Солнечная сезонная накопительная система обеспечивает коэффициент полезного действия теплового насоса 4,1 при отоплении теплиц
Южнокорейские исследователи в течение трех лет демонстрировали работу небольшой солнечной сезонной накопительной системы, интегрированной с тепловыми насосами для отопления теплиц. Средняя эффективность системы аккумулирования тепловой энергии составила 55,1 %, а средний коэффициент полезного действия теплового насоса с двумя источниками — 4,1.
Теплица, в которой была установлена и протестирована система солнечного сезонного аккумулирования тепла и теплового насоса.
Исследовательская группа из Корейского института энергетических исследований (KIER) в Южной Корее построила и продемонстрировала небольшую солнечную систему сезонного аккумулирования тепловой энергии, интегрированную с тепловыми насосами для обогрева теплиц. Исследователи в течение трех лет изучали работу системы в двухсекционной теплице, где выращивали апельсины сорта «Декопон» на площади 2090 м² и апельсины сорта «Сетока» на площади 1760 м².
«В этой статье представлены результаты трехлетнего анализа эффективности системы отопления теплицы, разработанной для снижения затрат на отопление за счет использования солнечной энергии и теплового насоса, — рассказал автор исследования Кён Хо Ли. — В отличие от традиционных крупномасштабных сезонных аккумулирующих тепловых баков, в этом исследовании использовался небольшой бак, подходящий для теплиц, который был установлен в машинном отделении теплицы для снижения тепловых потерь».
Ли рассказал, что часть солнечного тепла, накопленного летом, использовалась в качестве источника тепла для теплового насоса, чтобы повысить его эффективность. Исследователи также установили заглубленный теплообменник для обеспечения стабильного источника тепла.
Чтобы разместить оборудование, исследователи снесли 114 м² существующей теплицы и построили компактное техническое помещение. На его крыше они установили 96 м² вакуумных трубчатых солнечных коллекторов и 108 м² плоских коллекторов. Система также включала в себя сезонный накопительный бак объемом 350 м³, буферный бак объемом 100 м³, тепловой насос с двумя источниками тепла мощностью 45 RT, два тепловых насоса с воздушным источником тепла мощностью 45 RT, трубопроводы, циркуляционные насосы и контрольно-измерительное оборудование, установленное внутри или под зданием.
В отопительный сезон система подавала солнечное тепло непосредственно в буферный бак. В периоды, когда потребность в отоплении отсутствовала, тепло накапливалось в сезонном накопительном баке. Высокотемпературную воду из сезонного резервуара можно перелить в буферный резервуар для прямого нагрева, а вода с температурой от 10 до 35 °C может служить источником тепла для теплового насоса с двумя источниками.
Система также могла направлять избыточное тепло в систему наземного аккумулирования тепла, состоящую из U-образных труб, установленных вертикально на глубине 5 метров, и трех ярусов горизонтальных труб, установленных на глубине 2 метров. Буферный резервуар получал тепло от солнечных коллекторов, сезонного аккумулирующего резервуара и тепловых насосов, а затем распределял его по теплицам с помощью 25 фанкойлов мощностью 10 000 ккал/ч и 30 фанкойлов мощностью 20 000 ккал/ч.
Исследователи наблюдали за системой с апреля 2022 года по май 2025 года, охватив три годовых цикла. В первый год годовая солнечная радиация составила 1958,3 кВт·ч/м², во второй — 1744,1 кВт·ч/м², в третий — 1817,2 кВт·ч/м².
В декабре первого года исследователи зафиксировали среднемесячные минимальные и максимальные температуры: 1,7 °C и 26,7 °C соответственно. Соответствующие значения составили 3,1 °C и 27,5 °C в ноябре второго года и 2 °C и 29 °C в январе третьего года.
«Система солнечных коллекторов продемонстрировала среднегодовую эффективность выработки тепловой энергии на уровне 31,8 %. Несмотря на то, что сезонный резервуар для хранения тепловой энергии небольшой емкости имел такие недостатки, как высокая удельная стоимость на единицу объема и более низкая эффективность по сравнению с резервуарами большой емкости, оптимизированная конфигурация клапанов и улучшенная конструкция изоляции позволили достичь среднегодовой эффективности хранения тепловой энергии на уровне 55,1 %», — сообщили исследователи.
«Эффективность выработки тепла многоисточниковым тепловым насосом, использующим сезонный источник тепла в накопительном баке, повышалась по мере увеличения температуры источника воды, при этом среднегодовой коэффициент полезного действия (КПД) составлял 4,1», — добавили они. «Когда многоисточниковый тепловой насос не работал, использовался тепловой насос с источником в воздухе, который обеспечивал среднегодовой КПД 3,9. Тепловые аккумуляторы, расположенные в неглубоких слоях грунта, демонстрировали низкую эффективность хранения в долгосрочной перспективе из-за быстрой потери тепла из-за плохих грунтовых условий». Однако накопительный резервуар продемонстрировал способность стабилизировать температуру источника теплового насоса, способствуя поддержанию стабильной производительности даже в периоды пикового потребления тепла».
Исследователи представили свои выводы в статье «Долгосрочная тепловая эффективность системы теплового насоса с небольшим солнечным сезонным накопительным баком для нагрева воды в теплице», опубликованной в журнале Applied Thermal Engineering.