Varmepumpe

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. august 2022; checks kræver 23 redigeringer .

En varmepumpe  er en varmemotor , en enhed til at overføre varmeenergi fra en kilde til en forbruger. I modsætning til spontan varmeoverførsel, som altid sker fra et varmt legeme til et koldt, overfører en varmepumpe varme i den modsatte retning [1] . En varmepumpe har brug for en ekstern energikilde for at fungere. Det mest almindelige varmepumpedesign består af en kompressor , en termisk ekspansionsventil, en fordamper og en kondensator . Kølevæsken, der cirkulerer inde i disse komponenter, kaldes kølemidlet [2] .

Bemærkelsesværdige eksempler på varmepumper er køleskabe og klimaanlæg . Varmepumper kan bruges til både opvarmning og køling [3] . Når en varmepumpe bruges til opvarmning, implementerer den samme type termodynamisk cyklus som et køleskab, men i den modsatte retning, frigiver varme i det opvarmede rum og tager varme fra den koldere omgivende luft [4] .

Ifølge prognoserne fra Det Internationale Energiagentur vil varmepumper levere 10 % af energibehovet til opvarmning i OECD-landene i 2020 og 30 % i 2050 [5]

Generel information

Grundlaget for flåden af ​​varmepumpeudstyr, der drives i dag i verden, er dampkompressionsvarmepumper , men der bruges også absorptions- , elektrokemiske og termoelektriske .

Ved anvendelse af konventionel opvarmning med en energikilde, der kan bruges til at udføre mekanisk arbejde , er mængden af ​​varme, der kommer ind i varmesystemet, lig med dette arbejde .

Hvis dette arbejde bruges til at drive varmepumpen, vil varmen modtaget af det opvarmede legeme være større end det udførte arbejde . Lad temperaturen på vandet i varmesystemet være , og temperaturen i omgivelserne omkring det opvarmede rum være , og . Så er mængden af ​​varme modtaget af varmesystemet . Jo mindre varmesystemets temperatur afviger fra omgivelsestemperaturen , jo større forstærkning giver varmepumpen sig i forhold til den direkte omdannelse af arbejde til varme [6] .

Værdien kaldes varmepumpens transformationsforhold. Omdannelseskoefficienten for en varmepumpe eller varmepumpevarmeforsyningssystem (HST) "Ktr" er forholdet mellem nyttevarme, der fjernes fra varmeforsyningssystemet til forbrugeren, og energien brugt på driften af ​​varmepumpens varmeforsyningssystem , og er numerisk lig med mængden af ​​nyttig varme modtaget ved temperaturer Тout og Тin , pr. energienhed brugt på drevet til HP eller TST. Det reelle transformationsforhold adskiller sig fra det ideelle, beskrevet af formel (1 1), ved værdien af ​​koefficienten h, som tager højde for graden af ​​termodynamisk perfektion af GTST og irreversible energitab under implementeringen af ​​cyklussen. I [7] er afhængighederne af de reelle og ideelle transformationsforhold (Ktr) for et varmepumpevarmeforsyningssystem af temperaturen på en varmekilde med lavt potentiale Тin og temperaturpotentialet for varme, der fjernes til varmesystemet Тout. Ved konstruktion af afhængigheder blev graden af ​​termodynamisk perfektion af TST h taget lig med 0,55, og temperaturforskellen (forskellen mellem freon- og kølevæsketemperaturer) i kondensatoren og i varmepumpens fordamper var lig med 7 °C. Disse værdier for graden af ​​termodynamisk perfektion h og temperaturforskellen mellem freon og varmebærerne i varme- og varmeopsamlingssystemet ser ud til at være tæt på virkeligheden med hensyn til at tage højde for de reelle parametre for varmevekslerudstyret ( kondensator og fordamper) af varmepumper, samt de tilhørende omkostninger til elektrisk energi til drift af cirkulationspumper, automatiseringsanlæg, afspærrings- og reguleringsventiler.

Generelt afhænger graden af ​​termodynamisk perfektion af varmepumpens varmeforsyningssystemer h af mange parametre, såsom: kompressoreffekt, kvaliteten af ​​produktionen af ​​varmepumpekomponenter og irreversible energitab, som igen inkluderer:

Tabel 1-1 viser "gennemsnitlige" værdier for graden af ​​termodynamisk perfektion h for nogle typer kompressorer, der anvendes i moderne varmepumpevarmeforsyningssystemer.

Tabel 1-1. Effektivitet af nogle typer kompressorer, der anvendes i moderne varmepumpevarmesystemer

effekt, kWt Kompressor type Effektivitet
(grad af termodynamisk perfektion)
h, brøkdele af enheder.
300-3000 åben centrifugal 0,55-0,75
50-500 åbent stempel 0,5-0,65
20-50 semi-hermetisk 0,45-0,55
2-25 Forseglet, med R-22 0,35-0,5
0,5-3,0 Forseglet, med R-12 0,2-0,35
<0,5 Forseglet <0,25

Ligesom et køleskab bruger en varmepumpe energi til at implementere en termodynamisk cyklus (kompressordrev). Omregningsfaktoren for en varmepumpe - forholdet mellem varmeydelse og elforbrug - afhænger af temperaturniveauet i fordamper og kondensator. Temperaturniveauet for varmetilførslen fra varmepumper kan nu variere fra 35 °C til 55 °C, hvilket tillader brugen af ​​næsten ethvert varmesystem. Energibesparelsen når op på 70 % [8] . Industrien i teknisk udviklede lande producerer en bred vifte af dampkompressionsvarmepumper med termisk effekt fra 5 til 1000 kW.

Historie

Konceptet med varmepumper blev udviklet tilbage i 1852 af den fremragende britiske fysiker og ingeniør William Thomson (Lord Kelvin) og yderligere forbedret og detaljeret af den østrigske ingeniør Peter Ritter von Rittinger . Peter Ritter von Rittinger regnes for opfinderen af ​​varmepumpen, efter at have designet og installeret den første kendte varmepumpe i 1855 [9] . Men varmepumpen fik praktisk anvendelse meget senere, mere præcist i 40'erne af det XX århundrede, da opfinder-entusiasten Robert C. Webber eksperimenterede med en fryser [10] . En dag rørte Weber ved et uheld et varmt rør ved udgangen af ​​kammeret og indså, at varmen simpelthen blev smidt ud. Opfinderen tænkte på, hvordan man bruger denne varme, og besluttede at sætte et rør i en kedel for at opvarme vand. Som et resultat forsynede Weber sin familie med en mængde varmt vand, som de ikke fysisk kunne bruge, mens noget af varmen fra det opvarmede vand blev sluppet ud i luften. Dette fik ham til at tro, at både vand og luft kan opvarmes fra én varmekilde på samme tid, så Weber forbedrede sin opfindelse og begyndte at køre varmt vand i en spiral (gennem en spiral ) og bruge en lille blæser til at fordele varmen omkring huset for at opvarme det. Med tiden var det Weber, der fik ideen til at "pumpe ud" varme fra jorden, hvor temperaturen ikke ændrede sig meget i løbet af året. Han placerede kobberrør i jorden, gennem hvilke freon cirkulerede , som "samlede" jordens varme. Gassen kondenserede, opgav sin varme i huset og passerede igen gennem spolen for at optage den næste portion varme. Luften blev sat i bevægelse af en ventilator og cirkulerede i hele huset. Året efter solgte Weber sin gamle kulovn.

I 1940'erne var varmepumpen kendt for sin ekstreme effektivitet, men det reelle behov for den opstod efter oliekrisen i 1973 , hvor der trods lave energipriser var interesse for energibesparelser .

Effektivitet

Under driften bruger kompressoren strøm. Forholdet mellem pumpet varmeenergi og forbrugt elektrisk energi kaldes transformationsforholdet (eller ydeevnekoefficienten ( eng.  COP  - forkortelse for coefficient of performance ) og fungerer som en indikator for en varmepumpes effektivitet. Følgende formel bruges til at udregn COP:

C O P = Q c o n s u m e r EN = Q jeg n × k EN {\displaystyle COP={\frac {Q_{forbruger}}{A}}={\frac {Q_{i}\ gange k}{A}}}

hvor

 er den dimensionsløse koefficient;  er arbejdet udført af pumpen [J];  er den varme, som varmepumpen tager fra en lavkvalitets varmekilde [J];  — varme modtaget af forbrugeren [J]. k- effektivitetsfaktor

Værdien af ​​A viser, hvor meget arbejde varmepumpen skal udføre for at "pumpe" en bestemt mængde varme. Denne værdi afhænger af forskellen mellem temperaturniveauerne i fordamperen og kondensatoren: det vil sige, at temperaturen på kølevæsken i den "kolde del af enheden" altid skal være lavere end temperaturen på den lavkvalitets varmekilde, så energien fra lavkvalitetsvarmekilden kan vilkårligt strømme til kølevæsken eller arbejdsvæsken (Anden lov om termodynamik).

det vil sige, at COP = 2 betyder, at varmepumpen overfører dobbelt så meget nyttevarme, som den bruger på sit arbejde.

Eksempel:

Varmepumpen forbruger Ptn = 1 kW, COP = 3,0 - betyder, at forbrugeren modtager Ptn * COP = 1 * 3 = 3 kW;

forbrugeren modtager Pp = 3 kW, COP = 3,0 - betyder at varmepumpen forbruger Pp / COP = 3 / 3 = 1 kW

vi mener, at effektiviteten af ​​kompressoren eller processen, der erstatter den, er 100 %

Af denne grund bør varmepumpen bruge den størst mulige kilde til lavkvalitetsvarme uden at forsøge at opnå sin stærke afkøling. Faktisk øges varmepumpens effektivitet i dette tilfælde, da der med en svag afkøling af varmekilden forbliver muligheden for, at varme spontant strømmer fra kilden til lavkvalitetsvarme til varmebæreren. Af denne grund sørger varmepumper for, at varmereserven (C * m * T, c er varmekapaciteten, m er massen, T er temperaturen) for den lavgradige varmekilde er så stor som muligt.

For eksempel: gas (arbejdsvæske) afgiver energi til den "varme" del af varmepumpen (til dette komprimeres gassen), hvorefter den afkøles under en lavkvalitets varmekilde (en drosseleffekt (Joule- Thomson-effekten) kan bruges). Gassen kommer ind i kilden til lavkvalitetsvarme og opvarmes fra denne kilde, hvorefter cyklussen gentages.

Problemet med at binde en varmepumpe til en lavkvalitets varmekilde med stor varmereserve kan løses ved at indføre et varmeoverførselssystem i varmepumpen med en varmebærer, der overfører varme til arbejdsvæsken. Stoffer med en betydelig varmekapacitet, såsom vand, kan være sådanne mediatorer.

Det ses tydeligt, at for at bygge en effektiv maskine er det nødvendigt at vælge en sådan arbejdsvæske, så kompressoren til kompression (for at udvinde varme fra arbejdsvæsken) vil bruge et minimum af energi og så lavt som muligt ( det mulige antal kilder stiger kraftigt) temperaturen af ​​arbejdsvæsken ville være, når den blev tilført en kilde med lavkvalitets varme.

Betinget effektivitet af varmepumper

Effektiviteten af ​​en varmepumpe forvirrer mange, for hvis man udfører en “oplagt udregning”, så er den grundlæggende større end 1, men driften af ​​en varmepumpe er faktisk fuldstændig underlagt energibevarelsesloven. Fejlen i den "oplagte beregning" er, at hvis vi betragter selve varmepumpen som en "sort boks", så bruger enheden faktisk mindre energi, end den producerer varme, hvilket er fundamentalt.

Sådanne beregninger er imidlertid simpelthen forkerte og tager ikke hensyn til anden energikilde end den forbrugte elektricitet. En sådan kilde er normalt varm luft eller vand opvarmet af Solen eller geotermiske processer. Elektricitet i enheden bruges ikke direkte på opvarmning, men kun på "koncentrationen" af energien fra en lavkvalitets varmekilde, der som regel leverer energi til driften af ​​kompressoren. Det vil sige, at varmepumpen har to energikilder - elektricitet og en kilde til lavkvalitetsvarme, og de "åbenlyse beregninger" tager ikke højde for den anden kilde, og værdier, der er større end én, opnås fejlagtigt.

Eksempel :

Lad varmepumpen forbruge 1 kW fra elnettet og give 4 kW til forbrugeren, og tag 5 kW fra en lavpotentialkilde.

Beregningen af ​​typen Pconsumer/Pnetwork = 4/1 = 4 er forkert, da den ikke tager hensyn til kilden til lavkvalitets varme.

Korrekt beregning for varmepumpens effektivitet:

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

Som regel er det ret svært at vurdere, hvor meget varmepumpe der overfører varme fra en lavkvalitets varmekilde, hvilket fører til en fejl.

Men hvis kilden til lavpotentialvarme også tages i betragtning i beregningen, bliver maskinens effektivitet grundlæggende mindre end enhed. For at undgå forvirring blev der indført koefficienter: COP og graden af ​​termodynamisk perfektion. COP viser, hvor mange gange den varmeenergi, der overføres til forbrugeren, overstiger den mængde arbejde, der kræves for at overføre varme fra en lavpotentialkilde, og graden af ​​termodynamisk perfektion viser, hvor tæt den reelle varmepumpecyklus er på den ideelle varmecyklus.

Valg af kapacitet for en luftkildevarmepumpe

Efter at have taget højde for klimatiske forhold, analyseret varmefordelingssystemet i huset og bestemmelse af fremløbstemperaturen i kredsløbene under hensyntagen til den mulige placering af hovedenheder og hjælpemoduler, beregnes varmepumpens varmeydelse. HP'ens termiske effekt bør være tilstrækkelig til fuldstændigt at dække alle bygningens varmetab i den koldeste periode af året.

Det er bedre at overlade alle beregninger til specialister, men for en foreløbig vurdering af magt kan du også foretage en uafhængig beregning.

Først bestemmes den varmebelastning, der kræves for at forsyne huset med varme og varmt vand.

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

hvor 0,050 kW / m2 er varmetabshastigheden for et isoleret hus; 200 - husets areal.

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

hvor 0,25 er den termiske effekt for varmtvandsforsyning pr. 1 person; 4 - antallet af personer, der bor i huset.

Ptotal=10+1=11kW

Under hensyntagen til temperaturforskellen og bivalenspunktet, den beregnede værdi af varmeydelsen fra HP:

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

hvor +20, -7, -22 er værdierne for lufttemperaturen i rummet, temperaturen på bivalenspunktet og den udvendige designtemperatur.

På samme måde bestemmes den krævede effekt af HP'en i henhold til passende varmetilførsler, når der arbejdes med aircondition i hjemmet. Vælg derefter modellen med de nærmeste store indikatorer.

Effektiviteten af ​​varme-/kuldeforsyningssystemet afhænger af korrektheden og læsefærdigheden af ​​beregningerne.

Typer af varmepumper

Afhængig af driftsprincippet er varmepumper opdelt i kompression og absorption . Kompressionsvarmepumper er altid drevet af mekanisk energi (elektricitet), mens absorptionsvarmepumper også kan bruge varme som energikilde (ved at bruge elektricitet eller brændstof).
Også kendt er halvledervarmepumper, der anvender Peltier-effekten i deres arbejde [11] . Afhængigt af kilden til varmeudvinding er varmepumper opdelt i [12]  :

1) Geotermisk (brug varmen fra jorden, jorden eller underjordisk grundvand)

a) lukket type

Opsamleren placeres i ringe eller snoede i vandrette grøfter under dybden af ​​jordfrysning (normalt fra 1,2 m eller mere) [13] . Denne metode er den mest omkostningseffektive for boligfaciliteter, forudsat at der ikke er mangel på jord til konturen.

Opsamleren placeres lodret i brønde op til 200 m dybe [14] . Denne metode bruges i tilfælde, hvor arealet af landet ikke tillader at placere konturen vandret, eller der er en trussel om skade på landskabet.

Opsamleren placeres snoet eller i ringe i et reservoir (sø, dam, flod) under frysedybden. Dette er den billigste mulighed, men der er krav til mindste dybde og volumen af ​​vand i reservoiret for en bestemt region.

I modsætning til de tidligere typer leveres kølemidlet af varmepumpens kompressor gennem kobberrør placeret:

Cirkulationen af ​​kølemidlet fra varmepumpens kompressor og varmevekslingen af ​​freon direkte gennem kobberrørets væg med højere termisk ledningsevne sikrer høj effektivitet og pålidelighed af jordvarmesystemet. Brugen af ​​denne teknologi gør det også muligt at reducere den samlede længde af boring af brønde og dermed reducere omkostningerne ved at installere en DX Direct Exchange-varmepumpe.

b) åben type
Dette system bruger som varmevekslervæske vand, der cirkulerer direkte gennem jordvarmepumpesystemet i en åben cyklus, det vil sige, at vandet efter at have passeret gennem systemet vender tilbage til jorden. Denne mulighed kan kun implementeres i praksis, hvis der er en tilstrækkelig mængde relativt rent vand, og forudsat at denne metode til brug af grundvand ikke er forbudt ved lov.

2) Luft (luft er kilden til varmeudvinding) De bruger luft som en kilde til lavkvalitets termisk energi. Desuden kan varmekilden ikke kun være udendørs (atmosfærisk) luft, men også udsugningsventilationsluft (generel eller lokal) ventilation af bygninger.

3) Brug af afledt (sekundær) varme (f.eks. varmen fra en centralvarmerørledning). Denne mulighed er mest velegnet til industrielle faciliteter, hvor der er kilder til herreløs varme, som skal bortskaffes .

Typer af industrielle modeller

I henhold til typen af ​​kølemiddel i indløbs- og udløbskredsløbene er pumperne opdelt i otte typer: "jord-vand", "vand-vand", "luft-vand", "jord-luft", "vand-luft" , "luft-luft" " freon-vand", "freon-luft". Varmepumper kan bruge varmen fra den luft, der frigives fra rummet, samtidig med at indblæsningsluftgenvinderne opvarmes .

Udvinding af varme fra luft

Effektiviteten og valget af en bestemt termisk energikilde afhænger i høj grad af klimatiske forhold, især hvis kilden til varmeudvinding er atmosfærisk luft. Faktisk er denne type bedre kendt som et klimaanlæg. Der er titusinder af sådanne enheder i varme lande. For de nordlige lande er opvarmning mest relevant om vinteren. Luft-til-luft og luft-til-vand-systemer bruges også om vinteren ved temperaturer ned til minus 25 grader, nogle modeller fortsætter med at fungere ned til -40 grader. Men deres effektivitet er lav, omkring 1,5 gange, og for fyringssæsonen i gennemsnit omkring 2,2 gange sammenlignet med elektriske varmeapparater. Ved svær frost anvendes yderligere opvarmning. Når kapaciteten af ​​hovedvarmesystemet med varmepumper ikke er nok, tændes yderligere varmeforsyningskilder. Sådan et system kaldes bivalent.

Udvinding af varme fra sten

Stenen kræver boring af en brønd til en tilstrækkelig dybde (100-200 meter) eller flere sådanne brønde. En U-formet vægt sænkes ned i brønden med to plastikrør, der udgør konturen. Rørene er fyldt med frostvæske. Af miljømæssige årsager er dette en 30% opløsning af ethylalkohol. Brønden fyldes med grundvand på en naturlig måde, og vandet leder varme fra stenen til kølevæsken. Med en utilstrækkelig længde af brønden eller et forsøg på at opnå overskydende strøm fra jorden kan dette vand og endda frostvæske fryse, hvilket begrænser den maksimale termiske effekt af sådanne systemer. Det er temperaturen på den returnerede frostvæske, der tjener som en af ​​indikatorerne for automatiseringskredsløbet. Ca. 50-60 W termisk effekt udgør 1 lineær meter af brønden. For at installere en varmepumpe med en kapacitet på 10 kW kræves således en brønd med en dybde på omkring 170 m. Det er ikke tilrådeligt at bore dybere end 200 meter, det er billigere at lave flere brønde med mindre dybde 10–20 meter fra hinanden. Selv for et lille hus på 110-120 kvm. ved lavt energiforbrug er tilbagebetalingstiden 10-15 år. Næsten alle installationer på markedet fungerer om sommeren, mens varme (i det væsentlige solenergi) tages fra rummet og bortledes i klippen eller grundvandet. I skandinaviske lande med stenet jord fungerer granit som en massiv radiator, der modtager varme om sommeren/dagen og spreder den tilbage om vinteren/natten. Også varme kommer konstant fra jordens tarme og fra grundvandet.

Udvinding af varme fra jorden

De mest effektive, men også de dyreste ordninger sørger for udvinding af varme fra jorden, hvis temperatur ikke ændres i løbet af året allerede i en dybde på flere meter, hvilket gør installationen praktisk talt uafhængig af vejret. Ifølge I 2006 blev en halv million sådanne installationer installeret i Sverige, 50.000 i Finland, og op til 70.000 blev installeret i Norge om året, 50 cm under niveauet for jordfrysning i denne region. I praksis 0,7 - 1,2 meter . Minimumsafstanden mellem samlerørene anbefalet af fabrikanterne er 1,2 ... 1,5 meter. Her kræves ingen boring, men mere omfattende udgravning over et stort område, og rørledningen er mere udsat for skader. Effektiviteten er den samme som ved udvinding af varme fra en brønd. Særlig jordforberedelse er ikke nødvendig. Men det er ønskeligt at bruge et sted med våd jord, men hvis det er tørt, skal konturen gøres længere. Den omtrentlige værdi af den termiske effekt pr. 1 m af rørledningen: i ler - 50-60 W, i sand - 30-40 W for tempererede breddegrader, i nord er værdierne mindre. For at installere en varmepumpe med en kapacitet på 10 kW kræves der således en jordkreds på 350-450 m lang, til lægningen, hvor der kræves en grund på omkring 400 m² (20x20 m). Med den korrekte beregning har konturen ringe effekt på grønne områder .

Spiralmanifold

Spiralreservoiret er en kombination mellem lodrette brønde og et vandret reservoir. Det bruges, hvor det af geologiske årsager er meget dyrt at bore (for eksempel forekomsten af ​​en granitplade). Dyrere end den horisontale kollektor mulighed, da den kræver præfabrikation af tyndere rørspiraler (normalt 25 mm) med en højde på 2 til 3 meter. Der er også behov for præfabrikerede brønde, da den samlede længde af røret i systemet øges på grund af et fald i diameter. [femten]

Diverse

I brønde med en diameter på 218-324 mm er det muligt at reducere den nødvendige dybde af brønden betydeligt til 50-70 m for at øge udvindingen af ​​termisk energi til mindst 700 W pr. 1 lineær meter. m. af brønde og sikre stabiliteten af ​​drift året rundt [16] tillader brugen af ​​et aktivt kredsløb af den primære konverter af en varmepumpe placeret i brønden i en vandbrønd (bruges i brønde med en dykpumpe , med en rørløs vandløfteanordning, der skaber væskestrøm i brøndboringen, blæser igennem med strømmen af ​​det pumpede væskevarmevekslerkredsløb med kølemidlet fra varmepumpens primære konverter, hvilket øger varmeudvindingen ikke kun fra den tilstødende jordmasse, men også fra den pumpede væske).

Udvinding af varme fra et reservoir

Når man bruger en nærliggende vandmasse som varmekilde, lægges kredsløbet på bunden. Dybde ikke mindre end 2 meter. Koefficienten for energiomsætning ved en varmepumpe er den samme som ved udvinding af varme fra jorden. Den omtrentlige værdi af termisk effekt pr. 1 m af rørledningen er 30 W. For at installere en varmepumpe med en kapacitet på 10 kW er det således nødvendigt at lægge et 300 m langt kredsløb i søen For at forhindre rørledningen i at flyde op, for 1 gang. m er installeret omkring 5 kg last. Industrielle designs: 70 - 80 kWh/m om året.

Hvis varmen fra det eksterne kredsløb stadig ikke er nok til opvarmning i alvorlig frost, praktiseres det at betjene pumpen i tandem med en ekstra varmegenerator (i sådanne tilfælde taler de om at bruge en bivalent varmeordning). Når udetemperaturen falder til under det beregnede niveau (den bivalente temperatur), tændes en anden varmegenerator - oftest en lille elektrisk varmelegeme .

Fordele og ulemper

Først og fremmest omfatter fordelene ved varmepumper effektivitet: For at overføre 1 kWh termisk energi til varmesystemet skal installationen kun bruge 0,2-0,35 kWh elektricitet. Da omdannelsen af ​​termisk energi til elektrisk energi på store kraftværker sker med en virkningsgrad på op til 50%, øger effektiviteten af ​​brændstofforbruget ved brug af varmepumper - trigeneration . Forenklede krav til ventilationsanlæg og øger brandsikkerhedsniveauet. Alle systemer fungerer ved hjælp af lukkede kredsløb og kræver stort set ingen driftsomkostninger, bortset fra omkostningerne til elektricitet, der kræves for at drive udstyret.

En anden fordel ved varmepumper er muligheden for at skifte fra varmetilstand om vinteren til airconditiontilstand om sommeren: I stedet for radiatorer er ventilatorspoler eller " koldt loft " systemer forbundet til en ekstern solfanger.

Varmepumpen er pålidelig, dens drift styres af automatisering. Under drift kræver systemet ikke særlig vedligeholdelse, mulige manipulationer kræver ikke særlige færdigheder og er beskrevet i instruktionerne.

Et vigtigt træk ved systemet er dets rent individuelle karakter for hver forbruger, som består i det optimale valg af en stabil kilde til lavkvalitetsenergi, beregning af konverteringskoefficienten, tilbagebetaling og andre ting.

Varmepumpen er kompakt (dens modul overstiger ikke størrelsen af ​​et konventionelt køleskab) og er næsten lydløs.

Selvom ideen, som Lord Kelvin udtrykte i 1852, blev realiseret fire år senere, blev varmepumper først sat i værk i 1930'erne. I 2012 er der mere end 3,5 millioner enheder i drift i Japan [17] , i Sverige bliver omkring 500.000 huse opvarmet af forskellige typer varmepumper.

Ulemperne ved geotermiske varmepumper, der bruges til opvarmning, omfatter de høje omkostninger ved installeret udstyr, behovet for kompleks og dyr installation af eksterne underjordiske eller undervandsvarmevekslerkredsløb. Ulempen ved luftkildevarmepumper er den lavere varmekonverteringseffektivitet forbundet med kølemidlets lave kogepunkt i den eksterne "luft"-fordamper. En almindelig ulempe ved varmepumper er den relativt lave temperatur på det opvarmede vand, i de fleste tilfælde ikke mere end +50 ° C - +60 ° C, og jo højere temperatur det opvarmede vand er, jo lavere er effektiviteten og pålideligheden af varmepumpe.

Perspektiver

For at installere en varmepumpe kræves startomkostninger: omkostningerne til pumpen og installationen af ​​systemet er $ 300-1200 per 1 kW krævet varmeeffekt. Tilbagebetalingstiden for varmepumper er 4-9 år, med en levetid på 15-20 år før eftersyn.

Der er også et alternativt syn på den økonomiske gennemførlighed af at installere varmepumper. Så hvis en varmepumpe installeres med midler på kredit, kan besparelsen ved at bruge varmepumpen være mindre end omkostningerne ved at bruge lånet. Derfor kan masseanvendelsen af ​​varmepumper i den private sektor forventes, hvis omkostningerne til varmepumpeudstyr kan sammenlignes med omkostningerne ved installation af gasvarme og tilslutning til gasnettet.

Endnu mere lovende er et system, der kombinerer en geotermisk kilde og en varmepumpe til et enkelt varmeforsyningssystem. Samtidig kan en geotermisk kilde enten være naturlig (output af geotermisk vand) eller kunstig (en brønd med indsprøjtning af koldt vand i et dybt lag og udgang til overfladen af ​​opvarmet vand).

En anden mulig anvendelse af en varmepumpe ville være at kombinere den med eksisterende fjernvarmesystemer. I dette tilfælde kan der tilføres relativt koldt vand til forbrugeren, hvis varme omdannes af varmepumpen til varme med et tilstrækkeligt potentiale til opvarmning. Men samtidig, på grund af kølevæskens lavere temperatur, kan tab på vej til forbrugeren (proportionalt med temperaturforskellen mellem kølevæsken og miljøet) reduceres væsentligt. Slid på centralvarmerør vil også blive reduceret, da koldt vand er mindre ætsende end varmt vand.

Begrænsninger af anvendelighed af varmepumper

Den største ulempe ved en varmepumpe er det omvendte forhold mellem dens effektivitet og temperaturforskellen mellem varmekilden og forbrugeren. Dette pålægger visse restriktioner for brugen af ​​luft-til-vand-systemer. De faktiske effektivitetsværdier for moderne varmepumper er ca. COP=2,0 ved en kildetemperatur på -20 °C og ca. COP=4,0 ved en kildetemperatur på +7 °C. Dette fører til, at det for at sikre forbrugerens specificerede temperaturregime ved lave lufttemperaturer er nødvendigt at anvende udstyr med betydelig overkapacitet, hvilket er forbundet med irrationel brug af kapitalinvesteringer (dette gælder dog også for evt. andre kilder til termisk energi). Løsningen på dette problem er brugen af ​​den såkaldte bivalente opvarmningsordning, hvor hoved(basis)belastningen bæres af varmepumpen, og spidsbelastninger dækkes af en hjælpekilde (gas- eller el-kedel). Den optimale kapacitet for en varmepumpeinstallation er 60…70 % af den nødvendige installerede kapacitet, hvilket også påvirker indkøbsprisen for en varmepumpevarmeinstallation. I dette tilfælde yder varmepumpen mindst 95 % af forbrugerens behov for varmeenergi i hele fyringssæsonen. Med en sådan ordning er den gennemsnitlige sæsonbestemte energiomregningsfaktor for de klimatiske forhold i Centraleuropa omkring COP=3. Den primære brændstofudnyttelsesfaktor for et sådant system er let at bestemme, baseret på det faktum, at effektiviteten af ​​termiske kraftværker spænder fra 40% (kondenserende termiske kraftværker) til 55% (kombinerede kraftværker). For det pågældende varmepumpeanlæg er udnyttelsesfaktoren for primærbrændsel derfor i intervallet 120 %...165 %, hvilket er 2...3 gange højere end de tilsvarende ydelseskarakteristika for gaskedler (65 %) eller centralvarmesystemer (50…60%). Det er klart, at systemer, der anvender en geotermisk varmekilde eller grundvandsvarme, er fri for denne ulempe. Efterhånden som kompressorens kompressionsforhold stiger, stiger afgangstemperaturen, hvilket begrænser kondenseringstemperaturen. Begrænsning i graden af ​​kompression af kompressoren og et fald i dens effektivitet med en stigning i graden af ​​kompression fører til behovet for at bruge lavtemperaturvarmesystemer (overfladevarmesystemer såsom "varmt gulv", varm væg, varm fodplade , luftvarmesystemer ved hjælp af ventilatorkonvektorer osv.). Denne begrænsning gælder kun for højtemperaturradiatorvarmesystemer. Med udviklingen af ​​kølekompressorer er der dukket kompressorer op, der gør det muligt at opnå høje kondenseringstemperaturer ved hjælp af indsprøjtning af damp og flydende freon (freon) i kompressionsprocessen, hvilket gør det muligt at øge kompressionsforholdet og reducere kompressorens overophedning. Vejen ud af denne situation er mulig ved at bruge en højtryksvandringkompressor, hvor varme i processen med at komprimere atmosfærisk luft øjeblikkeligt absorberes af vand, samtidig med at der opnås en dobbelt fordel: varmt vand + trykluft, hvilket gør det muligt for at få strøm både til GPU'en og til GTP'en.

Teknisk set er ydelsen af ​​en varmepumpe ved lave temperaturer bestemt af forskellen i temperatur inde i fordamperen og udenfor. Hvis temperaturen er -30C udenfor og -40C inde i fordamperen, vil mængden af ​​termisk energi, der absorberes af kølemidlet, være lav. Men hvis temperaturen i fordamperen er -100C, vil absorptionseffektiviteten stige markant. Men dette vil kræve en passende teknisk implementering, hvilket ikke altid er muligt på grund af industrielle kølemidlers egenskaber, eller det viser sig at være for dyrt. Under alle omstændigheder er designet af en tovejs varmepumpe dyrere og mere massivt sammenlignet med et konventionelt klimaanlæg til husholdningsbrug, der fungerer i "køletilstand", fordi en mere massiv fordamper, en mere effektiv kompressor, et vinterafløbsvarmesystem osv. er påkrævet. Også varmepumper har højere krav til materialer og konstruktion, pga. elementer arbejder konstant i skiftende tilstande (opvarmning - køling).

Grundlæggende opvarmningsordninger ved hjælp af varmepumper

Litteratur

Se også

Noter

  1. ↑ Varmepumpe // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
  2. ↑ Artikel om IEA HPT TCP Hvordan fungerer en varmepumpe?  (engelsk) . Hentet 26. november 2019. Arkiveret fra originalen 13. februar 2021.
  3. ↑ Varmepumper - en effektiv løsning på energikrisen | dw | 21.08.2022 . DW.COM . Hentet: 22. august 2022.
  4. ↑ Luftvarmepumper  . _ Nationalt laboratorium for vedvarende energi. Hentet 26. november 2019. Arkiveret fra originalen 10. juli 2018.
  5. ↑ Alternative energikilder: hvad du behøver at vide . RBC-tendenser . Hentet 28. februar 2022. Arkiveret fra originalen 28. februar 2022.
  6. ↑ Butikov E. I., Bykov A. A., Kondratiev A. S. Fysik i eksempler og problemer. - M., Nauka , 1989. - Oplag 310.000 eksemplarer. - Med. 212
  7. ↑ Vasiliev G.P. Varme- og kuldeforsyning af bygninger og strukturer ved hjælp af lavkvalitets termisk energi af jordens overfladelag (monografi). Forlaget "Border". M., "Red Star" - 2006. - 220 ° C.
  8. ↑ Vasiliev G. P., Khrustachev L. V., Rozin A. G., Abuev I. M. et al. Retningslinjer for brugen af ​​varmepumper, der bruger sekundære energiressourcer og ikke-traditionelle vedvarende energikilder // Moscows regering Moskomarchitectura, State Unitary Enterprise "NIAC", 2001.
  9. ↑ Burg Rabenstein Arkiveret 11. september 2010.
  10. ↑ Om os. Hvad er IGSHPA? Arkiveret 10. maj 2013 hos Wayback Machine / International Ground Source Heat Pump  Association
  11. ↑ Balyan S. V. Teknisk termodynamik og varmemotorer. - L., Mashinostroenie, 1973. - Oplag 23.000 eksemplarer. - Med. 141
  12. ↑ Systemteorimodeller af forskellige typer varmepumper Arkiveret 18. juni 2013 på Wayback Machine // WSEAS-konferencen i Portoroz, Slovenien. 2007.  (engelsk)
  13. ↑ Energisparere: Typer af geotermiske varmepumpesystemer Arkiveret 29. december 2010.
  14. ↑ Fjeldsvarmepumpe (ikke tilgængeligt link) . Hentet 19. august 2010. Arkiveret fra originalen 24. december 2013. 
  15. ↑ spiral varmepumpe . Hentet 29. juni 2020. Arkiveret fra originalen 30. juni 2020.
  16. ↑ Vasiliev G.P. Varme- og kuldeforsyning af bygninger og strukturer ved hjælp af lavkvalitets termisk energi af jordens overfladelag (monografi). Forlaget "Border". M., "Røde Stjerne" - 2006. - 220c.
  17. ↑ Udvikling af varmepumpemarkedet i Japan Arkiveksemplar af 21. februar 2014 på Wayback Machine  - Portal-Energo.ru - energieffektivitet og energibesparelse, 27.03.2013
  18. ↑ Jordvarme. Varmepumper . Hentet 15. juni 2017. Arkiveret fra originalen 19. april 2018.
  19. ↑ Om spørgsmålet om brugen af ​​varmepumper . Hentet 15. juni 2017. Arkiveret fra originalen 12. oktober 2016.