Главная >  Энергосбережение 

 

Теплоснабжение от земли. В ближайшее время в России одним из перспективных направлений энергообеспечения может стать применение теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ), использующих повсеместно доступный источник тепла – грунт поверхностных слоев земли.
Можно выделить два вида тепловой энергии земли – высокопотенциальную и низкопотенциальную. Источником первой являются гидротермальные ресурсы – т. е. воды, нагретые в результате геологических процессов до высокой температуры. Однако использование высокопотенциального тепла земли ограничено определенными геологическими районами. В России это, например, Камчатка и район Кавказских минеральных вод. В Европе горячие источники есть в Венгрии, Исландии и Франции.

 

Г. П. Васильев, Н. В. Шилкин

 

Низкопотенциальное тепло земли может использоваться в различных типах зданий и сооружений для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (охлаждения) воздуха, обогрева дорожек в зимнее время года, предотвращения обледенения, подогрева полей на открытых стадионах и т. п.

 

В отличие от гидротермальных ресурсов использование низкопотенциального тепла земли возможно практически повсеместно – посредством тепловых насосов.

 

Дом с подогревом

 

Тепловые насосы в европейских странах работают в основном в режиме отопления (в США же тепловые насосы чаще используются в системах воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией, что позволяет как подогревать, так и охлаждать наружный воздух). Обычно тепловые насосы применяются в системах водяного отопления. Поскольку эффективность тепловых насосов увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора, часто для отопления зданий используются системы напольного отопления, в которых циркулирует теплоноситель относительно низкой температуры (35-40 °C).

 

Так, например, в Москве в микрорайоне Никулино-2 впервые была построена теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. Этот проект был реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с правительством Москвы, Минпромнауки России, НП «АВОК» и ОАО «Инсолар-Инвест» в рамках «Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве».

 

За последние десять лет количество систем, использующих для тепло- и холодоснабжения зданий низкопотенциальное тепло земли, значительно увеличилось. Наибольшее число таких систем используется в США. Кроме того, они функционируют в Канаде, Австрии, Германии, Швеции и Швейцарии. В России же построены лишь единичные объекты.

 

Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 метров каждая, устроенных вблизи дома. Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.

 

В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов здесь используется тепло грунта поверхностных слоев земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:
– парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ);
– баки-аккумуляторы горячей воды;
– системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;
– циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.

 

В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться подземные воды с относительно низкой температурой либо грунт поверхностных (глубиной до 400 м) слоев земли. Теплосодержание грунтового массива в общем случае выше. Тепловой режим грунта поверхностных слоев земли формируется под действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и потока радиогенного тепла из земных недр. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15 – 20 м.

 

Как земля добывает тепло?

 

Системы использования тепловой энергии

 

Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже этой глубины («нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата. С увеличением глубины температура грунта возрастает в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3 °C на каждые 100 м). Величина потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр, для разных местностей различается. Для Центральной Европы эта величина составляет 0,05-0,12 Вт/м2.

 

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.

 

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).

 

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 отложений на стенках труб и коррозией.

 

Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако такие скважины требуют обслуживания. Кроме того, использование этих систем возможно не везде.

 

Иногда к системам, использующим тепло земли, относят и системы использования низкопотенциального тепла открытых водоемов, естественных и искусственных.

 

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. Она расположена в США, в г. Луисвилле, и используется для тепло- и холодоснабжения гостинично-офисного комплекса; ее мощность составляет примерно 10 МВт.

 

Замкнутые системы делятся на горизонтальные и вертикальные.

 

Замкнутые системы

 

В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно. Для экономии площади были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально.

 

Горизонтальный грунтовой теплообменник устраивается, как правило, рядом с домом на небольшой глубине (но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время). Использование горизонтальных грунтовых теплообменников ограничено размерами имеющейся площадки.

 

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:

 

Вертикальные грунтовые теплообменники 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. Они эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или гравия.

 

– Коаксиальный (концентрический) теплообменник. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра. Труба меньшего диаметра располагается внутри другой трубы.

 

– U-образный, представляющий собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две пары таких труб. Преимуществом такой схемы является относительно низкая стоимость изготовления.

 

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 тепло- и холодоснабжения «Richard Stockton College» в США. Вертикальные грунтовые теплообменники этого колледжа располагаются 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.

 

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

 

Другие варианты использования

 

Частным случаем вертикальных замкнутых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Грунтовой массив 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.

 

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

 

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.

 

 

Таким образом, в мире накоплен достаточный опыт, разработано несколько вариантов конструкций систем тепло- и холодоснабжения зданий, использующих низкопотенциальное тепло земли. Эти системы представляют собой надежный источник энергии, который может быть использован в течение достаточно длительного времени и повсеместно – в том числе и в России.

 



 

Экономические аспекты солнечноготеплоснабжения. Оборудование уличного освещения ШРЕДЕР. Новая страница 1. Новая страница 1. Перспективы применения энергетич.

 

Главная >  Энергосбережение 

0.0196