Energia ziemi. Pompy ciepła. Schemat, opis

Bezpłatna biblioteka techniczna

ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ
Darmowa biblioteka / Schematy urządzeń radioelektronicznych i elektrycznych

Energia ziemi. Pompy ciepła. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

Bezpłatna biblioteka techniczna

Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Alternatywne źródła energii

Komentarze do artykułu

Półtora wieku temu brytyjski fizyk William Thomson wynalazł urządzenie zwane „mnożnikiem ciepła” w oparciu o następujące zjawiska fizyczne:

substancja zużywa energię podczas parowania i wydziela energię podczas skraplania;
Temperatura wrzenia substancji zmienia się wraz z ciśnieniem.

W rezultacie pojawił się pompa ciepła - urządzenie do przenoszenia energii cieplnej ze źródła o niższej temperaturze do źródła o wyższej temperaturze, w rzeczywistości jest to lodówka ze źródłem o niższej temperaturze w środowisku zewnętrznym lub klimatyzator, który grzeje.

Zasada działania pompy ciepła polega na tym, że czynnik chłodniczy odparowuje w komorze o niskim ciśnieniu i temperaturze, a skrapla się w komorze o wysokim ciśnieniu i temperaturze, przekazując w ten sposób energię (ciepło) z zimnego ciała do ogrzanego , to znaczy w kierunku, w którym spontaniczna wymiana ciepła nie jest możliwa.

Jako niskopotencjalne źródło energii cieplnej do ogrzewania domu można wykorzystać ciepło pochodzenia naturalnego (powietrze zewnętrzne; ciepło z wód gruntowych, artezyjskich i termalnych; wody z rzek, jezior, mórz i innych niezamarzających zbiorników naturalnych). Pompy ciepła wyposażone są w układ sterowania i automatyki utrzymujący zadany tryb pracy pompy ciepła.

Efektywność energetyczna zastosowania pomp ciepła zależy od temperatury źródła o niskim potencjale i będzie tym wyższa, im wyższa będzie jego temperatura.

Pompy ciepła nie są tanim sprzętem. Początkowe koszty instalacji tych systemów są nieco wyższe niż w przypadku konwencjonalnych systemów ogrzewania i klimatyzacji. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę koszty eksploatacji. wtedy początkowa inwestycja w geotermalne ogrzewanie, chłodzenie i zaopatrzenie w ciepłą wodę szybko się zwróci dzięki oszczędnościom energii. Ponadto należy wziąć pod uwagę, że działanie pompy ciepła nie wymaga żadnej dodatkowej komunikacji, z wyjątkiem domowej sieci elektrycznej.

Wydajność pompy ciepła (stosunek ilości ciepła przekazanego organizmowi do wykonanej pracy) jest idealnie równa:

a \uXNUMXd T out / (T out - T in.),

gdzie T out. i T w. - temperatury odpowiednio na wylocie i na wlocie pompy.

Urządzenie pompy ciepła

Głównymi elementami pompy ciepła są parownik połączony rurociągiem, sprężarka, skraplacz oraz regulator przepływu - przepustnica, rozprężarka lub rurka wirowa. Schematycznie pompę ciepła można przedstawić jako układ trzech obiegów zamkniętych: w pierwszym, zewnętrznym, krąży emiter ciepła (nośnik ciepła, który zbiera ciepło z otoczenia), w drugim - substancja, która odparowuje, zabierając ciepła emitera, a skrapla się, oddając ciepło do odbiornika ciepła, w trzecim - odbiornika ciepła (woda w instalacji grzewczej i ciepłej wody użytkowej budynku).

Energia Ziemi. Pompy ciepła
Ryc.1. Schemat działania pompy ciepła: 1 - wymienniki ciepła w studniach (układ odbioru ciepła); 2 - obwód niezamarzającego płynu chłodzącego (płyn niezamarzający); 3 - pompa ciepła; 4 - obieg wody grzewczej

Obwód zewnętrzny (kolektor) to rurociąg ułożony w ziemi lub w wodzie (na przykład polietylen), w którym krąży płyn niezamarzający. Źródłem ciepła niskiej jakości może być gleba, skała, jezioro, rzeka, morze, a nawet wylot ciepłego powietrza z systemu wentylacji przedsiębiorstwa przemysłowego.

W drugim obiegu, w którym krąży czynnik chłodniczy, podobnie jak w domowej lodówce, wbudowane są wymienniki ciepła - parownik i skraplacz oraz urządzenia zmieniające ciśnienie czynnika chłodniczego - przepustnica rozpylająca go w fazie ciekłej ( wąski skalibrowany otwór) i sprężanie go już w sprężarce stanu gazowego.

Projekty pomp geotermalnych

Podczas pracy tych systemów wykorzystywane jest odnawialne ciepło z promieniowania słonecznego, które jest gromadzone w gruncie:

pompa z obiegiem otwartym (płyn chłodzący jest dostarczany bezpośrednio ze zbiornika i po przejściu cyklu jest schładzany i zawracany);
pompa o obiegu zamkniętym (chłodziwo jest pompowane przez obieg zamknięty, który można ułożyć głęboko w ziemi lub wzdłuż dna zbiornika. Jest to metoda bardziej przyjazna dla środowiska niż obieg otwarty);
pompa z poziomym wymiennikiem ciepła (obieg zamknięty wymiennika układany jest poziomo w głębokich wykopach);
pompa z pionowym wymiennikiem ciepła (wymiennik ciepła z obiegiem zamkniętym montowany jest pionowo w przygotowanych otworach. Znajduje zastosowanie w glebach ciężkich lub przy ograniczonej przestrzeni. Za najbardziej efektywną uważa się pompę o obiegu zamkniętym: czynnik chłodzący pompowany jest przez pętla zamknięta, którą można ułożyć głęboko w ziemi lub wzdłuż dna zbiornika).

Cykl pracy pompy ciepła

Ciekły czynnik chłodniczy przetłaczany jest przez przepustnicę, jego ciśnienie spada i trafia do parownika, gdzie wrze, odbierając ciepło dostarczane przez kolektor z otoczenia. Ponadto gaz, w który zamienił się czynnik chłodniczy, jest zasysany do sprężarki, sprężany i ogrzewany, wtłaczany do skraplacza.Skraplacz jest jednostką uwalniającą ciepło pompy ciepła: tutaj ciepło jest odbierane przez wodę w układ obiegu grzewczego. Następnie gaz jest schładzany i skraplany, aby ponownie uzyskać próżnię w zaworze rozprężnym i zawrócić do parownika, po czym cykl pracy rozpoczyna się od nowa.

Sprawność pompy ciepła

Podczas pracy sprężarka zużywa energię elektryczną. Na każdą kilowatogodzinę zużytej energii elektrycznej pompa ciepła wytwarza 2,5-5 kilowatogodzin energii cieplnej. Stosunek wytworzonej energii cieplnej do zużytej energii elektrycznej nazywany jest współczynnikiem przemiany (lub współczynnikiem konwersji ciepła) i służy jako wskaźnik sprawności pompy ciepła. Wartość ta zależy od różnicy poziomów temperatur w parowniku i skraplaczu: im większa różnica, tym mniejsza ta wartość.

Z tego powodu pompa ciepła powinna zużywać jak najwięcej niskiej jakości źródła ciepła bez prób zbytniego schłodzenia. W rzeczywistości zwiększa to wydajność pompy ciepła, ponieważ przy słabym chłodzeniu źródła ciepła nie ma znaczącego wzrostu różnicy temperatur. Z tego powodu pompy ciepła dbają o to, aby masa niskotemperaturowego źródła ciepła była znacznie większa niż masa ogrzewana.

Różnica między pompą ciepła a paliwowymi źródłami ciepła polega na tym, że do pracy oprócz energii dla sprężarki potrzebne jest również źródło ciepła niskiej jakości, podczas gdy w tradycyjnych źródłach ciepła wytwarzane ciepło zależy wyłącznie od kaloryczności paliwa.

Problem podłączenia pompy ciepła do źródła ciepła o niskim potencjale i dużej masie można rozwiązać wprowadzając do pompy ciepła układ przenoszenia masy, np. układ pompowania wody. Tak działa system centralnego ogrzewania w Sztokholmie.

Sprawność warunkowa pomp ciepła

Pompa ciepła jest w stanie, wykorzystując źródła energii o wysokim potencjale, „wpompować” do pomieszczenia (jako procent zużytej) od 200% do 600% energii cieplnej niskiej jakości. Nie ma w tym naruszenia zasady zachowania energii, ponieważ środowisko jest chłodzone.

Teoretycznie wykorzystanie pomp ciepła do ogrzewania pomieszczeń jest bardziej efektywne niż kotłów gazowych. Nowoczesne turbiny parowe i gazowe w elektrowniach mają sprawność nieco niższą od sprawności kotłów gazowych. W rezultacie, wraz z przejściem elektroenergetyki na nowoczesny sprzęt i stosowanie pomp ciepła, można uzyskać oszczędności gazu nawet 3-5 razy w porównaniu z kotłami gazowymi. W rzeczywistości należy uwzględnić ogólne koszty przesyłu, konwersji i dystrybucji energii elektrycznej (tj. usług sieciowych). W rezultacie cena sprzedaży energii elektrycznej jest 3-5 razy wyższa niż jej koszt, co neguje stosowanie ogólnie postępowej technologii. W tym zakresie wskazane jest wykorzystanie energii elektrycznej z alternatywnych źródeł (elektrownie fal, wiatru, słońca) lub połączenie wytwarzania energii elektrycznej z gazu z jej wykorzystaniem na miejscu, do produkcji ciepła w pompie ciepła.

Zalecenia dotyczące eksploatacji pompy ciepła

Przy wykorzystaniu energii dotacji jako źródła ciepła rurociąg, w którym krąży środek przeciw zamarzaniu, jest zakopany w ziemi 30-50 cm poniżej poziomu zamarzania gruntu w danym rejonie. Minimalna zalecana odległość między rurami kolektora wynosi 0,8 1 m. Nie jest wymagane specjalne przygotowanie gruntu. Ale pożądane jest użycie miejsca z mokrą glebą, ale jeśli jest suche, kontur musi być dłuższy. Przybliżona wartość mocy cieplnej na 20 m rurociągu wynosi 30-10 W. Tak więc, aby zainstalować pompę ciepła o mocy 350 kW, do ułożenia potrzebny jest obwód uziemiający o długości 450-400 m, który będzie wymagał działki o powierzchni około 2 m20 (20xXNUMX m). Prawidłowo obliczony kontur nie wpływa na tereny zielone.
Jeśli nie ma wolnego miejsca na ułożenie kolektora lub skała jest wykorzystywana jako źródło ciepła, rurociąg jest opuszczany do studni. Nie jest konieczne użycie jednego głębokiego otworu - można wywiercić kilka płytkich, tańszych, aby uzyskać całkowitą szacowaną głębokość. Czasami stosy fundamentowe są również używane jako studnie.
Około 1-50 watów energii cieplnej na 60 metr bieżący studni. Tak więc, aby zainstalować pompę ciepła o mocy 10 kW, wymagana jest studnia o głębokości 170 m.
Czynnik chłodniczy dostarczany jest bezpośrednio do źródła gruntowego, co zapewnia wysoką sprawność geotermalnego systemu grzewczego. Parownik montowany jest w funcie poziomo poniżej głębokości zamarzania lub w studniach o średnicy 40-60 mm, wierconych pionowo lub ze spadkiem do głębokości 15-30 m. Dzięki takiemu rozwiązaniu technicznemu obieg wymiany ciepła jest posadowiony na powierzchni zaledwie kilku metrów kwadratowych, nie wymaga instalacji pośredniego wymiennika ciepła oraz dodatkowych kosztów eksploatacji pompy obiegowej.
W przypadku korzystania z pobliskiego zbiornika jako źródła ciepła obwód jest układany na dnie. Opcja ta uważana jest za idealną przy niezbyt długim obiegu zewnętrznym przy wysokiej temperaturze otoczenia (temperatura wody w zbiorniku zimą jest zawsze dodatnia; wysoka sprawność konwersji energii pomp ciepła).
Przybliżona wartość mocy cieplnej na 1 m rurociągu wynosi 30 watów. Tak więc, aby zainstalować pompę ciepła o mocy 10 kW, konieczne jest ułożenie w jeziorze obwodu o długości 300 m. Aby rurociąg nie unosił się do góry, na 1 bieg. m jest zainstalowany około 5 kg ładunku
Do pozyskiwania ciepła z ciepłego powietrza (np. z wywiewu instalacji wentylacyjnej) stosuje się specjalny model pompy ciepła z powietrznym wymiennikiem ciepła. Ciepło z powietrza do instalacji grzewczych i ciepłej wody użytkowej może być również pozyskiwane w zakładach przemysłowych.
Jeśli ciepło z obwodu zewnętrznego nadal nie wystarcza do ogrzewania przy silnych mrozach, praktykuje się pracę pompy w tandemie z dodatkowym generatorem ciepła (w takich przypadkach mówi się o zastosowaniu biwalentnego schematu ogrzewania). Gdy temperatura zewnętrzna spadnie poniżej wyliczonego poziomu (temperatura biwalentna) włącza się drugie źródło ciepła - najczęściej mała grzałka elektryczna.

Zalety i wady pompy ciepła

Przede wszystkim do zalet pomp ciepła należy zaliczyć oszczędność: aby przekazać 0,2 kWh energii cieplnej do systemu grzewczego, instalacja musi wydać zaledwie 0,35-50 kWh energii elektrycznej. Ponieważ konwersja energii cieplnej na energię elektryczną w dużych elektrowniach odbywa się ze sprawnością dochodzącą do XNUMX%, zwiększa się efektywność wykorzystania paliwa przy zastosowaniu pomp ciepła. Uproszczone wymagania dla systemów wentylacyjnych i podnoszą poziom bezpieczeństwa przeciwpożarowego. Wszystkie systemy działają w zamkniętych pętlach i nie wymagają praktycznie żadnych kosztów operacyjnych, innych niż koszt energii elektrycznej wymaganej do obsługi sprzętu.

Kolejną zaletą pomp ciepła jest możliwość przełączania się z trybu ogrzewania zimą na tryb klimatyzacji latem: zamiast grzejników klimakonwektory są podłączone do zewnętrznego kolektora.

Pompa ciepła jest niezawodna, jej pracą steruje automatyka. Podczas pracy system nie wymaga specjalnej konserwacji, ewentualne manipulacje nie wymagają specjalnych umiejętności i są opisane w instrukcji.

Ważną cechą systemu jest jego czysto indywidualny charakter dla każdego odbiorcy, polegający na optymalnym doborze stabilnego źródła energii o niskim potencjale, obliczeniu współczynnika konwersji, zwrotu kosztów i innych rzeczach.

Pompa ciepła jest kompaktowa (jej moduł nie przekracza wymiarów konwencjonalnej lodówki) i jest prawie bezgłośna.

Do wad pomp ciepła stosowanych do ogrzewania należy wysoki koszt zainstalowanego sprzętu.

Zobacz inne artykuły Sekcja Alternatywne źródła energii.

Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu.

<< Wstecz

Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:

Maszyna do przerzedzania kwiatów w ogrodach 02.05.2024

We współczesnym rolnictwie postęp technologiczny ma na celu zwiększenie efektywności procesów pielęgnacji roślin. We Włoszech zaprezentowano innowacyjną maszynę do przerzedzania kwiatów Florix, zaprojektowaną z myślą o optymalizacji etapu zbioru. Narzędzie to zostało wyposażone w ruchome ramiona, co pozwala na łatwe dostosowanie go do potrzeb ogrodu. Operator może regulować prędkość cienkich drutów, sterując nimi z kabiny ciągnika za pomocą joysticka. Takie podejście znacznie zwiększa efektywność procesu przerzedzania kwiatów, dając możliwość indywidualnego dostosowania do specyficznych warunków ogrodu, a także odmiany i rodzaju uprawianych w nim owoców. Po dwóch latach testowania maszyny Florix na różnych rodzajach owoców wyniki były bardzo zachęcające. Rolnicy, tacy jak Filiberto Montanari, który używa maszyny Florix od kilku lat, zgłosili znaczną redukcję czasu i pracy potrzebnej do przerzedzania kwiatów. ... >>

Zaawansowany mikroskop na podczerwień 02.05.2024

Mikroskopy odgrywają ważną rolę w badaniach naukowych, umożliwiając naukowcom zagłębianie się w struktury i procesy niewidoczne dla oka. Jednak różne metody mikroskopii mają swoje ograniczenia, a wśród nich było ograniczenie rozdzielczości przy korzystaniu z zakresu podczerwieni. Jednak najnowsze osiągnięcia japońskich badaczy z Uniwersytetu Tokijskiego otwierają nowe perspektywy badania mikroświata. Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego zaprezentowali nowy mikroskop, który zrewolucjonizuje możliwości mikroskopii w podczerwieni. Ten zaawansowany instrument pozwala zobaczyć wewnętrzne struktury żywych bakterii z niesamowitą wyrazistością w skali nanometrowej. Zazwyczaj ograniczenia mikroskopów średniej podczerwieni wynikają z niskiej rozdzielczości, ale najnowsze odkrycia japońskich badaczy przezwyciężają te ograniczenia. Zdaniem naukowców opracowany mikroskop umożliwia tworzenie obrazów o rozdzielczości do 120 nanometrów, czyli 30 razy większej niż rozdzielczość tradycyjnych mikroskopów. ... >>

Pułapka powietrzna na owady 01.05.2024

Rolnictwo jest jednym z kluczowych sektorów gospodarki, a zwalczanie szkodników stanowi integralną część tego procesu. Zespół naukowców z Indyjskiej Rady Badań Rolniczych i Centralnego Instytutu Badań nad Ziemniakami (ICAR-CPRI) w Shimla wymyślił innowacyjne rozwiązanie tego problemu – napędzaną wiatrem pułapkę powietrzną na owady. Urządzenie to eliminuje niedociągnięcia tradycyjnych metod zwalczania szkodników, dostarczając dane dotyczące populacji owadów w czasie rzeczywistym. Pułapka zasilana jest w całości energią wiatru, co czyni ją rozwiązaniem przyjaznym dla środowiska i niewymagającym zasilania. Jego unikalna konstrukcja umożliwia monitorowanie zarówno szkodliwych, jak i pożytecznych owadów, zapewniając pełny przegląd populacji na każdym obszarze rolniczym. „Oceniając docelowe szkodniki we właściwym czasie, możemy podjąć niezbędne środki w celu zwalczania zarówno szkodników, jak i chorób” – mówi Kapil ... >>

Przypadkowe wiadomości z Archiwum

Wydajne ogniwa słoneczne wykonane z wielu półkul 25.02.2024

Panele słoneczne mają zazwyczaj płaską konstrukcję, która pochłania jak najwięcej światła słonecznego i działają najlepiej, gdy promienie padają na nie pod pewnym kątem. Nowe badania dowodzą, że tworzenie maleńkich kopułek na powierzchni ogniw słonecznych może zwiększyć ich wydajność o 36% i 66%, w zależności od polaryzacji światła. W tym przypadku światło zostanie uchwycone pod szerszym kątem – aż do 82 stopni.

Zaprezentowane osiągnięcie ma znaczący potencjał w zakresie opracowania bardziej wydajnych ogniw słonecznych, które mogą pokonać tradycyjne ograniczenia i znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach, gdzie wymagane jest niezawodne źródło energii.

Naukowcy już wcześniej eksperymentowali z różnymi kształtami powierzchni, w tym z zastosowaniem sferycznych nanopowłok krzemionkowych, aby wychwytywać więcej światła słonecznego i wydobywać z niego więcej energii. Na potrzeby nowego badania zespół z Uniwersytetu Abdullaha Gula w Turcji przeprowadził złożone symulacje tego, jak występy w kształcie kopuły poprawiają wydajność ogniw słonecznych.

Naukowcy zbadali ogniwa fotowoltaiczne wykonane z organicznego polimeru P3HT:ICBA jako warstwę aktywną umieszczoną nad warstwą aluminium i podłożem z pleksiglasu. Całość została pokryta przezroczystą warstwą ochronną z tlenku indu i cyny (ITO). Ta konstrukcja warstwowa została umieszczona w całej kopule, zwanej „półkulistą skorupą”, jak ją nazywają twórcy.

Naukowcy przeprowadzili trójwymiarową analizę elementów skończonych (FEA), dzieląc złożone systemy na łatwiejsze do zarządzania fragmenty w celu lepszego modelowania i analizy.

Ogniwa słoneczne z wybrzuszeniami wykazały o 36% i 66% lepszą absorpcję światła w porównaniu do płaskich powierzchni, w zależności od polaryzacji światła. Wypustki pozwalają na wnikanie światła z szerszego zakresu kierunków i pod większym kątem - aż do 82 stopni.

Choć nie powstały jeszcze fizyczne prototypy takich ogniw słonecznych, przeprowadzone symulacje stanowią znaczący krok w kierunku rozwoju bardziej wydajnych technologii fotowoltaicznych. Jeśli zasady te zostaną pomyślnie wdrożone, mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w dachowych panelach słonecznych, ale także w różnych zastosowaniach, w tym w elektronice ubieralnej, urządzeniach biomedycznych, szklarniach i Internecie rzeczy.

Inne ciekawe wiadomości:

▪ Nowe magnetowidy firmy Sony

▪ Kompaktowe radio MOTOROLA FV500AA

▪ Kineskop na Czarnobylu

▪ Chrapanie uszkadza serce

▪ Monitor Iiyama P2252HS-1 ze szkłem odpornym na uderzenia

Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika

Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej:

▪ sekcja serwisu Podstawy bezpiecznego życia (OBZhD). Wybór artykułów

▪ artykuł Rozrusznik-generator. Historia wynalazku i produkcji

▪ artykuł Jaka jest zabawa królów? Szczegółowa odpowiedź

▪ artykuł Specjalista ds. transportu. Opis pracy

▪ artykuł Udoskonalanie odświeżacza powietrza Air Wick. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

▪ artykuł Regulatory obrotów silników prądu przemiennego. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

Zostaw swój komentarz do tego artykułu:

Wszystkie języki tej strony

Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn