Прототип двухконтурного теплового насоса с приводом от парокомпрессионного термоэлектрического генератора и скважинным накопителем тепловой энергии имеет коэффициент полезного действия 4,07

Аккумулятор FIAMM 12FGH23

Международная исследовательская группа разработала и протестировала гибридную энергетическую систему, сочетающую фотоэлектрические и тепловые коллекторы, скважинный накопитель тепловой энергии и тепловой насос с двумя источниками энергии для низкоуглеродного отопления животноводческих помещений. Полномасштабный прототип, продемонстрированный на свиноферме в Италии, показал высокую эффективность, стабильную работу в любое время года и снизил зависимость от ископаемого топлива, обеспечив частичное самообеспечение электроэнергией и теплом.

Международная исследовательская группа предложила объединить фотоэлектрические и тепловые коллекторы (ФЭТК), скважинные накопители тепловой энергии (СНТЭ) и тепловой насос с двумя источниками (ТНДИ) в единую гибридную энергетическую систему для отопления животноводческих помещений. Эта концепция объединяет три взаимодополняющие технологии для повышения общей эффективности и снижения зависимости от традиционных источников отопления на ископаемом топливе.

«Интегрированная система позволяет отапливать животноводческие помещения, практически сводя к нулю потребление электроэнергии, — рассказал журналу pv ведущий автор исследования Франческо Тинти. — PVT вырабатывает не только электрическую, но и тепловую энергию, которую можно накапливать в системе аккумулирования тепловой энергии в грунте; система аккумулирования тепловой энергии в грунте позволяет извлекать тепловую энергию из недр; а система дожигания отходящих газов использует подземную энергию, а при необходимости — и энергию из воздуха, чтобы не истощать систему аккумулирования тепловой энергии в грунте».

«Наш анализ показал, что электрическая энергия, потребляемая DSHP, почти полностью покрывается за счет электроэнергии, вырабатываемой парогазовой установкой, — продолжил он. — Однако капитальные затраты на систему остаются значительными по сравнению с традиционными системами, работающими на ископаемом топливе, или воздушными тепловыми насосами. С другой стороны, они сопоставимы со стандартными геотермальными тепловыми насосами, поскольку дополнительные затраты на парогазовую установку и солнечную батарею позволяют сократить необходимую длину скважины». Кроме того, ключевым преимуществом системы PVT–BTES–DSHP является значительное снижение потребления первичной энергии.

Прототип системы был протестирован на свиноферме Golinelli в Мирандоле, в северной итальянской провинции Модена, где в нескольких свинарниках содержатся 500 свиноматок и 2500 поросят-отъемышей. Раньше свинарник отапливался котлом на сжиженном нефтяном газе мощностью 34 кВт и инфракрасными лампами в каждом помещении.

Система PVT–BTES–DSHP объединяет в себе тепловой насос с двумя источниками тепла мощностью 35 кВт, способный использовать в качестве источника тепла воздух или грунт, подземную скважину для аккумулирования тепловой энергии (BTES) с восемью скважинами глубиной 30 м, фотоэлектрическую тепловую систему (PVT) на крыше из 24 коллекторов, обеспечивающую как тепловую, так и электрическую энергию, а также централизованную солнечную станцию управления, которая регулирует потоки энергии между компонентами.

Компоненты системы: тепловой насос с двумя источниками (а), установка для аккумулирования тепловой энергии в скважине во дворе (б), термофотоэлектрическая система на крыше (с), центральная солнечная станция (d).

Массив PVT гидравлически связан с системой BTES, а система управления на основе правил обеспечивает эффективную работу, активируя циркуляцию только при достаточном уровне солнечного излучения или при наличии температурных градиентов, способствующих теплопередаче, что позволяет избежать ненужных потерь энергии. Система DSHP централизованно управляется с помощью ПЛК, поддерживая постоянную температуру подачи на уровне 50–55 °C. Для оптимизации производительности используется усовершенствованная система модуляции компрессора и управления двумя испарителями, при этом приоритет отдается более эффективному наземному источнику, если позволяют условия.

Переключение между наземными и воздушными источниками питания зависит от пороговых значений температуры гликоля, что обеспечивает эффективность, защиту от замерзания и надежную работу в зимний период, а дополнительные системы управляют размораживанием в условиях экстремально низких температур. Все компоненты системы находятся под постоянным контролем облачной платформы, которая позволяет отслеживать температуру, давление и показатели производительности в режиме реального времени.

При проектировании системы учитывались подробные данные о потребностях в отоплении за каждый месяц и расчетные данные о нагрузке при использовании солнечной энергии. При этом сезонные потребности в энергии уравновешивались возможностями долгосрочного хранения в грунте и нормативными ограничениями на температуру подземных вод. В целом интегрированная система призвана снизить зависимость от ископаемого топлива, повысить эффективность сезонного хранения энергии и максимально использовать возобновляемые источники энергии для обогрева животноводческих помещений.

В течение первого года мониторинга система демонстрировала стабильное тепловое поведение как в контурах системы отопления, вентиляции и кондиционирования, так и в контурах подачи тепла в здания. Минимальная температура на выходе из системы отопления, вентиляции и кондиционирования даже зимой оставалась выше рабочих пределов, что подтверждает, что использование солнечного тепла эффективно предотвращает переохлаждение грунта и тепловое истощение накопительного резервуара.

К весне максимальная температура в системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха постепенно повышалась, что свидетельствует о сезонном восстановлении теплового баланса за счет снижения потребности в отоплении и периодического восполнения энергии от солнечных батарей. Что касается здания, то температура подаваемого воздуха стабильно соответствовала требованиям к отоплению в питомнике, не опускаясь ниже критического уровня, а максимальные значения соответствовали периодам пиковой потребности в отоплении. Стабильная температура способствовала поддержанию комфортных условий в помещении, предотвращая температурные колебания и обеспечивая благополучие животных.

DSHP работала в основном с ноября по апрель, при этом за этот период степень обледенения составила всего 3,6 %, что подтверждает высокую эффективность системы в зимний период. За год система обеспечила здание 147 133 МДж тепловой энергии, потребляя при этом 38 917 МДж электроэнергии, в результате чего общий сезонный коэффициент полезного действия (SPF) составил 3,78.

Система также получила 109 425 МДж энергии из окружающей среды, из которых 38,6 % было получено при работе только с грунтом, 6,0 % — при работе только с воздухом и 55,4 % — при гибридном режиме работы. Это подтверждает, что воздушный источник в основном обеспечивает пиковые нагрузки, в то время как основным источником энергии остается грунт. В зимние месяцы преобладал гибридный режим работы, а весной — работа только с грунтом, что свидетельствует об адаптивном переключении источников в зависимости от условий.

Анализ также показал, что средний коэффициент полезного действия (КПД) системы составляет около 4,07, а в благоприятные периоды он превышает 4. Кроме того, сочетание технологий PVT, BTES и DSHP значительно снижает требования к длине скважин, при этом производительность системы сопоставима с производительностью традиционных систем, но при этом значительно снижаются требования к геотермальной инфраструктуре.

«Двухконтурный БТЭС сокращает необходимую длину скважинного теплообменника (СТ) примерно на треть, поскольку в данном месте и при данных гидрогеологических условиях естественная температура грунта низкая, а БТЭС позволяет повысить ее примерно на 5 °C, — подчеркнул Тинти. — Однако не все гидрогеологические условия позволяют накапливать солнечное тепло, которое может рассеиваться при естественном движении грунтовых вод».

«Предложенная конфигурация особенно подходит для фермерских хозяйств с достаточным количеством свободной земли и благоприятными условиями для использования геотермальной энергии на небольшой глубине. Это практичный способ сократить выбросы парниковых газов и повысить энергетическую устойчивость», — заключил он.

Система была представлена в исследовании «Накопление тепловой энергии в скважине с помощью солнечной энергии в сочетании с тепловым насосом для животноводческих помещений: результаты полномасштабной установки», опубликованном в журнале Geothermics. В исследовательскую группу вошли ученые из Болонского университета в Италии, греческая компания Psyctotherm G, специализирующаяся на системах отопления и охлаждения, и шведская инжиниринговая компания MG Sustainable Engineering AB.