地球のエネルギー。ヒートポンプ。スキーム、説明

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地球のエネルギー。ヒートポンプ。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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記事へのコメント

XNUMX世紀半前、英国の物理学者ウィリアム・トムソンは、次の物理現象に基づいて「熱倍増装置」と呼ばれる装置を考案しました。

物質は蒸発中にエネルギーを消費し、凝縮中にエネルギーを放出します。
物質の沸点は圧力によって変化します。

その結果、登場しました ヒートポンプ - より低い温度の熱源からより高い温度の熱源に熱エネルギーを伝達するための装置。実際には、外部環境に低い温度の熱源を備えた冷蔵庫、または暖房のために作動するエアコンです。

ヒートポンプの動作原理は、冷媒が低圧および温度のチャンバー内で蒸発し、高圧および高温のチャンバー内で凝縮することで、冷たい物体から加熱された物体にエネルギー（熱）を伝達するという事実に基づいています。、つまり自発的な熱交換が不可能な方向です。

住宅を暖房するための潜在的な熱エネルギー源として、自然由来の熱（外気、地面、自噴水、温泉水からの熱、川、湖、海、その他の不凍性の自然水域からの水）を利用することができます。使用済み。ヒートポンプには、ヒートポンプの指定された動作モードをサポートする制御および自動化システムが装備されています。

ヒートポンプのエネルギー効率は低電位源の温度に依存し、温度が高いほど高くなります。

ヒートポンプは安価な機器ではありません。これらのシステムの初期設置コストは、従来の暖房および空調システムのコストよりわずかに高くなります。ただし、運用コストを考慮すると。そうすれば、地熱暖房、冷房、温水への初期投資は、エネルギー節約を通じてすぐに元が取れます。さらに、ヒートポンプの動作時には、家庭用電気ネットワーク以外に追加の通信が必要ないことも考慮する必要があります。

ヒートポンプのパフォーマンス (消費される仕事量に対する身体に伝達される熱量の比率) は、理想的には次のようになります。

a \ uXNUMXd T out /（T out-T in。）、

どこで T アウト。と T で。 - ポンプの出口と入口のそれぞれの温度。

ヒートポンプ装置

ヒートポンプの主な要素は、蒸発器、圧縮機、凝縮器、およびパイプラインで接続された流量調整器（スロットル、エキスパンダー、またはボルテックスチューブ）です。概略的に、ヒートポンプは XNUMX つの閉回路システムとして表すことができます。最初の回路では外部のヒートシンク (環境から熱を集める冷却剤) が循環し、XNUMX 番目の回路では蒸発する物質が熱を奪います。 XNUMX番目の受熱器（建物の暖房および給湯システム内の水）で凝縮し、ヒートシンクに熱を放出します。

地球のエネルギー。ヒートポンプ
図1。ヒートポンプの動作図: 1 - 井戸内の熱交換器 (熱収集システム)。 2 - 不凍液（不凍液）の回路。 3 - ヒートポンプ。 4 - 加熱水回路

外部回路（コレクター）は、地面または水中に敷設されたパイプライン（たとえば、ポリエチレン）であり、その中を不凍液（不凍液）が循環します。低級熱の発生源は、土壌、岩、湖、川、海、さらには産業企業の換気システムからの温風の出口である可能性があります。

家庭用冷蔵庫と同じように冷媒が循環する XNUMX 番目の回路には、蒸発器と凝縮器といった熱交換器と、冷媒の圧力を変える装置であるチョーク (校正された狭い穴) が組み込まれています。）それを液相で噴霧するものと、それを気体の状態で圧縮するコンプレッサーです。

地熱ポンプの設計

これらのシステムの動作には、地中に蓄積される太陽放射からの再生可能な熱が使用されます。

オープンサイクルポンプ（冷却剤はリザーバーから直接供給され、サイクル後に冷却されて戻ります）。
クローズドサイクルポンプ（冷却剤はクローズドループを通して汲み上げられ、地中深くまたは貯水池の底に沿って敷設できます。これはオープンループよりも環境に優しい方法です）。
水平熱交換器を備えたポンプ（閉ループ熱交換器が深い溝に水平に配置されています）。
垂直型熱交換器を備えたポンプ (熱交換器の閉回路は、準備された穴に垂直に取り付けられます。重い土壌やスペースが限られている場合に使用されます。最も効果的なのは、閉サイクルのヒートポンプです。冷却剤は密閉された回路を通ってポンプで送られます。回路、地中深くまたは貯水池の底に沿って敷設できます）。

ヒートポンプのデューティサイクル

液体冷媒はスロットルを通過して圧力が低下し、蒸発器に入り、そこで沸騰し、コレクタによって供給される熱を環境から奪います。次に、冷媒が変化したガスはコンプレッサーに吸入され、圧縮され、加熱されてコンデンサーに押し込まれます。コンデンサーはヒートポンプの放熱部であり、ここで加熱中の水が熱を受け取ります。サーキットシステム。この場合、ガスは冷却されて凝縮し、膨張弁で再び放出されて蒸発器に戻り、その後、再び運転サイクルが始まります。

ヒートポンプ効率

コンプレッサーは作動中に電力を消費します。消費電力 2,5 キロワット時ごとに、ヒートポンプは 5 ～ XNUMX キロワット時の熱エネルギーを生成します。発生した熱エネルギーと消費した電力エネルギーの比を変換率（または熱変換係数）といい、ヒートポンプの効率を表す指標となります。この値は蒸発器と凝縮器の温度レベルの差によって決まります。差が大きいほど、この値は小さくなります。

このため、ヒートポンプは低級熱源を冷却しすぎずに、できるだけ多く使用する必要があります。実際、熱源の冷却が弱いと温度差が大幅に増加しないため、これによりヒートポンプの効率が向上します。このため、ヒートポンプは、低温熱源の質量が加熱される質量よりも大幅に大きくなるようにします。

ヒートポンプと燃料ベースの熱源の違いは、動作するにはコンプレッサーのエネルギーに加えて低級熱源も必要とするのに対し、従来の熱源では発生する熱は熱源のみに依存することです。燃料の発熱量。

ヒートポンプを質量の大きい低品位熱源に接続する問題は、ヒートポンプに物質移動システム、例えば水ポンプシステムを導入することによって解決できる。これがストックホルムのセントラルヒーティングシステムの仕組みです。

ヒートポンプの条件付き効率

ヒートポンプは、高ポテンシャルのエネルギー源を使用して、低ポテンシャルの熱エネルギーの 200% ～ 600% を (消費量の割合として) 室内に「汲み出す」ことができます。これは環境を冷却するため、エネルギー保存の法則に違反しません。

理論的には、部屋の暖房にヒートポンプを使用すると、ガスボイラーよりも効果的です。発電所の最新の蒸気およびガスタービンユニットの効率は、ガスボイラーの効率よりわずかに低くなります。その結果、電力業界が最新の設備に切り替え、ヒートポンプを使用すると、ガスボイラーと比較して最大 3 ～ 5 倍のガス節約が達成されます。実際には、送電、変電、配電 (つまり、グリッドサービス) にかかる諸経費を考慮する必要があります。その結果、電力の販売価格は原価の 3 ～ 5 倍となり、一般に進歩的な技術の使用が妨げられています。この点において、代替電源（波力、風力、太陽光発電所）からの電力を使用するか、ガスからの発電と現場での使用を組み合わせてヒートポンプで熱を発生させることが推奨されます。

ヒートポンプの操作に関する推奨事項

助成エネルギーを熱源として利用する場合、不凍液を循環させるパイプラインは、対象地域の土壌凍結レベルより30～50センチ下の地中に埋められます。コレクターパイプ間の推奨最小距離は 0,8 ～ 1 m で、特別な土壌準備は必要ありません。ただし、湿った土壌のある場所を使用することをお勧めします。乾燥している場合は、輪郭を長くする必要があります。パイプライン20 mあたりの熱出力のおおよその値は30〜10 Wです。したがって、350 kWの容量のヒートポンプを設置するには、長さ450〜400 mのアース回路が必要です。その設置には、約2 m20（20xXNUMX）の面積の土地が必要です。 m)が必要になります。正しく計算されていれば、等高線は緑地に影響を与えません。
コレクターを敷設するための空き領域がない場合、または岩石が熱源として使用されている場合、パイプラインは井戸内に降下されます。 XNUMX つの深い井戸を使用する必要はありません。浅くて安価な井戸をいくつか掘削して、合計の計算深さを得ることができます。基礎杭が井戸として使用されることもあります。
井戸 1 リニアメートルあたり約 50 ～ 60 W の熱エネルギー。したがって、10kWの容量のヒートポンプを設置するには、深さ170mの井戸が必要です。
冷媒は地球源に直接供給されるため、地熱暖房システムは高効率になります。蒸発器は、氷点下で水平に設置されるか、直径 40 ～ 60 mm の井戸に垂直または斜めに掘削され、深さ 15 ～ 30 m に設置されます。このエンジニアリングソリューションのおかげで、熱交換回路は熱交換器に設置されます。面積はわずか数平方メートルであり、中間熱交換器の設置や循環ポンプの運転のための追加コストは必要ありません。
近くの水域を熱源として使用する場合、回路は底に敷設されます。このオプションは理想的であると考えられています;長すぎない外部回路;高い周囲温度（冬の貯水池の水温は常にプラス;ヒートポンプのエネルギー変換係数が高い）。
パイプライン 1 m あたりの熱出力の概算値は 30 W です。そのため、容量10kWのヒートポンプを設置するには、パイプラインの浮き上がりを防ぐために、長さ300mの回路を湖に敷設する必要があります。 m、約1kgの荷重を搭載
暖かい空気（換気システムの排気など）から熱を得るには、空気熱交換器を備えた特別なモデルのヒートポンプが使用されます。製造工場では、暖房および温水システムのために空気からの熱を収集することもできます。
外部回路からの熱がひどい霜の中で加熱するにはまだ十分ではない場合、追加の熱発生器と連携してポンプを動作させることが実践されています（そのような場合、彼らは二価加熱回路の使用について話します）。街路温度が計算されたレベル (二価温度) を下回ると、XNUMX 番目の熱発生器 (ほとんどの場合、小型の電気ヒーター) がオンになります。

ヒートポンプの長所と短所

ヒートポンプの利点としては、まず第一に経済性が挙げられます。0,2 kWh の熱エネルギーを暖房システムに伝達するために、設置に必要な電力は 0,35 ～ 50 kWh だけです。大規模な発電所では熱エネルギーから電気エネルギーへの変換が最大 XNUMX% の効率で行われるため、ヒートポンプを使用すると燃料の使用効率が向上します。室内換気システムの要件が簡素化され、火災安全性のレベルが向上します。すべてのシステムは閉ループを使用して動作し、機器の動作に必要な電気代以外の運用コストは実質的にかかりません。

ヒートポンプのもう XNUMX つの利点は、冬の暖房モードから夏の空調モードに切り替えることができることです。単にラジエーターの代わりにファンコイルが外部コレクターに接続されているだけです。

ヒートポンプは信頼性が高く、その動作は自動的に制御されます。動作中、システムは特別なメンテナンスを必要とせず、可能な操作は特別なスキルを必要とせず、説明書に記載されています。

このシステムの重要な特徴は、各消費者にとって純粋に個別の性質であり、低潜在エネルギーの安定した供給源の最適な選択、変換係数の計算、回収などで構成されます。

ヒートポンプはコンパクトで (モジュールのサイズは通常の冷蔵庫ほど大きくありません)、ほとんど静かです。

暖房に使用されるヒートポンプの欠点には、設置機器のコストが高いことが含まれます。

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