International research journal

Psarov S.A.
1, 
*, Shumilin E.V.
2
 
1 
ORCID: 0000-0002-4368-7848; 
2 
ORCID: 0000-0002-3210-1469; 
Pacific National University, Khabarovsk, Russia 
* Corresponding author (006212[at]pnu.edu.ru) 
Abstract 
The recovery of ground heat in the warm season allows for the reduction of the required length of geothermal wells thus 
reducing the cost for installing geothermal heat pumps. The current study carries out a simulation of the operation of a geothermal 
heat pump, taking into account the recovery of ground heat in the warm period of the year using flat-plate solar collectors, open 
solar collectors and air heating units. The study introduces the data that in the climatic conditions of Khabarovsk, air heating 
units cannot completely restore the heat of the ground during the warm periods of the year. The research demonstrates that the 
use of geothermal heat pumps with open solar collectors proves to be the most promising due to their low cost and high efficiency 
at temperatures of antifreeze agents in a geothermal well after the heating period. At the same time, the high soil inertia imposes 
restrictions on the thermal power perceived by the ground. This can also lead to incomplete recovery of ground heat in the case 
of an insufficient duration of a warm period. 
Keywords: geothermal heat pump, flat-plate solar collector, open solar collector, air heating unit. 
Введение 
Отопление зданий и нагрев горячей воды для бытовых и производственных нужд в условиях сурового климата 
Дальнего Востока России требует достаточно больших затрат тепловой энергии. Поэтому использование 
альтернативных источников энергии, таких как геотермальная энергия, солнечная энергия, энергия ветра является 
одним из способов уменьшения как энергии, необходимой для отопления зданий и производства горячей воды, так и 
пиковой тепловой мощности. Однако широкому распространению альтернативных источников теплоснабжения 
препятствует их высокая стоимость. Поэтому последнее время большое количество исследовательских работ 
посвящено поиску оптимальных сочетаний различных альтернативных источников энергии, которые обеспечили бы 
экономическую эффективность и техническую надежность альтернативной энергетики. 
В частности, исследованию совместной работы геотермальных тепловых насосов и различных солнечных 
коллекторов последнее время посвящено достаточно большое количество научных работ [1], [2], [3], [4]. Грунт является 
энергоемким источником низкопотенциальной тепловой энергии. Однако восстановление теплоты грунта из-за низкой 
теплопроводности происходит достаточно медленно, что в условиях холодного климата приводит к постоянному 
увеличению термического сопротивления грунта и уменьшению его теплоотдачи. Например, для климатических 
условий г. Хабаровска нами было показано [5], что коттедж площадью 105 м
2
, в среднем за год потребляет тепловую 
мощность из геотермальных скважин равную 1530 Вт (13400 кВт∙ч тепловой энергии в год). Для компенсации 
уменьшения теплоотдачи от грунта и обеспечения бесперебойной работы теплового насоса в течение длительного 
периода (десятки лет) необходимо обеспечить запас по длине скважин не менее 110 м, что составило приблизительно 
одну третью часть общей длины геотермальных скважин. 

---

Международный научно-исследовательский журнал ▪ № 1 (103) ▪ Часть 1 ▪Январь 
112 
Для восстановления теплоты грунта в летний период могут быть использованы различные методы. В работе [2] 
было рассмотрено три варианта восстановления теплоты грунта с помощью гибридных солнечных коллекторов 
(производящих одновременно электрическую и тепловую энергии). Однако из-за высокой стоимости гибридных 
солнечных коллекторов экономическая эффективность их использования не была достигнута: минимальные затраты за 
20-летний период составили почти 52 тысячи долларов. В работе [3] в качестве перспективного направления 
восстановления теплоты грунта в летний период было предложено использование открытых солнечных коллекторов. 
Во-первых, стоимость открытых солнечных коллекторов является относительно невысокой: 2−3 тысячи рублей за 
квадратный метр. Во-вторых, после отопительного периода температура антифриза в геотермальной скважине 
составляет около 0 
о
С. Поэтому открытые солнечные коллекторы могут быть использованы круглосуточно, нагревая 
грунт за счет температуры наружного воздуха. Таким образом, поиск эффективных способов восстановления теплоты 
грунта является актуальной научной задачей.
В данной работе проведено численное исследование совместной работы геотермального теплового насоса с 
плоским солнечным коллектором; открытым солнечным коллектором; воздушным отопительным агрегатом Volcano 
VR1, которые использовались для восстановления теплоты грунта в теплый период. При моделировании теплоотдачи 
от грунта использовалась зависимость термического сопротивления грунта от времени, что позволяет моделировать 
работу геотермальных скважин и теплового насоса в долгосрочной перспективе (десять и более лет).