In dit artikel: De geschiedenis van de warmtepomp hoe de warmtepomp werkt en werkt; soorten warmtepompen; thermische energie uit lucht, water en bodem; aan het einde – de voor- en nadelen van warmtepompen.
Om de winterkou te verslaan, zoeken huiseigenaren naar energie en geschikte verwarmingsketels, jaloers op de gelukkigen die aardgasleidingen naar hun huizen hebben. Elke winter worden duizenden tonnen hout, kolen en olieproducten in de kachels verbrand, megawatt elektriciteit wordt verbruikt voor astronomische hoeveelheden die elk jaar toenemen, en het lijkt erop dat er gewoon geen andere uitweg is. Ondertussen is er altijd een constante bron van thermische energie in de buurt van onze huizen, maar het is nogal moeilijk voor de bevolking van de aarde om het in deze hoedanigheid op te merken. Maar wat als we de warmte van onze planeet gebruiken om huizen te verwarmen? En daar is een geschikt apparaat voor: een aardwarmtepomp.
Warmtepomp geschiedenis
De theoretische onderbouwing van de werking van dergelijke apparaten in 1824 werd geleverd door de Franse natuurkundige Sadi Carnot, die zijn enige werk over stoommachines publiceerde, waarin de thermodynamische cyclus werd beschreven, die 10 jaar later wiskundig en grafisch werd bevestigd door de natuurkundige Benoit Cliperon en de ‘Carnot-cyclus’ noemde..
Het eerste laboratoriummodel van een warmtepomp werd in 1852 gemaakt door de Engelse natuurkundige William Thomson, Lord Kelvin, tijdens zijn experimenten in de thermodynamica. Trouwens, de warmtepomp dankt zijn naam aan Lord Kelvin..
William Thomson, Baron Kelvin
Het industriële warmtepompmodel werd in 1856 gebouwd door de Oostenrijkse mijningenieur Peter von Rittinger, die dit apparaat gebruikte om pekel te verdampen en kwelders af te voeren om droog zout te winnen..
Peter Ritter von Rittinger
De warmtepomp dankt zijn gebruik bij het verwarmen van huizen echter aan de Amerikaanse uitvinder Robert Webber, die eind jaren 40 van de vorige eeuw experimenteerde met een vriezer. Robert merkte dat de pijp die de vriezer verliet heet was en besloot deze warmte te gebruiken voor huishoudelijke behoeften door de pijp te verlengen en deze met water door de boiler te leiden. Het idee van de uitvinder bleek succesvol: vanaf dat moment hadden huishoudens een overvloed aan warm water, terwijl een deel van de warmte doelloos werd besteed en de atmosfeer verliet. Webber kon dit niet accepteren en voegde een spoel toe aan de uitlaat van de vriezer, waarna hij een ventilator plaatste, wat resulteerde in een installatie voor luchtverwarming van het huis. Na enige tijd kwam de inventieve Amerikaan erachter dat het mogelijk was om letterlijk warmte uit de grond onder zijn voeten te halen en begroef hij een systeem van koperen leidingen waar freon doorheen circuleerde tot een bepaalde diepte. Het gas verzamelde warmte in de grond, leverde het aan het huis en gaf het weg, en keerde vervolgens terug naar de ondergrondse warmtecollector. De warmtepomp van Webber bleek zo efficiënt te zijn dat hij de verwarming van het huis volledig naar deze installatie overbracht en traditionele verwarmingsapparaten en energiebronnen achterliet..
De warmtepomp, uitgevonden door Robert Webber, werd jarenlang als meer absurd beschouwd dan als een werkelijk effectieve bron van thermische energie – olie-energie was er in overvloed, tegen redelijk redelijke prijzen. De belangstelling voor hernieuwbare warmtebronnen groeide in de vroege jaren 70, dankzij het olie-embargo van 1973, waarin de Golfstaten unaniem weigerden olie te leveren aan de Verenigde Staten en Europa. Het tekort aan aardolieproducten veroorzaakte een scherpe stijging van de energieprijzen – een dringende noodzaak om uit de situatie te komen. Ondanks de daaropvolgende opheffing van het embargo in 1975 en het herstel van de olievoorraden, hebben Europese en Amerikaanse fabrikanten grip gekregen op de ontwikkeling van hun eigen modellen van geothermische warmtepompen, waarvan de gevestigde vraag sindsdien alleen maar groeit..
Ontwerp en werkingsprincipe van de warmtepomp
Terwijl we wegzinken in de aardkorst, op het oppervlak waarvan we leven en waarvan de dikte op het land ongeveer 50-80 km is, stijgt de temperatuur ervan – dit komt door de nabijheid van de bovenste laag magma, waarvan de temperatuur ongeveer 1300 ° C is. Op een diepte van 3 meter of meer is de bodemtemperatuur op elk moment van het jaar positief; met elke kilometer diepte stijgt deze gemiddeld met 3–10 ° C. De stijging van de bodemtemperatuur met zijn diepte hangt niet alleen af van de klimaatzone, maar ook van de geologie van de bodem, evenals van endogene activiteit in een bepaald deel van de aarde. In het zuidelijke deel van het Afrikaanse continent is de temperatuurstijging per kilometer bodemdiepte bijvoorbeeld 8 ° C, en in de staat Oregon (VS), op het grondgebied waarvan een vrij hoge endogene activiteit wordt opgemerkt – 150 ° C voor elke kilometer diepte. Voor een efficiënte werking van de warmtepomp hoeft het externe circuit dat er warmte aan levert echter niet honderden meters onder de grond begraven te worden – elk medium met een temperatuur van meer dan 0 ° C kan een bron van warmte-energie zijn..
De warmtepomp draagt warmte-energie over uit lucht, water of bodem, waardoor de temperatuur tijdens het overbrengen op de gewenste temperatuur wordt gebracht door de compressie (compressie) van het koudemiddel. Er zijn twee hoofdtypen warmtepompen: compressie en sorptie.
De basisstructuur van een compressiewarmtepomp: 1 – aarde; 2 – pekelcirculatie; 3 – circulatiepomp; 4 – verdamper; 5 – compressor; 6 – condensator; 7 – verwarmingssysteem; 8 – koelmiddel; 9 – stikken
Ondanks de verwarrende naam zijn compressiewarmtepompen geen verwarmingsapparaten, maar koelapparaten, omdat ze volgens hetzelfde principe werken als elke koelkast of airconditioner. Het verschil tussen een warmtepomp en koeleenheden die ons bekend zijn, is dat de werking ervan in de regel twee circuits vereist: een interne, waarin het koelmiddel circuleert, en een externe, met een koelmiddelcirculatie..
Tijdens de werking van dit apparaat doorloopt het koelmiddel in het interne circuit de volgende fasen:
- het gekoelde koelmiddel in vloeibare toestand komt de verdamper binnen via de capillaire opening. Onder invloed van een snelle drukdaling verdampt het koudemiddel en verandert het in een gasvormige toestand. Bewegend langs de gebogen buizen van de verdamper en in het bewegingsproces in contact met een gasvormige of vloeibare warmtedrager, ontvangt het koelmiddel thermische energie op lage temperatuur, waarna het de compressor binnengaat;
- in de compressorkamer wordt het koelmiddel gecomprimeerd, terwijl de druk sterk stijgt, wat een stijging van de temperatuur van het koelmiddel veroorzaakt;
- Vanuit de compressor volgt het hete koelmiddel het circuit naar de condensorbatterij, die als warmtewisselaar fungeert – hier geeft het koelmiddel warmte (ongeveer 80–130 ° C) af aan het koelmiddel dat in het verwarmingscircuit van het huis circuleert. Nadat de meeste thermische energie is verloren, keert het koelmiddel terug naar een vloeibare toestand;
- bij het passeren van het expansieventiel (capillair) – het bevindt zich in het interne circuit van de warmtepomp, de warmtewisselaar volgend – neemt de restdruk in het koelmiddel af, waarna het de verdamper binnenkomt. Vanaf dit moment herhaalt de werkcyclus zich opnieuw.
Werkingsprincipe van lucht-warmtepomp
Zo bestaat de interne structuur van een warmtepomp uit een capillair (expansieklep), een verdamper, een compressor en een condensor. De werking van de compressor wordt geregeld door een elektronische thermostaat, die de stroomtoevoer naar de compressor onderbreekt en daardoor het opwekken van warmte stopt wanneer de ingestelde luchttemperatuur in het huis is bereikt. Wanneer de temperatuur onder een bepaald niveau zakt, schakelt de thermostaat automatisch de compressor in.
Freonen R-134a of R-600a circuleren als koelmiddel in het interne circuit van de warmtepomp – de eerste is gebaseerd op tetrafluorethaan, de tweede is gebaseerd op isobutaan. Beide koelmiddelen zijn veilig voor de ozonlaag van de aarde en milieuvriendelijk. Compressiewarmtepompen kunnen worden aangedreven door een elektromotor of een verbrandingsmotor.
Sorptiewarmtepompen gebruiken absorptie – een fysisch-chemisch proces waarbij een gas of vloeistof in volume toeneemt als gevolg van een andere vloeistof onder invloed van temperatuur en druk.
Schematisch diagram van een absorptiewarmtepomp: 1 – verwarmd water; 2 – gekoeld water; 3 – verwarmingsstoom; 4 – verwarmd water; 5 – verdamper; 6 – generator; 7 – condensator; 8 – niet-condenseerbare gassen; 9 – vacuümpomp; 10 – verwarming van stoomcondensaat; 11 – oplossing warmtewisselaar; 12 – gasafscheider; 13 – absorber; 14 – mortelpomp; 15 – koelvloeistofpomp
De absorptiewarmtepompen zijn uitgerust met een thermische compressor op aardgas. In hun circuit bevindt zich een koelmiddel (meestal ammoniak), dat verdampt bij lage temperatuur en druk, terwijl thermische energie wordt geabsorbeerd uit de omgeving rond het circulatiecircuit. In damptoestand komt het koelmiddel de warmtewisselaar-absorber binnen, waar het in aanwezigheid van een oplosmiddel (meestal water) wordt geabsorbeerd en warmte wordt overgedragen aan het oplosmiddel. Oplosmiddel wordt aangevoerd door middel van een thermosyphon die circuleert door het drukverschil tussen koudemiddel en oplosmiddel, of een energiezuinige pomp in installaties met een hoge capaciteit.
Als gevolg van de combinatie van koelmiddel en oplosmiddel, welke kookpunten verschillen, zorgt de warmte die door het koelmiddel wordt geleverd ervoor dat beide verdampen. Het koelmiddel in damptoestand, met een hoge temperatuur en druk, komt de condensor binnen langs het circuit, verandert in een vloeibare toestand en geeft warmte af aan de warmtewisselaar van het verwarmingsnetwerk. Nadat het door het expansieventiel is gegaan, gaat het koudemiddel in zijn oorspronkelijke thermodynamische toestand, op dezelfde manier als het oplosmiddel terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat.
De voordelen van absorptiewarmtepompen zijn de mogelijkheid om te werken vanuit elke bron van thermische energie en de volledige afwezigheid van bewegende elementen, d.w.z. geruisloosheid. Nadelen – minder vermogen in vergelijking met compressie-eenheden, hoge kosten vanwege de complexiteit van het ontwerp en de noodzaak om corrosiebestendige materialen te gebruiken die moeilijk te verwerken zijn.
Absorptie warmtepompeenheid
Adsorptiewarmtepompen gebruiken vaste materialen zoals silicagel, actieve kool of zeoliet. Tijdens de eerste werkstap, de desorptiefase genaamd, wordt warmte-energie toegevoerd aan de warmtewisselaarkamer, die van binnenuit is bedekt met sorptiemiddel, bijvoorbeeld uit een gasbrander. Verhitting veroorzaakt verdamping van het koelmiddel (water), de resulterende stoom wordt geleverd aan de tweede warmtewisselaar, die in de eerste fase de warmte afgeeft die wordt verkregen tijdens de condensatie van stoom aan het verwarmingssysteem. Volledige droging van het sorptiemiddel en voltooiing van watercondensatie in de tweede warmtewisselaar voltooit de eerste fase van het werk – de toevoer van thermische energie naar de kamer van de eerste warmtewisselaar stopt. In de tweede fase wordt de gecondenseerde waterwarmtewisselaar een verdamper, die warmte-energie van de externe omgeving aan het koelmiddel levert. Doordat de drukverhouding 0,6 kPa bereikt, verdampt het koudemiddel bij contact met warmte van de externe omgeving – waterdamp stroomt terug in de eerste warmtewisselaar, waar het wordt geadsorbeerd in het sorptiemiddel. De warmte die de stoom afgeeft tijdens het adsorptieproces wordt overgedragen aan het verwarmingssysteem, waarna de cyclus wordt herhaald. Opgemerkt moet worden dat adsorptiewarmtepompen niet geschikt zijn voor huishoudelijk gebruik – ze zijn alleen bedoeld voor grote gebouwen (vanaf 400 m2), zijn minder krachtige modellen nog in ontwikkeling.
Soorten warmtecollectoren voor warmtepompen
Bronnen van thermische energie voor warmtepompen kunnen verschillend zijn: geothermische energie (gesloten en open type), lucht, gebruikmakend van secundaire warmte. Laten we elk van deze bronnen in meer detail bekijken..
Aardwarmtepompen verbruiken thermische energie uit de grond of het grondwater en zijn onderverdeeld in twee typen: gesloten en open. Gesloten warmtebronnen zijn onderverdeeld in:
- Horizontaal, terwijl de collector die warmte verzamelt zich in ringen of zigzaglijnen bevindt in greppels met een diepte van 1,3 meter of meer (onder de vriesdiepte). Deze manier van plaatsen van het warmtecollectorcircuit is effectief voor een klein landoppervlak.
Geothermische verwarming met horizontale warmtecollector
- Verticaal, d.w.z. de collector van de warmtecollector wordt in verticale putten geplaatst die tot een diepte van 200 m in de grond zijn ondergedompeld Deze methode voor het plaatsen van de collector wordt gebruikt in gevallen waarin het niet mogelijk is om de contour horizontaal te leggen of er een dreiging van verstoring van het landschap bestaat.
Geothermische verwarming met verticale warmtecollector
- Water, terwijl de collector van het circuit zich zigzag of ringvormig op de bodem van het reservoir bevindt, onder het niveau van het vriespunt. In vergelijking met het boren van putten is deze methode het goedkoopst, maar afhankelijk van de diepte en het totale watervolume in het reservoir, afhankelijk van de regio..
In open-type warmtepompen wordt water gebruikt voor warmte-uitwisseling, dat na het passeren van de warmtepomp weer in de grond wordt afgevoerd. Het is alleen mogelijk om deze methode te gebruiken als het water chemisch zuiver is en als het gebruik van grondwater in deze rol vanuit het oogpunt van de wet is toegestaan.
Geothermische verwarming van het open type
In luchtcircuits wordt lucht gebruikt als een bron van thermische energie.
Verwarming door middel van luchtwarmtepomp
Secundaire (afgeleide) warmtebronnen worden in de regel gebruikt bij bedrijven waarvan de bedrijfscyclus verband houdt met de productie van (parasitaire) warmte-energie van derden die extra benutting vereist.
De eerste modellen warmtepompen leken volledig op het hierboven beschreven ontwerp, uitgevonden door Robert Webber – koperen leidingen van het circuit, die tegelijkertijd als extern en intern werkten, met het koelmiddel erin circulerend, werden ondergedompeld in de grond. De verdamper in een dergelijk ontwerp bevond zich ondergronds op een diepte die groter was dan de vriesdiepte of in schuine of verticale putten die onder een hoek (diameter van 40 tot 60 mm) tot een diepte van 15 tot 30 m waren geboord. Het directe uitwisselingscircuit (het kreeg deze naam) maakt het mogelijk om op klein gebied en bij gebruik van leidingen met een kleine diameter, zonder tussenliggende warmtewisselaar. Directe uitwisseling vereist geen geforceerd pompen van het koelmiddel, aangezien er geen circulatiepomp nodig is, wordt er minder elektriciteit verbruikt. Bovendien kan een warmtepomp met een directe uitwisselingslus zelfs bij lage temperaturen effectief worden gebruikt – elk object geeft warmte af als de temperatuur hoger is dan het absolute nulpunt (-273,15 ° C), en het koudemiddel kan verdampen bij temperaturen tot -40 ° C. Nadelen van dit circuit: grote koelmiddelvereisten; hoge kosten van koperen leidingen; een betrouwbare verbinding van koperen secties is alleen mogelijk door te solderen, anders kan koelmiddellekkage niet worden vermeden; de behoefte aan kathodische bescherming in zure bodems.
De opname van warmte uit de lucht is het meest geschikt voor warme klimaten, omdat bij temperaturen onder het vriespunt het rendement aanzienlijk zal afnemen, wat extra warmtebronnen vereist. Het voordeel van luchtwarmtepompen is dat er geen dure boorputten hoeven te worden geboord, aangezien het externe circuit met een verdamper en een ventilator zich in een gebied niet ver van het huis bevindt. Overigens is elk monoblock- of split-airconditioningsysteem een vertegenwoordiger van een luchtwarmtepomp met één circuit. De kosten van een luchtwarmtepomp met een capaciteit van bijvoorbeeld 24 kW bedragen ongeveer 163.000 roebel.
Lucht-warmtepomp
Thermische energie uit het reservoir wordt gewonnen door een circuit van plastic buizen op de bodem van een rivier of meer te leggen. Legdiepte vanaf 2 meter, buizen worden naar de bodem geperst met een belasting van 5 kg per meter lengte. Ongeveer 30 W thermische energie wordt onttrokken aan elke lopende meter van een dergelijk circuit, d.w.z. voor een warmtepomp van 10 kW is een circuit met een totale lengte van 300 m nodig. Voordelen van een dergelijk circuit zijn relatief lage kosten en installatiegemak, nadelen – bij strenge vorst is het onmogelijk om thermische energie te verkrijgen.
Het warmtepompcircuit in een reservoir leggen
Om warmte aan de grond te onttrekken, wordt een PVC-buislus in een put geplaatst, gegraven tot een diepte die de vriesdiepte met minstens een halve meter overschrijdt. De afstand tussen de leidingen moet ongeveer 1,5 m zijn, het koelmiddel dat erin circuleert is antivries (meestal waterpekel). De effectieve werking van de bodemcontour houdt rechtstreeks verband met het vochtgehalte van de grond op het punt van plaatsing – als de grond zanderig is, dat wil zeggen, niet in staat is om water vast te houden, moet de lengte van de contour ongeveer worden verdubbeld. Een warmtepomp haalt gemiddeld 30 tot 60 W thermische energie uit een strekkende meter van de bodemcontour, afhankelijk van de klimaatzone en de grondsoort. Een warmtepomp van 10 kW heeft een circuit van 400 meter nodig op een perceel van 400 m22. De kosten van een warmtepomp met een bodemcircuit bedragen ongeveer 500.000 roebel.
De horizontale contour in de grond leggen
Het terugwinnen van warmte uit het gesteente vereist het leggen van putten met een diameter van 168 tot 324 mm tot een diepte van 100 meter, of meerdere putten met een kleinere diepte. In elke put wordt een contour neergelaten, bestaande uit twee kunststof buizen die op het laagste punt zijn verbonden door een metalen U-vormige buis die als gewicht fungeert. Antivries circuleert door de leidingen – slechts een 30% -oplossing van ethylalcohol, omdat het in geval van een lek het milieu niet schaadt. De put met de contour erin zal uiteindelijk worden gevuld met grondwater, dat warmte aan de koelvloeistof zal leveren. Elke meter van een dergelijke put zal ongeveer 50 W thermische energie geven, d.w.z. voor een warmtepomp met een vermogen van 10 kW zal het nodig zijn om 170 m van een put te boren. Om meer warmte-energie te verkrijgen, is het niet rendabel om een put dieper dan 200 m te boren – het is beter om meerdere kleinere putten te maken op een afstand van 15-20 m ertussen. Hoe groter de boorgatdiameter, hoe ondieper het moet worden geboord, terwijl tegelijkertijd een grotere opname van thermische energie wordt bereikt – ongeveer 600 W per strekkende meter.
Installatie van een geothermische sonde
In vergelijking met de contouren die in de grond of een reservoir zijn geplaatst, neemt de contour in de put een minimum aan ruimte in op de site, de put zelf kan in elk type grond worden gemaakt, inclusief steen. De warmteoverdracht van het putcircuit zal op elk moment van het jaar en onder alle weersomstandigheden stabiel zijn. De terugverdientijd van een dergelijke warmtepomp zal echter enkele decennia duren, omdat de installatie ervan de huiseigenaar meer dan een miljoen roebel zal kosten..
Op het eind
Het voordeel van warmtepompen is hun hoge efficiëntie, aangezien deze units niet meer dan 350 watt elektriciteit per uur verbruiken om één kilowatt warmte-energie per uur te verkrijgen. Ter vergelijking: het rendement van energiecentrales die elektriciteit opwekken door brandstof te verbranden, is niet hoger dan 50%. Het warmtepompsysteem werkt in automatische modus, de bedrijfskosten tijdens het gebruik zijn extreem laag – er is alleen elektriciteit nodig om de compressor en pompen te laten werken. De totale afmetingen van de warmtepompunit zijn ongeveer gelijk aan die van een huishoudelijke koelkast, het geluidsniveau tijdens bedrijf valt ook samen met dezelfde parameter van een huishoudelijke koelunit..
Warmtepomp “brine-water”
U kunt een warmtepomp zowel gebruiken om warmte-energie te verkrijgen als om deze te verwijderen – door de werking van de circuits om te schakelen naar koeling, terwijl de thermische energie van de gebouwen van het huis via het externe circuit wordt afgevoerd naar de grond, het water of de lucht..
Het enige nadeel van een verwarmingssysteem op basis van een warmtepomp zijn de hoge kosten. In Europa, evenals in de VS en Japan, zijn warmtepompinstallaties vrij gebruikelijk – in Zweden zijn er meer dan een half miljoen, en in Japan en de VS (vooral in Oregon) – enkele miljoenen. De populariteit van warmtepompen in deze landen is te danken aan hun steun vanuit overheidsprogramma’s in de vorm van subsidies en compensaties aan huiseigenaren die dergelijke installaties hebben geïnstalleerd..
Het lijdt geen twijfel dat warmtepompen in de nabije toekomst ook in Rusland niet meer vreemd zullen zijn, gezien de jaarlijkse stijging van de prijzen voor aardgas, dat vandaag de enige concurrent is voor warmtepompen in termen van financiële kosten voor het verkrijgen van warmte-energie..
Hoe werkt een warmtepomp eigenlijk? En is het efficiënt genoeg om de Aarde als warmtebron te gebruiken?