Наиболее распространенными способами использования тепловых насосов (ТН) варианты использования низкотемпературного тепла воздуха (цикл «воздух-воздух») или верхних слоев земли (цикл «грунт-вода»).
Работа ТН типа «воздух-воздух» или «воздух-вода» имеют очень высокую эффективность при температуре наружного воздуха от 0 до 15°С. В простых традиционных моделях не предусмотрена работа при наружной температуре ниже 5 градусов мороза – начинается обмерзание поверхности испарителя, что останавливает работу ТН.
Для использования ТН, которые задействуют тепло почвы, нужно определить энергетический потенциал в месте залегания трубопроводов испарителя (такие трубы называют еще теплообменником или грунтовым коллектором). Нужно четко владеть данными о температуре почвы и динамику ее изменения в зависимости от времени года и глубины.
Верхний слой земли прогревается солнечной радиацией, что можно оценить как 1,4 кВт/м2-сутки. Этот показатель берется за основу расчетов потенциала низкопотенциального тепла для ТН.
Были проведены исследования изменения температуры почвы в Николаеве, где определили зависимость температуры от глубины и времени года. Учитывали и влияние грунтовых вод на температурный режим почвы. Установлено, что температурный режим почвы зависит в первую очередь от его состава, наличия растительности на поверхности почвы и количества осадков. Замеры проводились на разных глубинах: 0,2; 0,8; 1,2; 3,2 и 8,6 м. На последней глубине существует водоносный слой с дебитом 1 м3/час. Замеры проводились один раз в неделю в течение года.
Характер изменения температуры грунта в течение года отличается от изменений температуры воздуха. С увеличением глубины почвы увеличивается инерционность в динамике изменений тепмператури почвы. Это связано с влиянием тепловых потоков от более глубоких слоев почвы. На глубине 3,2 метра зафиксирована сезонная смена температуры грунта в диапазоне 7°С. А для глубины 8,6 м температура почвы (от +10 до +12°С) практически не зависит от сезонных колебаний температуры воздуха. На это влияет горизонт залегания грунтовых вод, который является достаточно мощным аккумулятором низкотемпературной энергии и существенно влияет на температурное поле в вышележащих слоях грунта.
Расчеты показывают, что значение минимально допустимой температуры почвы должно быть не ниже 5-7°С на глубине до 8 м (для областей, в которых зафиксирована минимальная температура воздуха в зимний период минус 20°С).
Теоретическая оценка количества тепла, которое можно снять со 100 м2 поверхности почвы, размещенного параллельно поверхности земли на глубине от 3 до 8 метров, показывает, что оно может обогреть 2-3 м2 помещения в течение отопительного сезона без дополнительного аккумулирования энергии. Если обеспечить аккумулирование энергии в этом объеме грунта в летний период, то без дополнительных мер по обеспечению рассеивания тепла можно обогреть площадь 10 м2 при высоте 2,7 м. При этом в системе должна циркулировать рабочая жидкость в количестве 25-28 кг/ч, что является достаточно сложной инженерной задачей.
Очень эффективным концентратором низкотемпературного тепла являются грунтовые воды. Согласно расчетам, для обогрева стандартного помещения 250 м2, достаточно 10 м3/ч с начальной температурой 10°С. При этом вода охлаждается до 7°С, а температура кипения хладагента не понижается ниже 5°С. Это позволяет получить коэффициент преобразования 2,6-2,7. Такой показатель работы ТН указывает на то, что для получения 1 кВт тепловой энергии будет затрачено около 0,4 кВт электрической.
По теме: В скандинавских странах тепловые насосы уменьшают електровитрати на отопление в 3 раза
На основе проведенных исследований сделаны выводы, что использование низкотемпературной энергии грунта без дополнительной акумуяції тепла нерационально. А такое аккумулирования можно проводить в летний период за счет солнечной энергии. Правильно спроектированная и смонтированная система ТН дает возможность получать дешевое и стабильное тепло, являясь для жителей одновременно полностью автоматизированной и комфортной системой.
