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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Kraftwerke, die Niedertemperatur-Energiequellen nutzen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Erdwärmetauscher in Vertikalbrunnen werden in den letzten 10–15 Jahren häufig als Niedertemperatur-Wärmequelle für Heizungs- und Warmwasserversorgungssysteme mit Wärmepumpen eingesetzt. Diese umweltfreundliche Wärmequelle wird beispielsweise in der Schweiz häufig genutzt, wo derzeit rund viertausend solcher Anlagen in Betrieb sind. Das Altai Regional Center for Non-traditional Energy and Energy Saving führte Untersuchungen zur gegenseitigen Beeinflussung eines vertikalen Erdwärmetauschers und einer Wärmepumpe durch. Als Grundlage diente die automatisierte Wärmepumpeneinheit ATNU-10 (Arbeitsflüssigkeit - R22), die von AK „INSOLAR“ im Rahmen des staatlichen wissenschaftlichen und technischen Programms Russlands „Umweltsaubere Energie“ entwickelt und von „ECOMASH“ hergestellt wurde. Unternehmen (Saratow). Das System umfasst auch einen vertikalen Erdwärmetauscher in einem Brunnen mit einer Tiefe von nicht mehr als 100 m (wie hydrogeologische Studien gezeigt haben, leben 67 % der Bevölkerung des Altai-Territoriums in einem Gebiet, in dem die Tiefe des ersten Grundwasserleiters geringer ist). als 30 m). Die Grundbodentemperatur wird mit 280 K angenommen, was der durchschnittlichen Temperaturschätzung in einer Tiefe von mehr als 5 m für die Bedingungen des Altai-Territoriums entspricht. Das automatisierte Steuersystem der Wärmepumpe vom Typ ATNU ist so konzipiert, dass es unter optimalen Bedingungen mit einem konstanten Wert des Wärmestroms arbeitet, der durch den Wärmestrom der primären Wärmequelle, die Einlasstemperatur des Hochtemperaturkreislaufs, bestimmt wird und die Massengeschwindigkeit des Wärmeträgers des Hochtemperaturkreislaufs. Wenn die erforderliche Heizlast sinkt, muss die Wärmepumpe abgeschaltet werden, bis die eingestellte Temperatur wiederhergestellt ist. Reicht die Leistung des Erdwärmetauschers nicht aus, um die Wärmeverluste im Hochtemperaturkreislauf zu decken, muss ein Spitzenschließer zugeschaltet werden. Die Ergebnisse zeigten, dass die dem Boden entzogene Wärmeenergie linear vom Logarithmus der Arbeitslänge des Wärmetauschers abhängt. Unter diesen Bedingungen (Filtrationsrate 10 m/Tag) beträgt die erforderliche Tiefe des Wärmetauschers 5–6 m, um 50–60 kW Wärmeleistung aus dem Boden zu gewinnen. Der Mindestdurchfluss im Heizkreis muss 0,3 kg/s (1 m3/h) betragen. Bei kleineren Volumina kommt es zu einer Wärmespeicherung im System, die, wie Tests an einer Großanlage gezeigt haben, zu einem Anstieg der Temperatur und des Drucks von Freon, einer Verschlechterung der Funktion des Verdampfers und einer Abnahme der Temperatur führt Wärmeabfuhr im Erdwärmetauscher. Und obwohl gleichzeitig die Temperatur des Kühlmittels des Hochtemperaturkreislaufs steigt, sinkt der Wirkungsgrad des gesamten Kreislaufs, bestimmt durch den Heizkoeffizienten. In Europa besteht großes Interesse an der Nutzung des Bodens als Wärmequelle. Die Konstruktion des Verdampfers wird in Form einer Schlange aus Rohren mit einem Durchmesser von etwa 25 mm vorgeschlagen, die auf einer Fläche von mehreren hundert Quadratmetern in konstanter Tiefe verlegt sind. Um die Kapitalkosten zu senken, werden die Rohre so nah wie möglich an der Oberfläche platziert. Die in Europa durchgeführte Untersuchung des Bodens als Wärmequelle ergab, dass der Wärmefluss vom Boden zum Verdampfer 20–25 W/m beträgt, der Mindestwert für Europa liegt bei 10 W/m, der Höchstwert bei 50–60 W/m . Die optimale Tiefe und der optimale Abstand der Rohre betragen 1,5 bzw. 2 m. In einigen Fällen wird die Grenze von 2 m aufgrund gegenseitiger Beeinflussung erweitert. Die Rohre können in geringerer Tiefe verlegt werden, allerdings kann die Leistung der Wärmepumpe bei jedem Grad Abfall der Verdampfertemperatur um 5 % reduziert werden. Neben der Möglichkeit, das Kältemittel direkt zu verdampfen, besteht die Möglichkeit, einen Zwischenwärmeträger zu nutzen – Sole, die durch Rohre im Erdreich zirkuliert und in einem speziellen Wärmetauscher Wärme an das Kältemittel abgibt. Die durchschnittliche Soletemperatur im Winter beträgt -3°C. Bei hohem Wassergehalt des Bodens erhöht sich die Leistung durch die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit und den guten Kontakt zu den Rohren. Eine hohe Kieskonzentration im Boden führt zu einer Verschlechterung der Leistung. In Dänemark wurde die Möglichkeit in Betracht gezogen, nicht horizontale, sondern vertikale Rohre zu verwenden, die nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen des Gebäudes im Sommer verwendet werden können, wenn eine reversible Wärmepumpe verwendet wird. Außerdem wurde ein interessantes Detail entdeckt. Die minimale Bodentemperatur liegt immer über der Lufttemperatur und wird zwei Monate später erreicht, wenn die erforderliche Heizleistung abnimmt. Vertikale Rohre nehmen weniger Platz ein und ermöglichen eine teilweise Nutzung der in den Sommermonaten gespeicherten Wärme, was ihnen einen wirtschaftlichen Vorteil verschafft. Untersuchungen an vertikalen U-Rohren haben die Möglichkeit einer erheblichen Wärmerückgewinnung gezeigt. Mit einem Horizontalverdampfer aus einer Fläche von 150-200 m können Sie 12 kW Wärme gewinnen. U-Rohre in Brunnen mit einem Durchmesser von 127 mm und einer Tiefe von 8 m ermöglichten die Gewinnung von 12 kW aus nur zwei Brunnen. Daraus ist ersichtlich, dass U-förmige Rohre die erforderliche Bodenoberfläche im Vergleich zu horizontalen um das 10- bis 20-fache reduzieren. Obwohl inländische Wärmepumpen im Vergleich zu ausländischen Wärmepumpen relativ günstig sind, stößt die Einführung von Wärmepumpen angesichts der derzeit schwachen Finanzlage der Unternehmen auf gewisse Schwierigkeiten. Nicht zuletzt spielt die große Neuheit und Ungewöhnlichkeit dieser Technik für unsere Verbraucher eine Rolle. Diese Probleme wurden im Ausland dadurch überwunden, dass Unternehmen, die Wärmepumpenanlagen installieren, für mehrere Jahre Privilegien gewährt wurden. In den meisten westeuropäischen Ländern wurden die Einnahmen aus der Nutzung von Wärmepumpen weniger besteuert, in einigen Ländern wurden direkte finanzielle Zuschüsse gewährt. So erhielten in Österreich Unternehmen, die Wärmepumpen nutzen, einen finanziellen Zuschuss von bis zu 100 Schilling, und in der BRD hatten solche Unternehmen Anfang der 90er Jahre Anspruch auf eine Steuervergütung von bis zu 7,5 % der Kapitalkosten (vorbehaltlich ihrer Kapitalisierung). ), was einem finanziellen Zuschuss von bis zu 20 % der Kosten für die Installation von Wärmepumpen entspricht. Damit sind in Österreich derzeit 105 Wasserkraftwerke in Betrieb, die jährlich 116 Tonnen Heizöl einsparen. Neben der Nutzung von Erdwärme ist die „kostenlose“ Wärmequelle zur Schaffung komfortabler Bedingungen im Hausinneren die attraktivste Wärmepumpenanwendung für Privathaushalte – die Luft. Es ist öffentlich erhältlich und hat in der Massenproduktion die größte Aufmerksamkeit erregt. Wo Wasser verfügbar ist, hat es gegenüber Luft mehrere Vorteile. Die Nutzung von Abwärme oder Solarkollektoren wird aktiv erforscht, woran sowohl in Europa als auch in Amerika Interesse besteht. Am weitesten verbreitet sind Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle von Anfang an im Haushalt. Grundsätzlich ist Luft auch ein Wärmesenke. Da Luft als Wärmequelle eine Reihe von Nachteilen mit sich bringt, ist je nach Einbauort, an dem die Lufttemperatur stark schwanken kann, eine sorgfältige konstruktive Optimierung erforderlich. Die Leistung der Wärmepumpe und insbesondere der COP sinken mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator. Dies wirkt sich besonders ungünstig auf Luftwärmepumpen aus. Mit sinkender Umgebungstemperatur steigt zwar die zum Heizen benötigte Wärmemenge, die Fähigkeit der Wärmepumpe, eine gleichmäßige Heizleistung aufrechtzuerhalten, nimmt jedoch deutlich ab. Um diesen Mangel zu beheben, wird häufig eine zusätzliche Erwärmung eingesetzt. Für die Verhältnisse in England und den meisten europäischen Ländern sind die Kosten einer Wärmepumpe mit beliebiger Wärmequelle deutlich höher als die eines herkömmlichen Zentralheizkessels. Je größer der Anteil der Wärmepumpe an der häuslichen Heizlast ist, desto höher ist die Investitionsdifferenz. Daher werden Wärmepumpen in der Regel nur für einen Teil der jährlichen Heizlast berechnet und der Rest wird durch eine Zusatzheizung, meist elektrisch, bereitgestellt (in den USA) und fossile Brennstoffe (in Europa). Die Wahl zwischen ihnen wird durch das Verhältnis von Kapital- und Betriebskosten bestimmt. Wenn eine Wärmepumpe im Sommer auch für die Klimatisierung sorgt, kann ihre Größe und Leistung von der jeweiligen Anwendung abhängen. Wenn die Umgebungstemperatur unter Null sinkt und der Wärmeverlust des Gebäudes die Wärmeleistung der Pumpe übersteigt, ist eine zusätzliche Heizung erforderlich. Um die Wirtschaftlichkeit der Anlage zu erhöhen, empfiehlt sich der Einbau einer Zusatzheizung, in diesem Fall elektrisch, nur dann, wenn die Wärmepumpe nicht die volle Last abdecken kann. Alle Wärmequellen für Wärmepumpen werden mehr oder weniger durch Sonnenenergie beeinflusst, sie kann jedoch auch direkt mithilfe von Sonnenkollektoren mit Wärmeträgerumwälzung genutzt werden, wobei die in den Verdampfer eintretende Luft mithilfe von Solarkonzentratoren erwärmt wird. Allerdings scheinen Solarkonzentratoren für Absorptionswärmepumpen besser geeignet zu sein. Sie werden zu Hause noch wenig genutzt, sind aber Gegenstand umfangreicher Forschungsarbeiten. Um einen Generator in einem Absorptionskreislauf aufzuheizen, sind höhere Temperaturen erforderlich, als sie mit herkömmlichen Flachkollektoren erreichbar sind. Der Einsatz eines Absorptionskreislaufs zur Klimatisierung ermöglicht jedoch die Beheizung mit Flachkollektoren, da hier die Temperatur niedriger sein muss und daher im Sommer, also genau dann, wenn die Sonneneinstrahlung intensiv ist und die Temperatur des Kollektors hoch ist, eine Luftkühlung durchgeführt wird erhöht. Zusammen mit anderen Wärmequellen für Wärmepumpen werden häufig Flachkollektoren auf Dächern eingesetzt. Generell werden Solarkollektoren nicht nur für den Einsatz mit Wärmepumpen, sondern auch unabhängig davon sowie in Kreisläufen mit Wärmespeichern intensiv untersucht. Letztere sind auch für Wärmepumpen als Wärmequelle an bewölkten Tagen oder in der Nacht interessant. Indem Solarkollektoren dem Verdampfer Wärme bei einer Temperatur zuführen, die höher ist als die der Umgebungsluft, des Bodens oder des Wassers, erhöhen sie den COP der Wärmepumpe. Normalerweise überträgt das Zwischenkühlmittel Wasser die Wärme vom Kollektor zum Verdampfer. Es kann aber auch eine vollständige Kombination des Kollektors mit dem Verdampfer geben, bei der das Kältemittel direkt in den Rohren des Solarkollektors verdampft. Oftmals wird die Wärme des Solarkollektors in einen flüssigen Wärmespeicher eingespeist, in den die Verdampferrohre eintauchen. Der Wärmespeicher spielt in jeder Solarwärmepumpenanlage eine wesentliche Rolle. In einem Phillips-Haus zum Beispiel sammelt ein Solarkollektor (20 m2) 36–44 GJ Wärme pro Jahr (mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 50 %), gespeichert in einem 40 m3 großen Tank bei Temperaturen von bis zu 95 °C. Es wurde ein Minimalenergiehauskonzept mit drei Wärmepumpen vorgeschlagen: eine zur Übertragung der Wärme mit steigender Temperatur vom Solarkollektor zur Batterie, die zweite von der Batterie zum Heizsystem und die dritte von der Batterie zum Warmwassersystem. Auch Solarkollektoren kommen in Kombination mit Erdkollektoren in Betracht. Es wurde festgestellt, dass die Abmessungen des Solarkollektors mehr als 3 m2 pro 1 kW Wärmeverlust der Wohnung betragen sollten. Bei einem Solarkollektor mit einer Fläche von 30 m3 und einem Erdverdampfer von nur 100 m wird ein COP = 3,4 erreicht. Wird nur ein Erdverdampfer verwendet, ist eine Fläche von 300 m erforderlich, was einen COP = 2,7 ergibt. Es kann jedoch sein, dass trotz der Steigerung des COP die Brennstoffeinsparungen die Kosten für die Installation, insbesondere für den Solarkollektor, nicht rechtfertigen. Andere Arbeiten in diesem Bereich zeigen, dass bei einer thermischen Leistung von HPI von 6 kW eine Fläche von 20m2 benötigt wird. Darüber hinaus kann HPP Wärmeableitungen aus dem Gehäuse selbst nutzen, beispielsweise Abgase von Küchenherden oder aus der Küche im Allgemeinen, Abwasser. In Holland wurde TN auf einen Haushaltsgeschirrtrockner angewendet. Die Wärme der ausgestoßenen feuchten Luft wird zur Erwärmung der dem Trockner zugeführten trockenen Luft genutzt. Die warme, feuchte Luft aus dem Trockner gelangt in den HD-Verdampfer und wird abgekühlt. Beim Abkühlen entweicht Feuchtigkeit und die Luft wird für die Umwälzung geeignet. Der Verdampfer nutzt sowohl die fühlbare als auch die latente Wärme der Abluft. Die Umluft strömt durch den Kondensator und wird durch die Kondensationswärme erwärmt. Die Energieeinsparung beträgt etwa 48 %. Im Folgenden sind einige Merkmale von Wasserkraftwerken aufgeführt, die im Ausland weit verbreitet sind. Tab. 2.1.2. Merkmale der HP-Anlage „Carrier“ (USA) – eine einfache reversible Luft-Luft-Wärmepumpe.
Die Eigenschaften des Lennox HP werden mit einem befeuerten Heizsystem kombiniert, wodurch das zusätzliche Heizsystem entfällt. Tab. 2.1.3.
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