Siltumsūkņu siltuma savācēju veidi
Siltumsūkņu siltumenerģijas avoti var būt dažādi – ģeotermālais (slēgtais un atvērtais tips), gaiss, izmantojot sekundāro siltumu. Apskatīsim katru no šiem avotiem sīkāk.
Zemes siltumsūkņi patērē siltuma enerģiju no grunts vai gruntsūdeņiem un ir sadalīti divos veidos – slēgtie un atvērtie. Slēgtos siltuma avotus iedala:
Horizontāli siltumsūkņi, savukārt siltuma savācējs atrodas gredzenos vai zigzagos tranšejās, kuru dziļums ir 1,3 metri vai vairāk (zem sasalšanas dziļuma). Šī siltuma kolektora ķēdes ievietošanas metode ir efektīva, ja zemes platība ir maza.
Vertikāli siltumsūkņi, t.i., siltuma kolektora kolektors tiek novietots vertikālās akās, kas iegremdētas zemē līdz 200 m dziļumam. Šo kolektora ievietošanas metodi izmanto gadījumos, kad nav iespējams horizontāli novietot kontūru vai pastāv ainavas traucējumu draudi.
Ūdens siltumsūkņi, kamēr ķēdes kolektors zigzaga vai gredzenveida veidā atrodas rezervuāra apakšā, zem tā sasalšanas līmeņa. Salīdzinot ar urbumu urbumiem, šī metode ir vislētākā, taču tā ir atkarīga no ūdens dziļuma un kopējā tilpuma rezervuārā atkarībā no reģiona.
Atvērta tipa siltumsūkņos siltuma apmaiņai tiek izmantots ūdens, kas pēc iziešanas caur siltumsūkni tiek novadīts atpakaļ zemē. Šo metodi ir iespējams izmantot tikai tad, ja ūdens ir ķīmiski tīrs un ja gruntsūdeņu izmantošana šajā lomā ir pieļaujama no likuma viedokļa.
Gaisa ķēdēs attiecīgi gaisu izmanto kā siltumenerģijas avotu.
Sekundārie (atvasinātie) siltuma avoti parasti tiek izmantoti uzņēmumos, kuru darbības cikls ir saistīts ar trešās puses (parazītiskās) siltumenerģijas ražošanu, kurai nepieciešama papildu izmantošana.
Pirmie siltumsūkņu modeļi bija pilnīgi līdzīgi iepriekš aprakstītajam dizainam, kuru izgudroja Roberts Vēbers – ķēdes vara caurules, kas vienlaikus darbojās kā ārējas un iekšējas, tajās cirkulējot dzesētājvielai, tika iegremdētas zemē. Iztvaicētājs šādā konstrukcijā atradās pazemē dziļumā, kas pārsniedz sasalšanas dziļumu, vai leņķveida vai vertikālās akās, kas urbtas leņķī (diametrs no 40 līdz 60 mm) līdz 15 līdz 30 m dziļumam. Tiešās apmaiņas ķēde (tā saņēma šo nosaukumu) ļauj to novietot uz mazā platībā un izmantojot maza diametra caurules, iztikt bez siltummaiņa starpposma. Tiešai apmaiņai nav nepieciešama dzesēšanas šķidruma piespiedu sūknēšana, jo nav nepieciešams cirkulācijas sūknis, tad tiek iztērēta mazāk elektrības. Turklāt siltumsūkni ar tiešās apmaiņas ķēdi var efektīvi izmantot arī zemā temperatūrā – jebkurš objekts izstaro siltumu, ja tā temperatūra ir virs absolūtās nulles (-273,15 ° C), un dzesētājs var iztvaikot temperatūrā līdz -40 ° C. Šīs ķēdes trūkumi: lielas prasības dzesētājvielai; vara cauruļu augstās izmaksas; uzticams vara sekciju savienojums ir iespējams tikai ar lodēšanu, pretējā gadījumā nevar izvairīties no dzesētāja noplūdes; nepieciešamība pēc katoda aizsardzības skābās augsnēs.
Siltuma iegūšana no gaisa ir vispiemērotākā karstam klimatam, jo zem nulles temperatūras tā efektivitāte nopietni samazināsies, kas prasīs papildu apkures avotus. Gaisa siltumsūkņu priekšrocība ir tā, ka nav nepieciešams dārgi urbt akas, jo ārējā ķēde ar iztvaicētāju un ventilatoru atrodas apgabalā, kas nav tālu no mājas. Starp citu, jebkura monobloka vai split-gaisa kondicionēšanas sistēma ir vienas ķēdes gaisa siltumsūkņa pārstāvis. Gaisa siltumsūkņa, kura jauda ir, piemēram, 24 kW, izmaksas ir aptuveni 1900 EUR.
Siltumenerģiju no rezervuāra iegūst, liekot ķēdi, kas izgatavota no plastmasas caurulēm, upes vai ezera dibenā. Liekot dziļumu no 2 metriem, caurules tiek nospiestas apakšā ar slodzi ar ātrumu 5 kg uz metru garuma. No katra šādas ķēdes darbības skaitītāja tiek iegūta apmēram 30 W siltumenerģijas, tas ir, 10 kW siltumsūknim būs nepieciešama ķēde ar kopējo garumu 300 m. Šādas ķēdes priekšrocības ir salīdzinoši zemas izmaksas un uzstādīšanas vienkāršība, trūkumi – smagos sals, nav iespējams iegūt siltumenerģiju …
Lai iegūtu siltumu no zemes, PVC caurules cilpa tiek ievietota bedrē, kas izrakta līdz dziļumam, kas pārsniedz sasalšanas dziļumu vismaz par pusmetru. Attālumam starp caurulēm jābūt apmēram 1,5 m, tajos cirkulējošais dzesēšanas šķidrums ir antifrīzs (parasti ūdens sālījums). Efektīva augsnes kontūras darbība ir tieši saistīta ar augsnes mitruma saturu tās izvietošanas vietā – ja augsne ir smilšaina, tas ir, nespēj noturēt ūdeni, tad kontūras garumam jābūt aptuveni divkāršotam. Siltumsūknis var iegūt vidēji 30 līdz 60 W siltumenerģijas no tekoša augsnes kontūras metra atkarībā no klimatiskās zonas un augsnes veida. 10 kW siltumsūknim būs nepieciešama 400 metru ķēde, kas uzstādīta 400 m2 platībā. Siltumsūkņa ar zemējuma kontūru izmaksas ir aptuveni 5600 EUR.
Lai iegūtu siltumu no klints, būs nepieciešams vai nu ielikt akas ar diametru no 168 līdz 324 mm līdz 100 metru dziļumam, vai arī veikt vairākas akas ar mazāku dziļumu. Katrā urbumā tiek pazemināts kontūrs, kas sastāv no divām plastmasas caurulēm, kuras zemākajā punktā savieno metāla U veida caurule, kas darbojas kā svars. Antifrīzs cirkulē caur caurulēm – tikai 30% etilspirta šķīdums, jo noplūdes gadījumā tas nekaitēs videi. Aka ar tajā uzstādīto kontūru galu galā piepildīs gruntsūdeņus, kas piegādās siltumu dzesēšanas šķidrumam. Katrs šādas akas skaitītājs dos aptuveni 50 W siltumenerģijas, t.i., siltumsūknim ar jaudu 10 kW būs nepieciešams izurbt 170 m aku. Lai iegūtu vairāk siltumenerģijas, nav izdevīgi urbt urbumu, kas dziļāks par 200 m, – labāk ir urbt vairākas mazākas akas 15–20 m attālumā starp tām. Jo lielāks ir urbuma diametrs, jo seklāk to nepieciešams urbt, savukārt tiek panākta lielāka siltumenerģijas uzņemšana – aptuveni 600 W uz vienu metru.
Salīdzinot ar kontūrām, kas atrodas zemē vai rezervuārā, kontūra urbumā uz vietas aizņem minimālu vietu, pašu aku var izgatavot jebkura veida augsnē, ieskaitot akmeni. Siltuma pārnese no urbuma kontūras būs stabila jebkurā gada laikā un jebkuros laika apstākļos. Tomēr šāda siltumsūkņa atmaksāšanās laiks prasīs vairākas desmitgades, jo tā uzstādīšana mājas īpašniekam izmaksās vairāk nekā 11 200 eiro.
Beigās
Siltumsūkņu priekšrocība ir to augstā efektivitāte, jo šīs vienības patērē ne vairāk kā 350 vatus elektrības stundā, lai iegūtu vienu kilovatu siltumenerģijas stundā. Salīdzinājumam – elektrostaciju, kas ražo elektrību, sadedzinot degvielu, efektivitāte nepārsniedz 50%. Siltumsūkņi darbojas automātiskā režīmā, ekspluatācijas izmaksas tās lietošanas laikā ir ārkārtīgi zemas – kompresora un sūkņu darbināšanai ir nepieciešama tikai elektrība. Siltumsūkņa agregāta kopējie izmēri ir aptuveni vienādi ar mājsaimniecības ledusskapja izmēriem, darbības laikā trokšņa līmenis sakrīt arī ar to pašu mājsaimniecības saldēšanas iekārtas parametru.
Siltumsūkni var izmantot gan siltumenerģijas iegūšanai, gan tās noņemšanai – pārslēdzot ķēžu darbību uz dzesēšanu, savukārt siltumenerģija no mājas telpām caur ārējo ķēdi tiks izvadīta zemē, ūdenī vai gaisā.
Vienīgais siltumsūkņa bāzes apkures sistēmas trūkums ir tās augstās izmaksas. Eiropā, kā arī ASV un Japānā siltumsūkņu uzstādīšana ir diezgan izplatīta – Zviedrijā ir vairāk nekā pusmiljons, bet Japānā un ASV (īpaši Oregonā) – vairāki miljoni. Siltumsūkņu popularitāte šajās valstīs ir saistīta ar to atbalstu no valdības programmām subsīdiju un kompensāciju veidā māju īpašniekiem, kuri ir uzstādījuši šādas iekārtas.
Nav šaubu, ka tuvākajā nākotnē siltumsūkņi visur vairs nebūs kaut kas ārējs, ņemot vērā ikgadējo dabasgāzes cenu pieaugumu, kas šodien ir vienīgais konkurents siltumsūkņiem siltuma ražošanas finansiālo izmaksu ziņā.