Вопросы энергоэффективности и устойчивости окружающей среды становятся всё более актуальными в современном мире. Один из ключевых аспектов этого вопроса — это выбор и использование технологий отопления и кондиционирования, способных обеспечить комфортный уровень жизни при минимальном воздействии на окружающую среду. Воздушные и грунтовые тепловые насосы представляют собой перспективные решения, особенно в условиях Ростовской области, где климат характеризуется высокими летними температурами и достаточно мягкой зимой.
Воздушные тепловые насосы основаны на принципе извлечения тепла из окружающего воздуха для обогрева помещений. Преимущества воздушных тепловых насосов включают их относительно низкие затраты, доступность и простота установки и экологическая устойчивость по сравнению с другими системами отопления.
В Ростовской области, где зимы относительно мягкие, воздушные тепловые насосы могут быть привлекательным выбором для обеспечения отопления жилых и коммерческих помещений, но необходимо учитывать, что в северных районах ростовской области, где бывают сравнительно низкие температуры эффективность функционирования будет меньше.
Использование данного типа насосов ограничено в силу своей неспособности адаптироваться к климатическим условиям северной части области. В отличие от других типов насосов, они не предоставляют значительных преимуществ в морозный период, хотя сами насосы дешевле и не требуют прокладки труб или бурения скважин. В связи с этим, рекомендуется использовать такие тепловые насосы только в южной части области, где минимальная зимняя температура не опускается ниже -15 С.
Для повышения эффективности воздушных тепловых насосов (ТНУ) можно внести изменения в их термодинамический цикл и тепловую схему. Если температура нагреваемого теплоносителя на входе в ТНУ достаточно низкая, то можно использовать цикл с дополнительным охлаждением рабочего тела после конденсатора. Для этого нужно установить соответствующий теплообменник, который будет выполнять охлаждение.
Такое решение позволяет повысить теплопроизводительность и коэффициент трансформации тепла в тепловых насосах. Все эти изменения в термодинамическом тепловой схеме тепловых насосов позволяют значительно улучшить их производительность. Они позволяют более эффективно использовать доступные ресурсы и снизить энергетические затраты на обогрев или охлаждение помещений. Такие модификации могут быть особенно полезны в условиях, когда требуется высокая энергоэффективность и экономия ресурсов. Однако следует отметить, что сложность термодинамического тепловой схемы тепловых насосов может повлечь за собой увеличение стоимости и сложность эксплуатации системы. Поэтому при выборе оптимальной конфигурации тепловых насосов необходимо учитывать, как требования по эффективности, так и финансовые возможности. В итоге, внесение изменений тепловую схему воздушных ТНУ позволяет повысить их эффективность и использовать энергию более эффективно. Такие модификации могут быть полезны в различных областях, где требуется обеспечение комфортных условий в помещениях при минимальных затратах на энергию.
Грунтовые тепловые насосы используют почву или грунтовые воды в качестве источника тепла. Благодаря воздействию солнечной радиации и радиогенного тепла из земных недр, грунт становится тепловым аккумулятором неограниченной мощности. Изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха создают колебания температуры верхних слоев грунта. Сезонные и суточные колебания температуры заставляют нас задуматься о возможностях использования этого потенциала для обеспечения энергии. Глубина проникновения суточных колебаний зависит от почвенно-климатических условий и может варьироваться от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Сезонные колебания температуры, связанные с изменениями климата и интенсивностью солнечной радиации, обычно не превышают 15–20 метров.
Глубина ниже «нейтральной зоны» определяет тепловой режим грунта, который практически не зависит от сезонных и суточных изменений погоды. Зачёт этого они обладают более высокой эффективностью по сравнению с воздушными аналогами, поскольку глубокие слои почвы обычно имеют более стабильную температуру в течение года.
В Ростовской области грунтовые тепловые насосы могут быть особенно эффективны, учитывая тёплые летние и относительно мягкие зимние условия. Однако, их установка обычно требует более значительных инвестиций из-за необходимости прокладки земельных коллекторов или скважин.
Трубопровод, закладываемый в землю на глубину 30–50 см ниже точки замерзания почвы, имеет определенные требования по расстоянию между трубами коллектора. В разных случаях для прокладки самих труб потребуется бурение скважины или же более обширные земельные работы, а сам трубопровод подвержен повреждениям. Несмотря на это, эффективность такого обогрева сравнима с теплотой, получаемой из скважины. Подготовка почвы для установки не требуется, однако желательно использовать влажный грунт. В случае, если грунт сухой, необходимо удлинить контур. Расчетная тепловая мощность на 1 метр трубопровода составляет примерно 50–60 кВт*ч для глинистого грунта и 30–40 кВт*ч для песчаного. Поэтому для установки теплового насоса мощностью 10 кВт требуется земляной контур протяженностью 350–450 метров, для покрытия которого необходим участок площадью около 400 м² (20х20 м). При правильном расчете контур не оказывает влияния на растительность.
Теплопроводность и объемная теплоемкость грунтового массива оказывают значительное влияние на эффективность системы сбора тепла. Чем выше теплопроводность и объемная теплоемкость грунта, тем лучше теплосъем с единицы длины грунтового теплообменника и, как следствие, выше эффективность системы обогрева. Наибольшее влияние на работоспособность системы обогрева оказывают изменения теплопроводности грунта в пределах от 0,4 до 2 Вт/(м·°С) и его объемной теплоемкости от 400 до 1000 кДж/(м³·°С). Дальнейшее увеличение данных показателей не столь существенно для эффективности работы системы. Следовательно, в случае использования малотеплопроводных и не теплоемких грунтов, можно увеличить эффективность работы системы обогрева путем небольшого повышения влажности грунта (например, созданием дренажа или задержкой дождевой влаги на участке), что также повысит эффективность всей системы теплоснабжения.
При выборе между воздушными и грунтовыми тепловыми насосами для использования в Ростовской области, следует учитывать несколько факторов, включая климатические условия, бюджет на установку и обслуживание, а также площадь и тип помещений, которые необходимо обогревать.
Грунтовые тепловые насосы, несмотря на более высокие начальные затраты, обычно обеспечивают более высокий уровень энергоэффективности и экономии в долгосрочной перспективе. Воздушные тепловые насосы могут быть более доступны в установке, но их эффективность может снижаться при низких температурах.
Эффективность использования воздушных и грунтовых тепловых насосов в Ростовской области зависит от множества факторов. Оба типа насосов имеют свои преимущества и недостатки, и правильный выбор будет зависеть от конкретных условий и потребностей пользователя. Однако, в целом, тепловые насосы представляют собой эффективные и экологически чистые решения для обеспечения комфортного климата в домах и офисах в Ростовской области.
Литература:
- Филиппов С. П., Дильман М. Д., Ионов М. С. Эффективность использования тепловых насосов для теплоснабжения малоэтажной застройки // Тепло» энергетика. 2011. № 11. С. 12–19.
- Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. Информационно-методическое издание. — Москва: Издательство «Перо», 2016. — 204 с
- Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов / Е. Я. Соколов. — Москва: Изд-во МЭИ, 2001. — 472 с.
- СП 60.13330.2012«Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха»
- Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. — М.: Энергоиздат, 1982. — 224 с.
