Теплообменники для извлечения низкопотенциального тепла грунта и грунтовых вод

Грунтовые теплообменники связывают теплонасоспое 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 низкопотеициальной тепловой энергии Земли:

- открытые системы: в качестве источника низкопотеициальной 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 па рис. 3.21.

Схема открытой системы использования низкопотенциальной тепловой энергии грунтовых вод

Рис. 3.20. Схема открытой системы использования низкопотенциальной тепловой энергии грунтовых вод

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

Виды горизонтальных фунтовых теплообменников

Рис. 3.21. Виды горизонтальных фунтовых 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 (гак называемый «slinky» коллектор);

е - теплообменник в форме спирали, расположенной вертикально

Иногда к системам,

использующим тепло Земли, относят и системы использования низкопотенциалыюго тепла

открытых водоемов, естественных и искусственных. Такой подход принят, в частности, в США. Системы, использующие

низкопотенциалыюе тепло

водоемов, относятся к открытым, как и системы, использующие низкопотенциалыюе тепло

грунтовых вод.

Замкнутые системы, в свою очередь, делятся па

горизонтальные и вертикальные [3.7].

Горизонтальный грунтовой теплообменник (в англоязычной литературе используются также термины «ground heat collector» и «horizontal loop») устраивается, как правило, рядом с домом па 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.3.22,а, 3.22,6) [3.71. Для экономии площади участка были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально (рис.3.22,д, 3.22,е). Такая форма теплообменников распространена в США.

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 «ВНЕ» - «borehole heat exchanger») позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (10-20 м от уровня земли) и получили очень широкое распространение. 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.

Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником приведена на рис. 3.23.

Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Обычно используются вертикальные грунтовые теплообменники (рис. 3.22): U-образный теплообменник, представляет собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части [3.7]. 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 (см.рис.3.24).

Схема отопления и горячего водоснаожсния одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником

Рис. 3.22. Схема отопления и горячего водоснаожсния одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником

Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников

Рис.3.23. Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников

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

Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками могут использоваться для тепло- и холодоснабжепия 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 холодоснабжепия «Richard Stockton College» в США в штате Ныо-Джерси. 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 холодоснабжепия центрального офиса Германской службы управления воздушным движением («Deutsche Flug-sicherung») [3.7].

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.3.25.

Схема 1рунговых теплообменников, замоноличенных в фундаментные сваи здания, и поперечное сечение такой сваи

Рис. 3.24. Схема 1рунговых 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 низкопотеициального 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. 3.26) [3.7].

Схема скважины типа «standing column well»

Рис. 3.25. Схема скважины типа «standing column well»

Обычно скважины такого типа используются и для снабжения здания питьевой водой. Однако такая система может работать аффективно 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 низкопотепциальпой тепловой энергии воды из шахт и туннелей. Температура этой воды постоянна в течение всего года. Вода из шахт и туннелей легко доступна.

Грунт имеет свойство сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что ведет к относительно равномерному уровню температуры источника тепла на протяжении всего года, что обеспечивает эксплуатацию теплового насоса с высоким коэффициентом мощности (к.п.д.).

Грунтовый коллектор

Рис. 3.26 Грунтовый коллектор

Грунтовый зонд

Рис.3.27. Грунтовый зонд

Пластиковые трубы укладываются в грунт на глубину 1,2-1,5 м и, в зависимости от выбранного поперечного сечения трубы, па расстоянии приблизительно 0,5-0,7 м параллельно друг другу, так чтобы па каждый м2 площади забора тепла было проложено примерно 1,43-2,00 м труб. Длина каждой плети трубопровода не должна превышать 100 м, иначе потери давления и требуемая мощность насоса будут слишком велики.

Трубы на концах соединены в распределительные гребенки обратной и подающей магистралей, которые должны находиться немного выше, чем сами трубы, чтобы воздух мог удаляться изо всей системы. Рекомендуется, чтобы каждая плеть могла перекрываться отдельно.

Рассол качается циркуляционным насосом по пластиковым трубам; забирая при этом накопленное грунтом тепло, которое с помощью теплового насоса утилизируется для отопления помещения.

Временное замерзание грунта непосредственно в зоне пролегания труб (в большинстве случаев во второй половине отопительного сезона) не оказывает отрицательного воздействия на работоспособность установки и па рост растений. Но все же в зоне прохождения труб с рассолом не рекомендуется сажать растения с глубокими корнями.

Регенерация остывшего грунта происходит уже во второй половине отопительного сезона благодаря возросшему солнечному излучению и осадкам, так что к новому периоду отопления грунт как «аккумулятор тепла» опять пригоден для отопительных целей.

Необходимое перемещение грунта при строительстве нового здания обычно не требует больших дополнительных расходов. По имеющимся сведениям в качестве источника тепла особенно подходит суглинок, сильно насыщенный водой. В соответствии с имеющимся опытом в качестве среднегодового значения для круглогодичной (моновалентной) эксплуатации можно рассчитывать па мощность теплопоглощения (холодо-производителыюсти) qE, равную 10-35 Вт на каждый кв. метр поверхности грунта. В случае грунта с большим содержанием песка мощность теплопоглощения уменьшается.

Грунт аккумулирует солнечную энергию. Эта энергия воспринимается грунтом либо непосредственно в форме солнечной радиации, либо косвенно в форме тепла, получаемого от дождя или из воздуха.

Как правило, не разрешается устанавливать тепловые зонды и теплообменники в более глубокие ярусы грунтовых вод, т.к. нельзя с достаточной уверенностью исключить нанесение вреда используемому горизонту грунтовых вод. Тем самым защищается глубоко залегающая питьевая вода.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >