지구 에너지. 히트 펌프. 계획, 설명

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XNUMX년 전 영국의 물리학자 윌리엄 톰슨(William Thomson)은 다음과 같은 물리적 현상을 기반으로 "열 승수"라는 장치를 고안했습니다.

물질은 증발 중에 에너지를 소비하고 응축 중에 에너지를 방출합니다.
물질의 끓는점은 압력에 따라 변합니다.

그 결과 등장한 열 펌프 - 낮은 온도의 소스에서 높은 온도의 소스로 열 에너지를 전달하는 장치로, 사실 외부 환경에서 낮은 온도의 소스를 가진 냉장고 또는 가열하는 에어컨입니다.

히트펌프의 작동 원리는 냉매가 압력과 온도가 낮은 챔버에서 증발하고 압력과 온도가 높은 챔버에서 응축되어 차가운 물체에서 가열된 물체로 에너지(열)를 전달한다는 사실에 기반합니다. 즉 자발적인 열 전달이 불가능한 방향입니다.

주택 난방을 위한 낮은 잠재적 열 에너지원으로 자연 발생 열(야외 공기, 지하 열, 지하수 및 열수, 강, 호수, 바다 및 기타 동결되지 않은 자연 저수지의 물)을 사용할 수 있습니다. 히트 펌프에는 히트 펌프의 지정된 작동 모드를 유지하는 제어 및 자동화 시스템이 장착되어 있습니다.

열 펌프 사용의 에너지 효율은 저 전위 소스의 온도에 따라 달라지며 높을수록 온도가 높아집니다.

열 펌프는 값싼 장비가 아닙니다. 이러한 시스템의 초기 설치 비용은 기존의 냉난방 시스템보다 약간 높습니다. 그러나 운영 비용을 고려한다면. 그러면 지열 난방, 냉방 및 온수 공급에 대한 초기 투자는 에너지 절약을 통해 빠르게 보상을 받을 것입니다. 또한 히트 펌프의 작동에는 가정용 전기 네트워크를 제외하고는 추가 통신이 필요하지 않다는 점을 고려해야 합니다.

열 펌프의 성능(신체에 전달되는 열량과 소비된 작업의 비율)은 이상적으로 다음과 같습니다.

a \uXNUMXd T 출력 / (T 출력 - T 입력),

어디 T 아웃. 그리고 T in. - 각각 펌프의 출구와 입구의 온도.

히트펌프장치

열 펌프의 주요 요소는 파이프라인, 압축기, 콘덴서 및 흐름 조절기(스로틀, 확장기 또는 와류 튜브)로 연결된 증발기입니다. 개략적으로 히트 펌프는 세 개의 폐쇄 회로 시스템으로 나타낼 수 있습니다. 첫 번째 외부에서는 열 방출기가 순환하고 (환경의 열을 수집하는 열 운반체) 두 번째-증발하는 물질 열 방출기의 열과 응축되어 열 수신기에 열을 발산합니다. 세 번째 열 수신기 (건물의 난방 및 온수 공급 시스템의 물).

지구 에너지. 히트 펌프
그림 1. 열 펌프 작동 방식: 1 - 우물의 열교환기(열 수집 시스템); 2 - 부동액 냉각수 회로 (부동액); 3 - 열 펌프; 4 - 난방수 회로

외부 회로(수집기)는 부동액이 순환하는 지하 또는 물(예: 폴리에틸렌)에 놓인 파이프라인입니다. 저급 열원은 토양, 암석, 호수, 강, 바다, 심지어 산업 기업의 환기 시스템에서 나오는 따뜻한 공기의 출구일 수도 있습니다.

냉매가 순환하는 두 번째 회로에는 가정용 냉장고와 같이 열교환 기가 내장되어 있습니다-증발기와 응축기, 냉매의 압력을 변경하는 장치-액상에서 분사하는 스로틀 ( 좁은 보정 구멍) 가스 상태 압축기에서 이미 압축합니다.

지열 펌프 설계

이 시스템이 작동하는 동안 태양 복사열에서 재생 가능한 열이 사용되며 이는 땅에 축적됩니다.

개방 사이클이 있는 펌프(냉각수는 저장소에서 직접 공급되고 사이클을 통과한 후 냉각되어 다시 반환됨);
폐쇄 사이클 펌프(냉각수는 폐쇄 회로를 통해 펌핑되며 지면 깊숙이 또는 저수지 바닥을 따라 놓을 수 있습니다. 이는 개방 사이클보다 환경 친화적인 방법입니다.)
수평 열교환기가 있는 펌프(열교환기의 폐쇄 회로는 깊은 도랑에 수평으로 놓임);
수직 열 교환기가 있는 펌프(폐쇄 루프 열 교환기는 준비된 구멍에 수직으로 설치됩니다. 무거운 토양이나 공간이 제한되어 있을 때 사용됩니다. 폐쇄 루프 열 펌프가 가장 효과적인 것으로 간주됩니다. 냉각수는 다음을 통해 펌핑됩니다. 지면 깊숙이 놓거나 저수지 바닥을 따라 놓을 수 있는 폐루프 ).

히트 펌프 듀티 사이클

액체 냉매는 스로틀을 통해 강제로 압력이 떨어지고 증발기로 들어가 끓고 수집기가 공급하는 열을 환경에서 제거합니다. 또한 냉매가 된 가스는 압축기로 흡입되어 압축되고 가열되어 응축기로 밀려납니다.응축기는 열 펌프의 열 방출 장치입니다. 여기서 열은 물에 의해 흡수됩니다. 난방 회로 시스템. 그 후 가스는 냉각 및 응축되어 팽창 밸브에서 다시 진공 상태가 되어 증발기로 되돌아가고 다시 작동 사이클이 시작됩니다.

히트펌프 효율

작동 중에 압축기는 전기를 소비합니다. 열 펌프는 2,5킬로와트시의 전기를 소비할 때마다 5~XNUMX킬로와트시의 열 에너지를 생성합니다. 발생된 열에너지와 소비된 전기에너지의 비율을 변태율(또는 열전환계수)이라고 하며 히트펌프의 효율을 나타내는 지표가 된다. 이 값은 증발기와 응축기의 온도 수준 차이에 따라 달라집니다. 차이가 클수록 이 값은 작아집니다.

이 때문에 히트펌프는 열원을 너무 많이 식히지 않고 저급 열원을 최대한 활용해야 한다. 실제로 이것은 열원의 약한 냉각으로 인해 온도 차이가 크게 증가하지 않기 때문에 히트 펌프의 효율을 증가시킵니다. 이러한 이유로 열 펌프는 저온 열원의 질량이 가열되는 질량보다 훨씬 더 큰지 확인합니다.

히트 펌프와 연료 열원의 차이점은 압축기를 위한 에너지 외에도 작동하려면 낮은 등급의 열원도 필요하지만 기존 열원에서는 생성된 열이 발열량에만 의존한다는 점입니다. 연료의.

열 펌프를 큰 질량을 가진 낮은 전위 열원에 묶는 문제는 예를 들어 워터 펌핑 시스템과 같은 물질 전달 시스템을 열 펌프에 도입함으로써 해결할 수 있습니다. 이것이 스톡홀름의 중앙 난방 시스템이 작동하는 방식입니다.

열 펌프의 조건부 효율

열 펌프는 잠재력이 높은 에너지원을 사용하여 저급 열 에너지의 200%에서 600%까지 실내로 "펌핑"할 수 있습니다. 환경이 냉각되기 때문에 에너지 보존 법칙을 위반하지 않습니다.

이론적으로 공간 난방에 열 펌프를 사용하는 것이 가스 보일러보다 효율적입니다. 발전소의 최신 증기 및 가스 터빈 플랜트는 가스 보일러의 효율보다 약간 낮은 효율을 보입니다. 그 결과 전력산업의 현대적 설비로의 전환과 히트펌프의 사용으로 가스보일러 대비 최대 3~5배의 가스절감 효과를 얻을 수 있다. 실제로 전력의 송전, 변환 및 배전(예: 그리드 서비스)의 오버헤드 비용을 고려해야 합니다. 결과적으로 전기 판매 가격은 원가보다 3-5배 높기 때문에 일반적으로 진보적인 기술의 사용을 부정합니다. 이와 관련하여 대체 소스(파도, 풍력, 태양열 발전소)의 전기를 사용하거나 가스에서 전기를 생산하는 것과 여기 현장 사용을 결합하여 히트 펌프에서 열을 생산하는 것이 좋습니다.

히트 펌프 작동에 대한 권장 사항

보조금 에너지를 열원으로 사용하는 경우 부동액이 순환하는 파이프라인은 해당 지역의 토양 동결 수준보다 30-50cm 아래의 땅에 매립됩니다. 수집 파이프 사이의 최소 권장 거리는 0,8 1m이며 특별한 토양 준비가 필요하지 않습니다. 다만 흙이 젖은 곳을 사용하는 것이 바람직하나, 건조한 경우에는 등고선을 길게 만들어야 한다. 파이프라인 20m당 화력의 대략적인 값은 30-10와트입니다. 따라서 350kW 용량의 열 펌프를 설치하려면 450-400m 길이의 접지 회로가 필요하며 약 2m20(20xXNUMXm)의 토지가 필요합니다. 적절하게 계산된 경우 등고선은 녹지 공간에 영향을 주지 않습니다.
수집기를 놓을 여유 공간이 없거나 암석이 열원으로 사용되는 경우 파이프라인이 우물로 내려갑니다. 하나의 깊은 구멍을 사용할 필요는 없습니다. 여러 개의 얕고 저렴한 구멍을 뚫어 총 예상 깊이를 얻을 수 있습니다. 때로는 기초 말뚝이 우물로 사용됩니다.
우물의 1 선형 미터당 약 50-60 와트의 열 에너지. 따라서 10kW 용량의 히트펌프를 설치하려면 깊이 170m의 우물이 필요하다.
냉매는 지열 난방 시스템의 고효율을 보장하는 접지형 소스에 직접 공급됩니다. 증발기는 동결 깊이 아래의 수평 파운드 또는 직경 40-60mm의 우물에 수직으로 뚫거나 15-30m 깊이의 경사면에 설치됩니다.이 엔지니어링 솔루션 덕분에 열 교환 회로는 불과 몇 제곱미터의 면적에 건설되어 중간 열교환기 설치 및 순환 펌프 작동을 위한 추가 비용이 필요하지 않습니다.
근처의 저수지를 열원으로 사용하는 경우 회로가 바닥에 놓입니다. 이 옵션은 너무 길지 않은 높은 주변 온도의 외부 회로에 이상적인 것으로 간주됩니다(겨울철 저수지의 수온은 항상 양수이며 열 펌프의 높은 에너지 변환 효율).
파이프라인 1m당 화력의 대략적인 값은 30와트입니다. 따라서 10kW 용량의 히트 펌프를 설치하려면 호수에 300m 길이의 회로를 설치해야 하며 파이프라인이 뜨는 것을 방지하기 위해 1회 실행합니다. m은 약 5kg의화물을 설치합니다.
따뜻한 공기(예: 환기 시스템의 배출구)에서 열을 얻기 위해 공기 열 교환기가 있는 히트 펌프의 특수 모델이 사용됩니다. 난방 및 온수 시스템을 위한 공기의 열은 산업 플랜트에서도 수집될 수 있습니다.
외부 회로의 열이 여전히 심한 서리에서 가열하기에 충분하지 않은 경우 추가 열 발생기와 함께 펌프를 작동하는 것이 실행됩니다 (이러한 경우 XNUMX가 가열 방식 사용에 대해 이야기함). 외부 온도가 계산된 수준(XNUMX가 온도) 아래로 떨어지면 두 번째 열 발생기가 켜집니다. 대부분 소형 전기 히터입니다.

히트펌프의 장점과 단점

우선, 열 펌프의 장점은 경제성입니다. 0,2kWh의 열 에너지를 난방 시스템으로 전달하기 위해 설비는 0,35-50kWh의 전기만 소비하면 됩니다. 대형 발전소에서 열에너지를 전기에너지로 전환하는 효율이 최대 XNUMX%에 달하기 때문에 히트펌프를 사용할 때 연료 사용 효율이 높아진다. 환기 시스템에 대한 요구 사항을 단순화하고 화재 안전 수준을 높입니다. 모든 시스템은 폐쇄 루프를 사용하여 작동하며 장비를 작동하는 데 필요한 전기 비용 외에 사실상 작동 비용이 필요하지 않습니다.

히트 펌프의 또 다른 장점은 겨울에는 난방 모드에서 여름에는 에어컨 모드로 전환할 수 있다는 것입니다. 라디에이터 대신 팬 코일이 외부 수집기에 연결됩니다.

열 펌프는 신뢰할 수 있으며 작동은 자동화로 제어됩니다. 작동 중에 시스템은 특별한 유지 보수가 필요하지 않으며 가능한 조작에는 특별한 기술이 필요하지 않으며 지침에 설명되어 있습니다.

시스템의 중요한 특징은 저급 에너지의 안정적인 공급원의 최적 선택, 변환 계수 계산, 회수 등으로 구성된 각 소비자에 대한 순전히 개별적인 특성입니다.

히트 펌프는 소형이며(모듈이 기존 냉장고 크기를 초과하지 않음) 소음이 거의 없습니다.

난방에 사용되는 열 펌프의 단점은 설치 장비의 높은 비용을 포함합니다.

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