Использование теплового насоса для отопления городской персональной фермы

Сегодня, несмотря на высокую урбанизацию в мире, которая достигла более 55% [1, 2], все еще существует культура персонального садоводства. Если раньше приусадебный участок служил для обеспечения домохозяйства продовольствием, то сегодня акцент смещается в сторону полезного питания и декоративного садоводства [3].

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

В таких регионах, как Южная Франция распространено выращивание на участке оливок и винного винограда, в Исландии можно встретить даже мелкое животноводство, где сити-фермерство поддерживается государством. Отдельной категорией, являются образовательные проекты, которые могут быть, как при школах, так и в самостоятельных организациях кружкового плана. В США очень популярно садоводство, как декоративное, так и овощеводство для удовлетворения нужд домохозяйства [4, 5].

Ключевое влияние на популярность садоводства имеет плотность населения в городе, которая в наиболее густо населенных городах составляет от 200 до 20000 чел./км2 и этажность жилищного фонда в городе. Тогда, как в США 92% всего жилищного фонда состоит из малоэтажных домов, в Европе порядка 80% [6], в России эта цифра составляет только 52% [7]. Это означает, что большая часть населения в России не имеет собственного участка земли, частично это компенсируется наличием летнего дома с приусадебным участком, который имеют 42% городских жителей. [8,9] Летние дома, которыми владеют жители крупных городов, часто, не приспособлены для круглогодичного проживания, и посещаются только летом, поэтому домовладельцы лишены возможности получения продуктов садоводства круглый год, помимо прочего оборудование и эксплуатация тепличного комплекса на даче зимой, сопряжено с большими финансовыми затратами.

Обеспечить городским жителям возможность иметь собственный сад можно с помощью, так называемых, персональных или сити-ферм, которые представляют из себя устройства для выращивания различным и способами. Устройства могут быть, как интегрируемыми в помещение, так и мобильными [7]. Основная проблема заключается в размещении такого устройства в современном городском жилище, в России обеспеченность жильем на 2015 год составляет 24 м2/чел. [8,10], с учетом нежилых помещений. Размещать ферму в жилых комнатах невозможно из-за создаваемого шумового и светового загрязнения, хотя вторую проблему можно решить при использовании водозащитного кожуха. Из нежилых помещений остаются санузлы, кухня и балкон или лоджия. Распределение жилья в многоквартирных домах по годам постройки, приведено на рисунке 1.

Более 81% многоквартирных домов было построено в период с 1946 по 1995 годы, причем более 12% из них это пятиэтажные дома, остальные многоэтажные панельные дома с этажностью от 9 до 25 этажей (серия П-44).

В обозначенном жилом фонде санузлы имеют минимальные размеры, площади помещений кухни колеблются от 6 до 13 м2 (серия П-44Т), но в основной массе не более 10 м2.

Рисунок 1. Распределение многоквартирного жилья в России по годам постройки (по состоянию на 2015 г.): 1 – до 1930 г.; 2 – с 1921 по 1945 гг.; 3 – 1946–1970 гг.; 4–1971–1995 гг.; 5 – после 1995 г.

Figure 1. Distribution of high-rise houses in Russia by years of construction (2015 у.): 1 – before 1930 y.; 2 – from 1921 to 1945 yy.; 3 – from 1946 to 1970 yy.; 4 – frоm1971 to 1995 yy.; 5 – after 1995 y

Из приведенных данных можно сделать вывод, размещение персональной фермы в многоэтажном жилом фонде, наиболее распространенном, в городах России целесообразно только при наличии балкона или лоджии. На рисунке 2 изображена планировка балкона трехкомнатной квартиры в доме серии П-44, которая распространена в городах: Москва, Нижневартовск, Тында, Ярославль, Александров, Иваново, Петрозаводск, Орел, Ростов-на-Дону, Уфа, Нефтеюганск, Кривой Рог.

Рисунок 2. Планировка балкона трехкомнатной квартиры многоквартирного дома серии П-44 со стеллажами для выращивания культур гидропонным способом

Figure 2. Planing of the balcony in P-44 series apartment building with the hydroponic method farm

Балкон или лоджия, является неотапливаемым помещением и находится за пределами теплового контура здания (не отделен теплоизолирующими конструкциями от окружающей среды).

Для осуществления круглогодичного выращивания культур на балконе или лоджии необходимо обеспечить температурный режим, для этого необходимо утепление ограждающих конструкций и организация отопления.

Утепление балкона не относится к перепланировке, поскольку не меняется конфигурация помещений и не затрагиваются несущие конструкции здания. Допускаемая нагрузка на балконную плиту составляет 200 кг/м2 при площади 4 м2 суммарная допускаемая нагрузка на балкон будет равняться 800 кг. Приборы отопления запрещается переносить за периметр теплового контура здания. Поскольку переоборудование определяется, как вмешательство в инженерные сети и коммуникации, требующее внесения изменений в технический паспорт помещения, то вывод на балкон электрического кабеля, для подключения электрических отопительных приборов не является таковым.

Для оценки затрат на отопление лоджии, расположенной в многоквартирном доме в г. Москве с помощью электрических нагревателей, в течение года, в качестве расчетной примем среднемесячную температуры, для данного региона (рисунок 3). В расчетах принимаем, что верхняя и нижняя лоджия не утеплены.

Рисунок 4. Диапазоны оптимальных температур для различных культур: 1 – Щавель; 2 – Салат Лолло Росса; 3 – Кресс-салат; 4 – Пекинская капуста; 5 – Редис; 6 – Салат Батавия; 7 – Салат Латук; 8 – Морковь; 9 – Зеленый лук; 10 – Клубника; 11 – Огурцы; 12 – Мята; 13 – Базилик; 14 – Салат Айсберг; 15 – Помидоры; 16 – Перец острый

Figure 4. Ranges of optimal temperatures for various plants: 1 – Sorrel; 2 – Lollo Ross Salad; 3 – Watercress; 4 – Pekin cabbage; 5 – Radish; 6 – Batavia salad; 7 – Lettuce; 8 – Carrot; 9 – Chives; 10 – Strawberry; 11 – Cucumbers; 12 – Mint; 13 – Basil; 14 – Iceberg Salad; 15 – Tomatoes; 16 – Spicy pepper

Методы

Основные факторы, которые необходимо учитывать, при расчете теплового баланса помещения: теплопередача через ограждающие конструкции, теплопотери от вентиляции, поступление тепла от солнечного излучения [10].

Тепловой поток через ограждающие конструкции (1):

F

Q orp =2   хА t ,               (1)

R

t,°c 1

Г И TH ri’ Г Г7 F77 ПП IX У Л7 Л77

Рисунок 3. Среднемесячная температура окружающей среды в г. Москва: 1 – Месяца отопительного периода, 2 – Месяца теплого периода, I–XII – месяца года

где Q – тепловой поток, Вт.; индекс Fэ – площадь элемента конструкции; Rэ – термическое сопротивление элемента конструкции (2); Δt – температурный напор.

R = — + 2R + —, э                    сл

a нар

a вн

Figure 3. The average monthly ambient temperature in Moscow: 1 – Months of the heating period, 2 – Months of the warm period, I–XII – months of the year

где R – термическое сопротивление, С х м 2 /Вт; a_Hap - коэффициент теплоотдачи, Вт^ х м ; нар - с наружной стороны; вн -с внутренней стороны; Rэ – термическое сопротивление элемента конструкции (3).

R_ш = ' ,                 (3)

А л

В расчетах в отопительный период включаем месяца со средней температурой ниже 8 °C. Расчетную температуру воздуха в помещении выбираем с точки зрения наиболее оптимальной для культур, планируемых к выращиванию и комфортных для человека, поскольку лоджия

где Rсл – термическое сопротивление слоя, С х м 2 /Вт ; ^ - толщина слоя, м; ^ - коэффициент теплопроводности слоя, Вт^ х м .

Теплопотери с приточным воздухом (4):

Q_BeH т = V х р х Cp х A t,          (4)

вент      в     в       в

должна, также, выполнять свое прямое назначение. Температура в жилой комнате в холодный период года должна составлять 18 °C Оптимальные температуры выращивания для различных культур приведены на рисунке 4.

где Q – телпопотери с вентиляцией, Вт; V – расход воздуха, м³ /с; р - плотность воздуха, кг(м 3 ; Cp^ - теплоемкость воздуха, Дж (кг х К ; A t - температурный напор, К.

Тепловой поток от солнечного излучения (5):

Q = ( q пр a n + q nm ) F ,            ⁽⁵⁾

где Q – тепловой поток от излучения, Вт; q – удельный тепловой поток от солнечной радиации, Вт/м² ; a_n - коэффициент ассимиляции теплопоступлений конструкциями; F – площадь светопрозрачной конструкции, м².

Удельный тепловой поток от солнечной радиации для вертикального заполнения световых проемов (6):

q np    q cp^котн ^Т 2 ,

где q – тепловой поток от солнечной радиации, Вт м ² ; k – коэффициент инсоляции для вертикального заполнения световых проемов (в расчете принимаем 1, затенение проемов отсутствует); т — коэффициент, учитывающий затенение световых проемов конструкциями окна.

Тепловой поток от теплопередачи через заполнения световых проемов (7):

t —t н.усл    н qпт =           ,

^R сп

где q_nm - тепловой поток, Вт/м ² ; t_Hycjl - условная температура наружной среды (8), °C; t_H - температура наружного воздуха, C; R_cn -термическое сопротивление заполнения светового проема, С х м²/Вт .

Условная температура наружной среды (8):

q tн.усл = tнар + 0,5Ан — РиТ2 , (8) «нар где A – суточная амплитуда температуры наружного воздуха, С; р - коэффициент поглощения заполнением светового проема солнечной радиации; а^ - коэффициент теплоотдачи вертикального заполнения световых проемов, Вт[оС х м2 .

Количество израсходованного тепла за отопительный период составит 7486 МДж, а суммарные годовые затраты на электрическое отопление составят 9672 р.

Тепловой насос, работая по термодинамическому циклу парокомпрессионной холодильной машины, имея электрический привод позволяет осуществлять нагревание воздуха в помещении в холодный период года и охлаждение в теплый период года. Причем осуществляется перенос тепла из окружающей среды и обратно, за счет чего достигается экономия электроэнергии.

Эффективность применения теплового насоса зависит от отношения температур источника низкой температуры ИНТ (откуда забирается тепло), в нашем случае это воздух окружающей среды и источника высокой температуры ИВТ (куда перемещается тепло), в нашем случае это воздух отапливаемого помещения.

Эффект от применения теплового насоса и его целесообразность показывает коэффициент преобразования μ, выражение (9)

Ц = qf ,                (9)

ls где q – удельная теплота конденсации (тепло отдаваемое в отапливаемое помещение), кДж[кг; l – удельная работа, затрачиваемая на приведение в действие теплового насоса, кДж кг .

На рисунке 5 представлен график зависимости коэффициента преобразования теплового насоса, работающего на хладагенте фреоне R410A, от отношения температур в отапливаемом помещении и на улице, при температуре в помещении 20 %. При вычислении коэффициента преобразования учитывалась эффективность процесса сжатия в компрессоре.

• ⁵    i                         /

4*5:

• 4    ■

• 3 ,5 -

• 0,900,900,91 0,920,920,930,940,95' Тцнт/Тцвт

TS|/TSht

• -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3-1  13 t_oc°C

Рисунок 5. График зависимости коэффициента преобразования от отношения температур ИНТ/ИВТ: tос - температура окружающей среды, %; I–XII – месяца года

Figure 5. The dependence of the conversion coefficient on the temperature ratio INT/ICT: t a – ambient temperature, %; I-XII - months of the year

Результаты

С учетом изменяющейся температуры окружающей среды (рисунок 6), были произведены расчеты тепловых потоков в помещение городской персональной фермы несмотря на более низкую среднемесячную температуру, чем температура, поддерживаемая в помещении в летний период, большую роль, начинают играть теплопоступления от солнечной радиации и тепловой баланс становится положительным.

Рисунок 6. Усредненные по месяцам теплопотери помещения фермы: 1 – месяца отопительного периода; 2 – месяца теплого периода; I–XII – месяца года Figure 6. Monthly average heat losses: 1 – months of the heating period; 2 – months of the warm period; I–XII – months of the year

Рисунок 8. Усредненная по месяцам стоимость отопления и кондиционирования балкона при использовании обратимого теплового насоса, при однотарифной системе учета

Figure 8. Monthly average cost of heating and air conditioning of a balcony when using a reversible heat pump, with a single rate metering system.

На рисунке 7 приведена среднемесячная стоимость расходов на электроэнергию при использовании электрического отопления в помещении фермы. При этом кондиционирование в летний период не производится.

Рисунок 7. Усредненная по месяцам стоимость отопления балкона при использовании электронагревателей, при однотарифной системе учета: I–XII – месяца года

Figure 7. Monthly average cost of heating a balcony when using electric heaters, with a single rate metering system: I–XII – months of the year

Поскольку реверсивный тепловой насос обратим, его также можно использовать в качестве кондиционера, что позволит создать более комфортные условия для культур и человека в помещении фермы. На рисунке 8 приведен график затрат на отопление и кондиционирование по месяцам, при использовании реверсивного теплового насоса.

Обсуждение

При сравнении стоимости теплоснабжения с помощью электрических нагревателей и теплового насоса экономия пропорциональна коэффициенту преобразования и составляет от 60 до 70% каждый месяц, в зависимости от температуры окружающей среды. Суммарная экономия за год составит 6257 р. или 62%, причем в сумму затрат, при отоплении тепловым насосом включены затраты на кондиционирование в теплый период.

Заключение

Создание домашней персональной растениеводческой фермы возможно в многоквартирном жилье противоречит законодательству в этой сфере.

Использование обратимого теплового насоса в г. Москва, для теплоснабжения и кондиционирования оправданно, это позволит избежать незаконных переоборудований и добиться сокращения затрат на создание благоприятных условий на балконе или лоджии, что позволит организовать там полноценную сити-ферму.

Разработка выполняется при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям по программе УМНИК в рамках научного проекта № 14724ГУ/2019 от 30.06.2019 г.