«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.