkaimmat, mutta myös kalleimmat järjestelmät mahdollistavat lämmön talteenoton maasta, jonka lämpötila ei muutu ympäri vuoden jo useiden metrien syvyydessä, mikä tekee asennuksesta käytännössä riippumattoman sään. Mukaan Vuonna 2006 Ruotsiin asennettiin puoli miljoonaa tällaista laitteistoa, Suomeen 50 000 ja Norjaan jopa 70 000. 50 cm alle maan jäätymistason tällä alueella. Käytännössä 0,7 - 1,2 metriä . Valmistajien suosittelema keräinputkien välinen vähimmäisetäisyys on 1,2 ... 1,5 metriä. Täällä ei tarvita porausta, mutta laajempi kaivaminen vaatii laajan alueen, ja putkilinja on suurempi vaurioitumisvaara. Hyötysuhde on sama kuin kaivosta lämpöä otettaessa. Erityistä maaperän valmistelua ei tarvita. Mutta on toivottavaa käyttää paikkaa, jossa on märkää maaperää, mutta jos se on kuiva, ääriviiva on pidennettävä. Lämpötehon likimääräinen arvo 1 metriä kohti putkilinjaa: savessa - 50-60 W, hiekassa - 30-40 W lauhkeilla leveysasteilla, pohjoisessa arvot ovat pienempiä. Siten 10 kW:n lämpöpumpun asentamiseen tarvitaan 350-450 m pitkä maadoituspiiri, jonka asennukseen tarvitaan noin 400 m² (20x20 m) tontti. Oikealla laskennalla ääriviivalla on vain vähän vaikutusta viheralueisiin .

Spiraalisarja

Kierresäiliö on pystysuorien kaivojen ja vaakasuuntaisen säiliön yhdistelmä. Sitä käytetään, kun poraus on geologisista syistä erittäin kallista (esimerkiksi graniittilaatan esiintyminen). Kalliimpi kuin vaakakeräinvaihtoehto, koska se vaatii esivalmistuksen ohuemmista putkispiraaleista (yleensä 25 mm), joiden korkeus on 2-3 metriä. Tarve on myös esivalmistetuille kaivoille, koska halkaisijan pienenemisen vuoksi putken kokonaispituus järjestelmässä kasvaa. [viisitoista]

Muut

Kaivoissa, joiden halkaisija on 218–324 mm, on mahdollista pienentää tarvittavaa kaivon syvyyttä merkittävästi 50–70 metriin, nostaa lämpöenergian otto vähintään 700 W:iin 1 lineaarimetriä kohden. m kaivoa ja varmistaa ympärivuotisen toiminnan vakauden [16] mahdollistaa vesikaivon kaivossa sijaitsevan lämpöpumpun primäärimuuntimen aktiivisen piirin käytön (käytetään kaivoissa, joissa on uppopumppu , putketon veden nostolaite, joka luo nestevirtauksen kaivossa, puhaltaen läpi pumpattavan nestemäisen lämmönvaihtopiirin virralla lämpöpumpun primäärimuuntimen kylmäaineen kanssa, lisäämällä lämmön poistumista paitsi viereisestä maamassasta, myös pumpatusta nesteestä).

Lämmön otto säiliöstä

Käytettäessä lähellä olevaa vesistöä lämmönlähteenä piiri asetetaan pohjalle. Syvyys vähintään 2 metriä. Lämpöpumpun energian muuntokerroin on sama kuin otettaessa lämpöä maasta. Lämpötehon likimääräinen arvo 1 metriä kohti putkilinjaa on 30 W. Täten 10 kW:n lämpöpumpun asentamiseksi on tarpeen laskea järveen 300 m pitkä piiri. m on asennettu noin 5 kg rahtia. Teolliset mallit: 70 - 80 kWh / m vuodessa.

Jos ulkoisen piirin lämpö ei vieläkään riitä lämmittämiseen vaikeissa pakkasissa, pumppua käytetään yhdessä lisälämmönkehittimen kanssa (tällaisissa tapauksissa puhutaan kaksiarvoisen lämmitysjärjestelmän käytöstä). Kun ulkolämpötila laskee lasketun tason (kaksiarvoisen lämpötilan) alapuolelle, toinen lämmönkehitin kytketään päälle - useimmiten pieni sähkölämmitin .

Edut ja haitat

Ensinnäkin lämpöpumppujen etuihin kuuluu tehokkuus: siirtääkseen 1 kWh lämpöenergiaa lämmitysjärjestelmään asennuksen tarvitsee käyttää vain 0,2-0,35 kWh sähköä. Koska lämpöenergian muuntaminen sähköenergiaksi suurilla voimalaitoksilla tapahtuu jopa 50 % hyötysuhteella, polttoaineen käytön hyötysuhde lämpöpumppuja käytettäessä kasvaa - kolmituotanto . Yksinkertaistetaan ilmanvaihtojärjestelmien vaatimuksia ja nostetaan paloturvallisuustasoa. Kaikki järjestelmät toimivat suljetuilla silmukoilla eivätkä vaadi käytännössä muita käyttökustannuksia kuin laitteiden käyttämiseen tarvittavan sähkön hinta.

Toinen lämpöpumppujen etu on mahdollisuus siirtyä talvella lämmitystilasta ilmastointitilaan kesällä: vain pattereiden sijasta tuuletinpatterit tai ” kylmäkatto ”-järjestelmät liitetään ulkoiseen keräilijään.

Lämpöpumppu on luotettava, sen toimintaa ohjataan automaatiolla. Käytön aikana järjestelmä ei vaadi erityistä huoltoa, mahdolliset käsittelyt eivät vaadi erityisiä taitoja ja ne on kuvattu ohjeissa.

Järjestelmän tärkeä piirre on sen puhtaasti yksilöllinen luonne jokaiselle kuluttajalle, joka koostuu vakaan matalalaatuisen energialähteen optimaalisesta valinnasta, muuntokertoimen laskemisesta, takaisinmaksusta ja muista asioista.

Lämpöpumppu on kompakti (sen moduuli ei ylitä perinteisen jääkaapin kokoa) ja on lähes äänetön.

Vaikka Lord Kelvinin vuonna 1852 esittämä idea toteutui neljä vuotta myöhemmin, lämpöpumput otettiin käyttöön vasta 1930-luvulla. Vuoteen 2012 mennessä Japanissa on käytössä yli 3,5 miljoonaa yksikköä [17] , Ruotsissa noin 500 000 taloa lämmitetään erilaisilla lämpöpumpuilla.

Lämmitykseen käytettävien maalämpöpumppujen haittoja ovat asennettujen laitteiden korkea hinta, ulkoisten maanalaisten tai vedenalaisten lämmönvaihtopiirien monimutkaisen ja kalliin asennuksen tarve. Ilmalämpöpumppujen haittana on alhaisempi lämmönmuunnosteho, joka liittyy kylmäaineen alhaiseen kiehumispisteeseen ulkoisessa "ilma"-höyrystimessä. Lämpöpumppujen yleinen haittapuoli on lämmitetyn veden suhteellisen alhainen lämpötila, useimmiten enintään +50 °C - +60 °C, ja mitä korkeampi lämmitettävän veden lämpötila on, sitä alhaisempi on lämmitettävän veden hyötysuhde ja luotettavuus. lämpöpumppu.

Näkökulmat

Lämpöpumpun asentaminen edellyttää alkukustannuksia: pumpun ja järjestelmän asennuksen hinta on 300-1200 dollaria per 1 kW vaadittua lämmitystehoa. Lämpöpumppujen takaisinmaksuaika on 4-9 vuotta ja käyttöikä ennen remonttia 15-20 vuotta.

On olemassa myös vaihtoehtoinen näkemys lämpöpumppujen asennuksen taloudellisesta kannattavuudesta. Joten jos lämpöpumppu asennetaan luottovaroilla, lämpöpumpun käytöstä saatavat säästöt voivat olla pienemmät kuin lainan käyttökustannukset. Siksi lämpöpumppujen massakäyttöä yksityisellä sektorilla voidaan odottaa, jos lämpöpumppulaitteiden kustannukset ovat verrattavissa kaasulämmityksen asennuksen ja kaasuverkkoon liittämisen kustannuksiin.

Vielä lupaavampi on järjestelmä, joka yhdistää maalämpölähteen ja lämpöpumpun yhdeksi lämmönsyöttöjärjestelmäksi. Samaan aikaan geoterminen lähde voi olla joko luonnollinen (geotermisten vesien lähtö) tai keinotekoinen (kaivo, jossa kylmää vettä ruiskutetaan syvään kerrokseen ja ulostulo lämmitetyn veden pinnalle).

Toinen mahdollinen lämpöpumpun käyttökohde olisi sen yhdistäminen olemassa oleviin kaukolämpöjärjestelmiin. Tällöin kuluttajalle voidaan toimittaa suhteellisen kylmää vettä, jonka lämmön lämpöpumppu muuntaa lämmitykseen riittävän potentiaaliseksi lämmöksi. Mutta samaan aikaan jäähdytysnesteen alhaisemman lämpötilan vuoksi häviöt matkalla kuluttajalle (suhteessa jäähdytysnesteen ja ympäristön lämpötilaeroon) voidaan vähentää merkittävästi. Myös keskuslämmitysputkien kuluminen vähenee, koska kylmä vesi on vähemmän syövyttävää kuin kuuma vesi.

Lämpöpumppujen sovellettavuuden rajoitukset

Lämpöpumpun suurin haittapuoli on käänteinen suhde sen hyötysuhteen ja lämmönlähteen ja kuluttajan välisen lämpötilaeron välillä. Tämä asettaa tiettyjä rajoituksia ilma-vesijärjestelmien käytölle. Nykyaikaisten lämpöpumppujen todelliset hyötysuhdearvot ovat noin COP=2,0 lähdelämpötilassa -20 °C ja noin COP=4,0 +7 °C:n lähdelämpötilassa. Tämä johtaa siihen, että kuluttajan määritellyn lämpötilatilan varmistamiseksi alhaisissa ilman lämpötiloissa on käytettävä laitteita, joilla on huomattava ylikapasiteetti, mikä liittyy pääomasijoitusten järjettömään käyttöön (tämä koskee kuitenkin myös kaikkia muut lämpöenergian lähteet). Ratkaisu tähän ongelmaan on ns. bivalenttisen lämmitysjärjestelmän käyttö, jossa pää- (perus)kuorma kulkee lämpöpumpun varassa ja huippukuormat katetaan apulähteellä (kaasu- tai sähkökattila). Lämpöpumppuasennuksen optimaalinen kapasiteetti on 60…70 % tarvittavasta asennuskapasiteetista, mikä vaikuttaa myös lämpöpumppulämmitysasennuksen hankintahintaan. Tällöin lämpöpumppu tuottaa vähintään 95 % kuluttajan lämpöenergian tarpeesta koko lämmityskauden ajan. Tällaisella järjestelmällä Keski-Euroopan ilmasto-olosuhteiden keskimääräinen kausienergian muuntokerroin on noin COP=3. Tällaisen järjestelmän ensisijainen polttoaineen käyttökerroin on helppo määrittää perustuen siihen, että lämpövoimaloiden hyötysuhde vaihtelee 40 %:sta (lauhdutustyyppiset lämpövoimalaitokset) 55 %:iin (kombinaatiovoimalaitokset). Vastaavasti kyseessä olevan lämpöpumppulaitoksen primääripolttoaineen käyttökerroin on välillä 120 %…165 %, mikä on 2…3 kertaa korkeampi kuin kaasukattiloiden (65 %) tai keskuslämmitysjärjestelmien vastaavat suorituskykyominaisuudet. (50…60 %). On selvää, että maalämpöä tai pohjavesilämpöä käyttävät järjestelmät ovat vapaita tästä haitasta. Kompressorin puristussuhteen noustessa poistolämpötila nousee, mikä rajoittaa lauhdutuslämpötilaa. Kompressorin puristusasteen rajoitus ja sen tehon heikkeneminen puristusasteen kasvaessa johtaa tarpeeseen käyttää matalan lämpötilan lämmitysjärjestelmiä (pintalämmitysjärjestelmät, kuten "lämmin lattia", lämmin seinä, lämmin jalkalista , ilmalämmitysjärjestelmät, joissa käytetään tuuletinpatteria jne.) . Tämä rajoitus koskee vain korkean lämpötilan patterilämmitysjärjestelmiä. Kylmäkompressorien kehittämisen myötä on ilmestynyt kompressoreja, jotka mahdollistavat korkeiden lauhdutuslämpötilojen saavuttamisen käyttämällä höyryn ja nestemäisen freonin (freonin) injektiota puristusprosessissa, mikä mahdollistaa puristussuhteen lisäämisen ja kompressorin ylikuumenemisen vähentämisen. Ulospääsy tästä tilanteesta on mahdollista käyttämällä korkeapaineista vesirengaskompressoria, jossa ilmakehän ilman puristamisprosessissa lämpö imeytyy välittömästi veteen, jolloin saavutetaan kaksinkertainen hyöty: kuuma vesi + paineilma, mikä mahdollistaa sen. saada sähköä sekä GPU:ta että GTP:tä varten.

Teknisesti lämpöpumpun suorituskyky matalissa lämpötiloissa määräytyy höyrystimen sisä- ja ulkolämpötilan eron perusteella. Jos lämpötila on -30C ulkopuolella ja -40C höyrystimen sisällä, kylmäaineen absorboima lämpöenergia on alhainen. Kuitenkin, jos lämpötila höyrystimessä on -100C, absorptiotehokkuus kasvaa merkittävästi. Mutta tämä vaatii asianmukaista teknistä toteutusta, joka ei aina ole mahdollista teollisten kylmäaineiden ominaisuuksien vuoksi tai se osoittautuu liian kalliiksi. Joka tapauksessa verrattuna perinteiseen kotitalousilmastointilaitteeseen, joka toimii "jäähdytys"-tilassa, kaksisuuntaisen lämpöpumpun suunnittelu on kalliimpaa ja massiivisempaa, koska tarvitaan massiivisempi höyrystin, tehokkaampi kompressori, talven tyhjennyslämmitysjärjestelmä jne. Myös lämpöpumpuilla on korkeammat vaatimukset materiaaleille ja rakenteelle, koska. elementit toimivat jatkuvasti vuorotellen (lämmitys - jäähdytys).

Peruslämmitysjärjestelmät lämpöpumpuilla

Kirjallisuus

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Lämpöpumppu // Suuri Neuvostoliiton Encyclopedia  : [30 osana]  / ch. toim. A. M. Prokhorov . - 3. painos - M .  : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969-1978.
  2. ↑ Artikkeli IEA HPT TCP:stä Miten lämpöpumppu toimii?  (englanniksi) . Haettu 26. marraskuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 13. helmikuuta 2021.
  3. ↑ Lämpöpumput – tehokas ratkaisu energiakriisiin | dw | 21.08.2022 . DW.COM . Haettu: 22.8.2022.
  4. ↑ Ilmalämpöpumput  . _ Kansallinen uusiutuvan energian laboratorio. Haettu 26. marraskuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 10. heinäkuuta 2018.
  5. ↑ Vaihtoehtoiset energialähteet: mitä sinun tulee tietää . RBC-trendit . Haettu 28. helmikuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 28. helmikuuta 2022.
  6. ↑ Butikov E. I., Bykov A. A., Kondratiev A. S. Fysiikka esimerkeissä ja ongelmissa. - M., Nauka , 1989. - Levikki 310 000 kappaletta. - Kanssa. 212
  7. ↑ Vasiliev G.P. Rakennusten ja rakenteiden lämpö- ja kylmähuolto käyttämällä maapallon pintakerrosten heikkolaatuista lämpöenergiaa (monografia). Kustantaja "Border". M., "Punainen tähti" - 2006. - 220 ° C.
  8. ↑ Vasiliev G. P., Khrustachev L. V., Rozin A. G., Abuev I. M. et al. Ohjeet lämpöpumppujen käyttöön, joissa käytetään toissijaisia ​​energialähteitä ja ei-perinteisiä uusiutuvia energialähteitä // Moskovan hallitus Moskomarchitectura, valtion yhtenäinen yritys "NIAC", 2001.
  9. ↑ Burg Rabenstein Arkistoitu 11. syyskuuta 2010.
  10. ↑ Tietoja meistä. Mikä on IGSHPA? Arkistoitu 10. toukokuuta 2013, Wayback Machine / International Ground Source Heat Pump  Association
  11. ↑ Balyan S. V. Tekninen termodynamiikka ja lämpömoottorit. - L., Mashinostroenie, 1973. - Levikki 23 000 kappaletta. - Kanssa. 141
  12. ↑ Erityyppisten lämpöpumppujen järjestelmäteoriamallit arkistoitu 18. kesäkuuta 2013 Wayback Machinessa // WSEAS-konferenssissa Portorozissa, Sloveniassa. 2007.  (englanniksi)
  13. ↑ Energiansäästäjät: Geotermisten lämpöpumppujärjestelmien tyypit Arkistoitu 29. joulukuuta 2010.
  14. ↑ Kalliolämpöpumppu (linkki ei käytettävissä) . Haettu 19. elokuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 24. joulukuuta 2013. 
  15. ↑ spiraalilämpöpumppu . Haettu 29. kesäkuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 30. kesäkuuta 2020.
  16. ↑ Vasiliev G.P. Rakennusten ja rakenteiden lämpö- ja kylmähuolto käyttämällä maapallon pintakerrosten heikkolaatuista lämpöenergiaa (monografia). Kustantaja "Border". M., "Punainen tähti" - 2006. - 220c.
  17. ↑ Lämpöpumppumarkkinoiden kehitys Japanissa Arkistokopio 21. helmikuuta 2014 Wayback Machinessa - Portal-Energo.ru  - energiatehokkuus ja energiansäästö, 27.3.2013
  18. ↑ Maalämpö. Lämpöpumput . Haettu 15. kesäkuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 19. huhtikuuta 2018.
  19. ↑ Lämpöpumppujen käytöstä . Haettu 15. kesäkuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 12. lokakuuta 2016.