Технологии использования возобновляемой энергии с помощью тепловых насосов предлагают учёные КазНТУ им. К. Сатпаева
Разработки исследователей Казахского национального технического университета им. К. Сатпаева направлены на поиски технологических решений для повышения эффективности работы солнечного грунтового теплового насоса на основе экспериментальных и численных расчетов в специфических условиях Казахстана.
Использование тепла воздуха и земли для получения энергии является одним из лучших технологических решений, отвечающих принципам экологически чистых способов производства тепла и экономии ресурсов.
Применение возобновляемой энергии недр земли, солнца, грунтовых вод или воздуха значительно снижает использование ископаемых видов топлива, экономя ценные ресурсы планеты, и уменьшая выбросы СО2.
Согласно Международному энергетическому агентству (МЭА), в 2019 году тепловые насосы приобрели около 20 миллионов домохозяйств по всему миру. Многие из этих систем были проданы в странах Северной Америки, Европы и Юго-Восточной Азии. В основном это реверсивные системы «Воздух-Воздух», которые используются в качестве отопления и охлаждения помещений в регионах с мягкими климатическими условиями или водонагреватели «Воздух-Вода». Тепловые насосы по-прежнему удовлетворяют лишь небольшую долю спроса на отопление в жилых домах (около 5% в 2019 году), в то время как в 2019 году на долю ископаемого топлива и традиционных электрических технологий пришлось три четверти продаж в мире.
В соответствии со Сценарием устойчивого развития (СУР) МЭА, при соответствующей законодательной поддержке, инноваций (для снижения себестоимости сборки и монтажа), устранение рыночных барьеров (тарифы, сервис, комплектующие и др.), повышение стандартов энергоэффективности, переход на экологичные хладагенты ожидается рост доли тепловых насосов до 22.1% к 2030 году.
Лидером по внедрению тепловых насосов в мире для декарбонизации в сфере теплоснабжения является ЕС, где в настоящее время тепловые насосы отапливают чуть менее 10% всех зданий. В основном это тепловые насосы «Воздух-Воздух» и «Воздух-Вода» в силу мягких климатических условий. Грунтовые тепловые насосы менее распространены с годовым объем продаж около 400 000 единиц в мире. В ЕС Швеция и Германия - два основных европейских рынка грунтовых тепловых насосов, где ежегодно в каждой стране продается от 20 000 до 30 000 единиц. Фактически, в Швеции самый высокий уровень установки на душу населения в мире. Более половины всех установок грунтовых тепловых насосов находится в США, где поставки и установки увеличились более чем вдвое с 2010 года, отчасти из-за 30% федерального налогового кредита, доступного в течение 2008–2016 и 2018–2021 годов.
Грунтовые тепловые насосы идеально подходят для континентальных климатических условий, где температура зимой опускается ниже -20 ℃.
В отличие от атмосферного воздуха температура грунта имеет постоянное значение и стабильно может обеспечить низкопотенциальным теплом для тепловых насосов.
Основная проблема, связанная с внедрением грунтовых тепловых насосов в секторе теплоснабжения, является высокая стоимость установки грунтовых теплообменников.
Кроме того, существующие грунтовые тепловые насосы с годами теряют коэффициент производительности (COP). Несколько факторов являются причиной снижения COP грунтовых тепловых насосов: уменьшение низкопотенциального тепла грунта без восстановления извлеченного количества тепла, не достаточный учет геологических, фильтрационных и теплофизических свойств грунта, недостаточно точное проектирование грунтовых теплообменников с учетом понимания физических процессов в грунте. Последнее связано с инженерными расчетами монтажников, которых может быть недостаточно для некоторых условий (наличие подземных вод, потоков и т.д.).
В связи с этим, при монтаже и установке грунтовых тепловых насосов необходимо понимание гидродинамических и теплообменных процессов, протекающих в теплообменнике и грунте. Учет этих составляющих позволит правильно смоделировать грунтовые теплообменники с возможностью хранения тепла и восстановление тепловых свойств грунта, принимать во внимание геометрические параметры грунтовых теплообменников, подобрать эффективный тепловой насос типа «Вода-Вода». Для того, чтобы ответить на эти вопросы при проектировании необходимо применить методы вычислительной гидродинамики и теплообмена.
Реализация проекта позволила разработать оптимальные параметры и создать 3D математическую модель, численный алгоритм расчета и программную реализацию на основе ПО COMSOL Multiphysics для исследования тепловой продуктивности грунтового теплообменника.
Кроме того разработаны рекомендации по установке и эксплуатации солнечного грунтового теплового насоса на основе термодинамического анализа, 3D моделирования тепломассопереноса и гидродинамики, экспериментальной установки и проведенных испытаний. Рекомендовано использовать солнечные тепловые коллекторы для сезонной закачки излишней тепловой энергии в грунт для восстановления теплофизических свойств грунта. Наиболее распространенным и надежным видом теплообменника является вертикальный грунтовый теплообменник U-образного замкнутого типа с интегрированием в тепловой насос типа «Вода-Вода».
Проведен текущий анализ рынка в Казахстане с упором на действующие тарифы на энергоносители, а также технико-экономический анализ работы системы солнечного грунтового теплового насоса в условиях Алматы и Астаны. Проведено параметрическое исследование влияния изменения цены на бурение скважины, тарифов и возможных субсидий для покрытия начальных инвестиционных затрат на экономические метрики.
Проект АР08857319 Исследование путей повышения теплообменных характеристик скважинного грунтового теплообменника вертикального типа для обеспечения высокой продуктивности тепловых насосов.
Научный руководитель Е.К.Беляев, профессор-исследователь, ассоциированный профессор, доктор PhD
