Виды систем использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли

Грунтовые теплообменники связывают теплонасосное оборудование с грунтовым массивом. Кроме «извлечения» тепла Земли, грунтовые теплообменники могут использоваться и для накопления тепла (или холода) в грунтовом массиве.

В общем случае можно выделить два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли:

• открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;
• замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса (или, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой, его охлаждение).

Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины. Схема такой системы приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема открытой системы использования низкопотенциальной тепловой энергии грунтовых вод

Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:

• достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;
• хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отло- жение на стенках труб и коррозией.

Открытые системы чаще используются для тепло- или холодоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Эта система расположена в США в г. Луисвилль (Louisville), штат Кентукки. Система используется для тепло- и холодоснабжения гостиничноофисного комплекса; ее мощность составляет примерно 10 МВт.

Иногда к системам, использующим тепло Земли, относят и системы использования низкопотенциального тепла открытых водоемов, естественных и искусственных. Такой подход принят, в частности, в США. Системы, использующие низкопотенциальное тепло водоемов, относятся к открытым, как и системы, использующие низкопотенциальное тепло грунтовых вод.

Замкнутые системы, в свою очередь, делятся на горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальный грунтовой теплообменник(в англоязычной литературе используются также термины «ground heat collector» и «horizontal loop») устраивает- ся, как правило, рядом с домом на небольшой глубине (но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время). Использование горизонтальных грунтовых теплообменников ограничено размерами имеющейся площадки.

В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно (рис. 4а, 4б). Для экономии площади участка были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально (рис 4д, 4е). Такая форма теплообменников распространена в США.

Рис. 4. Виды горизонтальных грунтовых теплообменников

а – теплообменник из последовательно соединенных труб;

б – теплообменник из параллельно соединенных труб

в – горизонтальный коллектор, уложенный в траншее;

г – теплообменник в форме петли;

д – теплообменник в форме спирали, расположенной горизонтально (так называемый «slinky» коллектор;

е – теплообменник в форме спирали, расположенной вертикально

Если система с горизонтальными теплообменниками используется только для получения тепла, ее нормальное функционирование возможно только при условии достаточных теплопоступлений с поверхности земли за счет солнечной радиации. По этой причине поверхность выше теплообменников должна быть подвержена воздействию солнечных лучей.

Вертикальные грунтовые теплообменники (в англоязычной литературе принято обозначение «BHE» – «borehole heat exchanger») позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (10–20 м от уровня земли). Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопро- водностью, например, сухого песка или сухого гравия. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками получили очень широкое распространение.

Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником

Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Обычно используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников (рис. 6):

• U-образный теплообменник, представляющие собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две (реже три) пары таких труб. Преимуществом такой схемы является относительно низкая стоимость изготовления. Двойные U-образные теплообменники – наиболее широко используемый в Европе тип вертикальных грунтовых теплообменников.
• Коаксиальный (концентрический) теплообменник. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра. Труба меньшего диаметра располагается внутри другой трубы. Коаксиальные теплообменники могут быть и более сложных конфигураций.

Рис. 6. Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников[3]

Для увеличения эффективности теплообменников пространство между стенками скважины и трубами заполняется специальными теплопроводящими материалами.

Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками могут использоваться для тепло- и холодоснабжения зданий различных размеров. Для небольшого здания достаточно одного теплообменника; для больших зданий может потребоваться устройство целой группы скважин с вертикальными теплообменниками. Самое большое в мире число скважин используется в системе тнепло- и холодоснабжения «Richard Stockton College» в США в штате Нью-Джерси. Вертикальные грунтовые теплообменники этого колледжа располагают- ся в 400 скважинах глубиной 130 м. В Европе наибольшее число скважин (154 скважины глубиной 70 м) используются в системе тепло- и холодоснабжения центрального офиса Германской службы управления воздушным движением («Deutsche Flug-sicherung»).

Частным случаем вертикальных замкнутых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Сечение такой сваи с тремя контурами грунтового теплообменника приведено на рис. 7.

Рис. 7. Схема грунтовых теплообменников, замоноличенных в фундаментные сваи здания и поперечное сечение такой сваи

Грунтовой массив (в случае вертикальных грунтовых теплообменников) и строительные конструкции с грунтовыми теплообменниками могут использоваться не только как источник, но и как естественный аккумулятор тепловой энергии или «холода», например тепла солнечной радиации.

Существуют системы использования низкопотенциального тепла Земли, которые нельзя однозначно отнести к открытым или замкнутым. Например, одна и та же глубокая (глубиной от 100 до 450 м) скважина, заполненная водой, может быть как эксплуатационной, так и нагнетательной. Диаметр скважины обычно составляет 15 см. В нижнюю часть скважины помещается насос, посредством которого вода из скважины подается к испарителям теплового насоса. Обратная вода возвращается в верхнюю часть водяного столба в ту же скважину. Происходит постоянная подпитка скважины грунтовыми водами, и открытая система работает подобно замкнутой. Системы такого типа в англоязычной литературе носят название «standing column well system» (рис. 8).

Рис. 8. Схема скважины типа «standing column well»

Обычно скважины такого типа используются и для снабжения здания питьевой водой. Однако такая система может работать эффективно только в почвах, которые обеспечивают постоянную подпитку скважины водой, что предотвращает ее замерзание. Если водоносный горизонт залегает слишком глубоко, для нормального функционирования системы потребуется мощный насос, требующий повышенных затрат энергии. Большая глубина скважины обуславливает достаточно высокую стоимость подобных систем, поэтому они не используются для тепло- и холодоснабжения небольших зданий. Сейчас в мире функционирует несколько таких систем в США, Германии и Европе.

Одно из перспективных направлений – использование в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии воды из шахт и туннелей. Температура этой воды постоянна в течение всего года. Вода из шахт и туннелей легко доступна.

«Устойчивость» систем использования низкопотенциального тепла Земли

При эксплуатации грунтового теплообменника может возникнуть ситуация, когда за время отопительного сезона температура грунта вблизи грунтового теплообменника понижается, а в летний период грунт не успевает прогреться до начальной температуры – происходит понижение его температурного потенциала. Потребление энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает еще большее понижение температуры грунта, и его температурный потенциал еще больше снижается. Это заставляет при проектировании систем использования низкопотенциального тепла Земли рассматривать проблему «устойчивости» (sustainability) таких систем. Часто энергетические ресурсы для снижения периода окупаемости оборудования эксплуатируются очень интенсивно, что может привести к их быстрому истощению. Поэтому необходимо поддерживать такой уровень производства энергии, который бы позволил эксплуатировать источник энергетических ресурсов длительное время. Эта способность систем поддерживать требуемый уровень производства тепловой энергии длительное время называется «устойчивостью» (sustainability). Для систем использования низкопотенциального тепла Земли дано следующее определение устойчивости [4, 5]: «Для каждой системы использования низкопотенциального тепла Земли и для каждого режима работы этой системы существует некоторый максимальный уровень производства энергии; производство энергии ниже этого уровня можно поддерживать длительное время (100–300 лет)».

Проведенные в ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» исследования показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает дальнейшее снижение температуры грунта, и к началу третьего отопительного сезона его температурный потенциал еще больше отличается от естественного. И так далее. Однако огибающие теплового влияния многолетней эксплуатации системы теплосбора на естественный температурный режим грунта имеют ярко выраженный экспоненциальный характер, и к пятому году эксплуатации грунт выходит на новый режим, близкий к периодическому, то есть, начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями его температуры. Таким образом, при проектировании теплонасосных систем теплоснабжения представляется необходимым учет падения температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование в качестве расчетных параметров температур грунтового массива, ожидаемых на 5-й год эксплуатации ТСТ [12].

В комбинированных системах, используемых как для тепло-, так и для холодоснабжения, тепловой баланс устанавливается «автоматически»: в зимнее время (требуется теплоснабжение) происходит охлаждение грунтового массива, в летнее время (требуется холодоснабжение) – нагрев грунтового массива. В системах, использующих низкопотенциальное тепло грунтовых вод, происходит постоянное пополнение водных запасов за счет воды, просачивающейся с поверхности, и воды, поступающей из более глубоких слоев грунта. Таким образом, теплосодержание грунтовых вод увеличивается как «сверху» (за счет тепла атмосферного воздуха), так и «снизу» (за счет тепла Земли); величина теплопоступлений «сверху» и «снизу» зависит от толщины и глубины залегания водоносного слоя. За счет этих теплопоступлений температура грунтовых вод остается постоянной в течение всего сезона и мало меняется в процессе эксплуатации.

В системах с вертикальными грунтовыми теплообменниками ситуация иная. При отводе тепла температура грунта вокруг грунтового теплообменника понижается. На понижение температуры влияет как особенности конструкции теплообменника, так и режим его эксплуатации. Например, в системах с высокими величинами отводимой тепловой энергии (несколько десятков ватт на метр длины теплообменника) или в системах с грунтовым теплообменником, расположенным в грунте с низкой теплопроводностью (например, в сухом песке или сухом гравии) понижение температуры будет особенно заметным и может привести к замораживанию грунтового массива вокруг грунтового теплообменника.

Немецкие специалисты провели измерения температуры грунтового массива, в котором устроен вертикальный грунтовой теплообменник глубиной 50 м, расположенный недалеко от Франкфурта-на-Майне. Для этого вокруг основной скважины на расстоянии 2,5, 5 и 10 м от было пробурено 9 скважин той же глубины. Во всех десяти скважинах через каждые 2 м устанавливались датчики для измерения температуры – всего 240 датчиков. На рис. 9 приведены схемы, показывающие распределение температур в грунтовом массиве вокруг вертикального грунтового теплообменника в начале и по окончании первого отопительного сезона. В конце отопительного сезона хорошо заметно уменьшение температуры грунтового массива вокруг теплообменника. Возникает тепловой поток, направленный к теплообменнику из окружающего грунтового массива, который частично компенсирует снижение температуры грунта, вызванное «отбором» тепла. Величина этого потока по сравнению с величиной потока тепла из земных недр в данной местности (80–100 мВт/кв.м) оценивается достаточно высоко (несколько ватт на квадратный метр).

Рис. 9. Схемы распределения температур в грунтовом массиве вокруг вертикального грунтового теплообменника в начале и в конце первого отопительного сезона[6]

Поскольку относительно широкое распространение вертикальные теполообменники стали получать примерно 15–20 лет назад, во всем мире ощущается недостаток экспериментальных данных, полученных при длительных (несколько десятков лет) сроках эксплуатации систем с теплообменниками такого типа. Возникает вопрос об устойчивости этих систем, об их надежности при длительных сроках эксплуатации. Является ли низкопотенциальное тепло Земли во- зобновляемым источником энергии? Каков период «возобновления» этого источника?

При эксплуатации сельской школы в Ярославской области [2], оборудованной теплонасосной системой, использующей вертикальный грунтовый теплообменник, средние значения удельного теплосъема находились на уровне 120–190 Вт/пог. м длины теплообменника.

С 1986 года в Швейцарии неподалеку от Цюриха проводились исследования системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками [5]. В грунтовом массиве был устроен вертикальный грунтовой теплообменник коаксиального типа глубиной 105 м. Этот теплообменник использовался в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии для теплонасосной системы, установленной в одноквартирном жилом доме. Вертикальный грунтовой теплообменник обеспечивал пиковую мощность примерно 70 Вт на каждый метр длины, что создавало значительную тепловую нагрузку на окружающий грунтовой массив. Годовое производство тепловой энергии составляет около 13 МВт•ч

На расстоянии 0,5 и 1 м от основной скважины были пробурены две дополнительных, в которых на глубине в 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 и 105 м установлены датчики температуры, после чего скважины были заполнены глинисто-цементной смесью. Температура измерялась каждые тридцать минут. Кроме температуры грунта фиксировались и другие параметры: скорость движения теплоносителя, потребление энергии приводом компрессора теплового насоса, температура воздуха и т. п.

Первый период наблюдений продолжался с 1986 по 1991 год. Измерения показали, что влияние тепла наружного воздуха и солнечной радиации отмечается в поверхностном слое грунта на глубине до 15 м. Ниже этого уровня тепловой режим грунта формируется главным образом за счет тепла земных недр. За первые 2–3 года эксплуатации температура грунтового массива, окружающего вертикальный теплообменник, резко понизилась, однако с каждым годом понижение температуры уменьшалось, и через несколько лет система вышла на режим, близкий к постоянному, когда температура грунтового массива вокруг теплообменника стала ниже первоначальной на 1–2 оC.

Осенью 1996 года, через десять лет после начала эксплуатации системы, измерения были возобновлены. Эти измерения показали, что температура грунта существенным образом не изменилась. В последующие годы были зафиксированы незначительные колебания температуры грунта в пределах 0,5 градусов C в зависимости от ежегодной отопительной нагрузки. Таким образом, система вышла на квазистационарный режим после первых нескольких лет эксплуатации.

На основании экспериментальных данных были построены математические модели процессов, проходящих в грунтовом массиве, что позволило сделать долгосрочный прогноз изменения температуры грунтового массива.

Математическое моделирование показало, что ежегодное понижение температуры будет постепенно уменьшаться, а объем грунтового массива вокруг теплообменника, подверженного понижению температуры, с каждым годом будет увеличиваться. По окончании периода эксплуатации начинается процесс регенерации: температура грунта начинает повышаться. Характер протекания процесса регенерации подобен характеру процесса «отбора» тепла: в первые годы эксплуатации происходит резкое повышение температуры грунта, а в последующие годы скорость повышения температуры уменьшается. Продолжительность периода «регенерации» зависит от продолжительности периода эксплуатации. Эти два периода примерно одинаковы. В рассматриваемом случае период эксплуатации грунтового теплообменника равнялся тридцати годам, и период «регенерации» также оценивается в тридцать лет.

Таким образом, системы тепло- и холодоснабжения зданий, использующие низкопотенциальное тепло Земли, представляют собой надежный источник энергии, который может быть использован повсеместно. Этот источник может использоваться в течение достаточно длительного времени, и может быть возобновлен по окончании периода эксплуатации.

Литература

1. Rybach L. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; sustainability aspects of GHPs. International course of geothermal heat pumps, 2002

2. Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области. АВОК №5, 2002

3. Sanner B. Ground Heat Sources for Heat Pumps (classification, characteristics, advantages). 2002

4. Rybach L. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; sustainability aspects of GHPs. International course of geothermal heat pumps, 2002

5. ORKUSTOFNUN Working Group, Iceland (2001): Sustainable production of geothermal energy – suggested definition. IGA News no. 43, January-March 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Ground-source heat pump systems – the European experience. GeoHeat- Center Bull. 21/1, 2000

7. Saving energy with Residential Heat Pumps in Cold Climates. Maxi Brochure 08. CADDET, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Single Pressure Absorption Heat Pump Analysis. A Dissertation Presented to The Academic Faculty. Georgia Institute of Technology, 2000

9. Morley T. The reversed heat engine as a means of heating buildings, The Engineer 133: 1922

10. Fearon J. The history and development of the heat pump, Refrigeration and Air Conditioning. 1978

11. Васильев Г.П. Энергоэффективные здания с теплонасосными системами теплоснабжения. Журнал «ЖКХ», №12, 2002

12. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Москомархитектура. ГУП «НИАЦ», 2001

13. Энергоэффективный жилой дом в Москве. АВОК №4, 1999 г.

14. Васильев Г.П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2. АВОК №4, 2002

Библиотека группы компаний "Инсолар"

Ликбез

• Теплоснабжение с помощью тепловых насосов

Наша планета - островок теплоты в безбрежном океане космического холода, подогреваемый Солнцем, и впору называть её "Планета Теплота". Но Человеку, существу теплокровному, нужна теплота определённого уровня, уровня температуры. К счастью для Человека природа заготовила для него "энергетические консервы" - солнечную энергию, законсервированную в недрах земли, что позволило ему выжить и достичь современного уровня цивилизации.

• Что такое и как работает тепловой насос

C тепловыми насосами каждый из нас знаком с самого детства. Это обыкновенный бытовой холодильник. Только работает он наоборот, потому что предназначен не для того, чтобы повышать уровень температуры для нас, а понижать его для наших скоропортящихся продуктов.

• Как устроен тепловой насос

Вещества для тепловых насосов те же, что и для холодильников и кондиционеров - хладоны или, по-старому, фреоны. Сейчас разработаны и применяются экологически безопасные марки этих веществ. Испаритель и конденсатор - это теплообменники. В бытовом холодильнике испаритель (где отбирается теплота) расположен внутри камеры и самый холодный на ощупь. А конденсатор - это та самая горячая «решётка» позади камеры.

• Откуда перекачивать теплоту

Солнце нагревает землю. Причём земля прогревается сильнее всего как раз к началу отопительного периода, накопив летнее тепло. Колебания температуры в грунте невелики, поступление теплоты стабильно. Достаточно разместить в грунте теплообменники (в виде змеевика на глубине 2 - 3 метра или в виде теплообменника «труба в трубе» в скважине глубиной от 30 до 60 метров. В наших климатических условиях этот вариант использования тепла и энергии земли в качестве нетрадиционных возобновляемых источников энергии представляется наиболее выгодным.
Кроме того, охлаждая тепловыми насосами выбрасываемый вентиляционный воздух и сточные воды, мы можем получить полезную теплоту достаточно высокого температурного уровня.

• Как применять тепловые насосы

Нужно продумать схему так называемой теплонасосной системы теплоснабжения - ТСТ - и определить какое оборудование Вам потребуется и во что Вам обойдётся. Просчитать сколько Вам придётся платить за электроэнергию на привод тепловых насосов, сколько денег потребуется откладывать на замену оборудования теплонасосную систему после того, как оно выработает свой ресурс.

Стандарты и нормативы

"Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии"

В 2001 году МОСКОМАРХИТЕКТУРА утвердила и выпустила разработанный ОАО "Инсолар-Инвест" документ "Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии".

Постановление Правительства Москвы от 5 октября 2010 г. N 900-ПП и новые нормативы удельного энергопотребления жилых и общественных зданий (введены с 01.10.2010)

Правительство Москвы постановляет внести изменения в постановление Правительства Москвы от 9 июня 2009 г. N 536-ПП "О Городской программе "Энергосберегающее домостроение в городе Москве на 2010-2014 гг. и на перспективу до 2020 года" (в редакции постановления Правительства Москвы от 2 февраля 2010 г. N 82-ПП) в связи с доработкой программы во исполнение Указа Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 г. N 889 "О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики", Федерального закона от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" и Закона города Москвы от 5 июля 2006 г. N 35 "Об энергосбережении в городе Москве"

http://www.insolar.ru/teplostochn.php