Войти
A геотермальный тепловой насос (GHP) или геотермальный тепловой насос (GSHP) - это центральное отопление и / или система охлаждения, передающая тепло на землю или от нее.
Он использует землю постоянно, без какой-либо прерывистости, в качестве источника тепла (зимой) или радиатора (летом). Эта конструкция использует преимущества умеренных температурного грунта для повышения эффективности и снижения эксплуатационных расходов систем отопления и охлаждения, и может быть объединена с солнечным нагревом для формирования геосолнечной системы с еще большой эффективностью. Они также известны под другими названиями, в том числе геообменные, связанные с землей, системы земной энергии . Инженерные и научные сообщества предпочитают термины «геообмен» или «геотермальные тепловые насосы», чтобы избежать путаницы высокотехнологичной геотермальной энергии, которая использует источник тепла для выработки электроэнергии. Земные тепловые насосы собирают тепло, поглощаемую поверхность Земли из солнечной энергии. Температура земли ниже 6 метров (20 футов) примерно соответствует местной средней годовой температуре воздуха (MAAT).
В зависимости от широты температура ниже верхних 6 метров (20 футов) поверхности Земли поддерживает почти постоянную температуру, которая отражает среднюю годовую температуру воздуха (во многих районах от 10 до 16 ° C / от 50 до 60 ° F), если температура не нарушается наличие теплового насоса. Подобно холодильнику или кондиционеру, эти системы используют тепловой насос для принудительной передачи тепла от земли. Тепловые насосы могут усиливать поток тепла из теплого помещения в холодное. Сердцевиной теплового насоса является контур хладагента, перекачиваемого через цикл парокомпрессионного охлаждения который, перемещает тепло. Воздушные тепловые насосы обычно более эффективны при обогреве, чем чистые электрические обогреватели, даже при отборе тепла из холодного зимнего воздуха, хотя начинает значительно падать, когда температура наружного воздуха опускается ниже 5 ° C (41 ° F).. Тепловой насос с грунтовым устройством обменивается теплом с землей. Это намного более энергоэффективно, чем температура воздуха в течение года. Сезонные колебания уменьшаются с глубиной и исчезают ниже 7 метров (23 футов) до 12 метров (39 футов) из-за Тепловая инерция. Как и в пещере , температура на мелководье выше, чем в воздухе зимой, и прохладнее, чем в воздухе летом. Тепловой насос с грунтовым извлекает тепло из зимой (для обогрева) земли передает тепло обратно в землю летом (для охлаждения). Некоторые системы предназначены для работы только в одном режиме - обогрев или охлаждение, в зависимости от климата.
Геотермальные насосные системы достигают довольно высокого КПД (CoP), от 3 до 6, в самые холодные зимние ночи по сравнению с 1,75–2,5 для тепловых насосов с воздушным продуктом в прохладные дни.. Земельные тепловые насосы (GSHP) являются одной из наиболее энергоэффективных технологий для обеспечения HVAC и системы воды.
Затраты на установку выше, чем для систем, но разница обычно возвращается в виде энергии экономия от 3 до 10 лет. Системы геотермальных тепловых насосов имеют разумную гарантию от производителей, а их срок службы оценивается в 25 лет для внутренних компонентов и 50+ лет для контура заземления. По состоянию на 2004 год во всем мире установлено более одного миллиона установок, обеспечивающих 12 ГВт тепловой мощности, с ежегодным темпом роста 10%.
Нагрев и охлаждение грунтовых источников Существует некоторая путаница в отношении терминологии тепловых насосов и использования термина «геотермальный». «Геотермальный» происходит от греческого и означает «тепло Земли», что геологи и многие непрофессионалы как описание горячих горных пород, вулканической активности или тепла, исходящего из глубины земли. Хотя возникает некоторая путаница, когда термин «геотермальная энергия» также используется для обозначения температуры в пределах 100 метров поверхности, это все равно «земное тепло», хотя на нем в степени влияет накопленная энергия солнца.
Тепловой насос был описан лордом Кельвином в 1853 году и разработан Питером Риттером фон Риттингером в 1855 году. После экспериментов с морозильной камерой Роберт К. Уэббер построил первый наземный тепловой насос с прямым обменом в конце 1940-х годов. Первый успешный коммерческий проект был реализован в Здании Содружества (Портленд, Орегон) в 1948 году и был обозначен Национальным историческим памятником машиностроения в ASME. Эта технология стала популярной в Швеции в 1970-х годах, и с тех пор ее признание во всем мире медленно растет. Системы с замкнутым контуром доминировали на рынке, пока разработка труб из полибутилена в 1979 году не стала системой с замкнутым контуром экономически жизнеспособными. По состоянию на 2004 год во всем мире установлено более миллиона единиц тепловой энергии 12 ГВт. Ежегодно в США около 80 000 единиц (геотермальная энергия используется сегодня во всех 50 штатах США с большим потенциалом роста рынка и экономии в краткосрочной перспективе) и 27 000 - в Швеции. В Финляндии геотермальный насос был наиболее распространенным выбором систем отопления для новых частных домов в период с 2006 по 2011 год с долей рынка, превышающей 40%.
Контурное поле для 12 - тонна холодоснабжения / 42 системы (необычно большой для жилых помещений) Тепловые насосы обеспечения отопления зимой, отбирая тепло от источника и передавая его в здание. Тепло можно извлекать из любого источника, независимо от того, насколько он холодный, но более теплый источник более высокой эффективности. Тепловой насос с грунтовым устройством использует верхний слой земной коры в качестве источника тепла, что позволяет использовать его умеренную по сезонам температуру.
Летом процесс можно обратить вспять, чтобы тепловым насосом отбирал тепло из здания и передавал его земле. Передача тепла в более прохладное пространство охлаждения требует меньше энергии, поэтому теплового насоса больше за счет более низкой температуры земли.
Тепловые насосы с грунтовым использовать используйте грунтовый теплообменник (GHE), контактирующий с землей или грунтовыми водами для извлечения или рассеивания тепла. На этот компонент приходится от пятой до половины общей стоимости системы, и он будет наиболее громоздким для ремонта или замены. Правильный выбор компонента этого компонента необходим для долгосрочной работы: энергоэффективность системы повышается примерно на 4% на каждый градус Цельсия, который достигается за счет правильного определения, а баланс подземных температур должен поддерживаться за счет правильной конструкции всей системы. Неправильная конструкция может привести к зависанию системы через несколько лет или очень неэффективной работы системы; таким образом, точная конструкция системы имеет решающее значение для успешной системы.
Неглубокие горизонтальные теплообменники 3–8 футов (0,91–2,44 м) испытывают сезонные температурные циклы из-за солнечной энергии и потери передачи в окружающий воздух на уровне земли. Эти температурные циклы отстают от времени года из-за тепловой инерции, поэтому теплообменник будет собирать тепло, выделяемое солнцем на несколько месяцев раньше, в то время как в конце зимы и весной он снижается из-за накопленного зимнего холода. Глубокие вертикальные системы на глубине 100–500 футов (30–152 м) полагаются на миграцию тепла из окружающей геологии, если они не подпитываются ежегодно за счет солнечной подпитки земли или отвода тепла из систем кондиционирования воздуха.
Для них доступно несколько основных вариантов дизайна, которые классифицируются по текучести и компоновке. В системах с прямым обменом хладагент циркулирует под землей, в системах с замкнутым контуром используется смесь незамерзающей воды и воды, а в системах с открытым контуром используются природные грунтовые воды.
Геотермальный тепловой насос с прямым обменом (DX) - это старейший тип геотермальных тепловых насосов. Связь с землей обеспечивает счет одиночного контура циркуляции циркуляции, находящегося в прямом тепловом контакте с землей (в отличие от комбинации контура хладагента и водяного контура). Хладагент покидает шкаф теплового насоса, циркулирует по петле из медной трубы, скрытой под землей, и обменивается теплом с землей, прежде чем вернуться в насос. Название «прямой обмен» относится к передаче тепла между контуром хладагента и землей без промежуточной жидкости. Прямого взаимодействия между жидкостью и землей нет; только передача тепла через стенку трубы. Тепловые насосы с прямым теплообменом не следует путать с «тепловыми насосами с водяным приводом» или «тепловыми насосами с водяным контуром», поскольку в контуре заземления нет воды. ASHRAE определяет термин «тепловой насос с заземлением» для охвата систем с замкнутым контуром и прямым обменом, исключая открытые контуры.
Геотермальная система с прямой заменой Системы с прямой заменой более эффективны и используются более низкие затраты на установку, чем системы водоснабжения с замкнутым контуром. Высокая теплопроводность способствует более высокой эффективности системы, но тепловой поток в основном ограничивается теплопроводностью земли, а не трубы. Основными причинами более высокого КПД является отказ от водяного насоса (который использует электричество), отказ от теплообменника вода-хладагент (который является устройством тепловых потерь) и наиболее важно фазовое изменение скрытой теплоты. хладагента в самой земле.
Однако в случае утечки практически отсутствует риск загрязнения земли или грунтовых вод. В отличие от геотермальных систем с водным средством, системы прямого обмена не содержат антифриза. Таким образом, утечки хладагента хладагент, используемый в настоящее время в большинстве систем - R-410A - немедленно испарится и устремится в атмосферу. Это связано с низкой температурой кипения R-410A: –51 ° C (–60 ° F). Хладагент R-410A заменяет большие объемы смесей антифриза, используемые в геотермальных системах с водным источником, и не представляет угрозы для водоносных горизонтов или самой земли.
Хотя им требуется больше хладагента, а их трубки дороже на фут, контур заземления с прямым обменом короче замкнутого водяного контура для данной мощности. Для системы прямой замены требуется всего от 15 до 40% длины трубы и половины диаметра пробуренных отверстий, поэтому на бурение или выемку грунта ниже. Контуры хладагента менее устойчивы к утечкам, чем водяные контуры, потому что газ может просачиваться через более мелкие дефекты. Это требует использования паяных медных трубок, даже если давление аналогичны водяным контурам. Медный контур должен быть защищен от коррозии в кислой почве с помощью расходуемого анода или другой катодной защиты.
Агентство по охране окружающей среды США провело полевой мониторинг системы прямого мониторинга воды с помощью геообменного теплового насоса. система в коммерческом приложении. Агентство по охране окружающей среды сообщило, что система сэкономила 75% электроэнергии, которая потребовалась бы водонагревателем с электрическим сопротивлением. Согласно EPA, если система эксплуатируется на полную мощность, она может избежать выбросов до 7 100 фунтов CO 2 и 15 фунтов NO x ежегодно на тонну компрессора. производительность (или 42600 фунтов CO 2 и 90 фунтов NO x для типичных 6 тонн охлаждения (~ 21,5 кВт )).
В северном климате, хотя температура земли ниже, температура воды на входе ниже, что позволяет высокоэффективным системам заменить больше энергии, которая вступает в силу потребовалась бы для сжигания электрического или ископаемого топлива. системы. Любая температура выше -40 ° C (-40 ° F) достаточна для испарения хладагента, система прямого обмена может собирать энергию через лед.
В качестве дополнительного охлаждающего модуля в качестве второго конденсатора на линии между компрессором и контурами заземления увеличивается эффективность и может уменьшить количество устанавливаемых контуров заземления.
Основные устройства системы имеют два контура на заземлении: первичный контур хладагента находится в шкафу устройства, где он обменивается теплом с вторичным водяным контуром, который находится под землей. Вторичный контур обычно состоит из трубы из полиэтилена высокой плотности и содержит смесь воды и незамерзающей жидкости (пропиленгликоль, денатурированный спирт или метанол ). Монопропиленгликоль имеет наименьший разрушительный потенциал, когда он может просочиться в землю, и поэтому он является единственным разрешенным антифризом в наземных источниках во все большем числе европейских стран. После выхода из внутреннего теплообменника вода течет через вторичный контур за пределами здания, чтобы обмениваться теплом с землей перед возвращением. Вторичный контур помещают ниже линии замерзания, где температура более стабильно, или лучше погружают в воду, если таковая имеется. Системы во влажном грунте или в воде обычно более эффективны, чем более сухие контуры заземления, поскольку вода проводит и поддерживает тепло лучше, чем твердые частицы в песке или почве. Если земля сухая, шланги для замачивания можно закопать вместе с контуром заземления, чтобы она оставалась влажной.
Установленный насосный агрегат для жидкости В системах с замкнутым контуром необходим теплообменник между контуром хладагента и водяным контуром, а также насосы в обоих контурах. Некоторые производители создают блок насоса для жидкости контура заземления, некоторые производители интегрируют насос и клапаны в насосе. Расширительные баки и предохранительные клапаны установлены на стороне нагретой жидкости. Системы с замкнутым контуром имеют меньшую эффективность.
НКТ с замкнутым контуром можно устанавливать горизонтально в виде петли в траншеях или вертикально в виде серии длинных U-образных профилей в колодцах (см. Ниже). Размер области контура зависит от типа почвы и влаги, средней температуры грунта, а также от тепловых потерь и / или характеристик кондиционируемого здания. Грубым приближением температуры почвы является среднесуточная температура для региона.
Бурение скважины для отопления жилых помещений Вертикальное поле замкнутого контура из труб, которые проходят вертикально в земле. В земле просверливается яма, обычно глубиной от 50 до 400 футов (15–122 м), или в фундаментной свае здания, в которой циркулирующая теплоноситель поглощает (или отводит) тепло от (или к) земле. Пары труб в отверстии соединяются с помощью U-образного поперечного соединителя на отверстия или состоят из двух трубок из полиэтилена высокой плотности (HDPE) внутреннего диаметра, термически сплавленных с образованием U-образного изгиба на дне. Пространство между стенками ствола скважины и U-образными трубами обычно полностью залито цементным материалом или, в некоторых случаях, частично частично грунтовыми водами. Скважина скважина обычно заполняется бентонитом раствор, окружающим трубу, для обеспечения теплового соединения с окружающей почвой или горной породой для улучшения теплопередачи. Для улучшения теплопередачи доступны термически усиленные растворы. Раствор также защищает грунтовые воды от загрязнения и предотвращает затопление артезианских скважин на территории. Поля вертикальной петли обычно используются, когда доступная площадь ограничена. Расстояние между скважинами составляет не менее 5–6 м, а глубина зависит от грунта и характеристик здания. Например, для частного дома, которому требуется тепловая мощность 10 кВт (3 тонны ), может потребоваться три скважины глубиной от 80 до 110 м (от 260 до 360 футов). Во время сезона похолодания на локальное повышение температуры в поле скважины больше всего влияет перемещение влаги в почве. Надежные модели теплопередачи были разработаны на основе отверстий для образцов, а также других испытаний. В фундаментной свае GHE (или энергетической свае) трубы теплопередачи находятся внутри стального каркаса фундаментной сваи. Возможны разные формы. Фундаментные сваи обычно намного мельче скважин и имеют больший радиус. Поскольку энергетические сваи обычно требуют меньшей площади земли, эта технология вызывает все больший интерес в сообществе наземных тепловых насосов.
Трехтонная обтягивающая петля перед тем, как ее засыпают землей. Три гибких контура проходят горизонтально, а три прямые линии возвращают конец гибкого змеевика к тепловому насосу. Горизонтальное поле замкнутого контура состоит из труб, которые проходят горизонтально в земле. Выкапывается длинная горизонтальная траншея , глубже, чем линия промерзания, и внутри той же траншеи горизонтально размещаются U-образные или обтягивающие катушки. Выемка грунта для мелких полей с горизонтальной петлей обходится примерно в половину стоимости вертикального бурения, поэтому это наиболее распространенная схема, используемая там, где есть подходящая земля. Например, в отдельно стоящем доме, которому требуется тепловая мощность 10 кВт (3 тонны ), может потребоваться три контура длиной от 120 до 180 м (от 390 до 590 футов) и длиной NPS 3/4 (DN 20) или полиэтиленовой трубки NPS 1,25 (DN 32) на глубине от 1 до 2 м (от 3,3 до 6,6 футов).
Глубина, на которой расположены петли, значительно влияет на потребление энергии тепловым насосом в помещении. два противоположных пути: неглубокие петли имеют тенденцию косвенно поглощать больше тепла от солнца, что полезно, особенно когда земля все еще холодная после долгой зимы. С другой стороны, мелкие контуры также намного легче охлаждаются из-за погодных изменений, особенно в течение долгих холодных зим, когда потребности в отоплении достигают пиков. Часто второй эффект намного сильнее первого, что приводит к более высоким эксплуатационным расходам для более мелких контуров заземления. Эту проблему можно уменьшить, увеличив как глубину, так и длину трубопровода, тем самым значительно увеличив затраты на установку. Однако такие расходы могут быть сочтены целесообразными, поскольку они могут привести к снижению эксплуатационных расходов. Недавние исследования показывают, что использование неоднородного профиля почвы со слоем материала с низкой проводимостью над грунтовыми трубами может помочь смягчить неблагоприятное воздействие небольшой глубины заглубления труб. Промежуточное одеяло с более низкой проводимостью, чем окружающий профиль почвы, продемонстрировало потенциал увеличения скорости извлечения энергии из земли до 17% для холодного климата и примерно 5-6% для относительно умеренного климата.
Обтягивающее (также называемое спиральным) поле замкнутого контура - это тип горизонтального замкнутого контура, в котором трубы перекрывают друг друга (не рекомендуемый метод). Самыйпростой способ изобразить обтягивающее поле - это представить, что вы держите обтягивающий сверху и снизу руками, а затем двигаете руками в противоположных направлениях. Поле с узкой петлей используется, если для настоящей горизонтальной системы недостаточно места, но оно все же позволяет легко установить. Вместо того, чтобы использовать прямую трубу, в обтягивающих змеевиках используются перекрывающиеся петли трубопровода, проложенные горизонтально вдоль широкой траншеи. В зависимости от почвы, климата и продолжительности пробега теплового насоса, траншеи для гибких змеевиков могут быть на две трети короче, чем традиционные траншеи с горизонтальной петлей. Контуры заземления с тонкой катушкой по существующей более экономичной и компактной версией горизонтального заземления.
В качестве альтернативы рытью траншей петли могут быть проложены мини горизонтально-направленное бурение (мини-ГНБ). Этот метод позволяет прокладывать трубопроводы под дворами, проездами, садами или другими строениями, не нарушая их, с затратами между рытьем траншей и вертикальным бурением. Эта система также отличается от горизонтального и вертикального бурения. Радиальное бурение часто устанавливается задним числом (после того, как объект был построен) из-за небольшого размера используемого оборудования и возможности бурения под существующими конструкциями.
Система 12-тонного пруда погружается на дно пруда Замкнутый контур пруда встречается нечасто, потому что он зависит от близости водоему, где система разомкнутого цикла обычно предпочтее. Контур пруда может быть предпочтительным там, где низкое качество воды не позволяет создать открытый контур или где тепловая нагрузка системы мала. Петля для пруда состоит из бухт трубы, похожей на обтягивающую петлю, прикрепленную к раме и расположенную на дне пруда или источнике воды подходящего размера. Используемые водоемы (стоимостью 30 евро / м³) используются в качестве аккумуляторов тепла (эффективность до 90%) на некоторых ках центрального солнечного отопления, которые позже извлекают тепло (аналогично наземному аккумулированию) через большой тепловой насос. для снабжения централизованного теплоснабжения.
Огромная проблема при прогнозировании теплового отклика GHE включает разнообразие используемых временных и пространственных масштабов. Четыре пространственных масштаба и восемь временных масштабов участвуют в теплопередаче GHE. Первым пространственным масштабом, имеющим практическое значение, является диаметр ствола скважины (~ 0,1 м), и соответствующее время составляет порядка 1 часа, в течение которого влияние теплоемкости материала обратной засыпки является значительным. Второе важное измерение - это половина между соседними скважинами, которая порядка нескольких метров. Соответствующее время составляет порядка месяца, в течение которого важно тепловое взаимодействие между соседними скважинами. Наибольший объемный масштаб может быть выполнен из десятков метров и более, например, длина составляющей скважины и горизонтальный масштаб масштабирования GHE. Используемый временной масштаб равен сроку службы GHE (десятилетия).
Кратковременная почасовая температурная реакция грунта жизненно важна для анализа систем энергии тепловых насосов с грунтовым устройством и для их оптимального и эксплуатация. Напротив, долгосрочный ответ обеспечивает общую проводимость системы с точки зрения жизненного. Обращение ко всему спектру временных масштабов требует огромных вычислительных ресурсов.
Основные вопросы, которые инженеры могут указать на ранних этапах проектирования GHE: (а) какова скорость теплопередачи GHE как функция времени, учитывая конкретную разницу температур между циркулирующей жидкостью и земля, и (б) какова разница температур как функция времени при необходимостиой скорости теплообмена. На языке теплопередачи эти два вопроса, вероятно, можно выразить как
где T f - средняя температура циркулирующей жидкости, T 0 - эффективная, невозмущенная температура земля, q l - скорость теплопередачи GHE в единицу времени на единицу длины (Вт / м), а R - полное тепловое сопротивление (м К / Вт). R (t) часто является неизвестной переменной, которую необходимо определить с помощью анализа теплопередачи. Несмотря на то, что R (t) является функцией времени, аналитические модели исключительно разлагают его на независимую от времени часть и зависящую от времени часть для упрощения анализа.
Различные модели для независимого от времени и зависящего от времени R можно найти в справочных материалах. испытание на тепловую реакцию часто выполняется для детерминированного анализа теплопроводности грунта для оптимизации размера кольцевого поля, особенно для крупных коммерческих площадок (например, более 10 скважин).
В системе с открытым контуром (также называемой тепловым насосом грунтовых вод) вторичный контур перекачивает природную воду из колодца или водоема в теплообменник внутри теплового насоса. ASHRAE называет систему с открытым контуром тепловыми насосами грунтовой воды или тепловыми насосами поверхностной воды, в зависимости от источника. Тепло отводится или добавляется первичным контуром хладагента, а вода возвращается в отдельную нагнетательную скважину, оросительную траншею, плиточное поле или водоем. Линии подачи и возврата должны быть защищены далеко друг от друга, чтобы обеспечить тепловую перезарядку источника. Использование различных металлы в теплообменнике и насосе, возможно, потребуется защитить прибор от коррозии, химический состав воды не контролируется. Накипь может загрязнение систему со временем и потребовать периодической очистки кислотой. Это намного большая проблема для систем охлаждения, чем для систем отопления. Кроме того, поскольку засорение снижает поток природной воды, тепловому насосу становится трудно обмениваться теплом здания с грунтовыми водами. Если вода содержит большое количество соли, минералов, железобактерий или сероводорода, обычно предпочтительнее использовать систему с замкнутым контуром.
Для охлаждения воды в глубоких озерах используется аналогичный процесс с открытым контуром для кондиционирования и охлаждения воздуха. Системы с открытым контуром, использующие грунтовые воды, обычно более эффективны, чем закрытые, потому что они лучше связаны с температурой грунта. Для сравнения, системы с замкнутым контуром должны использоваться через дополнительные слои стенки и трубы.
Во все большем числе запрещенных систем разомкнутого цикла, которые дренируют воду на поверхности, поскольку они осушать водоносные горизонты или загрязнять скважины. Это вынуждает использовать более безопасные нагнетательные скважины или замкнутую систему.
Колодец со стоячей колонной - это специализированный тип разомкнутой системы. Вода забирается со дна глубокого каменного колодца, проходит через тепловой насос и возвращается в верхнюю часть колодца, где, двигаясь вниз, обменивается теплом с окружающей коренной породой. Выбор системы колодцев со стоячими колоннами часто диктуется там, где есть приповерхностная коренная порода и имеется ограниченная площадь поверхности. Стоячая колонна обычно не подходит для мест, где геология состоит в основном из глины, ила или песка. Если коренная порода находится на глубине более 200 футов (61 м) от поверхности, стоимость обсадной трубы для изоляции перекрывающих пород может стать непомерно высокой.
Система колодцев с стоячими колоннами может поддерживать большую конструкцию в городской или сельской местности. Метод стоячей колонны также популярен в жилых и небольших коммерческих помещениях. Есть много успешных применений различных размеров и количества колодцев во многих районах Нью-Йорка, и это также наиболее распространенное применение в штатах Новой Англии. Этот тип грунтовой системы имеет некоторые преимущества хранения тепла, когда тепло отводится от здания, температура колодца повышается в разумные сроки в течение летних месяцев охлаждения, тем самым увеличивая КПД системы теплового насоса. Как и в случае систем с замкнутым контуром, определение системы стоячих колонн имеет решающее значение с точки зрения теплопотерь и усиления существующего здания. Использование воды в системе стоячих колонн не требуется большого объема добычи (поток воды из скважины). Однако при наличии достаточного дебита воды тепловая мощность системы скважин может быть увеличена за счет сброса небольшого процента потока системы в пиковые летние и зимние месяцы.
Это, по сути, система перекачки воды, при проектировании скважины с стоячей колонной критические соображения для достижения максимальной эффективности работы. Если конструкция скважины со стоячей колонной будет неправильно применена, например, без учета критических запорных клапанов, результатом может быть крайняя потеря эффективности, высокие и, как следствие, более эксплуатационные расходы, чем предполагалось.
Тепловой насос типа "жидкость-воздух" Тепловой насос - это центральный блок, который становится системой отопления и охлаждения здания. Некоторые модели могут охватывать обогрев помещения, охлаждение помещения (обогрев помещения с помощью кондиционированного воздуха, гидронные системы и / или системы лучистого отопления ), подогрев воды для бытового потребления или воды в бассейне (с С помощью пароохладитель ), запрос горячей воды и таяние льда на проезжей части - все в одном устройстве с множеством опций в отношении управления ступенчатого и зонального управления. Тепло может быть передано до его конечного использования за счет циркуляции воды или нагнетаемого воздуха. Практически все типы тепловых насосов производятся для коммерческого и бытового применения.
Тепловые насосы типа "жидкость-воздух" выдают нагнетаемый воздух и чаще всего используемые для замены печей с принудительной подачей воздуха и центральных систем кондиционирования воздуха. Существуют варианты, которые позволяют использовать сплит-системы, высокоскоростные системы и бесканальные системы. Тепловые насосы не могут достичь такой высокой температуры жидкости, как обычная печь, поэтому для компенсации требуется более высокий объемный расход воздуха. При модернизации жилого помещения, возможно, придется увеличить существующий воздуховод, чтобы уменьшить шум от более высокого воздушного потока.
Тепловой насос жидкость-вода Тепловые насосы жидкость-вода (также называемые водой-водой) - это гидравлические системы, которые используются для обогрева или охлаждения здания. В таких системах, как лучистые теплые полы, радиаторы для плинтусов, обычные чугунные радиаторы, будет Теплый насос типа жидкость-вода. Эти тепловые насосы предпочтительны для подогрева бассейна или предварительной воды для бытового потребления. Тепловые насосы могут эффективно нагревать воду только до 50 ° C (122 ° F), тогда как котел обычно достигает 65–95 ° C (149–203 ° F). Устаревшие радиаторы, предназначенные для этих более высоких температур, возможно, придется увеличить вдвое при модернизации дома. Резервуар с горячей водой по-прежнему будет необходим для повышения температуры воды выше максимальной температуры теплового насоса, предварительный нагрев сэкономит 25–50% затрат на горячую воду.
Земные тепловые насосы особенно хорошо подходят для обогрева полов и систем радиаторов плинтуса, для нормальной работы требуется только теплая температура 40 ° C (104 ° F). Таким образом, они идеально подходят для офисов открытой планировки. Использование больших поверхностей, таких как полы, распределение от радиаторов, распределение более равномерно и позволяет снизить температуру воды. Деревянные или ковровые покрытия смягчают этот эффект, потому что эффективность теплопередачи этих материалов ниже, чем у кирпичных полов (плитка, бетон). Напольные трубопроводы, потолочные или настенные радиаторы также могут использоваться для охлаждения в сухом климате, хотя температура циркулирующей воды должна быть выше точки росы, чтобы атмосферная влажность не конденсировалась на радиаторе.
Доступны комбинированные тепловые насосы, которые могут производить принудительный воздух и циркуляцию воды одновременно и по отдельности. Эти системы в основном используются в домах, где требуется сочетание кондиционирования воздуха и жидкости, например, центральное кондиционирование воздуха и обогрев бассейна.
Тепловой насос в сочетании с накоплением тепла и холода Эффективность геотермальных тепловых насосов может быть значительно повышена за счет использования сезонного накопления тепловой энергии и межсезонного накопления тепловой энергии. теплопередача. Тепло, улавливаемое и сохраняемое в термальных банках летом, может эффективно использоваться зимой. Эффективность аккумулирования тепла увеличивается с увеличением масштаба, поэтому это преимущество наиболее существенно в коммерческих или системах централизованного теплоснабжения.
Комбисистемы Geosolar использовались для обогрева и охлаждения теплицы с использованием водоносного горизонта для хранения тепла. Летом теплицу охлаждают холодной грунтовой водой. Это нагревает воду в водоносном горизонте, которая может стать источником тепла для обогрева зимой. Комбинация аккумулирования холода и тепла с тепловыми насосами может сочетаться с регулированием воды / влажности. Эти принципы используются для обеспечения возобновляемым теплом и возобновляемым охлаждением для всех типов зданий.
Также Эффективность повышения небольших тепловых насосов можно, добавив большие солнечные коллекторы, заполненные водой. Они могут быть встроены в ремонтируемую автостоянку или стены или конструкцию крыши путем установки однодюймовых PE труб во внешний слой.
Чистый тепловой КПД теплового насоса должен учитывать КПД производства и передачи электроэнергии, обычно около 30%. Тепловая энергия, используемая во входной энергии. Это приводит к чистому тепловому КПД более 300% по сравнению со 100% эффективностью лучистого электрического тепла. Традиционные топочные печи и электронагреватели никогда не могут быть 100% КПД.
Геотермальные тепловые насосы могут снизить потребление энергии и выбросы выбросов в атмосферу до 44% по сравнению с воздушными тепловыми насосами и до 72% по сравнению с электрическим нагревом сопротивлением со стандартным оборудованием для кондиционирования воздуха.
Зависимость теплового КПД от электроэнергетической инфраструктуры, как правило, ненужным осложнением для потребителей и неприменима к гидроэнергетике, поэтому характеристики тепловых насосов обычно выражается как отношение тепловой мощности или отвода тепла к потребляемой электроэнергии. Коэффициент полезного действия (EER), в то время как система обычно сводится к безразмерным единицам как коэффициент полезного действия (COP), эффективность охлаждения обычно выражается в единицах БТЕ / ч / ватт как . Коэффициент преобразования составляет 3,41 БТЕ / ч / ватт. Включает в себя все компоненты установленной системы, включая почвенные условия, заземленный теплообменник, устройство с тепловым насосом и распределением в здании, но в пределах определяется «разницей» между температурой на входе и температурой на выходе..
Для сравнения тепловых насосов друг с другом, независимо от других компонентов системы, Американским институтом хладагентов (ARI) и совсем недавно было установлено несколько стандартных условий испытаний. Международная организация по стандартизации. Стандартные характеристики ARI 330 предназначены для замкнутых тепловых насосов с заземлением и предполагают температуру воды во вторичном контуре 25 ° C (77 ° F) для кондиционирования воздуха и 0 ° C (32 ° F) для отопления. Эти температуры типичны для установок на севере США. Стандартные рейтинги ARI 325 предназначены для тепловых насосов, используемых на земле, включая два рейтинговых набора для температурных грунтовых вод: 10 ° C (50 ° F) и 21 ° C (70 ° F). ARI 325 выделяет больше электроэнергии на перекачку воды, чем ARI 330. Ни один из этих стандартов не пытается учесть сезонные колебания. Стандартные характеристики ARI 870 предназначены для тепловых насосов с прямым обменом на грунт. ASHRAE перешел на ISO 13256-1 в 2001 году, который заменяет ARI 320, 325 и 330. Новый стандарт ISO дает несколько более высоких рейтингов, потому что он больше не требует электричества для водяных насосов.
Эффективные компрессоры, компрессоры с регулируемой скоростью и более крупные теплообменники способствуют повышению эффективности теплового насоса. Тепловые насосы, использующие грунт для бытовых нужд, представленные сегодня на рынке, имеют стандартные значения COP от 2,4 до 5,0 и EER от 10,6 до 30. Чтобы получить маркировку Energy Star, тепловые насосы должны Соответствующим определенным минимальным номинальным значениям COP и EER, которые зависят от типа грунтового теплообменника. Для систем с замкнутым контуром КПД по ISO 13256-1 должен быть 3,3 или больше, а EER охлаждения - 14,1 или больше.
Фактические условия могут дать лучшую или худшую эффективность, чем стандартные условия испытаний. COP улучшается при более низкой разнице температур между входом и выходом теплового насоса, поэтому важна стабильность температуры грунта. Если размер поля контура или водяного насоса меньше размера, добавление или отвод тепла может привести к выходу температуры грунта за пределы стандартных условий испытаний, что приводит к производительности производительности. Точно так же вентилятор меньшего размера может привести к перегреву змеевика и ухудшению рабочих характеристик.
Почва без искусственного добавления или отвода тепла и на глубине несколько метров и более остается при постоянной температуре круглый год. Эта температура примерно соответствует среднегодовой температуре воздуха в выбранном месте, обычно 7–12 ° C (45–54 ° F) на глубине 6 метров (20 футов) на севере США. Более эффективные тепловые насосы работают с большей эффективностью при экстремальных температурах воздуха, чем кондиционеры и воздушные тепловые насосы.
Стандарты ARI 210 и 240 определяют сезонный коэффициент эффективности (SEER) и сезонные коэффициенты энергоэффективности отопления (HSPF) для учета влияния сезонных колебаний на источник воздуха. тепловые насосы. Эти обычно неприменимы, и их не следует сравнивать с номинальными характеристиками теплового насоса, работающего на земле. Natural Resources Canada адаптировала этот подход для расчета типичных сезонно скорректированных HSPF для наземных тепловых насосов в Канаде. Значения NRC HSPF модировались от 8,7 до 12,8 БТЕ / час / ватт (от 2,6 3,8 в безразмерных факторов или от 255% до 375% средней сезонной эффективности использования электроэнергии) для наиболее густонаселенных регионов Канады. В сочетании с тепловым КПД электричество это соответствует чистому среднему тепловому КПД от 100% до 150%.
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) назвало земные тепловые насосы наиболее энергоэффективными, экологически чистыми и экономичными системами кондиционирования помещений. Тепловые насосы обладают значительным потенциалом сокращения выбросов, особенно там, где они используются как для охлаждения, так и электричества, производимого из возобновляемых источников энергии.
GSHP обладает непревзойденной тепловой эффективностью и производят нулевые выбросы на местном уровне, но их электроснабжение включает компоненты с высокими выбросами парниковых газов, если только владелец не выбрал 100% возобновляемую энергию. Поэтому их численное значение зависит от электроснабжения и альтернатив.
| Страна | Электричество CO 2. Интенсивность выбросов | Экономия парниковых газов относительно | ||
|---|---|---|---|---|
| природного газа | топочного мазута | электрического отопления | ||
| Канада | 223 тонны / ГВтч | 2,7 тонны / год | 5,3 тонны / год | 3,4 тонны / год |
| Россия | 351 тонна / ГВтч | 1,8 тонны / год | 4,4 тонны / год | 5,4 тонны / год |
| US | 676 тонны / ГВтч | -0,5 тонны / год | 2,2 тонны / год | 10,3 тонны / год |
| Китай | 839 тонн / ГВтч | -1,6 тонны / год | 1,0 тонна / год | 12,8 тонны / год |
Экономия парниковых газов от теплового насоса по сравнению с обычным можно рассчитать по следующей формуле:
Наземные тепловые насосы всегда производят меньше парниковых газов, чем кондиционеры, масляные печи и электрическое отопление, но на природном газе могут быть конкурентоспособными источники энергии парниковых газов в местном электроснабжении. Энергетический насос может сэкономить 5 тонн углекислого газа в год по с масляной системой, или примерно столько же, сколько убрать с дороги средней легковой автомобиль. В таких городах, как Пекин или Питтсбург, которые сильно зависят от угля для производства электроэнергии, тепловой насос может привести к выбросу углекислого газа на 1-2 тонны больше, чем печь на природном газе. Однако для отрицательной почты, не обслуживаемых инфраструктурой коммунального природного газа, лучшего альтернативы не существует.
Жидкости, используемые в замкнутых контурах, могут быть спроектированы так, чтобы быть биоразлагаемыми и нетоксичными, но хладагент, механизм в шкафу теплового насоса и в контурах прямого теплообмена, до недавнего времени был хлордифторметаном, который является озоноразрушающим веществом. Несмотря на то, что они безвредны, утечки и неправильная утилизация по окончании срока службы способствуют увеличению озоновой дыры. Для нового строительства этот хладагент постепенно заменяется безопасным для озона, но сильным парниковым газом R410A. Водонагреватель EcoCute представляет собой воздушный тепловой насос, в котором в качестве рабочей жидкости используется углекислый газ вместо хлорфторуглеродов. Системы с разомкнутым контуром (то есть те, которые используют грунтовку воды, в отличие от систем с замкнутым контуром, использующие скважинный теплообменник) необходимо уравновешивать путем повторной закачки отработанной воды. Это предотвращает истощение водоносного горизонта и загрязнение почвы или поверхностных вод рассолом или другими соединениями из-под земли.
Перед бурением необходимо изучить подземную геологию, а бурильщики готовы к герметизировать ствол скважины, в том числе предотвратить проникновение воды между пластами. Прискорбным примером является проект геотермального отопления в Штауфен-им-Брайсгау, Германия, который, по всей видимости, стал причиной значительного исторического зданиям там. В 2008 году сообщалось, что центр города поднялся на 12 см после того, как опустился на несколько миллиметров. Бурение проходило через водоносный горизонт с естественным давлением, и через скважину эта вода попадала в слой ангидрита, который при намокании расширяется, образуя гипс. Набухание прекратится, когда ангидрит прореагирует, и реконструкция центра города «нецелесообразна, пока не прекратится». К 2010 году герметизация скважины не была завершена. К 2010 году некоторые районы города выросли на 30 см.
Технология наземного теплового насоса, как и ориентация здания, - это естественное строительство (биоклиматическое здание ).
Тепловые насосы, использующие грунтовые источники, характеризуются высокими капитальными затратами и низкими эксплуатационными расходами по сравнению с другими системами HVAC. Общая экономическая выгода зависит в первую очередь от относительных затрат на электроэнергию и топливо, которые сильно меняются во времени и по всему миру. Судя по последним ценам, геотермальные тепловые насосы в настоящее время имеют более низкие эксплуатационные расходы, чем любые другие источники тепла почти во всем мире. Природный газ - исключительно топливо с конкурентоспособными эксплуатационными затратами, и только в нескольких странах. В целом домовладелец может сэкономить от 20% до 60% в год на коммунальных услугах, переключенную с обычной системы на наземную.
Капитальные затраты и службы системы до недавнего времени исследовались значительно меньше, и рентабельность инвестиций сильно изменилась. Самые данные анализа стимулирующих выплат за последние 2011–2012 гг. Средняя стоимость бытовых систем Мэриленд составляет 1,90 долл. США за ватт или около 26 700 долл. США для типичной домашней системы (4 тонны / 14 кВт). Более раннее исследование показало, общая стоимость установки системы с тепловой мощностью 10 кВт (3 тонны) для отдельного сельского дома в США составляет в среднем 8000–9000 долларов в долларах США 1995 года. Более поздние исследования показали, что средняя стоимость системы такого же размера в 2008 году составила 14 000 долларов США. Министерство энергетики США оценивает цену в 7500 долларов на своем веб-сайте, последний раз обновлявшийся в 2008 году. Один источник в Канаде разместил цены в диапазоне от 30 000 до 34 000 канадских долларов. Быстрый рост цен на систему сопровождался быстрым повышением эффективности и надежности. Известно, что капитальные затраты увеличиваются за счет экономии на масштабе, особенно для систем с контуром, поэтому они более рентабельны для больших коммерческих зданий и более сурового климата. Первоначальная стоимость может быть в два-пять раз больше, чем у обычной системы отопления в жилых жилых домов, новых или существующих. При модернизации стоимость установки зависит от размера жилой площади, возраста дома, изоляции, геологии местности и местоположения собственности. Правильная конструкция системы воздуховодов и механический воздухообмен должен учитываться при первоначальной стоимости системы.
| Страна | Срок окупаемости | ||
|---|---|---|---|
| природного газа | мазута | электрического отопления | |
| Канада | 13 лет | 3 года | 6 лет |
| US | 12 лет | 5 лет | 4 года |
| Германия | чистый убыток | 8 лет | 2 года |
Примечания:
| |||
Капитальные затраты могут быть компенсированы за счет государственного субсидий; например, Онтарио использует 7000 долларов за бытовые системы, установленные в 2009 финансовом году. Некоторые электрические компании предоставляют тарифы для клиентов, которые устанавливают геотермальный тепловой насос для отопления или своего охлаждения здания. Там, где электрические станции имеют большие нагрузки в летние месяцы и простаивают зимой, увеличивают продажи электроэнергии в зимние месяцы. Тепловые насосы также снижают пиковую нагрузку летом из-за повышения эффективности тепловых насосов, что позволяет избежать дорогостоящего строительства электростанций. По тем же другим причинам коммунальные компании начали оплачивать установку геотермальных тепловых насосов в домах потребителей. Они сдают систему за ежемесячную плату, что дает покупателю общую чистую экономию.
Срок службы системы больше, чем у обычных систем отопления и охлаждения. Хорошие данные о сроке службы систем еще не доступны, потому что многие ранние системы все еще работают после 25–30 лет с регулярным обслуживанием. Гарантия на большинство кольцевых полей составляет от 25 до 50 лет, и менее, что срок ее службы составляет не 50–200 лет. Земляные тепловые насосы используют электроэнергию для отопления дома. Более высокие показатели по сравнению с обычными масляными, пропановыми или электрическими системами могут окупиться за счет экономии энергии через 2–10 лет для жилых систем в США. По сравнению с системами, работающими на природном газе, срок окупаемости может быть дольше или вообще отсутствовать. Срок окупаемости более крупных коммерческих систем в США составляет 1–5 лет, даже по сравнению с природным газом. Кроме того, поскольку геотермальные тепловые насосы обычно не имеют наружных компрессоров или градирен, риск вандализма снижается или устраняется, что увеличивает срок службы системы.
Наземные тепловые насосыаны одними из наиболее эффективных систем отопления и отопления. системы охлаждения на рынке. Они являются вторым по рентабельности решением в экстремальных климатических условиях (после когенерации ), несмотря на часто снижение теплового КПД из-за температуры грунта. (Подземный источник более теплый в климате, который требует сильного кондиционирования воздуха, и более прохладный в климате, требующем сильного.) Финансовая жизнеспособность этих систем зависит от адекватного размера грунтовых теплообменников (GHE), которые обычно вносят наибольший вклад в общие капитальные затраты на системы. GSHP.
Затраты на обслуживание коммерческих систем в США исторически составляли от 0,11 до 0,22 доллара за м в год в долларах 1996 года, что намного меньше, чем в среднем 0,54 доллара за м в год для обычных систем HVAC.
Правительство, продвигающие возобновляемые источники энергии, скорее всего, будут предлагать стимулы для потребительского (жилого) или промышленного рынка. Например, в США льготы как на уровне государства, так и на федеральном уровне. В Соединенном Королевстве Возобновляемое тепло предоставляет финансовый стимул для производства возобнового тепла на основе измеренных показаний на годовой основе в течение 20 лет для коммерческих зданий. Внутренняя программа поощрения использования возобновляемых источников тепла должна быть введена весной 2014 года на семь лет и будет на условном тепле.
Из-за технических знаний и оборудования, необходимых для проектирования и определения размеров системы (и установки трубопроводов, если требуется термосплав), установка системы GSHP требует услуг профессионала. Несколько установщиков опубликовали в онлайн-сообществе недавние установки в жилых помещениях обзоры производительности системы в реальном времени. Международная ассоциация наземных тепловых насосов (IGSHPA ), Организация геотермального обмена (GEO), Canadian GeoExchange Coalition и Ассоциация наземных тепловых насосов ведет списки квалифицированных установщиков в США, Канаде и Великобритании. Кроме того, подробный анализ теплопроводности почвы для горизонтальных систем и теплопроводности пласта для вертикальных систем обычно приводит к более точно спроектированным системам с более высокой эффективностью.
Портал возобновляемых источников энергии 
Портал энергии 
Технологический портал Портал по возобновляемым источникам энергии 
![{\ displayst yle q_ {l} = [T_ {f} (t) -T_ {0}] / R (t)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3219a6a4b98c827283b5d8ef9e77ab61e7c6f711)
