В чем разница между тепловыми насосами и геотермальными тепловыми насосами?
В современную эпоху стремления к эффективному и экологичному использованию энергии тепловые и геотермальные тепловые насосы, два важных вида оборудования для отопления и охлаждения, постепенно становятся популярными. Они существенно различаются по принципам работы, источникам энергии, эффективности и стоимости установки. Понимание этих различий поможет пользователям выбрать наиболее подходящее оборудование в соответствии со своими потребностями и конкретной ситуацией.
Принципы работы: различные пути теплопередачи
Тепловой насос, по сути, является устройством, использующим энергию, которое может извлекать тепло из низкотемпературных объектов и передавать его высокотемпературным. Принцип его работы основан на концепции водяного насоса. Так же, как водяной насос перекачивает воду из более низкого места в более высокое, тепловой насос обеспечивает обратный поток тепла из области с низкой температурой в область с высокой температурой, потребляя определенное количество внешней энергии. Если взять в качестве примера обычный компрессионный тепловой насос, то он в основном состоит из четырех основных компонентов: компрессора, конденсатора, дросселирующего компонента и испарителя. Во время работы испаритель поглощает тепло из источника тепла с низкой температурой (например, наружного воздуха), в результате чего рабочая среда с низкой температурой и низким давлением испаряется, превращаясь в пар; пар всасывается и сжимается компрессором, становясь паром с высокой температурой и высоким давлением; Пар высокой температуры и давления отдаёт тепло высокотемпературному объекту (например, воздуху в помещении) в конденсаторе и конденсируется, превращаясь в жидкость. Давление жидкости снижается через дроссельный элемент, после чего она возвращается в испаритель, завершая цикл. Этот цикл повторяется для обеспечения непрерывной теплопередачи.
Геотермальные тепловые насосы, также известные как грунтовые тепловые насосы (ГТН), также основаны на принципе тепловых насосов, но используют неглубокие геотермальные ресурсы на поверхности Земли в качестве источников холода и тепла. Их рабочий процесс аналогичен работе обычных тепловых насосов, но источник тепла находится под землей. При использовании геотермального теплового насоса для отопления подземный теплообменник поглощает тепло из низкотемпературных источников тепла, таких как почва, грунтовые или поверхностные воды, и передает его в тепловой насос через циркулирующий рабочий агент, который затем нагревает тепло и подает его в помещение для обогрева. В режиме охлаждения процесс обратный: тепло из помещения передается под землю.
Источники энергии: выбор между воздухом и землей
Тепловые насосы используют различные источники энергии. Среди них – обычный воздушный тепловой насос, получающий тепло из окружающего воздуха. Воздух как источник тепла широко распространён и неисчерпаем. Пока есть воздух, воздушный тепловой насос может выполнять свою функцию. Однако температура воздуха сильно зависит от времени года, смены дня и ночи, а также от погодных изменений. Холодными зимами температура воздуха низкая, что затрудняет тепловому насосу получение тепла из воздуха, и эффективность отопления может снизиться.
Геотермальные тепловые насосы ориентированы на использование неглубоко залегающих геотермальных ресурсов на поверхности Земли. Неглубокие почвы, грунтовые и поверхностные воды Земли аккумулируют большое количество солнечной и геотермальной энергии, а их температура относительно стабильна. Например, зимой температура под землей обычно выше температуры наружного воздуха, что позволяет геотермальным тепловым насосам более эффективно получать тепло из-под земли для отопления; летом температура под землей ниже температуры наружного воздуха, что позволяет использовать его в качестве источника холода для охлаждения. Этот стабильный источник тепла обеспечивает хорошие условия работы геотермальных тепловых насосов, защищая их от резких перепадов температуры наружного воздуха.
Сравнение эффективности: геотермальные тепловые насосы имеют преимущество
Эффективность тепловых насосов измеряется такими показателями, как коэффициент полезного действия (КПД) и сезонный коэффициент полезного действия (СКД). КПД представляет собой количество тепла, вырабатываемого на единицу электроэнергии. Чем выше значение, тем больше тепла тепловой насос вырабатывает при единице потребления энергии и тем выше КПД. В общем случае КПД тепловых насосов типа «воздух-источник» обычно составляет от 200% до 400%, что означает, что на каждый потребленный 1 кВт·ч электроэнергии может быть произведено 2–4 кВт·ч тепла. На его эффективность влияет множество факторов, таких как температура наружного воздуха, разница температур внутри и снаружи помещения и производительность самого теплового насоса. В экстремально холодную погоду для получения достаточного количества тепла из низкотемпературного воздуха воздушным тепловым насосам может потребоваться потреблять больше электроэнергии для поддержания работы, что приводит к снижению значения КПД.
Геотермальные тепловые насосы показывают более высокие результаты с точки зрения эффективности, поскольку они используют относительно стабильные подземные источники тепла. Энергоэффективность геотермальных тепловых насосов может достигать 300–600%, что позволяет снизить потребление энергии примерно на 25–50% по сравнению с воздушными тепловыми насосами. В холодные зимние ночи, когда температура грунтового воздуха может опускаться до экстремально низкого уровня, температура под землей может оставаться в относительно стабильном диапазоне, что позволяет геотермальным тепловым насосам работать непрерывно и эффективно, стабильно обеспечивая теплом помещения. С точки зрения среднего значения КС, рассчитанного за весь отопительный сезон (т. е. сезонного коэффициента полезного действия SPF), геотермальные тепловые насосы также имеют высокий диапазон, что дополнительно подтверждает их высокую эффективность при долгосрочной эксплуатации.
Стоимость установки: различия в первоначальных инвестициях
С точки зрения стоимости установки, существует значительная разница между тепловыми насосами и геотермальными тепловыми насосами. Если взять в качестве примера обычный воздушный тепловой насос, то его установка относительно проста и не требует сложных подземных инженерных работ. Как правило, стоимость установки обычного бытового воздушного теплового насоса составляет от 3800 до 8200 юаней (примерно от 27 000 до 58 000 юаней). Эта сумма включает в себя расходы на закупку оборудования и базовые затраты на монтаж. Воздушные тепловые насосы занимают небольшую площадь и не требуют много места для установки. Для установки подходит большинство семейных балконов, крыш или дворов.
Стоимость установки геотермальных тепловых насосов относительно высока. Поскольку они используют подземные источники тепла, необходимо построить подземную систему теплообмена. Если выбран метод вертикальной прокладки труб, необходимо пробурить скважины под землей, глубиной обычно от 60 до 150 метров. Количество пробуренных скважин зависит от потребностей здания в отоплении и охлаждении и условий на месте. Кроме того, необходимо также установить циркуляционные водяные насосы, системы управления и другое оборудование. Эти факторы приводят к значительному увеличению стоимости установки геотермальных тепловых насосов, при этом средняя стоимость установки составляет от 15 000 до 35 000 (около 106 000–247 000 юаней). В дополнение к первоначальной стоимости установки, стоимость технического обслуживания геотермальных тепловых насосов во время эксплуатации относительно низкая, поскольку срок службы подземной системы теплообмена длительный, до 40–60 лет, а срок службы внутреннего оборудования также составляет около 20–25 лет; В то время как общий срок службы воздушных тепловых насосов обычно составляет 10–15 лет, что относительно невелико. В дальнейшем может потребоваться более частая замена оборудования, что увеличивает стоимость его долгосрочного использования.
Применимые сценарии: выбор на основе местных условий
Тепловые насосы, особенно воздушные, имеют широкую область применения. Благодаря простоте установки и низким требованиям к площадке, они подходят для различных типов зданий. Будь то многоквартирный дом, жилой комплекс в городе или самостоятельно построенный дом в сельской местности, при наличии подходящего места на открытом воздухе их можно легко установить и использовать. В некоторых регионах с мягким климатом воздушные тепловые насосы могут в полной мере реализовать свои преимущества высокой эффективности и энергосбережения, обеспечивая пользователей комфортным отоплением и охлаждением. Однако в холодных регионах, когда наружная температура слишком низкая, тепловая эффективность воздушных тепловых насосов может снизиться, и для удовлетворения потребностей в отоплении помещений может потребоваться дополнительное отопительное оборудование.
Геотермальные тепловые насосы больше подходят для пользователей с определенными условиями на месте и высокими требованиями к энергоэффективности. Например, односемейные виллы или дома с большими садами имеют достаточно места для строительства подземных систем теплообмена. В некоторых регионах со строгими требованиями к охране окружающей среды и стремлением к эффективному использованию энергии правительство также вводит соответствующую политику, стимулирующую использование геотермальных тепловых насосов, и предоставляет определенные финансовые субсидии. Кроме того, для некоторых крупных коммерческих зданий или общественных объектов, таких как гостиницы, больницы и школы, из-за их больших потребностей в отоплении и охлаждении и длительного срока службы, высокая эффективность и энергосберегающие характеристики геотермальных тепловых насосов могут значительно сэкономить затраты на энергию при долгосрочной эксплуатации, что имеет высокую экономическую целесообразность. Однако, если строительная площадка небольшая и не позволяет осуществлять крупномасштабное подземное строительство, или если подземные геологические условия сложные и не подходят для бурения и прокладки трубопроводов, применение геотермальных тепловых насосов будет ограничено.
Подводя итог, можно сказать, что между тепловыми и геотермальными тепловыми насосами существуют очевидные различия во многих аспектах. При выборе следует всесторонне оценить собственные потребности, условия эксплуатации, бюджет, а также местный климат и действующую политику, взвесить все «за» и «против» и принять наиболее подходящее для себя решение. Выбор теплового или геотермального теплового насоса может способствовать энергосбережению, сокращению выбросов и созданию комфортной среды для жизни и работы.