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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Centrales électriques utilisant des sources d’énergie à basse température. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Les échangeurs de chaleur au sol dans les puits verticaux ont été largement utilisés au cours des 10 à 15 dernières années comme source de chaleur à basse température pour les systèmes de chauffage et d'alimentation en eau chaude utilisant des pompes à chaleur. Cette source de chaleur respectueuse de l'environnement est utilisée assez souvent, par exemple en Suisse, où environ quatre mille installations de ce type sont actuellement en service. Le Centre régional de l'Altaï pour l'énergie non traditionnelle et les économies d'énergie a mené des recherches sur l'influence mutuelle d'un échangeur de chaleur vertical au sol et d'une pompe à chaleur. L'unité de pompe à chaleur automatisée ATNU-10 (fluide de travail - R22) a été prise comme base, développée par AK "INSOLAR" dans le cadre du programme scientifique et technique d'État de Russie "Environmentally Clean Energy" et fabriquée par "ECOMASH" entreprise (Saratov). Le système comprend également un échangeur de chaleur souterrain vertical dans un puits d'une profondeur maximale de 100 m (comme l'ont montré des études hydrogéologiques, 67% de la population du territoire de l'Altaï vit sur le territoire où la profondeur du premier aquifère est moins à moins de 30 mètres). La température de base du sol est supposée être de 280 K, ce qui correspond à l'estimation de la température moyenne à une profondeur de plus de 5 m pour les conditions du territoire de l'Altaï. Le système de régulation automatisé de la pompe à chaleur de type ATNU est conçu de manière à fonctionner dans des conditions optimales avec une valeur constante du flux thermique déterminée par le flux thermique de la source de chaleur primaire, la température d'entrée du circuit haute température et la vitesse massique du caloporteur du circuit à haute température. Si la charge thermique requise diminue, la pompe à chaleur doit être arrêtée jusqu'à ce que la température réglée soit rétablie. Si la puissance de l'échangeur de chaleur au sol est insuffisante pour couvrir les pertes de chaleur dans le circuit à haute température, un dispositif de fermeture de pointe doit être activé. Les résultats ont montré que l’énergie thermique extraite du sol dépend linéairement du logarithme de la longueur utile de l’échangeur de chaleur. Dans ces conditions (vitesse de filtration 10 m/jour), pour obtenir 5 à 6 kW de puissance thermique à partir du sol, la profondeur requise de l'échangeur thermique sera de 50 à 60 m. Les caractéristiques de conception de l'ATNU nécessitent certaines conditions pour le débit de liquide de refroidissement dans le circuit haute température. Le débit minimum de liquide de refroidissement dans le circuit de chauffage doit être de 0,3 kg/s (1 m*/h). Avec des volumes plus petits, l'accumulation de chaleur commencera dans le système et, comme l'ont montré des tests sur une installation grandeur nature, cela entraînera une augmentation de la température et de la pression du réfrigérant, une détérioration du fonctionnement de l'évaporateur et une diminution en évacuation de la chaleur dans l'échangeur thermique géothermique. Et bien que la température du liquide de refroidissement du circuit haute température augmente, le rendement de l'ensemble du circuit, déterminé par le coefficient de chauffage, diminue. Un grand intérêt pour l'utilisation du sol comme source de chaleur se manifeste en Europe. La conception de l'évaporateur est proposée sous la forme d'un serpentin de tubes d'un diamètre d'environ 25 mm, posé à profondeur constante sur une surface de plusieurs centaines de mètres carrés. Afin de réduire les coûts d'investissement, les tubes sont situés le plus près possible de la surface. L'étude du sol en tant que source de chaleur menée en Europe a montré que le flux de chaleur vers l'évaporateur depuis le sol est de 20-25 W/m, la valeur minimale pour l'Europe est de 10 W/m, le maximum est de 50-60 W/m . La profondeur et l'espacement optimaux des tubes sont respectivement de 1,5 et 2 m. Dans certains cas, en raison d'une influence mutuelle, la limite de 2 m est étendue. Les tuyaux peuvent être placés à une profondeur moindre, mais les performances de la pompe à chaleur peuvent être réduites de 5 % pour chaque degré de chute de température de l'évaporateur. Outre la possibilité d'évaporer directement le réfrigérant, il est possible d'utiliser un caloporteur intermédiaire - la saumure circulant dans des tuyaux dans le sol et dégageant de la chaleur au réfrigérant dans un échangeur de chaleur spécial. La température moyenne de la saumure en hiver est de -3°C. Si la teneur en eau du sol est élevée, les performances augmentent en raison de l'augmentation de la conductivité thermique et du bon contact avec les tubes. Une grande concentration de gravier dans le sol entraîne une détérioration des performances. Au Danemark, la possibilité d'utiliser des tubes non pas horizontaux, mais verticaux, qui peuvent être utilisés non seulement pour chauffer, mais aussi pour refroidir le bâtiment en été, lorsqu'une pompe à chaleur réversible est utilisée, a été envisagée. Un détail intéressant a également été découvert. La température minimale du sol est toujours supérieure à la température de l'air et est atteinte deux mois plus tard lorsque la puissance de chauffage requise diminue. Les tubes verticaux prennent moins de place et permettent une certaine utilisation de la chaleur stockée pendant les mois d'été, ce qui leur donne un avantage économique. Des études de tubes en U verticaux ont montré la possibilité d'une récupération de chaleur importante. Un évaporateur horizontal d'une superficie de 150-200 m vous permet d'obtenir 12 kW de chaleur. Des tubes en U placés dans des puits d'un diamètre de 127 mm et d'une profondeur de 8 m ont permis d'obtenir 12 kW à partir de seulement deux puits. On peut en déduire que les tubes en forme de U réduisent la surface de sol requise de 10 à 20 fois par rapport aux tubes horizontaux. Malgré le prix relativement bon marché des pompes à chaleur nationales par rapport aux pompes à chaleur étrangères, compte tenu de la situation financière difficile actuelle des entreprises, l'introduction des pompes à chaleur se heurte à certaines difficultés. La grande nouveauté et la méconnaissance de cette technologie pour nos consommateurs ne jouent pas le moindre rôle. Ces problèmes ont été surmontés à l'étranger en accordant des avantages pendant plusieurs années aux entreprises introduisant des pompes à chaleur. Dans la plupart des pays d'Europe occidentale, un impôt moins élevé a été institué sur les bénéfices tirés de l'utilisation des pompes à chaleur et, dans certains pays, des subventions financières directes ont été accordées. Ainsi, en Autriche, des subventions financières allant jusqu'à 100 90 shillings ont été établies pour les entreprises utilisant des pompes à chaleur, et en Allemagne au début des années 7,5, ces entreprises ont eu droit à une réduction fiscale pouvant atteindre 20 % des coûts d'investissement (sous réserve de leur capitalisation), ce qui équivaut à une subvention financière pouvant aller jusqu'à 105 % des coûts des installations de pompes à chaleur. Ainsi, 116 XNUMX pompes à carburant fonctionnent actuellement en Autriche, ce qui permet d'économiser chaque année XNUMX XNUMX tonnes de fioul. En plus de l'utilisation de la chaleur du sol, la source de chaleur "gratuite" pour créer des conditions confortables à l'intérieur de la maison - l'air est la plus attrayante pour une utilisation dans les applications de pompe à chaleur domestique. Il est accessible au public et a attiré le plus d'attention dans la production de masse. Là où l'eau est disponible, elle présente plusieurs avantages par rapport à l'air. L'utilisation de la chaleur résiduelle ou des capteurs solaires est activement explorée, ce qui suscite un intérêt à la fois en Europe et en Amérique. Les pompes à chaleur les plus utilisées avec l'air comme source de chaleur dès le début de leur utilisation dans la maison. Fondamentalement, l'air est également un puits de chaleur. En tant que source de chaleur, l'air présente un certain nombre d'inconvénients. Une optimisation minutieuse de la conception est donc nécessaire en fonction de l'emplacement d'installation, où la température de l'air peut varier considérablement. Les performances de la pompe à chaleur, et surtout le COP, diminuent à mesure que la différence de température entre l'évaporateur et le condenseur augmente. Cela a un effet particulièrement défavorable sur les pompes à chaleur à air. Lorsque la température ambiante baisse, la quantité de chaleur requise pour le chauffage augmente, mais la capacité de la pompe à chaleur à maintenir même une puissance calorifique constante est considérablement réduite. Pour pallier cette lacune, un chauffage supplémentaire est souvent appliqué. Pour les conditions de l'Angleterre et de la plupart des pays européens, le coût d'une pompe à chaleur avec n'importe quelle source de chaleur est sensiblement plus élevé que celui d'une chaudière centrale conventionnelle. Plus la part de la pompe à chaleur dans la charge thermique domestique est importante, plus la différence d'investissement est élevée, de sorte que les pompes à chaleur ne sont généralement calculées que pour une partie de la charge thermique annuelle, et le reste est fourni par un chauffage supplémentaire, le plus souvent électrique. (aux États-Unis) et les combustibles fossiles (en Europe). Le choix entre eux est déterminé par le rapport entre les coûts d'investissement et les coûts d'exploitation. Si une pompe à chaleur assure également la climatisation en été, sa taille et sa puissance peuvent être dictées par cette application particulière. Un chauffage supplémentaire est nécessaire lorsque la température ambiante descend en dessous de zéro et que la perte de chaleur du bâtiment dépasse la puissance calorifique de la pompe. Afin d'augmenter l'efficacité économique du système, l'inclusion d'un chauffage supplémentaire, dans ce cas électrique, est recommandée uniquement lorsque la pompe à chaleur ne peut pas couvrir la pleine charge. Toutes les sources de chaleur des pompes à chaleur sont exposées à un degré ou à un autre à l'influence de l'énergie solaire, mais elle peut également être utilisée directement à l'aide de capteurs solaires à circulation de liquide de refroidissement, chauffant l'air entrant dans l'évaporateur à l'aide de concentrateurs solaires. Bien que les concentrateurs solaires semblent plus adaptés aux pompes à chaleur à absorption. Ils sont encore peu utilisés à la maison, mais font l’objet de travaux de recherche considérables. Pour préchauffer le générateur dans le cycle d'absorption, des températures plus élevées sont nécessaires que celles atteintes par les capteurs plats conventionnels. Cependant, l'utilisation d'un cycle d'absorption pour la climatisation permet de chauffer à partir de capteurs plans, car la température ici doit être plus basse et donc le refroidissement de l'air s'effectue en été, juste au moment où le rayonnement solaire est intense et où la température des capteurs augmente. Avec d'autres sources de chaleur pour les pompes à chaleur, les capteurs plats placés sur les toits sont largement utilisés. En général, les capteurs solaires sont étudiés de manière intensive pour être utilisés non seulement avec des pompes à chaleur, mais également indépendamment, ainsi que dans des circuits avec accumulateurs de chaleur. Ces derniers intéressent également les pompes à chaleur comme source de chaleur les jours nuageux ou la nuit. En fournissant de la chaleur à l'évaporateur à une température supérieure à celle de l'air ambiant, du sol ou de l'eau, les capteurs solaires augmentent le COP de la pompe à chaleur. Habituellement, le liquide de refroidissement intermédiaire - l'eau transfère la chaleur du collecteur à l'évaporateur. Mais il peut y avoir une combinaison complète du capteur avec l'évaporateur, où le réfrigérant s'évapore directement à l'intérieur des tubes du capteur solaire. Souvent, la chaleur du capteur solaire est introduite dans un stockage de chaleur liquide où les tubes de l'évaporateur sont immergés. Le stockage de chaleur joue un rôle essentiel dans tout système de pompe à chaleur solaire. Dans une maison Phillips, par exemple, un capteur solaire (20m2) collecte 36-44 GJ de chaleur par an (avec une efficacité moyenne de 50%) stockée dans un réservoir de 40m3 à des températures allant jusqu'à 95°C. Un schéma de maison à énergie minimale a été proposé en utilisant trois pompes à chaleur : une pour transférer la chaleur avec l'augmentation de la température du capteur solaire à la batterie, la seconde de la batterie au système de chauffage et la troisième de la batterie au système d'eau chaude. Les capteurs solaires sont également envisagés en combinaison avec ceux au sol. Il a été établi que les dimensions du capteur solaire doivent être supérieures à 3 m2 pour 1 kW de déperdition de chaleur de la maison. Avec un capteur solaire d'une superficie de 30 m3 avec un évaporateur au sol occupant seulement 100 m, on atteint un COP = 3,4. Si vous utilisez uniquement un évaporateur terrestre, alors une surface de 300 m est nécessaire, ce qui donne un COP = 2,7. Cependant, il se peut que malgré l'augmentation du COP, les économies de carburant ne justifient pas le coût de l'installation, en particulier du capteur solaire. D'autres travaux dans ce domaine montrent qu'avec une puissance thermique de HPI de 6 kW, une surface de 20m2 est nécessaire. De plus, HPP peut utiliser les rejets de chaleur du logement lui-même, par exemple les gaz d'échappement des cuisinières ou de la cuisine en général, les eaux usées. En Hollande, le TN a été appliqué à un sèche-vaisselle domestique. La chaleur de l'air humide éjecté est utilisée pour chauffer l'air sec fourni au sécheur. L'air chaud et humide du sécheur passe dans l'évaporateur HP et est refroidi. Une fois refroidi, l'humidité en tombe et l'air devient apte à la recirculation. L'évaporateur utilise à la fois la chaleur sensible et latente de l'air sortant. L'air de recirculation traverse le condenseur et est chauffé par la chaleur de condensation. Les économies d'énergie atteignent environ 48 %. Voici quelques caractéristiques des HPP qui sont largement utilisées à l'étranger. Tableau 2.1.2. Caractéristiques de l'unité Carrier HP (USA) - une pompe à chaleur air-air simple et réversible
Tableau 2.1.3. Les caractéristiques du Lennox HP sont combinées à un système de chauffage au feu, qui élimine le système de chauffage supplémentaire
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