✖


Jump to content

Геотермальный тепловой насос

Эта статья об одном типе теплового насоса. Более общую информацию см. в разделе «Тепловой насос» . Информацию о прямом нагреве от горячих камней см. в разделе «Геотермальное отопление» . Информацию о производстве электроэнергии из горячих камней см. в разделе «Геотермальная энергия» .
Тепловой насос в сочетании с накопителем тепла и холода

Геотермальный тепловой насос (также геотермальный тепловой насос ) — это система отопления/охлаждения зданий, в которой используется тип теплового насоса для передачи тепла к земле или от нее, используя преимущество относительного постоянства температуры земли в зависимости от сезона. Геотермальные тепловые насосы (GSHP) – или геотермальные тепловые насосы (GHP), как их обычно называют в Северной Америке – относятся к числу наиболее энергоэффективных технологий для обеспечения отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и нагрева воды , используя гораздо меньше энергии, чем можно было бы достичь с помощью геотермальных тепловых насосов (GSHP). сжигание топлива в котле/печи или с использованием резистивных электронагревателей .

Эффективность определяется как коэффициент полезного действия (CoP), который обычно находится в диапазоне 3–6, что означает, что устройства обеспечивают 3–6 единиц тепла на каждую единицу использованной электроэнергии. Затраты на установку выше, чем для других систем отопления, из-за необходимости установки контуров заземления на больших площадях или бурения скважин, и по этой причине заземляющий источник часто подходит при строительстве новых многоквартирных домов. [1] В противном случае воздушные тепловые насосы вместо них часто используются .

Термические свойства грунта

[ редактировать ]

Геотермальные тепловые насосы используют разницу между температурой окружающей среды и температурой на разных глубинах земли.

Термические свойства грунта у поверхности [2] [3] можно описать следующим образом:

  • В поверхностном слое на глубине около 1 метра температура очень чувствительна к солнечному свету и погоде.
  • В мелком слое на глубине около 8–20 метров в зависимости от типа почвы термическая масса земли вызывает экспоненциальное уменьшение изменения температуры с глубиной, пока она не приблизится к местной среднегодовой температуре воздуха; она также отстает от температуры поверхности, так что пиковая температура приходится примерно на 6 месяцев после пиковой температуры поверхности.
  • Ниже этого, в более глубоком слое , температура фактически постоянна, повышаясь примерно на 0,025 °C на метр в зависимости от геотермического градиента .

«Глубина проникновения» [3] определяется как глубина, на которой температурная переменная составляет менее 0,01 от вариации на поверхности, и это зависит от типа грунта:

Глубина проникновения в метрах суточных и годовых температурных циклов
Тип почвы День (м) Год (м)
Камень 1.10 20.5
Мокрая глина 0.95 18.0
Мокрый песок 0.80 14.5
Сухая глина 0.40 6.5
Сухой песок 0.30 4.5

История

[ редактировать ]

Тепловой насос был описан лордом Кельвином в 1853 году и разработан Питером Риттером фон Риттингером в 1855 году. Генрих Зелли запатентовал идею использования его для отвода тепла из земли в 1912 году. [4]

построил первый геотермальный тепловой насос с прямым обменом После экспериментов с морозильной камерой Роберт К. Уэббер в конце 1940-х годов ; Однако источники расходятся во мнениях относительно точных сроков его изобретения. [4] [5] Первый успешный коммерческий проект был установлен в Содружества (Портленд, Орегон) в 1948 году и был признан Национальным историческим памятником машиностроения ASME Здании . [6] Профессор Карл Нильсен из Университета штата Огайо построил первую жилую версию с открытым контуром у себя дома в 1948 году. [7]

В результате нефтяного кризиса 1973 года геотермальные тепловые насосы стали популярными в Швеции, и с тех пор их признание во всем мире постепенно растет. Системы с разомкнутым контуром доминировали на рынке до тех пор, пока в 1979 году разработка полибутиленовых труб не сделала системы с замкнутым контуром экономически жизнеспособными. [6]

По состоянию на 2004 год во всем мире установлено более миллиона установок, обеспечивающих 12 ГВт тепловой мощности с темпом роста 10% в год. [8] Ежегодно (по состоянию на 2011/2004 год соответственно) в США устанавливается около 80 000 единиц. [9] и 27 000 в Швеции. [8] В Финляндии геотермальный тепловой насос был наиболее распространенной системой отопления для новых частных домов в период с 2006 по 2011 год с долей рынка, превышающей 40%. [10]

Договоренность

[ редактировать ]

Внутреннее устройство

[ редактировать ]
Тепловой насос жидкость-вода

– Тепловой насос это центральный блок отопления и охлаждения здания. Обычно он бывает двух основных вариантов:

Тепловые насосы жидкость-вода (также называемые «вода-вода ») представляют собой гидравлические системы, которые передают отопление или охлаждение по зданию через трубы к обычным радиаторам , полам с подогревом , радиаторам плинтуса и резервуарам с горячей водой . Эти тепловые насосы также предпочтительны для подогрева бассейна. Тепловые насосы обычно эффективно нагревают воду только примерно до 55 ° C (131 ° F), тогда как котлы обычно работают при температуре 65–95 ° C (149–203 ° F). [ нужна ссылка ] . Размер радиаторов, рассчитанных на более высокие температуры, достигаемые котлами, может быть слишком мал для использования с тепловыми насосами, что требует замены радиаторами большего размера при переоборудовании дома с котла на тепловой насос. При использовании для охлаждения температура циркулирующей воды обычно должна поддерживаться выше точки росы , чтобы гарантировать, что влага из воздуха не конденсируется на радиаторе.

жидкость-воздух Тепловые насосы (также называемые «вода-воздух ») выводят принудительный воздух и чаще всего используются для замены устаревших печей с принудительной подачей воздуха и систем центрального кондиционирования. Существуют варианты, позволяющие использовать сплит-системы, высокоскоростные системы и бесканальные системы. Тепловые насосы не могут достичь такой же высокой температуры жидкости, как обычная печь, поэтому для компенсации им требуется более высокий объемный расход воздуха. При модернизации жилого дома, возможно, придется расширить существующую систему воздуховодов, чтобы уменьшить шум от более сильного потока воздуха.

Грунтовый теплообменник

[ редактировать ]
Горизонтальная обтягивающая петля перед засыпанием землей.

В геотермальных тепловых насосах используется грунтовый теплообменник, находящийся в контакте с землей или грунтовыми водами для извлечения или рассеивания тепла. Неправильный проект может привести к зависанию системы через несколько лет или к очень неэффективной работе системы; таким образом, точный проект системы имеет решающее значение для успешной системы. [11]

Трубопроводы контура заземления обычно изготавливаются из полиэтилена высокой плотности и содержат смесь воды и антифриза ( пропиленгликоля , денатурированного спирта или метанола ). Монопропиленгликоль имеет наименьший вредный потенциал при утечке в землю и, следовательно, является единственным разрешенным антифризом в наземных источниках во все большем числе европейских стран.

Горизонтальный

Горизонтальное поле с замкнутым контуром состоит из труб, расположенных в плоскости земли. Выкапывают длинную траншею , глубже линии промерзания , и внутри этой же траншеи раскладывают U-образные или обтягивающие катушки. Неглубокие горизонтальные теплообменники высотой 3–8 футов (0,91–2,44 м) испытывают сезонные температурные циклы из-за поступления солнечной энергии и потерь при передаче в окружающий воздух на уровне земли. Эти температурные циклы отстают от сезонов из-за тепловой инерции, поэтому теплообменник будет собирать тепло, выделенное солнцем несколькими месяцами ранее, а в конце зимы и весной он будет отягощен из-за накопленного зимнего холода. Системы во влажном грунте или в воде, как правило, более эффективны, чем более сухие контуры заземления, поскольку вода проводит и сохраняет тепло лучше, чем твердые частицы в песке или почве. Если земля по своей природе сухая, шланги для замачивания можно закопать вместе с контуром заземления, чтобы он оставался влажным.

Вертикальный
Бурение скважины для отопления жилого дома

Вертикальная система состоит из ряда скважин глубиной от 50 до 400 футов (15–122 м), оснащенных U-образными трубами, по которым циркулирует теплоноситель, который поглощает (или отводит) тепло от земли (или к ней). . [12] [13] Скважины располагаются на расстоянии не менее 5–6 м друг от друга, а глубина зависит от особенностей грунта и здания. Альтернативно, трубы могут быть интегрированы в фундаментные сваи, используемые для поддержки здания. Вертикальные системы полагаются на миграцию тепла из окружающей геологии, если только они не перезаряжаются летом и в другое время, когда имеется избыток тепла. Вертикальные системы обычно используются там, где недостаточно свободной земли для горизонтальной системы.

Пары труб в отверстии соединяются U-образным поперечным соединителем в нижней части отверстия или состоят из двух трубок из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) малого диаметра, термически сплавленных с образованием U-образного изгиба внизу. [14] Пространство между стенкой скважины и П-образными трубками обычно полностью замазывается тампонажным материалом или, в некоторых случаях, частично заполняется грунтовыми водами. [15] Например, для отдельного дома, которому требуется 10 кВт (3 тонны ), могут потребоваться три скважины глубиной от 80 до 110 м (от 260 до 360 футов). тепловая мощность [16]

Радиальное или направленное бурение

В качестве альтернативы рытью траншей петли можно прокладывать с помощью мини- горизонтально-направленного бурения (мини-ГНБ). Этот метод позволяет прокладывать трубопроводы под дворами, подъездными дорогами, садами или другими постройками, не нарушая их, а затраты находятся между траншеями и вертикальным бурением. Эта система также отличается от горизонтального и вертикального бурения, поскольку петли устанавливаются из одной центральной камеры, что еще больше уменьшает необходимое пространство на земле. Радиальное бурение часто устанавливается задним числом (после того, как объект был построен) из-за небольшого размера используемого оборудования и возможности бурения под существующими конструкциями.

Открытый цикл

В системе с открытым контуром (также называемой тепловым насосом подземных вод) вторичный контур перекачивает природную воду из колодца или водоема в теплообменник внутри теплового насоса. Поскольку химический состав воды не контролируется, возможно, потребуется защитить прибор от коррозии, используя различные металлы в теплообменнике и насосе. Накипь может со временем загрязнить систему и потребовать периодической очистки кислотой. Это гораздо большая проблема с системами охлаждения, чем с системами отопления. [17] Система стоячих колонных колодцев — это специализированный тип системы с открытым контуром, в которой вода забирается со дна глубокого каменного колодца, проходит через тепловой насос и возвращается наверх колодца. [18] Все большее число юрисдикций объявляет вне закона системы открытого цикла, которые сливают воду на поверхность, поскольку они могут истощать водоносные горизонты или загрязнять колодцы. Это вынуждает использовать более экологически безопасные нагнетательные скважины или системы с замкнутым контуром.

Пруд
12-тонная петлевая система пруда погружается на дно пруда

Замкнутый контур пруда состоит из бухт труб, похожих на гибкую петлю, прикрепленных к раме и расположенных на дне пруда или источника воды подходящего размера. Искусственные пруды используются в качестве накопителей тепла (с эффективностью до 90%) на некоторых центральных солнечных теплостанциях, которые позже извлекают тепло (аналогично наземному хранению) с помощью большого теплового насоса для снабжения централизованного теплоснабжения . [19] [20]

Прямой обмен (DX)

Геотермальный тепловой насос с прямым обменом (DX) — это старейший тип технологии геотермального теплового насоса, в котором сам хладагент пропускается через контур заземления. Этот подход, разработанный в 1980-х годах, столкнулся с проблемами в системе управления хладагентами и маслом, особенно после запрета хладагентов CFC в 1989 году и систем DX в настоящее время используются нечасто. [ нужна ссылка ]

Установка

[ редактировать ]

Из-за технических знаний и оборудования, необходимых для правильного проектирования и определения размеров системы (и установки трубопроводов, если требуется термосварка), установка системы GSHP требует услуг профессионала. Несколько установщиков опубликовали обзоры производительности системы в режиме реального времени в онлайн-сообществе, посвященном недавним установкам в жилых домах. Международная ассоциация геотермальных тепловых насосов ( IGSHPA ), [21] Организация геотермального обмена (GEO), [22] Канадская коалиция GeoExchange и Ассоциация геотермальных тепловых насосов ведут списки квалифицированных монтажников в США, Канаде и Великобритании. [23] Кроме того, детальный анализ теплопроводности грунта для горизонтальных систем и теплопроводности пласта для вертикальных систем, как правило, приводит к созданию более точно спроектированных систем с более высокой эффективностью. [24]

Тепловые характеристики

[ редактировать ]
Основные статьи: Коэффициент производительности и коэффициент энергоэффективности

Производительность охлаждения обычно выражается в единицах БТЕ/ч/ватт как коэффициент энергоэффективности (EER), тогда как производительность обогрева обычно сводится к безразмерным единицам как коэффициент производительности (COP). Коэффициент преобразования составляет 3,41 БТЕ/час/ватт. Поскольку тепловой насос перемещает в три-пять раз больше тепловой энергии, чем потребляемая им электрическая энергия, общая выходная энергия намного превышает потребляемую электрическую энергию. Это приводит к тому, что чистая тепловая эффективность превышает 300% по сравнению с лучистым электрическим теплом, эффективность которого составляет 100%. Традиционные печи сжигания и электронагреватели никогда не могут иметь эффективность, превышающую 100%. Геотермальные тепловые насосы могут снизить потребление энергии – и соответствующие выбросы загрязнения воздуха – до 72% по сравнению с электрическим сопротивлением отопления со стандартным оборудованием для кондиционирования воздуха. [25]

Эффективные компрессоры, компрессоры с регулируемой скоростью и более крупные теплообменники способствуют повышению эффективности теплового насоса. Бытовые геотермальные тепловые насосы, представленные сегодня на рынке, имеют стандартный COP от 2,4 до 5,0 и EER от 10,6 до 30. [26] [27] Чтобы претендовать на получение маркировки Energy Star , тепловые насосы должны соответствовать определенным минимальным показателям COP и EER, которые зависят от типа наземного теплообменника. Для систем с замкнутым контуром коэффициент COP нагрева по ISO 13256-1 должен составлять 3,3 или выше, а EER охлаждения должен быть 14,1 или выше. [28]

Стандарты ARI 210 и 240 определяют сезонный коэффициент энергоэффективности (SEER) и сезонные коэффициенты производительности отопления (HSPF) для учета влияния сезонных колебаний на воздушные тепловые насосы. Эти цифры обычно неприменимы, и их не следует сравнивать с номинальными показателями геотермальных тепловых насосов. Однако Министерство природных ресурсов Канады адаптировало этот подход для расчета типичных сезонно скорректированных HSPF для геотермальных тепловых насосов в Канаде. [16] HSPF NRC варьировался от 8,7 до 12,8 БТЕ/ч/ватт (от 2,6 до 3,8 в безразмерных факторах, или от 255% до 375% средней сезонной эффективности использования электроэнергии) для наиболее густонаселенных регионов Канады.

Для сравнения тепловых насосов друг с другом, независимо от других компонентов системы, Американским институтом хладагентов (ARI), а в последнее время и Международной организацией по стандартизации , были установлены несколько стандартных условий испытаний . Стандартные характеристики ARI 330 были предназначены для геотермальных тепловых насосов с замкнутым контуром 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 характеристики ARI 325 были предназначены для геотермальных тепловых насосов с разомкнутым контуром и включают два набора характеристик для температур грунтовых вод 10 °C (50 °F) и 21 °C (70 °F). ARI 325 предусматривает больше электроэнергии для перекачки воды, чем ARI 330. Ни один из этих стандартов не пытается учитывать сезонные колебания. Стандартные характеристики ARI 870 предназначены для геотермальных тепловых насосов с прямым обменом. ASHRAE перешла на ISO 13256–1 в 2001 году, который заменил ARI 320, 325 и 330. Новый стандарт ISO дает немного более высокие рейтинги, поскольку в нем больше не предусматривается электроэнергия для водяных насосов. [26]

Почва без искусственного притока или отвода тепла и на глубинах в несколько метров и более сохраняет относительно постоянную температуру круглый год. Эта температура примерно соответствует средней годовой температуре воздуха в выбранном месте, обычно 7–12 ° C (45–54 ° F) на глубине 6 метров (20 футов) на севере США. Поскольку эта температура остается более постоянной, чем температура воздуха в течение всего сезона, геотермальные тепловые насосы работают с гораздо большей эффективностью при экстремальных температурах воздуха, чем кондиционеры и воздушные тепловые насосы.

Анализ теплопередачи

[ редактировать ]

Проблема прогнозирования тепловой реакции наземного теплообменника (GHE) [29] Это разнообразие задействованных временных и пространственных масштабов. В теплопередаче ГТЭ задействованы четыре пространственных и восемь временных масштабов. Первым пространственным масштабом, имеющим практическое значение, является диаметр скважины (~ 0,1 м) и связанное с ним время порядка 1 часа, в течение которого существенно влияние теплоемкости закладочного материала. Вторым важным измерением пространства является половина расстояния между двумя соседними скважинами, составляющая порядка нескольких метров. Соответствующее время составляет порядка месяца, в течение которого важно тепловое взаимодействие между соседними скважинами. Самый большой космический масштаб может составлять десятки метров и более, например, половина длины скважины и горизонтальный масштаб кластера GHE. Временной масштаб равен сроку жизни ГТО (десятилетия). [30]

Кратковременная почасовая реакция температуры земли жизненно важна для анализа энергии систем геотермальных тепловых насосов, а также для их оптимального управления и эксплуатации. Напротив, долгосрочный ответ определяет общую осуществимость системы с точки зрения жизненного цикла. Обращение ко всему спектру временных масштабов требует огромных вычислительных ресурсов.

Основные вопросы, которые инженеры могут задать на ранних этапах проектирования ГТЭ: (а) какова скорость теплопередачи ГТЭ как функция времени с учетом конкретной разницы температур между циркулирующей жидкостью и землей, и (б ) какова разница температур как функция времени при заданной скорости теплообмена. На языке теплопередачи эти два вопроса, вероятно, можно выразить так:

где T f – средняя температура циркулирующей жидкости, T 0 – эффективная, невозмущенная температура грунта, q l – скорость теплопередачи ГТЭ в единицу времени на единицу длины (Вт/м), R – общее термическое 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 разлагают его исключительно на независимую от времени часть и часть, зависящую от времени, чтобы упростить анализ.

Различные модели для нестационарного и нестационарного R можно найти в ссылках. [12] [13] Кроме того, часто проводится испытание на термический отклик для проведения детерминированного анализа теплопроводности грунта с целью оптимизации размера контурного поля, особенно для крупных коммерческих объектов (например, более 10 скважин).

Сезонное хранение тепла

[ редактировать ]
Тепловой насос в сочетании с накопителем тепла и холода
Основная статья: Сезонное хранение тепловой энергии

Эффективность геотермальных тепловых насосов можно значительно повысить за счет использования сезонного хранения тепловой энергии и межсезонной теплопередачи. [31] Тепло, улавливаемое и хранимое в термобанках летом, может быть эффективно использовано зимой. Эффективность аккумулирования тепла увеличивается с увеличением масштаба, поэтому это преимущество наиболее значимо в коммерческих или централизованных системах теплоснабжения .

Геосолнечные комбисистемы использовались для обогрева и охлаждения теплицы с использованием водоносного горизонта для хранения тепла. [20] [32] Летом теплицу охлаждают холодной грунтовой водой. Это нагревает воду в водоносном горизонте, которая может стать теплым источником отопления зимой. [32] [33] Сочетание аккумулирования холода и тепла с помощью тепловых насосов можно сочетать с регулированием воды/влажности. Эти принципы используются для обеспечения возобновляемого тепла и возобновляемого охлаждения. [34] ко всем видам зданий.

Также эффективность существующих небольших тепловых насосов можно повысить за счет добавления больших, дешевых солнечных коллекторов, заполненных водой. Их можно встроить в ремонтируемую парковку, в стены или конструкции крыши, установив однодюймовые полиэтиленовые во внешний слой трубы.

Воздействие на окружающую среду

[ редактировать ]

Агентство по охране окружающей среды США (EPA) назвало геотермальные тепловые насосы наиболее энергоэффективными, экологически чистыми и экономически эффективными доступными системами кондиционирования помещений. [35] Тепловые насосы обладают значительным потенциалом сокращения выбросов, особенно там, где они используются как для отопления, так и для охлаждения, а также там, где электроэнергия производится из возобновляемых ресурсов.

GSHP обладают непревзойденной тепловой эффективностью и производят нулевые выбросы на местном уровне, но их электроснабжение включает компоненты с высоким уровнем выбросов парниковых газов, если только владелец не выбрал 100% возобновляемую энергию . Таким образом, их воздействие на окружающую среду зависит от характеристик электроснабжения и доступных альтернатив.

Ежегодная экономия парниковых газов (ПГ) за счет использования геотермального теплового насоса вместо высокоэффективной печи в отдельно стоящем доме (при условии отсутствия конкретного источника возобновляемой энергии)
Страна Электричество CO 2
Интенсивность выбросов 		Экономия парниковых газов относительно
природный газ печное топливо электрическое отопление
Канада 223 тонны/ГВтч [36] [37] [38] 2,7 тонн/год 5,3 тонны/год 3,4 тонны/год
Россия 351 тонна/ГВтч [36] [37] 1,8 тонн/год 4,4 тонны/год 5,4 тонны/год
НАС 676 тонн/ГВтч [37] −0,5 тонн/год 2,2 тонны/год 10,3 тонны/год
Китай 839 тонн/ГВтч [36] [37] −1,6 тонн/год 1,0 тонн/год 12,8 тонн/год

Экономию выбросов парниковых газов от теплового насоса по сравнению с обычной печью можно рассчитать по следующей формуле: [39]

  • HL = сезонная тепловая нагрузка ≈ 80 ГДж/год для современного отдельно стоящего дома на севере США.
  • FI = интенсивность выбросов топлива = 50 кг(CO 2 )/ГДж для природного газа, 73 для мазута, 0 для 100% возобновляемой энергии, такой как ветер, гидроэнергия, фотоэлектрическая или солнечная тепловая энергия.
  • AFUE = КПД печи ≈ 95% для современной конденсационной печи.
  • COP = коэффициент производительности теплового насоса ≈ 3,2 с учетом сезонных колебаний для теплового насоса севера США.
  • EI = интенсивность выбросов электроэнергии ≈ 200–800 тонн (CO 2 )/ГВтч, в зависимости от состава электростанций в регионе (уголь, природный газ, атомная, гидро, ветровая и солнечная энергия)

Геотермальные тепловые насосы всегда производят меньше парниковых газов, чем кондиционеры, масляные печи и электроотопление, но печи, работающие на природном газе, могут быть конкурентоспособными в зависимости от интенсивности выбросов парниковых газов в местное электроснабжение. В таких странах, как Канада и Россия, с электроэнергетической инфраструктурой с низким уровнем выбросов, домашний тепловой насос может сэкономить 5 тонн углекислого газа в год по сравнению с масляной печью, или примерно столько же, сколько средний легковой автомобиль уберет с дороги. Но в таких городах, как Пекин или Питтсбург, которые в значительной степени зависят от угля для производства электроэнергии, тепловой насос может привести к выбросам на 1 или 2 тонны больше углекислого газа, чем печь, работающая на природном газе. Однако для районов, не обслуживаемых инфраструктурой природного газа, лучшей альтернативы не существует.

Жидкости, используемые в замкнутых контурах, могут быть биоразлагаемыми и нетоксичными, но хладагентом, используемым в шкафу теплового насоса и в контурах прямого обмена, до недавнего времени был хлордифторметан , который является озоноразрушающим веществом. [26] Несмотря на свою безвредность, утечки и неправильная утилизация по окончании срока службы способствуют увеличению озоновой дыры . В новом строительстве этот хладагент постепенно заменяется озонобезопасным, но сильным парниковым газом R410A . Системы с открытым контуром (т.е. те, которые закачивают грунтовые воды, в отличие от систем с замкнутым контуром, использующих скважинный теплообменник) должны быть сбалансированы путем обратной закачки отработанной воды. Это предотвращает истощение водоносного горизонта и загрязнение почвы или поверхностных вод рассолом или другими соединениями из-под земли. [ нужна ссылка ]

Перед бурением необходимо понять подземную геологию и подготовиться к герметизации скважины, в том числе к предотвращению проникновения воды между пластами. Неудачным примером является проект геотермального отопления в Штауфен-им-Брайсгау , Германия, который, судя по всему, стал причиной значительного ущерба историческим зданиям. Сообщалось, что в 2008 году центр города поднялся на 12 см. [40] после первоначального погружения на несколько миллиметров. [41] Бурение вскрыло водоносный горизонт, находящийся под естественным давлением, и через скважину эта вода попала в слой ангидрита, который при намокании расширяется и образует гипс. Разбухание прекратится, когда ангидрит полностью прореагирует, и реконструкция центра города «нецелесообразна, пока не прекратится поднятие». К 2010 году герметизация скважины не была завершена. [42] [43] [44] К 2010 году некоторые районы города поднялись на 30 см. [45]

Экономика

[ редактировать ]

Геотермальные тепловые насосы характеризуются высокими капитальными затратами и низкими эксплуатационными расходами по сравнению с другими HVAC системами . Их общая экономическая выгода зависит, прежде всего, от относительных затрат на электроэнергию и топливо, которые сильно варьируются во времени и по всему миру. Судя по последним ценам, эксплуатационные расходы наземных тепловых насосов в настоящее время ниже, чем у любого другого традиционного источника тепла почти во всем мире. Природный газ является единственным топливом с конкурентоспособными эксплуатационными расходами, и только в нескольких странах, где он исключительно дешев или где электроэнергия исключительно дорога. [39] В целом домовладелец может сэкономить от 20% до 60% в год на коммунальных услугах, перейдя с обычной системы на систему с наземным источником энергии. [46] [47]

Капитальные затраты и срок службы системы до недавнего времени изучались гораздо меньше, а отдача от инвестиций сильно варьируется. Быстрый рост цен на системы сопровождался быстрым повышением эффективности и надежности. Известно, что капитальные затраты выигрывают от эффекта масштаба , особенно для систем с разомкнутым контуром, поэтому они более рентабельны для более крупных коммерческих зданий и более сурового климата. Первоначальная стоимость может быть в два-пять раз выше, чем у обычной системы отопления в большинстве жилых домов, новых или существующих. При модернизации на стоимость установки влияют размер жилой площади, возраст дома, характеристики изоляции, геология местности и расположение объекта недвижимости. Правильная конструкция системы воздуховодов и механический воздухообмен должны учитываться при первоначальной стоимости системы.

Срок окупаемости установки геотермального теплового насоса в частном доме
Страна Срок окупаемости замены
природный газ печное топливо электрическое отопление
Канада 13 лет 3 года 6 лет
НАС 12 лет 5 лет 4 года
Германия чистый убыток 8 лет 2 года
Примечания:
  • Сильно варьируется в зависимости от цен на энергоносители.
  • Государственные субсидии не включены.
  • Климатические различия не оценены.

Капитальные затраты могут быть компенсированы государственными субсидиями; например, Онтарио предложил 7000 долларов за бытовые системы, установленные в 2009 финансовом году. Некоторые электрические компании предлагают специальные тарифы клиентам, которые устанавливают геотермальный тепловой насос для отопления или охлаждения своего здания. [48] Если электростанции имеют большую нагрузку в летние месяцы и простаивают зимой, это увеличивает продажи электроэнергии в зимние месяцы. Тепловые насосы также снижают пиковую нагрузку летом благодаря повышению эффективности тепловых насосов, что позволяет избежать дорогостоящего строительства новых электростанций. По тем же причинам другие коммунальные компании начали платить за установку геотермальных тепловых насосов в домах потребителей. Они сдают системы в аренду своим клиентам за ежемесячную плату, что дает клиенту чистую экономию.

Срок службы системы дольше, чем у обычных систем отопления и охлаждения. Точных данных о сроке службы систем пока нет, поскольку технология слишком нова, но многие ранние системы все еще работают сегодня после 25–30 лет регулярного технического обслуживания. На большинство петлевых полей предоставляется гарантия от 25 до 50 лет, и ожидается, что они прослужат не менее 50–200 лет. [46] [49] Геотермальные тепловые насосы используют электроэнергию для отопления дома. Более высокие инвестиции по сравнению с традиционными масляными, пропановыми или электрическими системами могут окупиться за счет экономии энергии в жилых системах в США через 2–10 лет. [50] [47] [49] Срок окупаемости более крупных коммерческих систем в США составляет 1–5 лет, даже по сравнению с природным газом. [47] Кроме того, поскольку геотермальные тепловые насосы обычно не имеют наружных компрессоров или градирен, риск вандализма снижается или устраняется, что потенциально продлевает срок службы системы. [51]

Геотермальные тепловые насосы признаны одной из самых эффективных систем отопления и охлаждения на рынке. Зачастую они являются вторым наиболее экономически эффективным решением в экстремальных климатических условиях (после когенерации ), несмотря на снижение тепловой эффективности из-за температуры земли. (Земляной источник теплее в климате, где требуется сильное кондиционирование воздуха, и прохладнее в климате, где требуется сильное отопление.) Финансовая жизнеспособность этих систем зависит от адекватного размера наземных теплообменников (GHE), которые обычно вносят наибольший вклад в общие капитальные затраты на системы GSHP. [52]

Затраты на обслуживание коммерческих систем в США исторически составляли от 0,11 до 0,22 доллара за м. 2 в год в долларах 1996 года, что намного меньше, чем в среднем 0,54 доллара за м². 2 в год для обычных систем отопления, вентиляции и кондиционирования. [6]

Правительства, продвигающие возобновляемую энергетику, скорее всего, предложат стимулы для потребительского (жилого) или промышленного рынков. Например, в Соединенных Штатах стимулы предлагаются как на уровне штата, так и на федеральном уровне. [53]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ «Тепловые насосы — популярная вещь. Но для людей, живущих в многоквартирных домах, их приобретение представляет собой некоторые проблемы» .
  2. ^ Калогиру, Сотерис и Флоридес, Георгиос. (2004). Измерения температуры грунта на различных глубинах, доклад конференции 3-й Международной конференции по технологиям устойчивой энергетики, Ноттингем, Великобритания, https://www.researchgate.net/publication/30500372_Measurements_of_Ground_Temperature_at_Various_Depths https://ktisis.cut.ac.cy/bitstream/10488 /870/3/C55-PRT020-SET3.pdf. Архивировано 5 октября 2022 г. в Wayback Machine.
  3. ^ Jump up to: а б Уильямс Г. и Голд Л. Канадское зданиеДайджест 180 м 1976 г. Национальный исследовательский совет Канады, Институт исследований в области строительства. https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/ft/?id=386ddf88-fe8d-45dd-aabb-0a55be826f3f ,
  4. ^ Jump up to: а б Зогг, М. (20–22 мая 2008 г.), История тепловых насосов, вклад Швейцарии и международные вехи (PDF) , 9-я Международная конференция МЭА по тепловым насосам, Цюрих, Швейцария. {{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  5. ^ «История» . О нас . Международная ассоциация геотермальных тепловых насосов. Архивировано из оригинала 4 апреля 2009 г. Проверено 24 марта 2009 г.
  6. ^ Jump up to: а б с Блумквист, Р. Гордон (декабрь 1999 г.). «Геотермальные тепловые насосы, четыре с лишним десятилетия опыта» (PDF) . Ежеквартальный бюллетень Геотеплового центра . Том. 20, нет. 4. Климат-Фолс, Орегон: Технологический институт Орегона. стр. 13–18. ISSN   0276-1084 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 октября 2012 г. Проверено 21 марта 2009 г.
  7. ^ Гэннон, Роберт (февраль 1978 г.), «Тепловые насосы для грунтовых вод – отопление и охлаждение дома из собственного колодца» , Popular Science , vol. 212, нет. 2, Bonnier Corporation, стр. 78–82 , получено 1 ноября 2009 г.
  8. ^ Jump up to: а б Лунд, Дж.; Саннер, Б.; Рыбач Л.; Кертис, Р.; Хелльстрем, Г. (сентябрь 2004 г.). «Геотермальные (земляные) тепловые насосы: мировой обзор» (PDF) . Ежеквартальный бюллетень Геотеплового центра . Том. 25, нет. 3. Климат-Фолс, Орегон: Технологический институт Орегона. стр. 1–10. ISSN   0276-1084 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 февраля 2014 г. Проверено 21 марта 2009 г.
  9. ^ «Геотермальная энергия — энергия под нашими ногами: оценка геотермальных ресурсов в США» (PDF) . Проверено 30 марта 2011 г.
  10. ^ «Выбор системы отопления» .
  11. ^ «Жизнеспособность и проектирование GSHC – консалтинг по нулевому выбросу углерода» . Carbonzeroco.com . Архивировано из оригинала 27 марта 2015 года . Проверено 19 марта 2018 г.
  12. ^ Jump up to: а б Ли М, Лай А.К. Обзор аналитических моделей теплопередачи вертикальными наземными теплообменниками (ГГЭ): взгляд во временных и пространственных масштабах, Applied Energy 2015; 151: 178-191.
  13. ^ Jump up to: а б Хеллстрем Г. Наземное накопление тепла – термический анализ воздуховодных систем хранения I. Теория. Лунд: Лундский университет; 1991.
  14. ^ АШРАЭ. Справочник ASHRAE: Приложения HVAC. Атланта: ASHRAE, Inc; 2011.
  15. ^ Кавано С.К., Рафферти К. Геотермальные тепловые насосы: проектирование геотермальных систем для коммерческих и институциональных зданий. Атланта, Джорджия: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.; 1997.
  16. ^ Jump up to: а б «Геотермальные тепловые насосы (земные энергетические системы)» . Отопление и охлаждение с помощью теплового насоса . Министерство природных ресурсов Канады, Управление по энергоэффективности. Архивировано из оригинала 3 апреля 2009 г. Проверено 24 марта 2009 г. Примечание. Вопреки соглашениям о воздушных источниках, значения HSPF NRC выражаются в БТЕ/час/ватт. Разделите эти числа на 3,41 БТЕ/час/ватт, чтобы получить безразмерные единицы, сравнимые с COP наземного источника и HSPF воздушного источника.
  17. ^ Жесткая вода#Индексы
  18. ^ Орио, Карл Д.; Джонсон, Карл Н.; Рис, Саймон Дж.; Чиассон, А.; Дэн, Чжэн; Спитлер, Джеффри Д. (2004). «Обследование стоячих колонных скважин в Северной Америке» (PDF) . Операции ASHRAE . Том. 11, нет. 4. АШРАЭ. стр. 637–655. Архивировано из оригинала (PDF) 26 июня 2010 г. Проверено 25 марта 2009 г.
  19. ^ Эпп, Бербель (17 мая 2019 г.). «Сезонное хранение тепла в яме: ориентировочная стоимость 30 евро/м. 3 " . Solarthermalworld . Архивировано из оригинала 2 февраля 2020 года.
  20. ^ Jump up to: а б Каллесё, AJ; Вангкильде-Педерсен, Т. (ред.). «Подземное хранилище тепловой энергии (UTES)» (PDF) . Heatstore.eu . сек. 4 ПТЭС (Ямный накопитель тепловой энергии), с. 99.
  21. ^ «ИГШПА» . www.igshpa.okstate.edu. Архивировано из оригинала 3 мая 2015 года . Проверено 17 мая 2015 г.
  22. ^ «Указ Белого дома об устойчивом развитии включает геотермальные тепловые насосы» . www.geoexchange.org . Проверено 17 мая 2015 г.
  23. ^ «Энергосбережение: выбор и установка системы геотермального теплового насоса» . Apps1.eere.energy.gov. 30 декабря 2008 г. Проверено 8 июня 2009 г.
  24. ^ «Горизонтальная и вертикальная теплопроводность» . Carbonzeroco.com. 2016-03-23. Архивировано из оригинала 27 марта 2015 г. Проверено 23 марта 2016 г.
  25. ^ Геотермальные тепловые насосы . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.
  26. ^ Jump up to: а б с Рафферти, Кевин (апрель 1997 г.). «Информационный комплект выживания для будущего владельца бытового геотермального теплового насоса» (PDF) . Ежеквартальный бюллетень Геотеплового центра . Том. 18, нет. 2. Климат-Фолс, Орегон: Технологический институт Орегона. стр. 1–11. ISSN   0276-1084 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 февраля 2012 года . Проверено 21 марта 2009 г. Автор опубликовал обновленную версию заархивированную 17 февраля 2013 г. на Wayback Machine, в феврале 2001 г. этой статьи,
  27. ^ «Справочник AHRI геотермальных тепловых насосов вода-воздух» .
  28. ^ «Требования программы Energy Star для геотермальных тепловых насосов» (PDF) . Обязательства партнера . Энергетическая звезда . Проверено 24 марта 2009 г.
  29. ^ определение GHE
  30. ^ Ли М, Ли П, Чан В, Лай А.К. Полномасштабная функция температурного реагирования (G-функция) для теплопередачи скважинными наземными теплообменниками (GHE) от менее часа до десятилетий. Прикладная энергия 2014; 136: 197-205.
  31. ^ «Межсезонный теплообмен» . Icax.co.uk. ​Проверено 16 сентября 2011 г.
  32. ^ Jump up to: а б Ван Пассель, Вилли; Сурброн, Мартен; Вермлаэтсен, Филип; Лерой, Люк; Сомерс, Иван; Верхейден, Йохан; Купе, Коэн. Организация устойчивой энергетики Фландрии (ред.). Тепловые насосы для отопления дома (PDF) . п. 28. Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2009 г. Проверено 23 марта 2009 г.
  33. ^ «Схема подобной системы водоносных горизонтов с вентиляторами-регулированием» . Зоннетерп.нл. 11 ноября 2005 г. Проверено 30 марта 2011 г.
  34. ^ «Захват, хранение и выпуск возобновляемых источников охлаждения» . Icax.co.uk. ​Проверено 30 марта 2011 г.
  35. ^ Агентство по охране окружающей среды (1993). «Кондиционирование космоса: следующий рубеж - отчет 430-R-93-004». Агентство по охране окружающей среды. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  36. ^ Jump up to: а б с Европейское агентство по окружающей среде (2008). Отчет об энергетике и окружающей среде, 2008 год . Отчет ЕАОС. Том. 6/2008. Люксембург: Управление официальных публикаций Европейских сообществ. п. 83. дои : 10.2800/10548 . ISBN  978-92-9167-980-5 . ISSN   1725-9177 . Проверено 22 марта 2009 г.
  37. ^ Jump up to: а б с д Управление энергетической информации, Министерство энергетики США (2007 г.). «Добровольная отчетность о парниковых газах и коэффициентах выбросов электроэнергии» (PDF) . Проверено 22 марта 2009 г.
  38. ^ «Приложение 9» . Отчет о национальной инвентаризации за 1990–2006 годы: Источники и поглотители парниковых газов в Канаде . Правительство Канады. Май 2008 г. ISBN.  978-1-100-11176-6 . ISSN   1706-3353 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
  39. ^ Jump up to: а б Ханова, Дж; Довлатабади, Х. (9 ноября 2007 г.). «Стратегическое сокращение выбросов парниковых газов за счет использования технологии геотермальных тепловых насосов» . Письма об экологических исследованиях . Том. 2, нет. 4. Великобритания: Издательство IOP. стр. 044001 8стр. Бибкод : 2007ERL.....2d4001H . дои : 10.1088/1748-9326/2/4/044001 . ISSN   1748-9326 . Архивировано из оригинала (PDF) 6 апреля 2016 г. Проверено 22 марта 2009 г.
  40. ^ Отчет Spiegel.de о недавних геологических изменениях (на немецком языке, частичный перевод )
  41. ^ Панчевски, Боян (30 марта 2008 г.). «Геотермальный зонд затопил немецкий город» . Телеграф.co.uk . Проверено 19 марта 2018 г.
  42. ^ ФОРМАЦИЯ, А (2010). «УЩЕРБ ИСТОРИЧЕСКОМУ ГОРОДУ ШТАУФЕН (ГЕРМАНИЯ), ПРИЧИНЕННЫЙ ГЕОТЕРМАЛЬНЫМ БУРЕНИЕМ ЧЕРЕЗ АНГИДРИТСОДЕРЖАЩИЕ ФОРМАЦИИ» (PDF) . Акта Карсологика . 39 (2): 233. Архивировано из оригинала (PDF) 13 августа 2012 г.
  43. ^ Бутчер, Кристоф; Хуггенбергер, Питер; Окенталер, Адриан; Беннингер, Доминик (2010). «Одобрение геотермальных зондов с учетом риска» (PDF) . Подземные воды . 16 (1): 13–24. Бибкод : 2011Grund..16...13B . дои : 10.1007/s00767-010-0154-5 . S2CID   129598890 .
  44. ^ Гольдшайдер, Нико; Бектел, Тимоти Д. (2009). «Сообщение редакции: Жилищный кризис из-под земли — ущерб историческому городу в результате геотермального бурения через ангидрит, Штауфен, Германия» . Гидрогеологический журнал . 17 (3): 491–493. Бибкод : 2009HydJ...17..491G . дои : 10.1007/s10040-009-0458-7 .
  45. ^ badische-zeitung.de, Локалес, Брайсгау , 15 октября 2010 г., hcw: В городе Фауст нет полной ясности - трещины в Штауфене: насос, ремонт и надежда (17 октября 2010 г.)
  46. ^ Jump up to: а б «Консорциум геотермальных тепловых насосов, Inc» . Проверено 19 октября 2007 г.
  47. ^ Jump up to: а б с Лиенау, Пол Дж.; Бойд, Тоня Л.; Роджерс, Роберт Л. (апрель 1995 г.). «Примеры использования геотермальных тепловых насосов и коммунальные программы» (PDF) . Кламат-Фолс, Орегон: Гео-тепловой центр, Технологический институт Орегона. Архивировано из оригинала (PDF) 7 октября 2009 г. Проверено 26 марта 2009 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  48. ^ «Геотермальные тепловые насосы» . Столичный электрический кооператив . Архивировано из оригинала 6 декабря 2008 г. Проверено 5 октября 2008 г.
  49. ^ Jump up to: а б «Геотермальные тепловые насосы: часто задаваемые вопросы об альтернативных источниках энергии для отопления и охлаждения» . Архивировано из оригинала 3 сентября 2007 г. Проверено 19 октября 2007 г.
  50. ^ «Энергосбережение: геотермальные тепловые насосы» . Apps1.eere.energy.gov. 24 февраля 2009 г. Архивировано из оригинала 1 апреля 2009 г. Проверено 8 июня 2009 г.
  51. ^ «Преимущества системы геотермального теплового насоса» . Проверено 21 ноября 2011 г.
  52. ^ Крейг, Уильям; Гэвин, Кеннет (2018). Геотермальная энергетика, системы теплообмена и энергетические котлы . Лондон: Издательство ICE. п. 79. ИСБН  9780727763983 .
  53. ^ База данных государственных стимулов для возобновляемых источников энергии и эффективности. Архивировано 22 февраля 2008 г. в Wayback Machine . Министерство энергетики США.
[ редактировать ]
Часть серии о
Возобновляемая энергия
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ground_source_heat_pump&oldid=1231002310"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 3d38657fdadf627e134d1ecc22abc695__1719342840
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/3d/95/3d38657fdadf627e134d1ecc22abc695.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Ground source heat pump - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)