Как меняется работа теплового насоса зимой и летом

Влияние сезонного накопления тепла на работу геотермального теплового насоса с вертикальным земляным теплообменником

Проектирование геотермальных теплонасосных установок для отопления или охлаждения зданий может быть осложнено из-за свойственной грунту тепловой инерции, изменяющихся значений температур теплоносителя на входе и выходе теплового насоса и, следовательно, оказывающих влияние на его мощность.

Если система работает летом, то тепло, взятое из помещений во время кондиционирования воздуха, передается в контур заземления и далее - в грунт. Если система работает зимой, то тепловой насос выполняет функцию отопления и грунт охлаждается. Если система работает круглый год, то подогрев земли летом будет влиять на работу системы зимой.

Для исследования степени влияния работы теплонасосной системы летом на ее функционирование зимой, была разработана математическая модель грунта, которая должна была описать процессы распространения тепла в земле и передачи его в вертикальный теплообменник U-образной формы теплового насоса. Для модели была разработана и запрограммирована спаренная теплонасосная система.

Компьютерная модель состояла из подмоделей вертикального теплообменника, теплового насоса со спиральным компрессором, имеющего постоянную частоту вращения привода, а также подмодели с циркуляционным насосом, с постоянной и переменной скоростью вращения привода.

Компьютерная модель представляла каждую подмодель, как объект, который испускал потоки информации в ответ на входящие потоки от других объектов. Климатические данные и шаги времени исходили от специального объекта, характеризующего окружающую среду. Здание, как объект, принимал два потока информации от окружающей среды, а затем нагревал или охлаждал теплоноситель в соответствии с потерями или приростом тепла в контуре отапливаемого помещения.

Тепловой насос был рассчитан для отопления небольшого жилого здания. Были протестированы три варианта, в зависимости от состава грунта, в который помещен теплообменник:

- песок;

- супесь;

- глина.

Для каждого из этих вариантов производительность системы анализировалась в двух различных режимах работы:

- когда система работает только зимой, отапливая здание;

- когда система работает зимой для отопления, а летом - для охлаждения.

Климатические данные по году были взяты для г. Москвы. Плотность грунта - 1,8 г/см³, а удельное содержание в нем воды - 20%. Начальную температурную точку, предположительно равную 4°С, взяли с глубины 20 метров и, далее, используя градиент температур, были определены остальные температурные значения по всей высоте залегания вертикального теплообменного контура.

Управление тепловым насосом было настроено относительно наружной температуры воздушной среды. Тепловой насос начинал отапливать, когда температура наружного воздуха достигала 8 °С и опускалась ниже, параметр для охлаждения составлял 18 °С и выше.

Из исследования были сделаны следующие выводы:

- Песчаный грунт, обладая высокой теплопроводностью, в первый же год будет охлажден до определенной температуры, которая не изменялась на протяжении последующих 7 лет;

- Супесь перестает охлаждаться на пятый год;

- Глина достигнет наименьшего температурного показателя - через 4-6 лет.

Результаты расчетов на восьмой год эксплуатации теплового насоса приведены в Таблице 1. Средняя температура теплоносителя в контуре отапливаемого здания почти одинакова во всех случаях, поскольку она контролируется системами автоматики системы отопления/охлаждения.

Но средняя температура внутри земляного контура, в зависимости от режимов отопления/охлаждения, изменяется значительно:

- на 0,47 °С - в песчаном грунте;

- на 0,82 °С - в супеси;

- на 0,85 °С - в глине.

Таблица 1. Средние температуры грунта, земляного контура и контура отопления на восьмой год эксплуатации теплового насоса. 

Состав грунта коэффициент теплоотдачи λ, Вт/(м²×°С)	Цикл	Земляной контур, °С	Контур отопления здания, °С
Песок λ = 2,67	Отопление Отопление и охлаждение	2,99 3,46	43,64 43,62
Супесь λ = 1,86	Отопление Отопление и охлаждение	2,24 3,06	43,79 43,73
Глина λ = 1,57	Отопление Отопление и охлаждение	1,84 2,69	43,81 43,77

Из-за относительно небольших охлаждающих нагрузок в Москве, общее влияние на грунт при круглогодичном использовании теплового насоса не велика. Однако, даже в этом случае, содержание глины в земле значительно увеличивает тепловой потенциал.

Источник: Impact of Seasonal Heat Accumulation on Operation of Geothermal Heat Pump System with Vertical Ground Heat Exchanger