В сегодняшнюю эпоху стремления к эффективному и экологически чистому использованию энергии тепловые насосы и геотермальные тепловые насосы как два важных типа оборудования для обогрева и охлаждения постепенно входят в поле зрения людей. Они значительно различаются по рабочим принципам, источникам энергии, эффективности и стоимости установки. Понимание этих различий поможет пользователям выбрать наиболее подходящее оборудование в соответствии с их собственными потребностями и фактическими ситуациями.
Рабочие принципы: разные пути переноса тепла
Тепловой насос по существу является устройством для использования энергии, которое может извлекать тепло из низкотемпературных объектов и передавать его высокотемпературным. Его рабочий принцип основывается на концепции «водяного насоса». Прямо как водяной насос переправляет воду из нижнего места в верхнее, тепловой насос достигает обратного потока тепла из низкотемпературной области в высокотемпературную за счёт расходования определённого количества внешней энергии. Возьмём обычный компрессорный тепловой насос: он главным образом состоит из четырёх основных компонентов: компрессора, конденсатора, дроссельного элемента и испарителя. В процессе работы испаритель поглощает тепло из низкотемпературного источника тепла (например, внешнего воздуха), заставляя низкотемпературный и низкодавление рабочий агент испаряться в пар; пар всасывается и сжимается компрессором, превращаясь в высокотемпературный и высокодавление пар; высокотемпературный и высокодавление пар выделяет тепло высокотемпературному объекту (например, внутреннему воздуху) в конденсаторе и конденсируется в жидкость; жидкость после снижения давления через дроссельный элемент снова возвращается в испаритель, завершая цикл. Этот цикл повторяется, обеспечивая непрерывный перенос тепла.
Геотермальные тепловые насосы, также известные как наземные тепловые насосы (GHSP), также основаны на основном принципе тепловых насосов, но они используют неглубокие геотермальные ресурсы поверхности Земли в качестве холодных и теплых источников. Их рабочий процесс похож на процесс обычных тепловых насосов, но источник тепла берётся из подземных слоёв. Когда геотермальный тепловой насос используется для обогрева, подземный теплообменник поглощает тепло из низкотемпературных источников тепла, таких как почва, подземная вода или поверхностная вода, передаёт его тепловому насосу через циркулирующий рабочий агент, а затем тепловой насос повышает температуру тепла и доставляет его в помещение для обеспечения обогрева. В режиме охлаждения процесс обратный: тепло из помещения передаётся под землёй.
Источники энергии: выбор между воздухом и Землёй
Тепловые насосы имеют разнообразные источники энергии. Среди них обычный воздушный тепловой насос получает тепло из окружающего воздуха. Воздух как источник тепла широко распространён и неиссякаем. Пока есть воздух, воздушный тепловой насос может выполнять свою функцию. Однако температура воздуха сильно зависит от сезонов, дня и ночи, а также изменений погоды. В холодные зимы температура воздуха низкая, что усложняет получение тепла тепловым насосом из воздуха, и эффективность обогрева может снизиться.
Геотермальные тепловые насосы сосредоточены на использовании неглубоких геотермальных ресурсов поверхности Земли. Неглубокие слои почвы, подземная вода и поверхностная вода Земли хранят большое количество солнечной и геотермальной энергии, и их температура относительно стабильна. Например, зимой подземная температура обычно выше температуры внешнего воздуха, что позволяет геотермальным тепловым насосам более эффективно получать тепло из подземных слоёв для обогрева; летом подземная температура ниже температуры внешнего воздуха, поэтому её можно использовать в качестве холодного источника для охлаждения. Этот стабильный источник тепла обеспечивает хорошие рабочие условия для геотермальных тепловых насосов, не позволяя им подвергаться влиянию резких изменений внешней температуры воздуха.
Сравнение эффективности: геотермальные тепловые насосы имеют преимущество
Эффективность тепловых насосов измеряется такими показателями, как коэффициент полезного действия (КПД) и сезонный коэффициент полезного действия (СПД). Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой количество тепла, генерируемого на единицу электроэнергии. Чем выше значение, тем больше тепла генерирует тепловой насос при единичном энергопотреблении, и тем выше эффективность. Как правило, эффективность воздушных тепловых насосов обычно составляет 200-400%, что означает, что на каждую потребляемую кВт·ч электроэнергии можно получить 2-4 кВт·ч теплового выхода. Его эффективность зависит от многих факторов, таких как внешняя температура, разница температур между внутренним и внешним пространством, а также сама производительность теплового насоса. В экстремально холодной погоде, чтобы получить достаточное количество тепла из низкотемпературного воздуха, воздушные тепловые насосы могут потребовать больше электроэнергии для поддержания работы, что приводит к снижению значения КПД.
Геотермальные тепловые насосы демонстрируют более превосходные результаты в плане эффективности, потому что они используют относительно стабильные подземные источники тепла. Энергетическая эффективность геотермальных тепловых насосов может достигать 300-600%, что позволяет сократить энергопотребление примерно на 25-50% по сравнению с воздушными тепловыми насосами. В холодные зимние ночи, когда температура воздуха на поверхности может опасть до крайне низких значений, подземная температура остаётся в относительно стабильном диапазоне, что позволяет геотермальным тепловым насосам работать непрерывно и эффективно, стабильно обеспечивая помещение теплом. По среднему значению КПД, рассчитанному за весь отопительный сезон (то есть сезонный коэффициент полезного действия СПД), геотермальные тепловые насосы также имеют высокий диапазон, что дополнительно подтверждает их высокую эффективность при длительной работе.
Стоимость установки: различия в первоначальных вложениях
По стоимости установки существуют значительные различия между тепловыми насосами и геотермальными тепловыми насосами. Возьмём обычный воздушный тепловой насос: его установка относительно проста и не требует сложных подземных работ. Как правило, стоимость установки обычного бытового воздушного теплового насоса составляет от 3800 до 8200 долларов США (около 27 000 до 58 000 юаней). Это включает в себя расходы на покупку оборудования и базовые расходы на установку. Воздушные тепловые насосы занимают небольшую площадь и имеют низкие требования к установочному пространству. Большинство балконов, крыш или дворов семей могут удовлетворить условия установки.
Стоимость установки геотермальных тепловых насосов относительно высокая. Поскольку они нуждаются в использовании подземных источников тепла, необходимо построить подземную систему теплообмена. Если используется вертикальное прокладывание труб, требуется бурение скважин под землёй, глубина которых обычно составляет от 60 до 150 метров. Количество скважин зависит от потребностей в обогреве и охлаждении здания
Тепловые насосы, особенно воздушные, имеют широкую применимость. Благодаря простоте установки и низким требованиям к месту они подходят для различных типов зданий. Будь то многоквартирный дом, жилой комплекс в городе или самостроенный дом в деревне, при наличии подходящего внешнего пространства для установки их можно легко установить и использовать. В некоторых регионах с мягким климатом воздушные тепловые насосы могут полностью раскрыть свои преимущества высокой эффективности и энергосбережения, обеспечивая пользователям комфортное обогревание и охлаждение. Однако в холодных регионах, когда внешняя температура слишком низкая, обогревающий эффект воздушных тепловых насосов может снизиться, и может потребоваться вспомогательное обогревательное оборудование для удовлетворения потребностей в обогреве помещения.
Геотермальные тепловые насосы более подходят для пользователей, которые имеют определённые условия места расположения и высокие требования к энергетической эффективности. Например, отдельные виллы или дома с большим садом имеют достаточно места для строительства подземной системы теплообмена. В некоторых регионах с строгими требованиями к защите окружающей среды и стремлением к эффективному использованию энергии правительство также вводит соответствующие политики для стимулирования использования геотермальных тепловых насосов и предоставляет определённые финансовые субсидии. Кроме того, для некоторых крупных коммерческих зданий или общественных объектов, таких как отели, больницы, школы, благодаря их большим потребностям в обогреве и охлаждении и длительному времени работы, высокие характеристики эффективности и энергосбережения геотермальных тепловых насосов могут сэкономить значительные расходы на энергию при длительной эксплуатации, что имеет высокую экономическую целесообразность. Однако, если площадка здания мала и нельзя проводить крупномасштабные подземные работы, или подземные геологические условия сложные и не подходят для бурения и прокладывания труб, применение геотермальных тепловых насосов будет ограничено.
Итогом является то, что между тепловыми насосами и геотермальными тепловыми насосами существуют очевидные различия в многих аспектах. При выборе пользователи должны комплексно учитывать свои собственные потребности в использовании, условия места расположения, бюджет, а также местный климат и политики, взвесить преимущества и недостатки и принять наиболее подходящее для себя решение. Будь то выбор теплового насоса или геотермального теплового насоса, это может способствовать достижению энергосбережения и сокращения выбросов, а также созданию комфортной обстановки для жизни и работы.
