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:

Питомцы как стимулятор разума 06.10.2025

Помимо эмоциональной поддержки, домашние питомцы могут оказывать заметное воздействие на когнитивные процессы, особенно у пожилых людей. Новое масштабное исследование показало, что общение с кошками и собаками не просто улучшает настроение - оно действительно способствует замедлению возрастного снижения умственных способностей. Работа проводилась в рамках проекта Survey of Health, Ageing and Retirement in Europe (SHARE), охватывающего период с 2004 по 2022 год. В исследовании приняли участие тысячи европейцев старше 50 лет. Анализ показал, что владельцы домашних животных демонстрируют более устойчивые когнитивные функции по сравнению с теми, кто не держит питомцев. Особенно выражен эффект оказался у владельцев кошек и собак. Согласно данным ученых, владельцы собак дольше сохраняют хорошую память, в то время как хозяева кошек медленнее теряют способность к быстрому речевому взаимодействию. Исследователи связывают это с тем, что ежедневное взаимодействие с животными требует внимани ...>>

Мини-ПК ExpertCenter PN54-S1 06.10.2025

Компания ASUSTeK Computer презентовала новый мини-компьютер ASUS ExpertCenter PN54-S1. Устройство ориентировано на пользователей, которым важно сочетание производительности, энергоэффективности и универсальности - от офисных задач до мультимедийных проектов. В основе ExpertCenter PN54-S1 лежит современная аппаратная платформа AMD Hawk Point, использующая архитектуру Zen 4. Это поколение чипов отличается улучшенным управлением энергопотреблением и повышенной вычислительной мощностью. Новинка доступна в конфигурациях с процессорами Ryzen 7260, Ryzen 5220 и Ryzen 5210, представленных AMD в начале 2025 года. Таким образом, устройство охватывает широкий диапазон задач - от базовых офисных до ресурсоемких вычислений. Корпус мини-ПК выполнен из прочного алюминия и имеет размеры 130&#215;130&#215;34 мм, что делает его практически незаметным на рабочем столе или за монитором. Несмотря на компактность, внутренняя компоновка позволяет установить два модуля оперативной памяти SO-DIMM ...>>

Глазные капли, возвращающие молодость зрению 05.10.2025

С возрастом человеческий глаз постепенно теряет способность четко видеть на близком расстоянии - развивается пресбиопия, или возрастная дальнозоркость. Этот естественный процесс связан с утратой эластичности хрусталика и ослаблением цилиарной мышцы, отвечающей за фокусировку. Миллионы людей по всему миру сталкиваются с необходимостью носить очки для чтения или прибегают к хирургическим методам коррекции. Однако исследователи из Центра передовых исследований пресбиопии в Буэнос-Айресе представили решение, которое может стать удобной и неинвазивной альтернативой - специальные глазные капли, способные улучшать зрение на длительный срок. Разработку возглавила Джованна Беноцци, директор Центра. По ее словам, цель исследования состояла в том, чтобы предоставить пациентам с пресбиопией эффективный и безопасный способ коррекции зрения без хирургического вмешательства. Новые капли, созданные на основе пилокарпина и диклофенака, показали убедительные результаты: уже через час после первого пр ...>>

Случайная новость из Архива Очистка воды целлюлозой и воздухом 25.04.2020 Объединение органического вещества, хорошо поглощающего воду, и полимера, аккумулирующего энергию солнечного света, привело к созданию недорогого материала, который быстро делает жидкость из любого водоема пригодной для питья. Когда речь заходит о превращении больших объемов соленой или загрязненной примесями воды в питьевую, на ум обычно приходит ее испарение с последующей конденсацией. Однако реализовать на практике данный способ нелегко и затратно: необходимы установки и энергия, чтобы осуществить фазовый переход воды в парообразное состояние. Природного солнечного тепла для этих целей маловато. В Линчепингском университете в Швеции нашли способ применить энергию Солнца для очистки грязных водоемов. Для этого ученые создали гибридный материал, который представляет собой высокопористый аэрогель, на 90% состоящий из воздуха. В составе аэрогеля соединились глюкоза и особый полимер PEDOT: PSS. Целлюлоза - одно из самых распространенных органических соединений на Земле. Она является основным компонентом клеточных стенок растений и эффективно впитывает воду. Полимер PEDOT: PSS, также органический, хорошо поглощает энергию солнечного света. Особенно полимеру по душе "тепленькое" инфракрасное излучение. Ученые приклеили аэрогель на плавающую по поверхности воды "подушку" из пористой пены и оценили скорость испарения жидкости. Оказалось, что собранная полимером PEDOT: PSS тепловая энергия родного светила нагрела и превратила воду в пар в 4-5 раз быстрее, чем без применения аэрогеля. Испаренная жидкость конденсировалась на пластине, расположенной над гибридным материалом, и стекала затем по специальному желобу в емкость для сбора. Примеси и соли, от которых избавили воду, оставались в аэрогеле. Материал можно промывать и многократно использовать повторно.

Другие интересные новости:

▪ Еда как наркотик

▪ Фонари из растений

▪ Спиральный свет

▪ Платы расширения STM32 Nucleo для работы с цифровым звуком

▪ Охлаждение микросхем плазменным веером

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Радиолюбителю-конструктору. Подборка статей

▪ статья Франциск Ассизский. Знаменитые афоризмы

▪ статья Почему в США в 1942 году поменяли жест при произнесении клятвы верности флагу? Подробный ответ

▪ статья Пылесос для масла. Личный транспорт

▪ статья Пейджер для охраны. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Апельсин превращается в яблоко. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025