Энергия тепла земли, как источник отопления. Используемые грунтовые теплообменники и схемы теплоснабжения

Вертикальные грунтовые теплообменники

Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Они эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или сухого гравия. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками получили очень широкое распространение.

Рис. 4. Скважина с уложенным в ней вертикальным грунтовым теплообменником (геотермальным зонодом)

В контуре съема тепла теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах (рис. 4) глубиной от 50 до 200 м. Обычно используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников (рис. 5).

Рис. 5 Типы вертикальных грунтовых теплообменников

Первый тип – U-образные теплообменники, 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.

Второй тип – 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.

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. Ведущую роль в данной системе играет теплонасос.

Принцип работы теплонасосной системы теплоснабжения

В испарителе теплового насоса тепло невысокого температурного потенциала отбирается от источника низкотемпературного тепла и передается низкокипящему рабочему телу теплового насоса (рис. 6). Полученный пар сжимается компрессором. При этом температура пара повышается и тепло на нужном температурном уровне в конденсаторе передается в систему отопления и/или горячего водоснабжения. Для того чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим телом, после конденсатора оно дросселируется до начального давления, охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального тепла, и снова подается в испаритель.

Рис. 6. Схема работы системы теплоснабжения на основе теплового насоса

Точка кипения для разных жидкостей меняется посредством давления, чем выше давление, тем выше точка кипения. Вода закипает при нормальном давлении при температуре +100 °С. При повышении давления вдвое температура кипения воды достигает +120 °С, а при уменьшении давления в 2 раза вода закипает при +80 °С. Хладагент в тепловом насосе имеет ту же тенденцию: его температура кипения меняется при изменении давления. Точка кипения хладагента лежит низко, приблизительно - 40 °С при атмосферном давлении, поэтому может использоваться даже с низкотемпературным тепловым источником.

Таким образом, тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю. При этом на привод компрессора затрачивается электрическая энергия. Однако при наличии подходящего источника низкопотенциального тепла его количество, поставляемое потребителю, в несколько раз превышает затраты на привод компрессора. Отношение полезного тепла к работе компрессора называется коэффициентом преобразования теплового насоса, и в наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает величины 3 и более. Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов – 35–60 °С.

Экономия дорогих энергетических ресурсов при таком температурном режиме достигает 75 %.

Теоретический коэффициент преобразования (ε) идеального теплового насоса рассчитывается по формуле Карно:

ε = Т₂/( Т₂-Т₁),

Если бы тепловой насос работал по идеальному циклу, то при температуре кипения +5 °С (Т₁ = 278 К) и при температуре конденсации 55 °С (Т₂=328 К) он мог бы работать с коэффициентом преобразования, равным 6,56. На самом деле коэффициент преобразования будет меньше, так как полностью идеальных тепловых машин не бывает.

Обычно внутри теплового насоса, как и в холодильнике, циркулирует хладагент. На современное этапе используются хладагенты, который не содержат хлоруглеводородов и других, вредных для здоровья человека и окружающей среды компонентов.

«Устойчивость» систем использования низкопотенциального тепла Земли

При эксплуатации грунтового теплообменника может возникнуть ситуация, когда за время отопительного сезона температура грунта вблизи 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» 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». Для систем использования низкопотенциального тепла Земли дано следующее определение устойчивости: «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)».

Математическое моделирование показало, что значения ежегодного понижения температуры будут 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 такого процесса подобен характеру процесса «отбора» тепла: в первые годы эксплуатации происходит резкий рост температуры грунта, а в последующие годы скорость ее повышения  уменьшается. Продолжительность периода «регенерации» зависит от длительности периода эксплуатации. Эти два периода примерно одинаковые.

Таким образом, системы тепло- и холодоснабжения зданий, использующие низкопотенциальную энергию тепла 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.

Тепловые насосы нашли широкое применение для теплоснабжения жилых и административных зданий во многих странах мира со сходными с Россией климатическими условиями. Расширяется опыт применения тепловых насосов и в нашей стране.

Статья из журнала "Аква-Терм", №2/ 2016. Рубрика "отопление и ГВС" Р. C. Ширяев

ВНИМАНИЕ: Данная информация получена путем сканирования, цифровой обработки физических носителей или обмена с неравнодушными пользователями. Она не имеет отметок грифа секретности и тайны, если вы считаете, что эта информация нарушает Ваши авторские или другие права. Незамедлительно сообщите администратору для удаления ее из портала.