Тепловой насос наземного источника
Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено с наземных тепловых насосов )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о типе теплового насоса . Чтобы получить электроэнергию из горячих камней, см. Геотермальную энергию . Для прямого нагрева горячими камнями см. Геотермальное отопление .
Тепловой насос в сочетании с накопителем тепла и холода

Тепловой насос геотермального (также геотермальной тепловой насос ) представляет собой система отопления / охлаждения для зданий , которые используют тип теплового насоса для передачи тепла к или от земли, пользуясь относительным постоянство температуры земли в течение сезонов. Земные тепловые насосы (GSHP) - или геотермальные тепловые насосы (GHP), как их обычно называют в Северной Америке - являются одними из наиболее энергоэффективных технологий для обеспечения отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и нагрева воды с использованием гораздо меньшего количества энергии, чем можно получить за счет сжигания топлива. в котле / печи) или с помощью резистивных электронагревателей .

Эффективность выражается в виде коэффициента производительности (CoP), который обычно находится в диапазоне 3–6, что означает, что устройства обеспечивают от 3 до 6 единиц тепла на каждую единицу используемой электроэнергии. Затраты на установку выше, чем для других систем отопления, из-за необходимости устанавливать контуры заземления на больших площадях или просверливать отверстия, и по этой причине вместо них часто используются воздушные тепловые насосы .

История

Тепловой насос был описан Кельвином в 1853 году и разработан Peter Ritter фон Rittinger в 1855. Генриха Зелли запатентовал идею использования ее отвод тепла от земли в 1912 году [1]

После экспериментов с морозильной камерой Роберт К. Уэббер построил первый наземный тепловой насос с прямым обменом в конце 1940-х годов, однако источники расходятся во мнениях относительно точных сроков его изобретения [1] [2] . Первый успешный коммерческий проект был установлен в Содружество Строительство (Портленд, штат Орегон) в 1948 году, и был определен в Национальный исторический машиностроения Ориентир по ASME . [3] Профессор Карл Нильсен из Университета штата Огайо построил первую жилую версию с открытым контуром в своем доме в 1948 году. [4]

Эта технология стала популярной в Швеции в 1970-х годах в результате нефтяного кризиса 1973 года , и с тех пор ее признание во всем мире медленно растет. Системы с открытым контуром доминировали на рынке до тех пор, пока разработка полибутиленовых труб в 1979 году не сделала системы с замкнутым контуром экономически жизнеспособными. [3]

По состоянию на 2004 год во всем мире установлено более миллиона установок, обеспечивающих тепловую мощность 12 ГВт со скоростью роста 10% в год. [5] Каждый год [ когда? ] , около 80 000 единиц установлено в США [6] и 27 000 в Швеции. [5] В Финляндии геотермальный тепловой насос был наиболее распространенным выбором систем отопления для новых отдельно стоящих домов в период с 2006 по 2011 год с долей рынка, превышающей 40%. [7]

Договоренность

Внутреннее устройство

Тепловой насос жидкость-вода

Тепловой насос , который является центральным блоком , который становится нагревом и охлаждение установки для здания, поставляется в двух основных вариантах:

Тепловые насосы типа " жидкость-вода" (также называемые " вода-вода" ) представляют собой гидравлические системы, которые осуществляют отопление или охлаждение через здание по трубам к обычным радиаторам , системам теплого пола , радиаторам плинтуса и резервуарам для горячей воды . Эти тепловые насосы также предпочтительны для обогрева бассейнов. Тепловые насосы обычно эффективно нагревают воду только до 55 ° C (131 ° F), тогда как котлы обычно работают при 65–95 ° C (149–203 ° F). Размер радиаторов, предназначенных для этих более высоких температур, возможно, придется увеличить при модернизации дома. При использовании для охлаждения температура оборотной воды обычно должна поддерживаться выше точки росы. чтобы атмосферная влажность не конденсировалась на радиаторе.

Тепловые насосы типа " жидкость-воздух" (также называемые " вода-воздух" ) выдают нагнетаемый воздух и чаще всего используются для замены устаревших 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 им требуется более высокий объемный расход воздуха. При модернизации жилого помещения, возможно, придется расширить существующие воздуховоды, чтобы уменьшить шум от более высокого воздушного потока.

Наземный теплообменник

Горизонтальная петля перед засыпкой землей.

В грунтовых тепловых насосах используется грунтовый теплообменник, контактирующий с грунтом или грунтовыми водами для извлечения или рассеивания тепла. Неправильная конструкция может привести к зависанию системы через несколько лет или к очень неэффективной работе системы; таким образом, точный дизайн системы имеет решающее значение для успешной системы [8]

Трубопровод для контура заземления обычно изготавливается из полиэтиленовой трубы высокой плотности и содержит смесь воды и антифриза ( 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.

По горизонтали

Горизонтальное поле с замкнутым контуром состоит из труб, расположенных на плоскости в земле. Длинная траншея , глубже линии мороза, выкапывается, и внутри той же траншеи раскладывают U-образные или обтягивающие катушки. Мелкие горизонтальные теплообменники 3–8 футов (0,91–2,44 м) испытывают сезонные температурные циклы из-за солнечной энергии и потерь 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 отягощается 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 естественная сухая, шланги для замачивания можно закопать вместе с контуром заземления, чтобы она оставалась влажной.

Вертикальный
Бурение скважины под жилое отопление

Вертикальная система состоит из ряда скважин глубиной от 50 до 400 футов (15–122 м), снабженных U-образными трубами, по которым циркулирует теплоноситель, который поглощает (или отводит) тепло от (или к) земле. . [9] [10] Скважины расположены на расстоянии не менее 5–6 м друг от друга, а глубина зависит от грунта и характеристик здания. В качестве альтернативы трубы могут быть объединены с фундаментными сваями, используемыми для поддержки здания. Вертикальные системы полагаются на миграцию тепла из окружающей геологической среды, если они не подзаряжаются летом и в другое время, когда имеется дополнительный источник тепла. Вертикальные системы обычно используются там, где недостаточно доступной земли для горизонтальной системы.

Пары труб в отверстии соединяются с помощью U-образного поперечного соединителя на дне отверстия или состоят из двух трубок из полиэтилена высокой плотности (HDPE) малого диаметра, термически сплавленных с образованием U-образного изгиба на дне. [11] Пространство между стенкой скважины и U-образными трубами обычно полностью залито цементным материалом или, в некоторых случаях, частично заполнено грунтовыми водами. [12] Для иллюстрации, отдельно стоящему дому, которому требуется 10 кВт (3 тонны ) тепловой мощности, может потребоваться три скважины глубиной от 80 до 110 м (от 260 до 360 футов). [13]

Радиальное или направленное бурение

В качестве альтернативы рытью траншей петли можно прокладывать методом мини горизонтально-направленного бурения (мини-ГНБ). Этот метод позволяет прокладывать трубопроводы под дворами, проездами, садами или другими сооружениями, не нарушая их, с затратами между рытьем траншей и вертикальным бурением. Эта система также отличается от горизонтального и вертикального бурения, поскольку петли устанавливаются из одной центральной камеры, что дополнительно 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 грунтовых 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 со временем может загрязнять систему и требует периодической очистки кислотой. Это гораздо большая проблема для систем охлаждения, чем для систем отопления. [14] Система стоячих колонн - это специализированный тип разомкнутой системы, в которой вода забирается со дна глубокой скальной скважины, проходит через тепловой насос и возвращается в верхнюю часть скважины. [15]Во все большем числе юрисдикций запрещены системы разомкнутого цикла, дренирующие воду на поверхность, поскольку они могут осушать водоносные горизонты или загрязнять скважины. Это вынуждает использовать более экологически безопасные нагнетательные скважины или замкнутую систему.

Пруд
12-тонная система пруда опускается на дно пруда

Замкнутая петля пруда состоит из бухт трубы, похожей на обтягивающую петлю, прикрепленную к раме и расположенную на дне пруда соответствующего размера или источника воды. Искусственные водоемы используются в качестве аккумуляторов тепла (с эффективностью до 90%) в некоторых центральных солнечных отопительных установках, которые позже извлекают тепло (аналогично наземным накопителям) с помощью большого теплового насоса для обеспечения централизованного теплоснабжения . [16] [17]

Прямой обмен (DX)

Прямой обмен геотермальных тепловых насосов (DX) является самым старым типом геотермальной технологии теплового насоса , где сам хладагент проходит через петлю заземления. Этот подход, разработанный в 1980-х годах, столкнулся с проблемами, связанными с системой управления хладагентом и маслом, особенно после запрета хладагентов CFC в 1989 году, и сейчас системы DX используются нечасто. [ необходима цитата ]

Монтаж

Из-за технических знаний и оборудования, необходимых для правильного проектирования и определения размеров системы (и установки трубопроводов, если требуется плавление тепла), установка системы GSHP требует услуг профессионала. Несколько установщиков опубликовали в реальном времени обзоры производительности системы в онлайн-сообществе недавних установок в жилых помещениях. International Pump Association Ground Источник тепло ( IGSHPA ), [18] Геотермальные организации Exchange (GEO), [19] канадская GeoExchange коалиция и Геотермальная тепловой насос ассоциация поддерживать списки квалифицированных монтажников в США, Канаде и Великобритании. [20]Кроме того, подробный анализ теплопроводности грунта для горизонтальных систем и теплопроводности пласта для вертикальных систем обычно приводит к более точно спроектированным системам с более высокой эффективностью. [21]

Тепловые характеристики

Основные статьи: Коэффициент мощности и коэффициент энергетической эффективности

Эффективность охлаждения обычно выражается в единицах БТЕ / час / ватт как коэффициент энергоэффективности (EER), в то время как эффективность нагрева обычно сводится к безразмерным единицам как коэффициент производительности (COP). Коэффициент преобразования составляет 3,41 БТЕ / ч / ватт. Поскольку тепловой насос перемещает в три-пять раз больше тепловой энергии, чем потребляемая им электрическая энергия, общая выходная энергия намного больше, чем входная электрическая. Это приводит к чистому тепловому КПД более 300% по сравнению со 100% эффективностью лучистого электрического тепла. Традиционные топочные печи и электронагревателиникогда не может превышать 100% КПД. Тепловые насосы, работающие на земле, могут снизить потребление энергии - и соответствующие выбросы загрязняющих веществ - до 72% по сравнению с электрическим нагревом сопротивлением со стандартным оборудованием для кондиционирования воздуха. [22]

Эффективные компрессоры, компрессоры с регулируемой скоростью и более крупные теплообменники способствуют повышению эффективности теплового насоса. Тепловые насосы для бытовых наземных источников, представленные сегодня на рынке, имеют стандартные значения COP от 2,4 до 5,0 и EER от 10,6 до 30. [23] [24] Чтобы получить сертификат Energy Star , тепловые насосы должны соответствовать определенным минимальным рейтингам COP и EER, которые зависят от типа грунтового теплообменника. Для систем с замкнутым контуром КПД нагрева по ISO 13256-1 должен быть 3,3 или больше, а EER охлаждения должен быть 14,1 или больше. [25]

Стандарты ARI 210 и 240 определяют сезонный коэффициент энергоэффективности (SEER) и сезонные коэффициенты эффективности отопления (HSPF) для учета влияния сезонных колебаний на тепловые насосы с воздушным источником. Эти числа обычно неприменимы, и их не следует сравнивать с номинальными характеристиками теплового насоса, работающего на земле. Однако Управление природных ресурсов Канады адаптировало этот подход для расчета типичных сезонно скорректированных HSPF для грунтовых тепловых насосов в Канаде. [13] NRC HSPF колеблется 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 недавно и Международной организацией по стандартизации было установлено несколько стандартных условий испытаний.. 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 были предназначены для тепловых насосов с открытым контуром и заземлением и включают два набора рейтингов для температур грунтовых вод: 10 ° C (50 ° F) и 21 ° C (70 ° F). ARI 325 выделяет больше электроэнергии для перекачки 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. ASHRAEперешел на ISO 13256-1 в 2001 году, который заменяет ARI 320, 325 и 330. Новый стандарт ISO дает несколько более высокие рейтинги, потому что он больше не требует электричества для водяных насосов. [23]

В почве без искусственного добавления или отвода тепла на глубине несколько метров и более сохраняется относительно постоянная температура 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. Поскольку эта температура остается более постоянной, чем температура воздуха в течение всего сезона, наземные тепловые насосы работают с гораздо большей эффективностью при экстремальных температурах воздуха, чем кондиционеры и воздушные тепловые насосы.

Анализ теплопередачи

Проблема в прогнозировании теплового отклика грунтового теплообменника (GHE) [26]- это разнообразие задействованных временных и пространственных масштабов. Четыре пространственных шкалы и восемь временных шкал участвуют в теплопередаче GHE. Первым пространственным масштабом, имеющим практическое значение, является диаметр ствола скважины (~ 0,1 м), и связанное с ним время составляет порядка 1 часа, в течение которого влияние теплоемкости материала обратной засыпки является значительным. Второе важное пространственное измерение - это половина расстояния между двумя соседними скважинами, которая составляет 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, полудлина скважины и горизонтальный масштаб скопления GHE. Используемый временной масштаб равен сроку службы GHE (десятилетия).[27]

Кратковременная почасовая температурная реакция грунта жизненно важна для анализа энергии систем тепловых насосов с грунтовым источником и для их оптимального управления и работы. Напротив, долгосрочное реагирование 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 GHE: (а) какова скорость теплопередачи GHE как функция времени, учитывая конкретную разницу температур между циркулирующей жидкостью и землей, и (b ) какова разница температур как функция времени при требуемой скорости теплообмена. На языке теплопередачи эти два вопроса, вероятно, можно выразить следующим образом:

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

Различные модели для не зависящего от времени и зависящего от времени R можно найти в справочных материалах. [9] [10] Кроме того, часто выполняется тест теплового отклика для детерминированного анализа теплопроводности грунта с целью оптимизации размера кольцевого поля, особенно для крупных коммерческих площадок (например, более 10 скважин).

Сезонное хранение тепла

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 накопления тепловой энергии и межсезонной передачи тепла. [28] Тепло, улавливаемое и сохраняемое в термальных банках летом, может быть эффективно извлечено зимой. Эффективность аккумулирования тепла увеличивается с увеличением масштаба, поэтому это преимущество наиболее существенно в коммерческих или централизованных системах отопления .

Комбисистемы Geosolar использовались для обогрева и охлаждения теплицы с использованием водоносного горизонта для хранения тепла. [17] [29] Летом теплицу охлаждают холодной грунтовой водой. Это нагревает воду в водоносном горизонте, которая может стать источником тепла для обогрева зимой. [29] [30] Комбинацию аккумулирования холода и тепла с тепловыми насосами можно комбинировать с регулированием воды / влажности. Эти принципы используются для обеспечения возобновляемым теплом и возобновляемым охлаждением [31] для всех типов зданий.

Также эффективность существующих небольших тепловых насосов может быть повышена за счет добавления больших, дешевых, заполненных водой солнечных коллекторов. Они могут быть встроены в ремонтируемую автостоянку или в стены или конструкции крыши путем установки однодюймовых полиэтиленовых труб во внешний слой.

Воздействие на окружающую среду

Агентство по охране окружающей среды США (EPA) назвало наземные тепловые насосы наиболее энергоэффективными, экологически чистыми и экономичными системами кондиционирования помещений. [32] Тепловые насосы обладают значительным потенциалом сокращения выбросов, особенно там, где они используются как для отопления, так и для охлаждения, и где электроэнергия производится из возобновляемых источников.

GSHP обладают 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% возобновляемые источники энергии . Следовательно, их воздействие на окружающую среду зависит от характеристик электроснабжения и имеющихся альтернатив.

Ежегодная экономия парниковых газов (ПГ) от использования геотермального теплового насоса вместо высокоэффективной печи в отдельно стоящем жилом доме (при условии отсутствия конкретных поставок возобновляемой энергии)
СтранаЭлектричество Интенсивность выбросов CO 2
Экономия парниковых газов относительно
натуральный газтопочный мазутэлектрическое отопление
Канада223 тонны / ГВтч [33] [34] [35]2,7 т / год5,3 т / год3,4 т / год
Россия351 тонна / ГВтч [33] [34]1,8 т / год4,4 т / год5,4 т / год
нас676 тонн / ГВтч [34]−0,5 т / год2,2 т / год10,3 т / год
Китай839 тонн / ГВтч [33] [34]-1,6 т / год1,0 т / год12,8 т / год

Экономию выбросов парниковых газов от теплового насоса по сравнению с обычной печью можно рассчитать по следующей формуле: [36]

  • HL = сезонная тепловая нагрузка ≈ 80 ГДж / год для современного особняка на севере США.
  • FI = интенсивность выбросов топлива = 50 кг (CO 2 ) / ГДж для природного газа, 73 для мазута, 0 для 100% возобновляемых источников энергии, таких как ветер, гидро-, фотоэлектрические или солнечные тепловые.
  • AFUE = КПД печи ≈ 95% для современной конденсационной печи
  • COP = коэффициент полезного действия теплового насоса ≈ 3,2 с учетом сезонных колебаний для теплового насоса северной части США.
  • EI = интенсивность выбросов электроэнергии ≈ 200–800 тонн (CO 2 ) / ГВтч, в зависимости от структуры электростанций в регионе (уголь против природного газа против атомной, гидро-, ветровой и солнечной)

Наземные тепловые насосы всегда производят меньше парниковых газов, чем кондиционеры, масляные печи и электрическое отопление, но печи на природном газе могут быть конкурентоспособными в зависимости от интенсивности выбросов парниковых газов в местном электроснабжении. В таких странах, как Канада и Россия, с инфраструктурой электричества с низким уровнем выбросов, бытовой тепловой насос может сэкономить 5 тонн углекислого газа в год по сравнению с масляной печью, или примерно столько же, сколько убрать с дороги средний легковой автомобиль. Но в таких городах, как Пекин или Питтсбург, которые сильно зависят от угля для производства электроэнергии, тепловой насос может привести к выбросам углекислого газа на 1-2 тонны больше, чем печь на природном газе. Однако для районов, не обслуживаемых инфраструктурой коммунального 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. [23] 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 озонобезопасным, но сильнодействующим парниковым газом R410A . EcoCute водонагреватель представляет собой тепловой насос с воздушным источником , который использует углекислый газ в качестве его рабочего текучей среды вместо хлорфторуглеродов . [ необходима цитата] Системы с разомкнутым контуром (т.е. те, которые используют грунтовые воды в отличие от систем с замкнутым контуром, использующих скважинный теплообменник) необходимо уравновесить путем повторного закачки отработанной воды. Это предотвращает истощение водоносного горизонта и загрязнение почвы или поверхностных вод рассолом или другими соединениями из-под земли. [ необходима цитата ]

Перед бурением необходимо понять подземную геологию, и бурильщики должны быть готовы к герметизации ствола скважины, включая предотвращение проникновения воды между пластами. Прискорбным примером является проект геотермального отопления в Штауфен-им-Брайсгау , Германия, который, по всей видимости, нанес значительный ущерб историческим зданиям там. В 2008 году сообщалось, что центр города поднялся на 12 см [37] после первоначального опускания на несколько миллиметров. [38] Бурение проходило через водоносный горизонт с естественным давлением, и через ствол скважины эта вода попадала в слой ангидрита, который при намокании расширяется, образуя гипс. Набухание прекратится, когда ангидрит полностью прореагирует, и реконструкция центра города «нецелесообразна, пока не прекратится поднятие». К 2010 году герметизация скважины не была завершена. [39] [40] [41] К 2010 году некоторые районы города выросли на 30 см. [42]

Экономика

Геотермальные тепловые насосы характеризуются высокими капитальными затратами и низкими эксплуатационными расходами по сравнению с другими системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха . Их общая экономическая выгода зависит в первую очередь от относительных затрат на электроэнергию и топливо, которые сильно меняются во времени и по всему миру. Исходя из недавних цен, тепловые насосы с грунтовым источником в настоящее время имеют более низкие эксплуатационные расходы, чем любой другой традиционный источник тепла почти во всем мире. Природный газ - единственное топливо с конкурентоспособными эксплуатационными затратами, и только в нескольких странах, где он исключительно дешев или где электричество чрезвычайно дорого. [36] В общем, домовладелец может сэкономить от 20% до 60% в год на коммунальных услугах, переключившись с обычной системы на наземную. [43][44]

До недавнего времени капитальные затраты и срок службы системы изучались гораздо реже, а окупаемость инвестиций сильно варьируется. Самые последние данные анализа стимулирующих выплат за 2011–2012 гг. В штате Мэриленд показали, что средняя стоимость бытовых систем составляет 1,90 долл. США за ватт, или около 26 700 долл. США за типичную домашнюю систему (4 тонны / 14 кВт). [45] Более раннее исследование показало, что общая стоимость установки системы с тепловой мощностью 10 кВт (3 тонны) для отдельного сельского дома в США в среднем составляла 8000–9000 долларов в долларах США 1995 года. [46] Более поздние исследования показали, что средняя стоимость системы такого же размера в 2008 году составила 14 000 долларов США. [47] [48] Министерство энергетики США оценивает цену в 7500 долларов на своем веб-сайте, последнее обновление было сделано в 2008 году.[49] Один источник в Канаде назвал цены в диапазоне от 30 000 до 34 000 канадских долларов. [50]Быстрый рост стоимости системы сопровождался быстрым повышением эффективности и надежности. Известно, что капитальные затраты увеличиваются за счет экономии на масштабе, особенно для систем с разомкнутым контуром, поэтому они более рентабельны для больших коммерческих зданий и более суровых климатических условий. Первоначальная стоимость может быть в два-пять раз больше, чем обычная система отопления в большинстве жилых помещений, новых или существующих. При модернизации стоимость установки зависит от размера жилой площади, возраста дома, характеристик изоляции, геологии местности и местоположения собственности. Правильная конструкция системы воздуховодов и механический воздухообмен должны учитываться при первоначальной стоимости системы.

Срок окупаемости установки геотермального теплового насоса в особняке
СтранаСрок окупаемости замены
натуральный газтопочный мазутэлектрическое отопление
Канада13 лет3 года6 лет
нас12 лет5 лет4 года
Германияпотеря сети8 лет2 года

Примечания:

  • Сильно зависит от цен на энергоносители.
  • Государственные субсидии не включены.
  • Климатические различия не оцениваются.

Капитальные затраты могут быть компенсированы за счет государственных субсидий; например, Онтарио предложил 7000 долларов за бытовые системы, установленные в 2009 финансовом году. Некоторые электрические компании предлагают специальные тарифы для клиентов, которые устанавливают геотермальный тепловой насос для отопления или охлаждения своего здания. [51]Там, где электрические станции имеют большие нагрузки в летние месяцы и простаивают зимой, это увеличивает продажи электроэнергии в зимние месяцы. Тепловые насосы также снижают пиковую нагрузку летом за счет повышения эффективности тепловых насосов, что позволяет избежать дорогостоящего строительства новых электростанций. По тем же причинам другие коммунальные компании начали оплачивать установку геотермальных тепловых насосов в домах потребителей. Они сдают системы своим клиентам за ежемесячную плату, что дает клиенту 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 технология слишком недавняя, но многие ранние системы все еще работают сегодня после 25–30 лет с регулярным обслуживанием. Гарантия на большинство кольцевых полей составляет от 25 до 50 лет, и предполагается, что срок ее службы составляет не менее 50–200 лет. [43] [52] Земляные тепловые насосы используют электричество для отопления дома. Более высокие капиталовложения по сравнению с обычными масляными, пропановыми или электрическими системами могут окупиться за счет экономии энергии через 2–10 лет для жилых систем в США. [53] [44] [52]По сравнению с системами, работающими на природном газе, срок окупаемости может быть намного дольше или вообще отсутствовать. Срок окупаемости более крупных коммерческих систем в США составляет 1–5 лет, даже по сравнению с природным газом. [44] Кроме того, поскольку геотермальные тепловые насосы обычно не имеют наружных компрессоров или градирен, риск вандализма снижается или устраняется, что потенциально увеличивает срок службы системы. [54]

Земляные тепловые насосы признаны одной из самых эффективных систем отопления и охлаждения на рынке. Они часто являются вторым по рентабельности решением в экстремальных климатических условиях (после когенерации ), несмотря на снижение теплового КПД из-за температуры грунта. (Подземный источник более теплый в климате, который требует сильного кондиционирования воздуха, и более прохладный в климате, который требует сильного отопления.) Финансовая жизнеспособность этих систем зависит от надлежащего размера грунтовых теплообменников (GHE), которые обычно вносят наибольший вклад в общие капитальные затраты на системы GSHP. [55]

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 м 2 в год для обычных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. [3]

Правительства, продвигающие возобновляемые источники энергии, скорее всего, будут предлагать стимулы для потребительских (жилых) или промышленных рынков. Например, в США льготы предлагаются как на уровне штата, так и на федеральном уровне. [56] В Соединенном Королевстве программа вознаграждения за возобновляемое тепло обеспечивает финансовый стимул для производства возобновляемого тепла на основе показаний счетчиков на ежегодной основе в течение 20 лет для коммерческих зданий. Внутренняя программа поощрения использования возобновляемых источников тепла должна быть введена весной 2014 года [57] сроком на семь лет и будет основана на условной тепловой энергии.

Смотрите также

  • Теплообменник с заземлением
  • Солнечное тепловое охлаждение
  • Возобновляемое тепло
  • Международная ассоциация наземных тепловых насосов
  • Глоссарий геотермального отопления и охлаждения
  • Единый механический код

использованная литература

  1. ^ a b Зогг, М. (20–22 мая 2008 г.), История тепловых насосов, вклад Швейцарии и международные вехи (PDF) , 9-я Международная конференция по тепловым насосам МЭА, Цюрих, Швейцария
  2. ^ «История» . О нас . Международная ассоциация наземных тепловых насосов. Архивировано из оригинала на 2009-04-04 . Проверено 24 марта 2009 .
  3. ^ a b c Блумквист, Р. Гордон (декабрь 1999 г.). «Геотермальные тепловые насосы, плюс четыре десятилетия опыта» (PDF) . Ежеквартальный вестник Гео-Теплового центра . 20 (4). Клмат-Фолс, Орегон: Технологический институт Орегона. С. 13–18. ISSN 0276-1084 . Проверено 21 марта 2009 .  
  4. ↑ Ганнон, Роберт (февраль 1978 г.), «Тепловые насосы для грунтовых вод - домашнее отопление и охлаждение из вашей собственной скважины» , Popular Science , Bonnier Corporation, 212 (2), стр. 78–82 , извлечено 01 ноября 2009 г.
  5. ^ a b Lund, J .; Sanner, B .; Рыбач, Л .; Curtis, R .; Хеллстрём, Г. (сентябрь 2004 г.). «Геотермальные (наземные) тепловые насосы, мировой обзор» (PDF) . Ежеквартальный вестник Гео-Теплового центра . 25 (3). Клмат-Фолс, Орегон: Технологический институт Орегона. С. 1–10. ISSN 0276-1084 . Проверено 21 марта 2009 .  
  6. ^ «Геотермальная энергия - энергия под нашими ногами: оценка геотермальных ресурсов для Соединенных Штатов» (PDF) . Проверено 30 марта 2011 .
  7. ^ «Выбор системы отопления» .
  8. ^ "Жизнеспособность и дизайн GSHC - Консультации по нулевому выбросу углерода" . carbonzeroco.com . Проверено 19 марта 2018 .
  9. ^ a b Li M, Lai ACK. Обзор аналитических моделей теплопередачи с помощью вертикальных грунтовых теплообменников (GHE): перспектива во времени и пространстве, Applied Energy 2015; 151: 178-191.
  10. ^ a b Hellstrom G. Накопление тепла на земле - термический анализ канальных аккумуляторов I. Теория. Лунд: Лундский университет; 1991 г.
  11. ^ ASHRAE. Справочник ASHRAE: приложения HVAC. Атланта: ASHRAE, Inc; 2011 г.
  12. ^ Кавано С.К., Рафферти К. Земные тепловые насосы: Проектирование геотермальных систем для коммерческих и институциональных зданий. Атланта, Джорджия: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.; 1997 г.
  13. ^ a b «Тепловые насосы с наземным источником (системы энергии Земли)» . Отопление и охлаждение с помощью теплового насоса . Министерство природных ресурсов Канады, Управление энергоэффективности. Архивировано из оригинала на 2009-04-03 . Проверено 24 марта 2009 .Примечание: вопреки соглашениям об источниках воздуха, значения HSPF NRC выражаются в единицах БТЕ / час / ватт. Разделите эти числа на 3,41 БТЕ / ч / ватт, чтобы получить безразмерные единицы, сопоставимые с COP для наземных источников и HSPF для воздушных источников.
  14. ^ Жесткая вода # Показатели
  15. ^ Орио, Карл Д .; Джонсон, Карл Н .; Рис, Саймон Дж .; Chiasson, A .; Дэн, Чжэн; Спитлер, Джеффри Д. (2004). «Обзор установок скважин с стоячими колоннами в Северной Америке» (PDF) . Транзакции ASHRAE . 11 (4). ASHRAE. С. 637–655. Архивировано из оригинального (PDF) 26 июня 2010 года . Проверено 25 марта 2009 .
  16. ^ Эпп, Baerbel (17 мая 2019). «Сезонное ямовое хранение тепла: ориентир стоимости 30 евро / м 3 » . Solarthermalworld . Архивировано 2 февраля 2020 года.
  17. ^ a b Kallesøe, AJ & Vangkilde-Pedersen, T. "Подземный накопитель тепловой энергии (UTES) - 4 PTES (накопитель тепловой энергии карьера), 10 МБ" (PDF) . www.heatstore.eu . п. 99. CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ «ИГШПА» . www.igshpa.okstate.edu. Архивировано из оригинала 3 мая 2015 года . Дата обращения 17 мая 2015 .
  19. ^ "Исполнительный приказ Белого дома об устойчивости включает геотермальные тепловые насосы" . www.geoexchange.org . Дата обращения 17 мая 2015 .
  20. ^ «Энергосберегающие: выбор и установка системы геотермального теплового насоса» . Apps1.eere.energy.gov. 2008-12-30 . Проверено 8 июня 2009 .
  21. ^ "Горизонтальная и вертикальная теплопроводность" . Carbonzeroco.com. 2016-03-23 . Проверено 23 марта 2016 .
  22. ^ Геотермальные тепловые насосы . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.
  23. ^ a b c Рафферти, Кевин (апрель 1997 г.). «Информационный комплект для выживания будущего владельца геотермального теплового насоса» (PDF) . Ежеквартальный вестник Гео-Теплового центра . 18 (2). Клмат-Фолс, Орегон: Технологический институт Орегона. С. 1–11. ISSN 0276-1084 . Архивировано из оригинального (PDF) 17 февраля 2012 года . Проверено 21 марта 2009 .   В феврале 2001 г. автор опубликовал обновленную версию этой статьи.
  24. ^ "Справочник AHRI геотермальных тепловых насосов вода-воздух" .
  25. ^ «Требования программы Energy Star для геотермальных тепловых насосов» (PDF) . Обязательства партнеров . Energy Star . Проверено 24 марта 2009 .
  26. ^ определение GHE
  27. ^ Ли М, Ли П, Чан В, Лай ACK. Полномасштабная функция температурного отклика (G-функция) для передачи тепла скважинными грунтовыми теплообменниками (GHE) от менее часа до нескольких десятилетий. Appl Energy 2014; 136: 197-205.
  28. ^ «Межсезонная передача тепла» . Icax.co.uk . Проверено 16 сентября 2011 .
  29. ^ a b Ван Пассель, Вилли; Сурброн, Маартен; Verplaetsen, Filip; Лерой, Люк; Сомерс, Иван; Верхейден, Йохан; Купе, Коэн. Организация для Duurzame Energie Vlaanderen (ред.). Теплый компресс для согревания (PDF) . п. 28. Архивировано из оригинального (PDF) 18 марта 2009 года . Проверено 23 марта 2009 .
  30. ^ «Схема подобной системы водоносных горизонтов с вентиляторным регулированием» . Zonneterp.nl. 2005-11-11 . Проверено 30 марта 2011 .
  31. ^ «Захват, хранение и выпуск возобновляемого охлаждения» . Icax.co.uk . Проверено 30 марта 2011 .
  32. ^ Агентство по охране окружающей среды (1993). «Кондиционирование космоса: следующий рубеж - отчет 430-R-93-004». EPA. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  33. ^ a b c Европейское агентство по окружающей среде (2008). Отчет об энергетике и окружающей среде за 2008 год . Отчет ЕАОС. № 6/2008. Люксембург: Офис официальных публикаций Европейских сообществ. п. 83. DOI : 10,2800 / 10548 . ISBN 978-92-9167-980-5. ISSN  1725-9177 . Проверено 22 марта 2009 .
  34. ^ a b c d Управление энергетической информации Министерства энергетики США (2007). «Добровольная отчетность о парниковых газах и коэффициентах выбросов электроэнергии» (PDF) . Проверено 22 марта 2009 .
  35. ^ «Приложение 9» . Национальный отчет о кадастрах за 1990–2006 гг .: Источники и поглотители парниковых газов в Канаде . Кадастр парниковых газов Канады . Правительство Канады. Май 2008 г. ISBN 978-1-100-11176-6. ISSN  1706-3353 .
  36. ^ а б Ханова, Дж; Dowlatabadi, H (9 ноября 2007 г.). «Стратегическое сокращение выбросов парниковых газов за счет использования технологии тепловых насосов с использованием грунтовых источников» (PDF) . Письма об экологических исследованиях . 2 . Великобритания: Издательство IOP. 044001 8 стр. Bibcode : 2007ERL ..... 2d4001H . DOI : 10.1088 / 1748-9326 / 2/4/044001 . ISSN 1748-9326 . Проверено 22 марта 2009 .  
  37. ^ Отчет Spiegel.de о последних геологических изменениях (на немецком языке, частичный перевод )
  38. ^ Pancevski, Боян (30 марта 2008). «Геотермальный зонд тонет в немецком городе» . Проверено 19 марта 2018 г. - через www.telegraph.co.uk.
  39. ^ FORMACIJE, A (2010). «ПОВРЕЖДЕНИЕ ИСТОРИЧЕСКОГО ГОРОДА ШТАУФЕН (ГЕРМАНИЯ), ВЫЗВАННОЕ ГЕОТЕРМИЧЕСКИМ БУРЕНИЕМ ЧЕРЕЗ АНГИДРИТОВЫЕ ОБОРУДОВАНИЯ» (PDF) . Acta Carsologica . 39 (2): 233. Архивировано из оригинального (PDF) 13 августа 2012 года.
  40. ^ Бутшер, Кристоф; Хуггенбергер, Питер; Окенталер, Адриан; Беннингер, Доминик (2010). "Risikoorientierte Bewilligung von Erdwärmesonden" (PDF) . Грундвассер . 16 : 13–24. Bibcode : 2011Grund..16 ... 13B . DOI : 10.1007 / s00767-010-0154-5 .
  41. ^ Goldscheider, Нико; Бехтель, Тимоти Д. (2009). «Сообщение редакции: жилищный кризис из-под земли - повреждение исторического города из-за геотермальных бурений в ангидрите, Штауфен, Германия» . Гидрогеологический журнал . 17 (3): 491–493. Bibcode : 2009HydJ ... 17..491G . DOI : 10.1007 / s10040-009-0458-7 .
  42. ^ badische-zeitung.de, Lokales, Breisgau , 15 октября 2010 г., hcw: Keine Entwarnung in der Fauststadt - Risse in Staufen: Pumpen, reparieren und hoffen (17 октября 2010 г.)
  43. ^ a b «Консорциум геотермальных тепловых насосов, Inc.» . Проверено 19 октября 2007 .
  44. ^ a b c Lienau, Paul J .; Бойд, Тоня Л .; Роджерс, Роберт Л. (апрель 1995 г.). «Примеры использования наземных тепловых насосов и коммунальные программы» (PDF) . Кламат-Фолс, штат Орегон: Центр геотермального тепла, Технологический институт Орегона . Проверено 26 марта 2009 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  45. ^ "OpenThermal.org анализ геотермальных стимулирующих платежей в штате Мэриленд" . OpenThermal.org . Дата обращения 17 мая 2015 .
  46. ^ Кавано, Стив; Гилбрит, Кристофер (декабрь 1995 г.). Джозеф Килпатрик (ред.). Сдерживание затрат на тепловые насосы с грунтовым источником (PDF) (под ред. Заключительного отчета) . Проверено 24 марта 2009 .
  47. ^ Каммингс, Пол (июнь 2008 г.). «Скидка на геотермальные тепловые насосы для жилых помещений в Индиане, обзор программы» (PDF) . Управление развития энергетики и обороны штата Индиана . Проверено 24 марта 2009 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  48. ^ Хьюз, П. (2008). «Геотермальные (наземные) тепловые насосы: состояние рынка, препятствия для внедрения и действия по преодолению препятствий» . Национальная лаборатория Окриджа. DOI : 10.2172 / 948543 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  49. ^ «Энергосберегающие: выбор и установка системы геотермального теплового насоса» . Energysavers.gov. 2008-12-30 . Проверено 8 июня 2009 .
  50. ^ RETscreen International, изд. (2005). «Анализ проекта наземного теплового насоса» . Анализ проекта чистой энергии: RETscreen Engineering & Cases учебник . Природные ресурсы Канады. ISBN 978-0-662-39150-0. Каталожный номер: M39-110 / 2005E-PDF . Проверено 20 апреля 2009 .
  51. ^ «Геотермальные тепловые насосы» . Столичный электрический кооператив . Архивировано из оригинала на 2008-12-06 . Проверено 5 октября 2008 .
  52. ^ a b «Геотермальные тепловые насосы: часто задаваемые вопросы по отоплению и охлаждению с использованием альтернативных источников энергии» . Архивировано из оригинала на 2007-09-03 . Проверено 19 октября 2007 .
  53. ^ «Энергосберегающие: геотермальные тепловые насосы» . Apps1.eere.energy.gov. 2009-02-24 . Проверено 8 июня 2009 .
  54. ^ «Преимущества геотермальной системы теплового насоса» . Проверено 21 ноября 2011 .
  55. ^ Крейг, Уильям; Гэвин, Кеннет (2018). Геотермальная энергия, системы теплообмена и энергетические сваи . Лондон: ICE Publishing. п. 79. ISBN 9780727763983.
  56. ^ База данных государственных стимулов для возобновляемых источников энергии и эффективности, заархивированная 22 февраля 2008 г. на Wayback Machine . Министерство энергетики США.
  57. ^ «Политика правительства с 2010 по 2015 год: низкоуглеродные технологии» . www.gov.uk . Дата обращения 17 мая 2015 .

внешние ссылки

  • Геотермальные тепловые насосы ( EERE / USDOE ).
  • Расчет стоимости
  • Консорциум геотермальных тепловых насосов
  • Международная ассоциация наземных тепловых насосов
  • Ассоциация наземных тепловых насосов (GSHPA)
Часть серии о
Возобновляемая энергия
  • Биотопливо
  • Биомасса
  • Биогаз
  • Геотермальный
  • Гидроэнергетика
  • Солнечная энергия
  • Приливная сила
  • Мощность волны
  • Ветровая энергия
  • Темы по странам
  • Маркетинговые и политические тенденции
  • v
  • т
  • е
Источник « https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ground_source_heat_pump&oldid=1034260695 »
Contribute a better translation