Energia della Terra. Pompe di calore. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Un secolo e mezzo fa, il fisico britannico William Thomson inventò un dispositivo chiamato “moltiplicatore di calore”, basato sui seguenti fenomeni fisici:

• la sostanza consuma energia durante l'evaporazione ed emette energia durante la condensazione;
• Il punto di ebollizione di una sostanza cambia con la pressione.

Di conseguenza, è apparso pompa di calore - un dispositivo per trasferire energia termica da una fonte a temperatura più bassa ad una fonte a temperatura più alta, infatti si tratta di un frigorifero con una fonte di temperatura più bassa nell'ambiente esterno o di un condizionatore funzionante per il riscaldamento.

Il principio di funzionamento di una pompa di calore si basa sul fatto che il refrigerante evapora in una camera a bassa pressione e temperatura e condensa in una camera ad alta pressione e temperatura, trasferendo così energia (calore) da un corpo freddo a uno riscaldato , cioè nella direzione in cui lo scambio termico spontaneo non è possibile.

Come fonte di energia termica a basso potenziale per il riscaldamento di una casa, il calore di origine naturale (aria esterna; calore dalle acque sotterranee, artesiane e termali; acqua da fiumi, laghi, mari e altri corpi idrici naturali non ghiacciati) può essere usato. Le pompe di calore sono dotate di un sistema di controllo e automazione che supporta la modalità operativa specificata della pompa di calore.

L'efficienza energetica delle pompe di calore dipende dalla temperatura della fonte a basso potenziale e sarà tanto maggiore quanto maggiore è la sua temperatura.

Le pompe di calore non sono attrezzature economiche. I costi di installazione iniziale di questi sistemi sono leggermente superiori al costo dei tradizionali sistemi di riscaldamento e condizionamento. Tuttavia, se si considerano i costi operativi. quindi l'investimento iniziale nel riscaldamento geotermico, nel raffreddamento e nell'acqua calda si ripaga rapidamente grazie al risparmio energetico. Inoltre, bisogna tenere conto del fatto che quando la pompa di calore è in funzione non sono necessarie comunicazioni aggiuntive oltre alla rete elettrica domestica.

Il rendimento di una pompa di calore (rapporto tra la quantità di calore ceduto al corpo e il lavoro impiegato) è idealmente pari a:

a \uXNUMXd T out / (T out - T in.),

dove esce. e T in. - temperature, rispettivamente, all'uscita e all'ingresso della pompa.

Dispositivo pompa di calore

Gli elementi principali di una pompa di calore sono un evaporatore, un compressore, un condensatore e un regolatore di flusso collegati da una tubazione: una valvola a farfalla, un espansore o un tubo a vortice. Schematicamente, una pompa di calore può essere rappresentata come un sistema di tre circuiti chiusi: nel primo, esterno, circola un dissipatore di calore (un liquido refrigerante che raccoglie calore dall'ambiente), nel secondo una sostanza che evapora, sottraendo calore del dissipatore di calore e si condensa, cedendo calore al dissipatore di calore, nel terzo - ricevitore di calore (acqua nei sistemi di riscaldamento e di fornitura di acqua calda dell'edificio).

Fig. 1. Schema di funzionamento della pompa di calore: 1 - scambiatori di calore a pozzi (sistema di raccolta del calore); 2 - circuito del liquido refrigerante non congelante (antigelo); 3 - pompa di calore; 4 - circuito acqua di riscaldamento

Il circuito esterno (collettore) è una tubazione posata nel terreno o in acqua (ad esempio polietilene), nella quale circola un liquido non gelido - antigelo. La fonte di calore di bassa qualità può essere il suolo, la roccia, il lago, il fiume, il mare e persino l'uscita di aria calda dal sistema di ventilazione di un'impresa industriale.

Nel secondo circuito, dove circola il refrigerante, proprio come in un frigorifero domestico, sono presenti scambiatori di calore integrati - un evaporatore e un condensatore, nonché dispositivi che modificano la pressione del refrigerante - uno starter (uno stretto foro calibrato ) che lo spruzza allo stato liquido ed un compressore che lo comprime allo stato gassoso.

Disegni di pompe geotermiche

Il funzionamento di questi sistemi sfrutta il calore rinnovabile proveniente dalla radiazione solare, che si accumula nel terreno:

• pompa a ciclo aperto (il liquido refrigerante viene fornito direttamente dal serbatoio e ritorna raffreddato dopo il ciclo);
• pompa a ciclo chiuso (il refrigerante viene pompato attraverso un circuito chiuso, che può essere posato in profondità nel terreno o lungo il fondo di un serbatoio. Questo è un metodo più rispettoso dell'ambiente rispetto a un circuito aperto);
• pompa con scambiatore di calore orizzontale (uno scambiatore di calore a circuito chiuso è posato orizzontalmente in trincee profonde);
• pompa con scambiatore di calore verticale (un circuito chiuso dello scambiatore di calore è installato verticalmente in fori predisposti. Utilizzato in terreni pesanti o quando lo spazio è limitato. La più efficace è una pompa di calore a ciclo chiuso: il liquido di raffreddamento viene pompato attraverso un circuito, che può essere interrato in profondità o lungo il fondo di un serbatoio).

Ciclo di lavoro della pompa di calore

Il refrigerante liquido viene forzato attraverso la farfalla, la sua pressione diminuisce ed entra nell'evaporatore, dove bolle, sottraendo all'ambiente il calore fornito dal collettore. Successivamente, il gas in cui si è trasformato il refrigerante viene aspirato nel compressore, compresso e, riscaldato, spinto nel condensatore.Il condensatore è l'unità di rilascio del calore della pompa di calore: qui il calore viene ricevuto dall'acqua dell'impianto di riscaldamento sistema circuitale. In questo caso il gas si raffredda e condensa per poi essere nuovamente scaricato nella valvola di espansione e ritornare all'evaporatore, dopodiché ricomincia il ciclo di funzionamento.

Efficienza della pompa di calore

Durante il funzionamento, il compressore consuma elettricità. Per ogni kilowattora di elettricità consumata, la pompa di calore produce 2,5-5 kilowattora di energia termica. Il rapporto tra l'energia termica generata e l'energia elettrica consumata è chiamato rapporto di trasformazione (o coefficiente di conversione del calore) e serve come indicatore dell'efficienza della pompa di calore. Questo valore dipende dalla differenza dei livelli di temperatura tra evaporatore e condensatore: maggiore è la differenza, minore è questo valore.

Per questo motivo, la pompa di calore dovrebbe utilizzare quanto più possibile la fonte di calore di bassa qualità, senza cercare di raffreddarla troppo. In effetti, ciò aumenta l'efficienza della pompa di calore, poiché con un debole raffreddamento della fonte di calore non si verifica un aumento significativo della differenza di temperatura. Per questo motivo le pompe di calore garantiscono che la massa della fonte di calore a bassa temperatura sia notevolmente maggiore della massa da riscaldare.

La differenza tra una pompa di calore e le fonti di calore a combustibile è che per funzionare, oltre all'energia per il compressore, necessita anche di una fonte di calore a basso grado, mentre nelle fonti di calore tradizionali il calore generato dipende esclusivamente dalla potere calorifico del combustibile.

Il problema di collegare una pompa di calore a una fonte di calore di bassa qualità con una grande massa può essere risolto introducendo un sistema di trasferimento di massa nella pompa di calore, ad esempio un sistema di pompaggio dell'acqua. Ecco come funziona il sistema di riscaldamento centrale di Stoccolma.

Efficienza condizionale delle pompe di calore

Una pompa di calore è in grado, utilizzando fonti energetiche ad alto potenziale, di “pompare” nell'ambiente (in percentuale del consumo) dal 200% al 600% di energia termica a basso potenziale. Ciò non viola la legge di conservazione dell'energia, poiché raffredda l'ambiente.

Teoricamente, l'uso delle pompe di calore per il riscaldamento degli ambienti è più efficace delle caldaie a gas. Le moderne turbine a vapore e a gas nelle centrali elettriche hanno un'efficienza leggermente inferiore a quella delle caldaie a gas. Di conseguenza, quando l’industria dell’energia elettrica passa ad apparecchiature moderne e quando si utilizzano pompe di calore, è possibile ottenere risparmi di gas fino a 3-5 volte rispetto alle caldaie a gas. In realtà bisogna tenere conto dei costi generali di trasmissione, trasformazione e distribuzione dell’energia elettrica (ovvero dei servizi di rete). Di conseguenza, il prezzo di vendita dell’elettricità è 3-5 volte superiore al suo costo, il che impedisce l’uso di una tecnologia generalmente progressiva. A questo proposito, è consigliabile utilizzare elettricità da fonti alternative (moto ondoso, eolico, solare) o combinare la generazione di elettricità dal gas e il suo utilizzo in loco per generare calore in una pompa di calore.

Raccomandazioni per il funzionamento della pompa di calore

• Quando si utilizza l'energia della sovvenzione come fonte di calore, la tubazione in cui circola l'antigelo viene interrata nel terreno 30-50 cm sotto il livello di congelamento del suolo nella regione interessata. La distanza minima consigliata tra i tubi del collettore è 0,8-1 m Non è richiesta alcuna preparazione particolare del terreno. Ma è consigliabile utilizzare una zona con terreno umido; se è asciutto, il contorno dovrà essere allungato. Il valore approssimativo della potenza termica per l m di tubazione è di 20-30 W. Pertanto, per installare una pompa di calore da 10 kW è necessario un circuito terra di lunghezza 350-450 m, per la cui installazione è necessario un terreno con una superficie di circa 400 m2 (20x20 m) sarà richiesto. Se calcolato correttamente, il contorno non influisce sugli spazi verdi.
• Se non c'è spazio libero per la posa del collettore o se si utilizza roccia rocciosa come fonte di calore, la tubazione viene abbassata nel pozzo. Non è necessario utilizzare un pozzo profondo: è possibile perforarne diversi poco profondi ed economici per ottenere la profondità totale calcolata. A volte vengono utilizzati anche i pali di fondazione.
• Circa 1-50 W di energia termica per 60 metro lineare di pozzo. Pertanto, per installare una pompa di calore con una capacità di 10 kW, è necessario un pozzo con una profondità di 170 m.
• Il refrigerante viene fornito direttamente a una fonte terrestre, rendendo il sistema di riscaldamento geotermico altamente efficiente. L'evaporatore è installato orizzontalmente sotto la profondità di congelamento o in pozzi con un diametro di 40-60 mm, forati verticalmente o ad angolo fino a una profondità di 15-30 M. Grazie a questa soluzione ingegneristica, il circuito di scambio di calore è installato su un superficie di soli pochi metri quadrati, non richiede l'installazione di uno scambiatore di calore intermedio e costi aggiuntivi per il funzionamento della pompa di circolazione.
• Quando si utilizza uno specchio d'acqua vicino come fonte di calore, il circuito viene posato sul fondo. Questa opzione è considerata ideale; circuito esterno non troppo lungo; temperatura ambiente elevata (la temperatura dell'acqua nel serbatoio in inverno è sempre positiva; elevato coefficiente di conversione energetica delle pompe di calore).
• Il valore approssimativo della potenza termica per 1 m di tubazione è di 30 W. Pertanto, per installare una pompa di calore con una capacità di 10 kW, è necessario posare nel lago un circuito lungo 300 m Per evitare che la tubazione galleggi, 1 lineare. m, sono installati circa 5 kg di carico
• Per ottenere calore dall'aria calda (ad esempio dallo scarico di un sistema di ventilazione), viene utilizzato un modello speciale di pompa di calore con scambiatore di calore ad aria. Il calore dell'aria per i sistemi di riscaldamento e di acqua calda può essere raccolto anche negli impianti di produzione.
• Se il calore proveniente dal circuito esterno non è ancora sufficiente per il riscaldamento in caso di forti gelate, è consigliabile far funzionare la pompa in tandem con un generatore di calore aggiuntivo (in questi casi si parla di utilizzo di un circuito di riscaldamento bivalente). Quando la temperatura stradale scende al di sotto del livello calcolato (temperatura bivalente), viene acceso un secondo generatore di calore, molto spesso un piccolo riscaldatore elettrico.

Vantaggi e svantaggi di una pompa di calore

I vantaggi delle pompe di calore includono, innanzitutto, l'economia: per trasferire 0,2 kWh di energia termica all'impianto di riscaldamento, l'impianto deve consumare solo 0,35-50 kWh di elettricità. Poiché la conversione dell'energia termica in energia elettrica nelle grandi centrali elettriche avviene con un'efficienza fino al XNUMX%, aumenta l'efficienza dell'uso del carburante quando si utilizzano le pompe di calore. I requisiti per i sistemi di ventilazione degli ambienti vengono semplificati e il livello di sicurezza antincendio aumenta. Tutti i sistemi funzionano utilizzando circuiti chiusi e non richiedono praticamente alcun costo operativo oltre al costo dell'elettricità necessaria per far funzionare l'apparecchiatura.

Un altro vantaggio delle pompe di calore è la possibilità di passare dalla modalità riscaldamento in inverno alla modalità condizionamento in estate: semplicemente al posto dei radiatori si collegano dei ventilconvettori al collettore esterno.

La pompa di calore è affidabile, il suo funzionamento è controllato automaticamente. Durante il funzionamento il sistema non necessita di particolare manutenzione; eventuali manipolazioni non richiedono competenze particolari e sono descritte nelle istruzioni.

Una caratteristica importante del sistema è la sua natura puramente individuale per ciascun consumatore, che consiste nella selezione ottimale di una fonte stabile di energia a basso potenziale, nel calcolo del coefficiente di conversione, nel rimborso e così via.

La pompa di calore è compatta (il suo modulo non è più grande di un normale frigorifero) e quasi silenziosa.

Gli svantaggi delle pompe di calore utilizzate per il riscaldamento includono l'alto costo delle apparecchiature installate.

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