Цель работы: расширить знания в области геотермальной энергетики и отопления с использованием тепловых насосов, сбор и анализ данных о применении геотермального отопления и тепловых насосов, выявить положительные и отрицательные факторы сопряженные с применением тепловых насосов.
Актуальность применения тепловых насосов на сегодняшний день обусловлена множеством факторов, однако наиболее весомыми являются удорожание всех видов топлива, доступных потребителю, при этом интерес к системам отопления с использованием геотермальных установок в России возрастает, так как на большей части территории страны применение солнечных коллекторов и ветряков является недостаточно эффективным, за исключением южной части, привлекательных для применения солнечных коллекторов и приморья, привлекательных для использования ветряков. Таким образом наиболее широко применимым источником альтернативной энергии является тепловой насос, которое возможно в большей части России с достаточной и необходимой эффективностью для полного или частичного удовлетворения потребностей потребителя [1, с.54].
В процессе проектирования и строительства частного дома имеется возможность экономии на отоплении, если воспользоваться геотермальной энергией. Геотермальное отопление – это отопление с использованием природного источника тепла, принцип работы системы геотермального отопления схож с работой холодильной установки, с одним лишь отличием – рефрижератор холодильника отводит тепловую энергию от рассматриваемого объекта, а тепловой насос подводит тепловую энергию. Геотермальное отопление имеет довольно простой принцип действия: Вблизи объекта отопления или непосредственно в нем устанавливается тепловой насос, к которому присоединено два контура: один контур отопления здания, другой – контур отбирающий грунта, воды или воздуха в зависимости от типа теплового насоса. В самом тепловом насосе реализуется трансформация низкопотенциальной тепловой энергии в тепловую энергию более высокого потенциала с использованием энергии сжатия и дросселирования промежуточного низкокипящего теплоносителя в контуре теплового насоса. Полученная тепловая энергия может быть использована потребителем для нужд отопления и горячего водоснабжения дома. Тепловой насос сохраняет свою работоспособность даже при низких температурах, при этом он способен обеспечивать 80% энергии необходимой для обогрева дома и подогрева воды, получая ее из окружающей среды. Такая энергия является дешевой, так как расходы на отопление формируются лишь из счетов за электроэнергию, потребляемую тепловым насосом для его работы [2, с. 75].
На сегодняшний день геотермальный тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающей системой для нужд отопления и кондиционирования.
Цель работы: расширить знания в области систем отопления с использованием геотермальных тепловых насосов, а также сбор и анализ данных о геотермальном отоплении и тепловых насосах, выявить положительные и отрицательные аспекты применения тепловых насосов.
Задачи исследования:
- Изучить и систематизировать материалы из различных источников (научная литература, периодическая печать, Интернет), освещающие вопросы о геотермальном отоплении;
- Собрать сведения об истории создания и применения теплового насоса, его устройстве и принципах работы, а также виды тепловых насосов в том числе с использованием в качестве источника энергию воздуха, воды и грунта;
- Провести анализ вопроса экологической безопасности геотермального отопления и тепловых насосов, преимущества и недостатки их применения с точки зрения безопасности.
Актуальность данного исследования обусловлена ростом спроса современного потребителя на источники нетрадиционной энергии особенно в сфере частного жилого строительства, при этом наибольший интерес представляют системы отопления с использованием геотермальной энергии, данная тенденция связана в первую очередь с тем, что имеет место прогрессирующий рост цен на различные энергоносители. Однако, как и любая отопительная система, геотермальное отопление имеет свои достоинства и недостатки [3, с. 42].
К системам геотермального отопления и тепловым насосам предъявляются определенные требования, они должны удовлетворять следующим требованиям:
— экологичность;
‑ общедоступность, безопасность и неисчерпаемость;
— высокий КПД.
Преимуществами геотермального отопления являются следующие аспекты:
‑ неиссякаемая энергия для нужд отопления;
‑ отсутствие риска возгорания;
‑ не требуется транспортировка и складирование топлива;
‑ экологичность и безопасность;
‑ автономность системы;
‑ высокая эффективность и производительность [4, с. 302].
Отопление с помощью тепла земли впервые было реализовано в конце 80-х годов в США. Такие системы изначально были доступны лишь состоятельному сегменту общества, однако в скором времени система стала значительно более дешевой, и обрела широкое распространение среди владельцев частных домов. В Европе статистика начала 2000-х годов показала, что лишь 12 миллионов граждан использовали геотермальные системы отопления, однако с течением времени число пользователей таких систем лишь росло и до сих пор продолжает расти. Отопление за счет использования энергии земли является удобным, экономичным и безопасным, учитывая специфику его работы, оно удачно сочетается с системами отопления «теплый пол», использование такой отопительной систем (рис.1), позволяет равномерно распределить тепловую энергию по всем помещениям, отапливаемого объекта [5, с. 514].
Рис. 1 Системы геотермального отопления
Главным элементом системы геотермального отопления является тепловой насос.
По типу используемого вида рассеянного тепла различают тепловые насосы (рис.2):
‑ грунт-вода (используют закрытые грунтовые контуры или глубокие геотермальные зонды и водяную систему отопления помещения);
‑ вода-вода (используют открытые скважины для забора и сброса грунтовых вод — внешний контур не закольцованный, внутренняя система отопления — водяная);
‑ вода-воздух (использование внешних водяных контуров и системы отопления воздушного типа); тепловой насос воздух-воздух (использование рассеянного тепла внешних воздушных масс в комплекте с воздушной системой отопления дома).
Рис. 2 Виды геотермальных тепловых насосов
Главное отличие теплового насоса от других источников тепловой энергии, например таких как, электрический, газовых или дизельный котел, заключается главным образом в том, что при генерации тепла вплоть до 80% энергии извлекается из окружающей среды.
Преимуществом тепловых насосов является высокая экономичность — для выработки одного киловатта тепловой энергии тепловой насос затрачивает не более 350 ватт электрической энергии, сравнивая заметим, что КПД традиционной электростанции не превышает 50%.
Системы отопления с применением теплового насоса преимущественно работают в автоматическом режиме, эксплуатационные, это позволяет снизить затраты в период ее эксплуатации до минимума, остается лишь необходимость оплаты электроэнергии для работы компрессора и насосов в составе системы. Размеры агрегата теплового насоса не превышают габариты бытового холодильника, уровень шума его при работе также не превышает аналогичный параметр бытовой холодильной установки [6, с. 18].
Еще одним, немаловажной особенность является тот факт, что использование теплонасосной установки возможно так же и для ее удаления тепловой энергии из помещения, это достигается путем переключения работы контуров теплового насоса в режим охлаждения, при этом тепловая энергия из помещений дома будет удаляться через внешний контур в грунт, воду или воздух и рассеиваться там.
Главным и единственным недостатком системы отопления, на базе теплового насоса является ее высокая стоимость. Однако, несмотря на это опыт стран Европы, Японии, Швеции, где теплонасосные установки весьма распространены, позволяет говорить о том, что их применение все-таки оправдано, как с практической, так и с экономической и даже экологической точки зрения.
Однако важно отметить, что в данных странах широкое распространение и применение тепловых насосов поощряется финансовой поддержкой государств, выражающаяся в программах поддержки, субсидий и компенсаций потребителям, использующим данные установки.
В России же данные меры находятся на стадии рассмотрения, в виду малого распространения использования теплонасосных геотермальных установок для нужд отопления в качестве альтернативы топления с использованием газовых, электрических, твердотопливных котлов и иных видов отопления объектов частного жилого строительства [7, с. 41].
Однако геотермальное отопление обретает все большую популярность и очень скоро станет главным источником отопления таких объектов, в виду того, что стоимость энергоресурсов продолжает расти и потребители вынуждены искать новые подходы к бережному и эффективному использованию энергии. Таким образом применение тепловых насосов является рентабельным способ отопления частного дома без вреда для окружающей среды.
Общий вывод
В результате проведенной работы, я убедился в актуальности и необходимости повсеместного использования тепловых насосов в частных жилых домах, не имеющих централизованного отопления, это позволит значительно улучшить экологическое состояние окружающей среды, так как данный источник тепла является фактически безотходным и не производит выбросы в атмосферу. Кроме того, данный вид отопления позволяет снизить финансовые траты на нужды отопления вплоть до 25% от суммы затрачиваемой при использовании традиционного источника отопления.
Тепловые насосы по своей сути являются трансформаторами низкопотенциальной тепловой энергии путем переноса ее из труднодоступного места в тепловой насос, где она с применением электрической энергии трансформируется в тепловую энергию с достаточным потенциалом для ее использования в системах отопления.
Кроме того, тепловые насосы являются взрыво- и пожаробезопасны, это связано с тем, что в устройстве не используется топливо, не используется процессы горения, это означает отсутствие открытого пламени и опасных газов. Ни один из элементов системы, при нормальной его работе, не нагревается до опасных температур, которые способны вызвать возгорание горючих материалов и веществ.
Внезапная остановка устройства не приводит к поломки или замерзанию используемых в качестве теплоносителей сред. Таким образом применение геотермального отопления является перспективным и эффективным направлением развития теплоснабжения.
Список литературы
- Полукеев К.В., Гаврилов А.С., Анализ проблем альтернативной теплоэнергетики Российской федерации // научный журнал «Меридиан», №13 (31), 2019 г., с. 54-59.
- Потапова Е. С., Ротова Е. Д. Тепловые насосы и их использование //Новые технологии в теплоснабжении и строительстве. – 2019. – с. 75.
- Халилуллина А. Р. Возобнавляемые источники энергии в виде геотермального теплового насоса //Инновационная наука. – 2019. – №. 2, с.42-52.
- Холкин Н. А., Головина Е. И. Экономическая эффективность использования геотермальной энергии земли в северо-западном регионе на примере тепловых насосов //Цифровая экономика и Индустрия 4.0: тенденции 2025. – 2019. – с. 302-306.
- Сапрыкин Д. В. Эффективность применения тепловых насосов в системе теплоснабжения //Аллея науки. – 2019. – Т. 5. – №. 1. – с. 514-517.
- Боровик А. С. Применение теплового насоса в системе отопления здания //Современные технологии в мировом научном пространстве. – 2019. – с. 18-21.
- Мурзаева М. А. Тепловые насосы-оборудование инновационных технологий теплоснабжения //Инструменты и механизмы современного инновационного развития. – 2019. – с. 41-42.
