Jak działa pompa ciepła?

Jak działa pompa ciepła

Wprowadzenie

Druga zasada termodynamiki ma zasadnicze znaczenie dla zrozumienia procesu pompy ciepła. Druga zasada termodynamiki stwierdza, że ​​ciepło w naturze – zawsze przepływa z gorących do zimniejszych miejsc. Prosty przykład – po ugotowaniu jajka schładzamy je w wodzie. Ciepło opuszcza jajo i ogrzewa wodę … Przepływ nigdy nie nastąpi w odwrotny sposób – chyba że w systemie zostaną wykonane prace zewnętrzne. Trzecia zasada termodynamiki mówi, że teoretycznie najniższa temperatura to 0 stopni lub zero bezwzględne. Temperatura termodynamiczna jest miarą średniej energii kinetycznej z ruchów w cząsteczkach i atomach. W temperaturze zera bezwzględnego cząsteczki i atomy pozostają w spoczynku. Trzecie prawo termodynamiki wyjaśnia – w łatwy sposób – dlaczego temperatura zawsze płynie z gorących do zimniejszych miejsc.

Zasada działania pompy ciepła

Generalnie geotermalna pompa ciepła ma 2 wewnętrznie połączone obwody, które nazywamy „zimną stroną” (parownik) i „gorącą stroną” (skraplacz). W połączonych obwodach krążenie czynnika chłodniczego wymuszane jest przez kompresor. Czynnik chłodniczy pochłania i usuwa ciepło z ziemi i przekazuje je do skraplacza. Czynnik chłodniczy przełącza się między fazami gazową i ciekłą. Przełączanie faz jest regulowane przez tak zwany zawór rozprężny.

Czynniki chłodnicze:

Zasadniczo istnieją 2 rodzaje czynników chłodniczych; syntetyczny i naturalny. DuPont, DOW Chemical i LINDE są dużymi producentami syntetycznych czynników chłodniczych. Te czynniki chłodnicze mają niestety duży wpływ na globalne ocieplenie (GWP – Global Warming Potential). Przykład: 410 A: GWP = 2088. Naturalne czynniki chłodnicze, takie jak propan (R 290) i dwutlenek węgla CO ((R 744) stopniowo zyskują większą uwagę i wykorzystanie na rynku. Przykład: R290: GWP = 3

Zimna strona (parownik)

Aby skorzystać z naturalnego przepływu ciepła z ziemi, temperatura czynnika chłodniczego (faza ciekła) powinna wynosić około – 8 ºC (temperatura parownika) pod koniec sezonu grzewczego. Przy -8 ºC energia cieplna z gleby / skały nadal będzie przepływać do zimniejszego obwodu parownika. Dla przykładu normalna ΔT w „Zimnej stronie” w Skandynawii wynosi 2 – 3ºC.

Strona gorąca (skraplacz)

O wiele wyższa temperatura po „stronie gorącej” jest wytwarzana przez sprężarkę. Sprężarka podnosi temperaturę czynnika chłodniczego (faza gazowa) w skraplaczu do 65 – 70ºC (systemy grzejników). Ciepło skraplacza będzie automatycznie przepływać do domu w temperaturze 55 – 45 ° C (zimniejszej) z obiegowym obiegiem wody. Normalna ΔT po „Gorącej stronie” to 7 – 10 ºC w systemie grzejników. W systemach ogrzewania podłogowego można obniżyć temperaturę skraplacza do 45 – 55 ºC. Normalna ΔT po „Gorącej stronie” to 5 – 8 ºC z ogrzewaniem podłogowym. Sprawność cieplna – COP – (współczynnik wydajności) dla pomp ciepła. Pompa ciepła przenosi 3 – 4 razy więcej energii cieplnej w stosunku do zużytej energii elektrycznej. Powoduje to, że sprawność cieplna netto jest większa niż 300% w porównaniu do ciepła uzyskanego z elektrycznego grzejnika oporowego, który jest w 100% wydajny.

Znaczenie „podnoszenia temperatury”.

Wydajność geotermalnej pompy ciepła jest bezpośrednio związana z temperaturą wlotu ze źródła ciepła – oraz z temperaturą wylotową ze skraplacza.

Przykład:

W przypadku czynnika chłodniczego R290 ciśnienie robocze sprężarki będzie następujące:

Temperatura skraplania: Ciśnienie sprężarki:

35 ºC 12,3 Bar (ogrzewanie podłogowe)

55 ºC 19,4 bar (grzejniki ścienne – radiatory)

65 ºC 23,8 bar (grzejniki ścienne – radiatory)

Typowy współczynnik COP dla systemów ogrzewania podłogowego wyniesie 4,0 – 4,5.

Typowy współczynnik COP dla systemów grzewczych grzejników będzie wynosił 3,0 – 3,5.

Pionowe wymienniki ciepła – „Kolektory energii” – Ogólnie:

Aby utrzymać proces pompy ciepła, energia musi być w sposób ciągły przenoszona ze źródła ciepła do parownika, który zwykle jest płytowym wymiennikiem ciepła. Aby przenieść energię geotermalną z ziemi do parownika, w odwiercie należy zainstalować oddzielny wymiennik ciepła.

Pionowe wymienniki ciepła – „Kolektory energii”

Rury typu PE są najczęściej stosowane jako wymienniki ciepła w otworach wiertniczych. Sam materiał PE nie jest dobrym materiałem pod względem przewodnictwa cieplnego – tylko 0,4 W / (m • K). Dla porównania – przewodnictwo cieplne miedzi wynosi 390 W / (m • K). Przewodność cieplna wody wynosi 0,6 W / (m • K) i lodu 2,2 W / (m • K). Rury PE są jednak opłacalne i przyjazne dla operatora. Od wielu lat podejmowane są próby wprowadzenia innych bardziej wydajnych rodzajów kolektorów energii. Do tej pory jednak,  nowe systemy kolektorów nie były w stanie konkurować z dobrze sprawdzonymi kolektorami typu PE z dolnymi zakończeniami typu U.

Wymiarowanie kolektorów energii geotermalnej na półwyspie skandynawskim – Wprowadzenie

Do wymiarowania otworów z wysoką dokładnością konieczne są testy czułości termicznej (TRT-testing) które zwykle powinny zostać wykonane. Test TRT dostarcza danych wejściowych niezbędnych do obliczenia przewodności cieplnej i oporu cieplnego skały.

Poniższe dane należy traktować wyłącznie jako wytyczne orientacyjne, mimo to wieloletnie doświadczenie potwierdziło jednak, że są one realistyczne.

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę:

1). Warunki klimatyczne (strefy klimatyczne)

2). Przewodność cieplna skał – wartość λ

3). Odległość i rodzaj materiału nadkładu

4). Statyczny poziom wody gruntowej

5). Temperatura podłoża

6). Rozmiar pompy ciepła.

7). Rodzaj systemu grzewczego – grzejniki lub ogrzewanie podłogowe

8). Pokrycie mocy pompy ciepła (na przykład: 60% pokrycia mocy zapewnia 93% pokrycia energii)

9). Typ i średnica rury kolektora

Energia geotermalna może zostać przeniesiona do kolektora pod warunkiem, że w otworze znajduje się medium termo-konwekcyjne. Zwykle to woda pełni rolę medium konwekcji cieplnej. Przy szacowaniu niezbędnej długości wiercenia należy uwzględnić tylko długość napełnioną wodą („Aktywna długość otworu wiertniczego”). W suchych otworach – lub otworach o dużej odległości od statycznego poziomu wody – dobrym rozwiązaniem jest wypełnienie pustej przestrzeni bentonitem lub piaskiem kwarcytowym.

UWAGA:

W obszarach zabudowanych ograniczona przestrzeń stworzyła potrzebę głębszych odwiertów. Obecnie projekty z otworami o głębokości od 250 do 300 a nawet 500 metrów stają się w Skandynawii coraz bardziej powszechne.

Aby pokonać spadek ciśnienia w głębszych otworach, lepszym rozwiązaniem są rury o większych średnicach.

Do 2 lat temu istniała luka w programie rur o średnicach pomiędzy 40 i 50 mm. Obecnie na rynku dostępne są również rury o średnicy 45 mm – zakłada się, że rozmiar ten będzie najpowszechniej stosowanym rozmiarem w studniach głębszych niż 250 metrów.

Na koniec – doświadczenie z ostatniej dekady pokazało, że dobrym rozwiązaniem są kolektory z wewnętrznymi karabinami (ryflami).

Wystające ryfle ułożone spiralnie zapewniają turbulentny przepływ przy niższym natężeniu przepływu niż gładkie rury, wykonane również przez nas badania w Instytucie Termodynamiki Politechniki Śląskiej w Gliwicach pokazały, że niższy jest również spadek ciśnienia, ponieważ ryfle działają jako wzmocnienie, co z kolei zapewnia utrzymanie idealnego, okrągłego kształtu rury.

Oslo, marzec 2018

Per Stykket – Kierownik geotermalnych systemów pomp ciepła – ABK AS

Uproszczony schemat systemu ogrzewania opartego na gruntowej pompie ciepła.