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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Energie der Erde. Wärmepumpen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Vor anderthalb Jahrhunderten entwickelte der britische Physiker William Thomson ein Gerät namens „Wärmemultiplikator“, das auf den folgenden physikalischen Phänomenen basiert:
Als Ergebnis erschien Wärmepumpe - ein Gerät zur Übertragung von Wärmeenergie von einer Quelle mit niedrigerer Temperatur auf eine Quelle mit höherer Temperatur. Dabei handelt es sich tatsächlich um einen Kühlschrank mit einer Quelle niedrigerer Temperatur in der Außenumgebung oder eine Klimaanlage, die zum Heizen dient. Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe basiert darauf, dass das Kältemittel in einer Kammer mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur verdampft und in einer Kammer mit hohem Druck und hoher Temperatur kondensiert und so Energie (Wärme) von einem kalten Körper auf einen erhitzten Körper überträgt , also in die Richtung, in der kein spontaner Wärmeaustausch möglich ist. Als Wärmeenergiequelle mit geringem Potenzial zum Heizen eines Hauses kann Wärme natürlichen Ursprungs (Außenluft; Wärme aus Erdreich, artesischem Wasser und Thermalwasser; Wasser aus Flüssen, Seen, Meeren und anderen nicht gefrierenden natürlichen Gewässern) verwendet werden gebraucht. Wärmepumpen sind mit einem Steuerungs- und Automatisierungssystem ausgestattet, das den vorgegebenen Betriebsmodus der Wärmepumpe unterstützt. Die Energieeffizienz von Wärmepumpen hängt von der Temperatur der Quelle mit niedrigem Potenzial ab und ist umso höher, je höher die Temperatur dort ist. Wärmepumpen sind keine billigen Geräte. Die anfänglichen Installationskosten für diese Systeme sind etwas höher als die Kosten herkömmlicher Heizungs- und Klimaanlagen. Wenn man jedoch die Betriebskosten bedenkt. Dann amortisieren sich die Anfangsinvestitionen in geothermische Heizung, Kühlung und Warmwasser durch Energieeinsparungen schnell. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass beim Betrieb der Wärmepumpe außer dem hausinternen Stromnetz keine weiteren Kommunikationsmittel erforderlich sind. Die Leistung einer Wärmepumpe (das Verhältnis der auf den Körper übertragenen Wärmemenge zur aufgewendeten Arbeit) beträgt im Idealfall: a \uXNUMXd T aus / (T aus - T ein.), wo T aus. und T ein. - Temperaturen jeweils am Auslass und am Einlass der Pumpe. Wärmepumpengerät Die Hauptelemente einer Wärmepumpe sind ein Verdampfer, ein Kompressor, ein Kondensator und ein Durchflussregler, die durch eine Rohrleitung – eine Drossel, einen Expander oder ein Wirbelrohr – verbunden sind. Schematisch lässt sich eine Wärmepumpe als System aus drei geschlossenen Kreisläufen darstellen: Im ersten, externen, zirkuliert ein Kühlkörper (ein Kühlmittel, das Wärme aus der Umgebung aufnimmt), im zweiten eine Substanz, die verdampft und die Wärme abführt des Kühlkörpers und kondensiert unter Abgabe von Wärme an den Kühlkörper im dritten - Wärmeempfänger (Wasser in den Heizungs- und Warmwasserversorgungssystemen des Gebäudes).
Der äußere Kreislauf (Kollektor) ist eine im Erdreich oder im Wasser (z. B. Polyethylen) verlegte Rohrleitung, in der eine nicht gefrierende Flüssigkeit – Frostschutzmittel – zirkuliert. Die Quelle minderwertiger Wärme kann Boden, Gestein, See, Fluss, Meer und sogar der Austritt warmer Luft aus dem Lüftungssystem eines Industrieunternehmens sein. Im zweiten Kreislauf, in dem das Kältemittel wie in einem Haushaltskühlschrank zirkuliert, gibt es eingebaute Wärmetauscher – einen Verdampfer und einen Kondensator – sowie Geräte, die den Druck des Kältemittels ändern – eine Drossel (ein schmales kalibriertes Loch). ), der es in flüssiger Phase versprüht, und einen Kompressor, der es in den gasförmigen Zustand verdichtet. Konstruktionen von Erdwärmepumpen Der Betrieb dieser Anlagen nutzt erneuerbare Wärme aus Sonnenstrahlung, die im Boden gespeichert wird:
Arbeitszyklus der Wärmepumpe Das flüssige Kältemittel wird durch die Drossel gedrückt, sein Druck sinkt und es gelangt in den Verdampfer, wo es siedet und der Umgebung die vom Kollektor zugeführte Wärme entzieht. Anschließend wird das Gas, in das sich das Kältemittel verwandelt hat, in den Kompressor gesaugt, komprimiert und erhitzt in den Kondensator gedrückt. Der Kondensator ist die wärmeabgebende Einheit der Wärmepumpe: Hier wird die Wärme vom Wasser in der Heizung aufgenommen Schaltungssystem. Dabei kühlt sich das Gas ab und kondensiert, um im Expansionsventil wieder abgeführt und zum Verdampfer zurückgeführt zu werden. Danach beginnt der Betriebszyklus von neuem. Effizienz der Wärmepumpe Während des Betriebs verbraucht der Kompressor Strom. Für jede verbrauchte Kilowattstunde Strom erzeugt die Wärmepumpe 2,5-5 Kilowattstunden Wärmeenergie. Das Verhältnis von erzeugter Wärmeenergie und verbrauchter elektrischer Energie wird als Umwandlungsverhältnis (oder Wärmeumwandlungskoeffizient) bezeichnet und dient als Indikator für die Effizienz der Wärmepumpe. Dieser Wert hängt vom Unterschied der Temperaturniveaus im Verdampfer und Kondensator ab: Je größer der Unterschied, desto kleiner ist dieser Wert. Aus diesem Grund sollte die Wärmepumpe möglichst viel von der minderwertigen Wärmequelle nutzen, ohne zu versuchen, sie zu stark abzukühlen. Tatsächlich erhöht sich dadurch die Effizienz der Wärmepumpe, da bei schwacher Abkühlung der Wärmequelle keine nennenswerte Erhöhung der Temperaturdifferenz auftritt. Aus diesem Grund sorgen Wärmepumpen dafür, dass die Masse der Niedertemperatur-Wärmequelle deutlich größer ist als die erwärmte Masse. Der Unterschied zwischen einer Wärmepumpe und brennstoffbasierten Wärmequellen besteht darin, dass sie für ihren Betrieb neben der Energie für den Kompressor auch eine minderwertige Wärmequelle benötigt, während bei herkömmlichen Wärmequellen die erzeugte Wärme ausschließlich von der Energie abhängt Heizwert des Brennstoffs. Das Problem des Anschlusses einer Wärmepumpe an eine minderwertige Wärmequelle mit großer Masse kann durch die Einführung eines Stoffübertragungssystems in die Wärmepumpe, beispielsweise eines Wasserpumpsystems, gelöst werden. So funktioniert das Zentralheizungssystem von Stockholm. Bedingter Wirkungsgrad von Wärmepumpen Eine Wärmepumpe ist in der Lage, unter Nutzung von Energiequellen mit hohem Potenzial 200 % bis 600 % der Wärmeenergie mit niedrigem Potenzial in den Raum zu „pumpen“ (als Prozentsatz der verbrauchten Energie). Dies verstößt nicht gegen den Energieerhaltungssatz, da dadurch die Umgebung gekühlt wird. Theoretisch ist der Einsatz von Wärmepumpen zur Beheizung von Räumen effektiver als Gaskessel. Moderne Dampf- und Gasturbinenanlagen in Kraftwerken haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad als Gaskessel. Dadurch können bei der Umstellung der Elektrizitätswirtschaft auf moderne Geräte und beim Einsatz von Wärmepumpen bis zu drei- bis fünffache Gaseinsparungen im Vergleich zu Gaskesseln erzielt werden. In der Realität müssen die Gemeinkosten der Übertragung, Umwandlung und Verteilung von Strom (d. h. Netzdienstleistungen) berücksichtigt werden. Infolgedessen ist der Verkaufspreis von Strom drei- bis fünfmal höher als seine Kosten, was den Einsatz allgemein fortschrittlicher Technologie zunichte macht. In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, Strom aus alternativen Quellen (Wellen-, Wind-, Solarkraftwerke) zu nutzen oder die Stromerzeugung aus Gas und deren Nutzung vor Ort zur Wärmeerzeugung in einer Wärmepumpe zu kombinieren. Empfehlungen für den Betrieb der Wärmepumpe
Vor- und Nachteile einer Wärmepumpe Zu den Vorteilen von Wärmepumpen gehört vor allem die Wirtschaftlichkeit: Um 0,2 kWh Wärmeenergie an das Heizsystem zu übertragen, muss die Anlage nur 0,35-50 kWh Strom verbrauchen. Da die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie in Großkraftwerken mit einem Wirkungsgrad von bis zu XNUMX % erfolgt, erhöht sich die Effizienz der Brennstoffnutzung beim Einsatz von Wärmepumpen. Die Anforderungen an Raumlüftungsanlagen werden vereinfacht und der Brandschutz erhöht. Alle Systeme arbeiten mit geschlossenen Kreisläufen und verursachen außer den Stromkosten für den Betrieb der Geräte praktisch keine Betriebskosten. Ein weiterer Vorteil von Wärmepumpen ist die Möglichkeit, vom Heizbetrieb im Winter auf den Klimabetrieb im Sommer umzuschalten: An den externen Kollektor werden einfach anstelle von Heizkörpern Gebläsekonvektoren angeschlossen. Die Wärmepumpe ist zuverlässig, ihr Betrieb wird automatisch gesteuert. Während des Betriebs bedarf das System keiner besonderen Wartung; mögliche Manipulationen erfordern keine besonderen Kenntnisse und sind in der Anleitung beschrieben. Ein wichtiges Merkmal des Systems ist sein rein individueller Charakter für jeden Verbraucher, der in der optimalen Auswahl einer stabilen Energiequelle mit niedrigem Potenzial, der Berechnung des Umwandlungskoeffizienten, der Amortisation usw. besteht. Die Wärmepumpe ist kompakt (ihr Modul ist nicht größer als ein normaler Kühlschrank) und nahezu geräuschlos. Zu den Nachteilen von Wärmepumpen zum Heizen zählen die hohen Kosten für die installierte Ausrüstung.
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