Энергия Земли. Тепловые насосы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Полтора века назад британский физик Уильям Томсон придумал устройство под названием "умножитель тепла", основанное на следующих физических явлениях:

• вещество затрачивает энергию при испарении и отдает энергию при конденсации;
• температура кипения вещества изменяется вместе с давлением.

В результате и появился тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой, фактически - это холодильник с источником более низкой температуры во внешней среде или кондиционер, работающий на нагрев.

Принцип работы теплового насоса основан на том, что хладагент испаряется в камере с низким давлением и температурой и конденсируется в камере с высоким давлением и температурой, осуществляя таким образом перенос энергии (тепла) от холодного тела к нагретому, то есть в направлении, в котором самопроизвольный теплообмен невозможен.

В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для обогрева дома может быть использовано тепло естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек. озер. морей и других незамерзающих природных водоемов). Тепловые насосы комплектуются системой управления и автоматики, которая поддерживает заданный режим работы теплового насоса.

Энергетическая эффективность применения тепловых насосов зависит от температуры низкопотенциального источника и будет тем выше, чем более высокую температуру он будет иметь

Тепловые насосы не относятся к дешевому оборудованию. Начальные затраты на установку этих систем несколько выше стоимости обычных систем отопления и кондиционирования. Однако, если рассматривать эксплуатационные расходы. то первоначальные вложения в геотермальный обогрев, охлаждение и горячее водоснабжение быстро окупаются за счет энергосбережения. Кроме того, необходимо учитывать, что при работе теплового насоса не требуется никаких дополнительных коммуникаций, кроме бытовой электрической сети.

Производительность теплового насоса (отношение количества теплоты, переданной телу, к затраченной работе) в идеальном случае равна:

а = Т вых / (Т вых - Т вх.),

где Т вых. и T вх. - температуры, соответственно, на выходе и на входе насоса.

Устройство теплового насоса

Основными элементами теплового насоса являются соединенные трубопроводом испаритель, компрессор, конденсатор и регулятор потока - дроссель, детандер или вихревая труба. Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий теплоту окружающей среды), во втором - вещество, которое испаряется, отбирая теплоту теплоотдатчика, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику, в третьем - теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания).

Рис.1. Схема работы теплового насоса: 1 - теплообменники в скважинах (система теплосбора); 2 - контур незамерзающего теплоносителя (тосол); 3 - тепловой насос; 4 - контур отопительной воды

Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный в землю или в воду (напр., полиэтиленовый) трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость - антифриз. Источником низкопотенциального тепла может служить грунт, скальная порода, озеро, река, море и даже выход теплого воздуха из системы вентиляции какого-либо промышленного предприятия.

Во второй контур, где циркулирует хладагент, как и в бытовом холодильнике, встроены теплообменники - испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента - распыляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.

Конструкции геотермальных насосов

При работе этих систем используется возобновляемое тепло солнечного излучения, которое накоплено в земле:

• насос с открытым циклом (теплоноситель подается непосредственно из водоема и после прохождения цикла охлажденным возвращается обратно);
• насос с закрытым циклом (теплоноситель прокачивается через замкнутый контур, который может быть проложен глубоко в земле или по дну водоема. Это более экологически безопасный метод, чем открытый цикл);
• насос с горизонтальным теплообменником (замкнутый контур теплообменника укладывается горизонтально в глубокие траншеи);
• насос с вертикальным теплообменником (замкнутый контур теплообменника устанавливается вертикально в подготовленные отверстия. Применяется в тяжелом грунте или при ограниченности пространства участка. Наиболее эффективным считается тепловой насос с замкнутым циклом: теплоноситель прокачивается через замкнутый контур, который может быть проложен глубоко в земле или по дну водоема).

Рабочий цикл теплового насоса

Жидкий хладагент продавливается через дроссель, его давление падает, и он поступает в испаритель, где вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса: здесь теплота принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель После этого рабочий цикл начинается сначала.

Эффективность теплового насоса

В процессе работы компрессор затрачивает электроэнергию. На каждый затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5-5 киловатт-часов тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растет эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур. По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса.

Отличие теплового насоса от топливных источников тепла состоит в том, что для работы, кроме энергии для компрессора, ему нужен также источник низкопотенциального тепла, в то время как в традиционных источниках тепла вырабатываемое тепло зависит исключительно от теплотворной способности топлива.

Проблема привязки теплового насоса к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большую массу, может быть решена введением в тепловой насос системы массопереноса, например, системы прокачки воды. Так устроена система центрального отопления Стокгольма.

Условный КПД тепловых насосов

Тепловой насос способен, используя высокопотенциальные источники энергии, "накачать" в помещение (в процентах от затраченной) от 200% до 600% низкопотенциальной тепловой энергии. В этом нет нарушения закона сохранения энергии, так как при этом охлаждается окружающая среда.

Теоретически применение тепловых насосов для обогрева помещений эффективнее газовых котлов. Современные парогазотурбинные установки на электростанциях имеют КПД незначительно меньший КПД газовых котлов. В результате при переходе электроэнергетики на современное оборудование и при применении тепловых насосов можно получить экономию газа до 3-5 раз в сравнении с газовыми котлами. В действительности приходится учитывать накладные расходы по передаче, преобразованию и распределению электроэнергии (т. е. услуги энергосетей). В результате отпускная цена электричества в 3-5 раз превышает его себестоимость, что сводит на нет применение в общем-то прогрессивной технологии. В связи с этим, целесообразно использовать электричество от альтернативных источников (волновые, ветровые, солнечные электростанции) или комбинировать генерацию электричества из газа с использованием его здесь же на месте, для получения тепла в тепловом насосе.

Рекомендации по эксплуатации теплового насоса

• При использовании в качестве источника тепла энергии гранта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе. Минимальное рекомендуемое расстояние между трубами коллектора - 0,8 1 м. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на l м трубопровода - 20-30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350-450 м для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20x20 м). При правильном расчете контур не влияет на зеленые насаждения.
• Если свободного участка для прокладки коллектора нет или в качестве источника тепла используется скалистая порода, трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину - можно пробурить несколько неглубоких, более дешевых, чтобы получить общую расчетную глубину. Иногда в качестве скважин используют фундаментные сваи.
• Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 м.
• Хладагент подается непосредственно к источнику земного типа, что обеспечивает высокую эффективность геотермальной отопительной системы. Испаритель устанавливают в фунт горизонтально ниже глубины промерзания или в скважины диаметром 40-60 мм, пробуренные вертикально либо под уклоном до глубины 15-30 м. Благодаря такому инженерному решению устройство теплообменного контура производится на площади всего нескольких квадратных метров, не требует установки промежуточного теплобменника и дополнительных затрат на работу циркуляционного насоса.
• При использовании в качестве источника тепла близлежащего водоема контур укладывается на дно. Этот вариант принято считать идеальным не слишком длинный внешний контур высокая температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда плюсовая; высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосов).
• Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода - 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м устанавливается около 5 кг груза
• Для получения тепла из теплого воздуха (например, из вытяжки системы вентиляции) используется специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на производственных предприятиях.
• Если тепла из внешнего контура все же недостаточно для отопления в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). Когда уличная температура опускается ниже расчетного уровня (температуры бивалечтности в работу включается второй генератор тепла - чаще всего небольшой электронагреватель.

Преимущества и недостатки теплового насоса

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономность: для передачи в систему отопления I кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с КПД до 50%, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Еще одним преимушеством тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы.

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Лабораторная модель прогнозирования землетрясений 30.11.2025

Предсказание землетрясений остается одной из самых сложных задач геофизики. Несмотря на развитие сейсмологии, ученые все еще не могут точно определить момент начала разрушительного движения разломов. Недавние эксперименты американских исследователей открывают новые горизонты: впервые удалось наблюдать микроскопические изменения в контактной зоне разломов, которые предшествуют землетрясению. Группа под руководством Сильвена Барбота обнаружила, что "реальная площадь контакта" - участки, где поверхности разлома действительно соприкасаются - изменяется за миллисекунды до высвобождения накопленной энергии. "Мы открыли окно в сердце механики землетрясений", - отмечает Барбот. Эти изменения позволяют фиксировать этапы зарождения сейсмического события еще до появления традиционных сейсмических волн. Для наблюдений ученые использовали прозрачные акриловые материалы, через которые можно было отслеживать световые изменения в зоне контакта. В ходе искусственного моделирования примерно 30% ко ...>>

Музыка как естественный анальгетик 30.11.2025

Ученые все активнее исследуют немедикаментозные способы облегчения боли. Одним из перспективных направлений становится использование музыки, которая способна воздействовать на эмоциональное состояние и когнитивное восприятие боли. Новое исследование международной группы специалистов демонстрирует, что даже кратковременное прослушивание любимых композиций может значительно снижать болевые ощущения у пациентов с острой болью в спине. В эксперименте участвовали пациенты, обратившиеся за помощью в отделение неотложной помощи с выраженной болью в спине. Им предлагалось на протяжении десяти минут слушать свои любимые музыкальные треки. Уже после этой короткой сессии врачи фиксировали заметное уменьшение интенсивности боли как в состоянии покоя, так и при движениях. Авторы исследования подчеркивают, что музыка не устраняет саму причину боли. Тем не менее, она воздействует на эмоциональный фон пациента, снижает уровень тревожности и отвлекает внимание, что в сумме приводит к субъективном ...>>

Алкоголь может привести к слобоумию 29.11.2025

Проблема влияния алкоголя на стареющий мозг давно вызывает интерес как у врачей, так и у исследователей когнитивного старения. В последние годы стало очевидно, что границы "безопасного" употребления спиртного размываются, и новое крупное исследование, проведенное международной группой ученых, вновь указывает на это. Работы Оксфордского университета, выполненные совместно с исследователями из Йельского и Кембриджского университетов, показывают: даже небольшие дозы алкоголя способны ускорять когнитивный спад. Команда проанализировала данные более чем 500 тысяч участников из британского биобанка и американской Программы миллионов ветеранов. Дополнительно был выполнен метаанализ сорока пяти исследований, в общей сложности включавших сведения о 2,4 миллиона человек. Такой масштаб позволил оценить не только прямую связь между употреблением спиртного и развитием деменции, но и влияние генетической предрасположенности. Один из наиболее тревожных результатов касается людей с повышенным ге ...>>

Случайная новость из Архива Механика старения кожи 18.08.2025 Появление морщин с возрастом давно считается естественным процессом, но точные механические причины этого явления оставались недостаточно изученными. Новое исследование, проведенное учеными из Бингемтонского университета, впервые экспериментально подтвердило, каким образом структурные изменения в коллагеновых волокнах кожи приводят к образованию морщин, раскрывая физику старения на микроуровне. Основой кожи служит дерма - слой, содержащий коллагеновые волокна, которые формируют ее каркас и определяют механические свойства. Волокна выстраиваются вдоль так называемых линий Лангера - направлений, в которых кожа растягивается и сокращается наиболее естественно. В молодом возрасте эти волокна обладают высокой эластичностью и равномерно распределяют механические нагрузки, не допуская изломов и заломов. Ученые обнаружили, что с возрастом кожа меняет свои свойства: при растяжении она сильнее сжимается в поперечном направлении, что приводит к деформации и уменьшению объема ткани. Это связано с эффектом пороэластичности - способностью ткани терять жидкость под механическим воздействием. Когда кожа сокращается слишком резко, на ней образуются заломы, которые мы и воспринимаем как морщины. Для подтверждения этих процессов исследователи проанализировали образцы кожи людей в возрасте от 16 до 91 года. В контролируемых условиях кожа подвергалась 40-минутному натяжению, в результате чего было выявлено, что у пожилых людей морщины становятся глубже и прямее, а сама кожа теряет упругость. Кроме того, с возрастом снижается плотность коллагеновых волокон, а граница между дермой и эпидермисом становится более плоской, что усугубляет визуальные проявления старения. Хотя исследование имеет некоторые ограничения, связанные с различиями в половой принадлежности участников и отсутствием учета фотостарения, оно впервые дает прямые доказательства механических изменений кожи, объясняющих процесс образования морщин. Эти данные могут существенно помочь в развитии новых методов омоложения, в том числе хирургических вмешательств, инъекций и лазерной терапии, позволяя адаптировать процедуры под особенности механики коллагеновых волокон. Профессор Гай Герман, один из авторов работы, подчеркивает, что понимание поведения кожи под нагрузкой - ключ к эффективному сохранению ее молодости. Он также советует бережно относиться к коже, особенно летом, используя солнцезащитные средства, чтобы минимизировать повреждения и сохранить здоровье кожи на долгие годы.

Другие интересные новости:

▪ Инопланетяне могут считать Землю необитаемой

▪ Математика собачьей красоты

▪ Адаптер miniSD

▪ Электроэнергия и данные по воздуху

▪ Датчик, отслеживающий незначительную мимику лица

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Нормативная документация по охране труда. Подборка статей

▪ статья Что, Иванушка, не весел? Что головушку повесил? Крылатое выражение

▪ статья Почему цветы имеют запах и цвет? Подробный ответ

▪ статья Оператор на автоматических и полуавтоматических линиях, занятый облицовыванием кромок щитов. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья О расчете ступеней на полевом транзисторе. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Шестиэлементная рамочная антенна. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025