Guida del principiante a pompe di calore geotermiche
L'articolo presentato da Neil Packer, Staffordshire University, UK aprile 2011
Panoramica
Che cosa è una pompa di calore? E 'qualcosa di simile una pompa d'acqua?
Beh, un po 'ma ci sono differenze significative.
Una pompa acqua è un dispositivo per spostare l'acqua da un luogo all'altro.
Una pompa di calore è un dispositivo per l'energia in movimento da un luogo (una fonte di calore) ad un'altra (un
dissipatore di calore) per modificare lo stato (liquido o gas) e la pressione di una sostanza intermedia che
trasportano energia.
Al fine di considerare queste domande abbiamo bisogno di alcuni elementi di termodinamica (che è proprio lo
studio di energia).
Evaporazione e condensazione
Parliamo prima di acqua, una sostanza che tutti conosciamo.
Sappiamo che l'acqua cambia la sua condizione o fase di un liquido in un gas ad una temperatura di 100 ° C a
pressione atmosferica. Diciamo che evapora o 'bolle'.
Se raffreddata al di sotto 100 ° C a pressione atmosferica che si condensa di nuovo ad un liquido.
Se aumentiamo la pressione è più difficile per una molecola d'acqua a lasciare i suoi colleghi senza qualche
energia supplementare e, di conseguenza aumenta la temperatura di ebollizione con una crescente pressione.
Per esempio a 2x pressione atmosferica il punto di ebollizione dell'acqua è 120oC.
Ad una pressione inferiore alla pressione atmosferica è vero il contrario e l'acqua cambia di stato da liquido a gas,
più facilmente.
Per esempio a 0.5x pressione atmosferica, l'acqua bollirà a 81oC.
I refrigeranti sono sostanze che si comportano proprio così, tranne che in ogni data pressione tendono a bollire a
temperature molto più basse se confrontate con l'acqua.
Per esempio refrigerante R-134a bolle a pressione atmosferica a-26oC.
Perché prendersi la briga di ottenere una sostanza di evaporare o condensare?
Beh, se confrontato con il trasferimento di energia a causa di una differenza di temperatura semplice, grandi
quantità di energia termica può essere assorbita o respinta da evaporazione e condensazione e sono questi
fenomeni che vengono sfruttati nei frigoriferi e pompe di calore.
Frigoriferi e pompe di calore
Si consideri il frigorifero domestico quotidiano.
Immaginate di avere un frigorifero nuovo di zecca e lo si accende per la prima volta. L'aria all'interno della scatola
congelatore (o evaporatore) è inizialmente a temperatura ambiente e ha più energia sufficiente a 'bollire' il
refrigerante nella batteria incorporata. Dopo aver perso un po’ la sua energia l'aria si raffredda .(L'aria può
ottenere così freddo che qualsiasi vapore acqueo che contiene non solo condensa, ma poi si blocca, ghiaccia la
scatola freezer e diventando un fastidio).
Bisogna respingere questo calore estratto dal refrigerante in modo che possa ri-circolare di nuovo per
l'evaporatore per il raffreddamento continuo del contenuto della scatola congelatore alla sua temperatura di
stoccaggio del cibo
Anche se il refrigerante ha assorbito una grande quantità di energia attraverso l'evaporazione non è molto caldo e
quindi non sarà in grado di facilmente rifiutare il suo calore il frigorifero aria circostante in virtù di qualsiasi
differenza di temperatura piccolo da solo. La risposta al problema è quello di aumentare o 'gonfiare' la pressione e
quindi il punto di ebollizione del refrigerante con un compressore ad azionamento elettrico (comunemente, una di
colore nero,come una pentola situata alla base posteriore dell'apparecchio).
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L'alta pressione, e la temperatura del refrigerante superiore possono ora facilmente rifiutare il suo calore
all'ambiente circostante, consentendo di condensare nelle bobine (o condensatore) sul retro dell'apparecchio.
Il refrigerante viene poi rimesso in circolazione alla casella e consente al congelatore di ripetere il processo.Lo
scopo di un frigorifero domestico è, naturalmente, di raffreddare il contenuto.
Il calore estratto è un fastidio da smaltire.
Anche se sostanzialmente identica, quando il raffreddamento della sorgente di calore è di poco interesse e
utilizzare il calore estratto è di primaria importanza, il dispositivo si chiama pompa di calore.
Pompe di calore sono quindi dispositivi che combinano una fonte a basso grado di calore con una certa energia
elettrica per produrre una fonte di alto grado di calore.
Le prestazioni o l'efficacia di una pompa di calore è descritto dal suo coefficiente di prestazione (COP) che è
definito come:COP = Quantità di calore rigettato al condensatore / Potenza massima assorbita dal compressore
Maggiore è il valore del COP risultante, il meglio, perché hai trovato più di riscaldamento per l'input di energia
elettrica (che si paga).
Pompe di calore geotermiche
Pompe di calore geotermiche uso del suolo, acque superficiali o di falda come fonte di basso grado di calore per
innalzare la temperatura dell'acqua per il riscaldamento domestico o di usare l'acqua calda.
In questo tipo di sistema, è importante notare che ci sono solitamente tre circuiti separati (vedi figura sotto), dove i
flussi energetici di tre distinti trasportano materiali entrano in prossimità (in scambiatori di calore), rendendo
possibile il trasferimento di energia. I fluidi, tuttavia, non si mescolano.
I circuiti sono:
La fonte di calore circuito - una pompata acqua / antigelo ciclo tubazioni termicamente che collega la terra con il
refrigerante nell'evaporatore tramite uno scambiatore di calore (EHX).
Il circuito frigorifero - un ciclo tubazioni contenenti lo scambiatore di calore nell'evaporatore (EHX), un
compressore, scambiatore di calore condensatore (CHX) e una valvola o valvola di compensazione (PRV).
Il dissipatore di calore del circuito - un tubo di ciclo dell'acqua pompata lavoro termicamente che collega il
refrigerante nello scambiatore di calore del condensatore (CHX) con il carico termico per esempio radiatori,
riscaldamento a pavimento, ecc
Anche se quanto sopra è solo uno schema è molto indicativo di quello che una pompa di calore sembra, cioè, una
scatola con quattro tubi, un paio dei quali corre al circuito di terra e l'altra coppia che alimentano il circuito di
riscaldamento dell'edificio.
La fonte di calore circuito (da e per la terra)
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In primo luogo dobbiamo distinguere tra sistemi di origine suolo e sistemi geotermici. I sistemi geotermici utilizzano
calorie geologiche provenienti da profondità della terra dove le fonti di roccia può avere una temperatura di 100 di
gradi centigradi. Dai sistemi di terra di confronto fonte sono generalmente l'estrazione di calore a profondità di 100
metri o meno dove l'energia è il risultato di accumulo di energia solare. Tipicamente questo può portare a
temperature che variano dai 20 ° C in superficie riducendo a circa 10 ° C a profondità di oltre 15m. Questo non
sembra molto promettente per il riscaldamento di un edificio, ma è esattamente il tipo di fonte di calore a bassa
qualità si potrebbe usare in una pompa di calore.
Come descritto in precedenza estrarre l'energia dal terreno comporterà l'uso di una pompa acqua / antigelo ciclo
tubo nel terreno. Ci sono due modi di far passare l'anello del tubo: trincee e fori.
La scelta dipenderà dalle condizioni del terreno e la superficie disponibile. Le trincee orizzontali vengono utilizzate
quando una vasta area è disponibile e la rimozione del materiale di sterro non è un problema.
Le dimensioni tipiche trincea orizzontale sono: 1m 1,2 m di larghezza x profondità. Le trincee verticali possono
essere utilizzate in luoghi ad accesso limitato e in assenza di grossi massi.
I fori sono utilizzati in applicazioni con area a terra gravemente limitata. La profondità di 60 - 100 è tipica con un
diametro di 110-150mm di diametro.
In tutti i casi la lunghezza della trincea o il numero di fori dipende dalla caratteristica termica del terreno e carico
del calore da fornire.
Il dissipatore di calore del circuito (da e per l'edificio)
Le caldaie a combustibili fossili in genere l'acqua di calore sono tra il 70 e 80 ° C.
Le pompe di calore geotermiche sono in grado in grado di produrre acqua calda a circa 35-50oC.
Quindi non vi è sufficiente energia disponibile, ma ad una temperatura inferiore. Di conseguenza, se un sistema di
un radiatore deve essere utilizzato, è richiesta una superficie maggiore di emettitore.
Per esempio un sistema operativo a 50 ° C richiede 2 volte la superficie del radiatore che operano a 70 ° C.
A 35 ° C, 4-5 per la superficie.
Una soluzione a questo problema è quello di abbandonare i radiatori a parete in favore del riscaldamento a
pavimento, che mette a disposizione una grande superficie, nonché una disposizione adatta ad una temperatura
superficiale bassa.
Altre letture suggerite e di ricerca
Sistemi di energia alternativa e le applicazioni, Hodge BK, Wiley, 2010, ISBN 978-0-470-14250-9
Terra pompe di calore geotermiche, pubblicazioni CORGI, 2008.
http://www.heatpumpcentre.org/en/Sidor/default.aspx
http://www.energysavingtrust.org.uk/Generate-your-own-energy/Ground-source-heat-pumps
http://www.gshp.org.uk/gshp.htm
http://www.ehpa.org/
Neil Packer è un ingegnere e docente senior presso la Facoltà di Informatica, Ingegneria e Tecnologia,
Staffordshire University, UK. E 'docente di ingegneria termo-fluido e ambientali per quasi 20 anni e agisce come
un consulente bassa emissione di carbonio fornisce una gamma di servizi energetici alle imprese, l'industria e le
autorità locali.
Contatti
Faculty of Computing, Engineering and Technology
Staffordshire University
Beaconside, Stafford, ST18 0AD
Tel 01785 353243 email [email protected]
Questa informazione è stata presentata come parte del Progetto Renewable Energies Transfer System (RET)
finanziato da INTERREG IVC attraverso il Fondo europeo di sviluppo regionale. La linea del tempo del progetto è
gennaio 2010 al dicembre 2012. Per ulteriori informazioni e per partecipare alla nostra comunità online visita:
http://www.rets-community.eu/
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