地球能量。热泵。方案、说明

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一个半世纪前，英国物理学家威廉·汤姆森根据以下物理现象提出了一种称为“热量倍增器”的装置：

物质在蒸发过程中消耗能量，在冷凝过程中释放能量；
物质的沸点随压力而变化。

结果出现了热泵 - 将热能从较低温度源转移到较高温度源的装置，实际上就是外部环境中具有较低温度源的冰箱或制热的空调。

热泵的工作原理是基于这样的事实：制冷剂在低压和温度的室中蒸发，并在高压和温度的室中冷凝，从而将能量（热量）从冷体传递到热体，即沿着不可能自发热交换的方向。

作为房屋供暖的低潜力热能来源，可以使用自然来源的热量（室外空气；来自地面、自流水和温泉的热量；来自河流、湖泊、海洋和其他不结冰的天然水库的水）。热泵配备了控制和自动化系统，可维持热泵的指定运行模式。

热泵使用的能源效率取决于低电势源的温度，温度越高，能源效率越高。

热泵不是廉价的设备。这些系统的初始安装成本略高于传统供暖和空调系统。但是，如果我们考虑运营成本。那么地热供暖、制冷和热水供应的初始投资将通过节能很快得到回报。此外，必须考虑到热泵的运行不需要任何额外的通信，除了家庭电网之外。

理想情况下，热泵的性能（传递到身体的热量与消耗的功的比率）等于：

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

在哪里 T 出。和 T。 - 分别在泵的出口和入口处的温度。

热泵装置

热泵的主要元件是通过管道连接的蒸发器、压缩机、冷凝器和流量调节器——节流阀、膨胀器或涡流管。从原理上讲，热泵可以表示为一个由三个闭合回路组成的系统：在第一个回路中，散热器循环（收集环境热量的热载体），在第二个回路中，物质蒸发，带走散热器的热量，然后凝结，向散热器释放热量，在第三个回路中，散热器（建筑物供暖和热水供应系统中的水）。

地球能量。热泵
图。1。热泵运行方案：1-井内热交换器（集热系统）； 2——不冻冷却液（防冻液）回路； 3——热泵； 4-加热水回路

外部电路（收集器）是铺设在地下或水中（例如聚乙烯）的管道，防冻液在其中循环。低品位热的来源可以是土壤、岩石、湖泊、河流、海洋，甚至是工业企业通风系统排出的暖空气。

在第二个回路中，制冷剂在其中循环，就像在家用冰箱中一样，内置热交换器 - 蒸发器和冷凝器，以及改变制冷剂压力的装置 - 节流阀将制冷剂喷洒在液相（狭窄的校准孔）中，并在气态压缩机中对其进行压缩。

地热泵设计

在这些系统的运行过程中，使用来自太阳辐射的可再生热量，这些热量积累在地下：

具有开式循环的泵（冷却剂直接从储液器供应，经过循环后被冷却并返回）；
闭式循环泵（冷却剂通过闭式回路泵送，可以埋在地下深处或沿着水库底部。这是比开式循环更环保的方法）；
带有卧式热交换器的泵（热交换器的闭合回路水平敷设在深沟中）；
带有立式热交换器的泵（热交换器的闭合回路垂直安装在预留的孔中。它用于重土或空间有限的情况。最有效的是闭式循环热泵：冷却剂通过闭合回路泵送，可以埋在地下深处或沿着水库底部铺设）。

热泵工作循环

液态制冷剂被迫通过节流阀，压力下降，进入蒸发器，在蒸发器中沸腾，带走集热器从环境中提供的热量。此外，制冷剂变成的气体被吸入压缩机，经过压缩和加热，被推入冷凝器，冷凝器是热泵的放热单元：这里的热量被加热回路系统中的水吸收。然后气体冷却并冷凝，在膨胀阀中再次抽真空并返回蒸发器，然后重新开始运行循环。

热泵效率

压缩机在运行过程中会消耗电力。每消耗一千瓦时的电力，热泵可产生2,5-5千瓦时的热能。产生的热能与消耗的电能的比值称为变压比（或热转换系数），是热泵效率的指标。该值取决于蒸发器和冷凝器中的温度水平之间的差异：差异越大，该值越小。

因此，热泵应尽可能多地利用低品位热源，而不需要对其进行过多的冷却。事实上，这提高了热泵的效率，因为在热源冷却较弱的情况下，温差不会显着增加。因此，热泵确保低温热源的质量明显大于被加热的质量。

热泵与燃料热源的区别在于，为了工作，除了压缩机的能量外，还需要低品位热源，而传统热源产生的热量仅取决于燃料的热值。

将热泵与大质量的低电势热源结合的问题可以通过在热泵中引入传质系统（例如抽水系统）来解决。这就是斯德哥尔摩中央供暖系统的工作原理。

热泵的条件效率

热泵能够利用高潜力能源，将 200% 至 600% 的低品位热能“泵”入房间（占消耗的百分比）。这并不违反能量守恒定律，因为环境被冷却了。

从理论上讲，使用热泵进行空间供暖比燃气锅炉更有效。发电厂的现代蒸汽和燃气轮机设备的效率略低于燃气锅炉的效率。因此，随着电力工业向现代化设备的过渡以及热泵的使用，与燃气锅炉相比，可节省燃气高达3-5倍。实际上，必须考虑电力传输、转换和分配（即电网服务）的间接成本。结果，电力的销售价格比其成本高出3-5倍，这使得普遍先进的技术无法使用。在这方面，建议使用替代能源（波浪、风能、太阳能发电厂）的电力，或将天然气发电与现场使用结合起来，在热泵中产生热量。

热泵运行建议

当使用补助能源作为热源时，防冻剂循环的管道埋在给定区域土壤冻结水平以下30-50厘米的地下。建议集热管之间的最小距离为 0,8-1 m。不需要特殊的土壤准备。但最好使用土壤湿润的场地，但如果土壤干燥，则轮廓必须做得更长。每20米管道的热功率近似值为30-10瓦。因此，要安装容量为 350 kW 的热泵，需要铺设 450-400 m 长的接地回路，这将需要约 2 m20 (20xXNUMX m) 的土地。如果计算正确，等高线不会影响绿地。
如果没有空闲区域放置收集器或使用岩石作为热源，则将管道放入井中。没有必要使用一个深孔 - 可以钻几个浅的、更便宜的孔来获得总的估计深度。有时也使用基桩。
一口井每 1 延米大约产生 50-60 瓦的热能。因此，要安装10kW的热泵，需要一口170m深的井。
制冷剂直接供应至地热源，保证了地热供暖系统的高效率。蒸发器水平安装在冻结深度以下的一磅内，或安装在直径为 40-60 mm 的井中，垂直或倾斜钻孔至 15-30 m 的深度。由于该工程解决方案，换热回路安装在仅几平方米的面积上，不需要安装中间换热器和循环泵运行的额外成本。
当使用附近的水库作为热源时，电路铺设在底部。此方案被认为是比较理想的，外电路时间不长，环境温度高（冬季水库水温始终为正值；热泵能量转换效率高）。
每1m管道的热功率近似值为30瓦。因此，安装一台10kW的热泵，需要在湖中铺设300m长的回路，为防止管道上浮，运行1次。 m装约5公斤货物
为了从热空气（例如，从通风系统的排气）中获取热量，需要使用带有空气热交换器的特殊型号的热泵。工厂也可以收集用于供暖和热水系统的空气热量。
如果外部电路的热量在严重霜冻情况下仍然不足以加热，则通常将泵与额外的热发生器串联运行（在这种情况下，他们谈论使用二价加热方案）。当外部温度降至计算水平（二价温度）以下时，第二个热发生器将打开 - 通常是小型电加热器。

热泵的优点和缺点

首先，热泵的优点包括经济性：将0,2千瓦时的热能输送到供暖系统，安装只需花费0,35-50千瓦时的电力。由于大型发电厂将热能转化为电能的效率高达 XNUMX%，因此使用热泵时燃料的使用效率会提高。简化了通风系统的要求，提高了消防安全水平。所有系统均采用闭环运行，除了运行设备所需的电力成本外，几乎不需要任何运营成本。

热泵的另一个优点是能够从冬季的供暖模式切换到夏季的空调模式：风机盘管代替散热器，连接到外部集热器。

热泵运行可靠，运行自动化控制。在运行过程中，系统不需要特殊维护，可能的操作不需要特殊技能，并在说明书中进行了描述。

该系统的一个重要特征是它对于每个消费者来说都是纯粹的个体性质，其中包括稳定的低势能源的最佳选择、转换系数的计算、投资回报等。

该热泵结构紧凑（其模块不超过传统冰箱的尺寸）并且几乎是静音的。

用于供暖的热泵的缺点包括安装设备的成本较高。

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