?> Геотемальные теплонасосные системы теплоснабжения (ГТСТ) и эффективность их применения в климатических условиях России

Инсолар

тел: +7(499) 144-06-67
факс: +7(499)144-01-75
E-mail: com@insolar.ru

English version   Русская версия

"Геотемальные теплонасосные системы теплоснабжения (ГТСТ) и эффективность их применения в климатических условиях России"


Васильев Г.П.,
Научный руководитель группы инновационных компаний "ИНСОЛАР",
д.т.н.

В отличие от «прямого» использования высокопотенциального геотермального тепла (гидротермальные ресурсы), использование грунта поверхностных слоев Земли как источника низкопотенциальной тепловой энергии для геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения (ГТСТ) возможно практически повсеместно. В настоящее время в мире это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Грунт поверхностных слоев Земли фактически является тепловым аккумулятором неограниченной мощности. Тепловой режим грунта формируется под действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и потоком 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.

Тепловой 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 (рис. 1). С увеличением глубины температура грунта также увеличивается в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3 градуса С на каждые 100 м). Величина потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр, для разных местностей различается. Как правило эта величина составляет 0,05–0,12 Вт/кв.м.

При эксплуатации геотемальных теплонасосных систем теплоснабжения (ГТСТ) грунтовый массив, находящийся в пределах зоны теплового влияния регистра труб грунтового теплообменника системы сбора низкопотенциального тепла грунта (системы теплосбора), вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок на систему теплосбора, как правило, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию. При этом, естественно, происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта и находящейся в общем случае, как в жидкой, так и в твердой и газообразной фазах одновременно. При этом в капилярно-пористых системах, каковой является грунтовый массив системы теплосбора, наличие влаги в поровом пространстве оказывает заметное влияние на процесс распространения тепла. Корректный учет этого влияния на сегодняшний день сопряжен со значительными трудностями, которые, прежде всего, связаны с отсутствием четких представлений о характере распределения твердой, жидкой и газообразной фаз влаги в той или иной структуре системы. При наличии в толще грунтового массива температурного градиента молекулы водяного пара перемещаются к местам, имеющим пониженный температурный потенциал, но в то же время под действием гравитационных сил возникает противоположно направленный поток влаги в жидкой фазе. Кроме этого, на температурный режим верхних слоев грунта оказывает влияние влага атмосферных осадков, а также грунтовые воды.


К характерным особенностям теплового режима систем сбора тепла грунта как объекта проектирования также следует отнести и так называемую «информативную неопределенность» математических моделей, описывающих подобные процессы, или, иначе говоря, отсутствие достоверной информации о воздействиях на систему окружающей среды (атмосферы и массива грунта, находящихся вне зоны теплового влияния грунтового теплообменника системы теплосбора) и чрезвычайную сложность их аппроксимации. Действительно, если аппроксимация воздействий на систему наружного климата, хотя и сложна, но все же при определенных затратах «машинного времени» и использовании существующих моделей (например, «типового климатического года») может быть реализована, то проблема учета в модели влияния на систему атмосферных воздействий (роса, туман, дождь, снег и т.д.), а также аппроксимация теплового влияния на грунтовый массив системы теплосбора подстилающих и окружающих его слоев грунта на сегодняшний день практически не разрешима и могла бы составить предмет отдельных исследований. Так, например, малая изученность процессов формирования фильтрационных потоков грунтовых вод, их скоростного режима, а также невозможность получения достоверной информации о тепловлажностном режиме слоев грунта, находящихся ниже зоны теплового влияния грунтового теплообменника, значительно осложняет задачу построения корректной математической модели теплового режима системы сбора низкопотенциального тепла грунта.

Для преодоления описанных сложностей, возникающих при проектировании ГТСТ, могут быть рекомендованы созданные в ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" и апробированные на практике метод математического моделирования теплового режима систем сбора тепла грунта и методика учета при проектировании ГТСТ фазовых переходов влаги в поровом пространстве грунтового массива систем теплосбора.

Важнейшей задачей, решаемой при проектировании геотермальных систем теплоснабжения зданий, является детальная оценка энергетических возможностей климата района строительства и на этой основе составление заключения от эффективности и целесообразности применения того или иного схемного решения ГТСТ. Расчётные значения климатических параметров, приводимые в действующих нормативных документах не дают полной характеристики наружного климата, его изменчивости по месяцам, а так же в отдельные периоды года - отопительный сезон, период перегрева и др. Поэтому при решении вопроса о температурном потенциале геотермального тепла, оценки возможности его сочетания с другими естественными источниками тепла низкого потенциала, оценки их (источников) температурного уровня в годовом цикле необходимо привлечение более полных климатических данных, приводимых, например, в Справочнике по климату СССР (Л. Гидрометиоиздат. Вып. 1-34). Среди такой климатической информации, в нашем случае следует выделить прежде всего:

  • данные о среднемесячной температуре почвы на разных глубинах;
  • данные о поступлении солнечного излучения на различно ориентированные поверхности.

Для оценки эффективности применения геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения в климатических условиях России в ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» было выполнено районирование территории РФ по эффективности использования геотермального тепла низкого потенциала для целей теплоснабжения. Районирование выполнялось на основе результатов численных экспериментов по моделированию эксплуатационных режимов ГТСТ в климатических условиях различных регионов территории РФ. Численные эксперименты проводилось на примере гипотетического двухэтажного коттеджа с отапливаемой площадью 200 кв. метров, оборудованного геотермальной теплонасосной системой теплоснабжения. Наружные ограждающие конструкции рассматриваемого дома имеют следующие приведенные сопротивления теплопередаче:

  • наружные стены – 3,2 кв.м.• ч. • град.С/Вт;
  • окна и двери - 0,6 кв.м. • ч. • град.С/Вт;
  • покрытия и перекрытия – 4,2 кв.м•.ч. • град.С/Вт.

При проведении численных экспериментов рассматривались:

  • система сбора тепла грунта с низкой плотностью потребления геотермальной энергии - горизонтальная система теплосбора из полиэтиленовых труб диаметром 0,05 м и длиной 400 м.
  • система сбора тепла грунта с высокой плотностью потребления геотермальной энергии - вертикальная система теплосбора из одной термоскважины диаметром 0,16 м и длиной 40 м.

Исследования, проведенные в ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», 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 РФ 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 ....

...Численные эксперименты проводились с помощью созданной в ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» программы «HeatPump», обеспечивающей определение оптимальных параметров системы теплосбора в зависимости от климатических условий района строительства, теплозащитных качеств здания, эксплуатационных характеристик теплонасосного оборудования, циркуляционных насосов, нагревательных приборов системы отопления, а также режимов их эксплуатации...


Результаты численных экспериментов и районирование территории России по эффективности использования геотермального тепла низкого потенциала для целей теплоснабжения зданий представлены в графическом виде на рисунках 2-9....

Если Вас заинтересовала тема, то предагаем Вашему вниманию для ознакомления полный текст статьи с рисунками: Районирование территории России по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплохладоснабжения

Рис.2. - изолинии на карте – значения коэффициента трансформации энергии для «горизонтальных» ГТСТ, численно равные количеству полезной тепловой энергии вырабатываемой ГТСТ на 1 кВт энергии, затрачиваемой на ее привод, доли единицы.
Рис.3. - изолинии на карте – значения коэффициента трансформации энергии для «вертикальных» ГТСТ, численно равные количеству полезной тепловой энергии вырабатываемой ГТСТ+ПД на 1 кВт энергии, затрачиваемой на ее привод, доли единицы.
Рис.4. - изолинии на карте – удельные годовые затраты энергии на привод «горизонтальных» ГТСТ + ПД, включающие отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, приведенные к 1 кв. метру отапливаемой площади, кВт*ч/год*кв.м.
Рис.5. - изолинии на карте – удельные годовые затраты энергии на привод «вертикальных» ГТСТ + ПД, включающие отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, приведенные к 1 кв. метру отапливаемой площади, кВт*ч/год*кв.м.
Рис.6. - изолинии на карте – рациональное соотношение тепловой мощности пикового доводчика и установленной электрической мощности «горизонтальных» ГТСТ, доли единицы.
Рис.7. - изолинии на карте – рациональное соотношение тепловой мощности пикового доводчика и установленной электрической мощности «вертикальных» ГТСТ, доли единицы.
Рис.8. - изолинии на карте – удельный вес тепловой энергии вырабатываемой в течение года пиковым доводчиком (ПД) в суммарных годовых энергозатратах системы «горизонтальная » ГТСТ + ПД, проценты.
Рис.9. - изолинии на карте – удельный вес тепловой энергии вырабатываемой в течение года пиковым доводчиком (ПД) в суммарных годовых энергозатратах системы «вертикальная» ГТСТ + ПД, проценты

Загрузить полный текст статьи в формате PDF


Все права защищены и охраняются законом. © Группа компаний "ИНСОЛАР" 2002-2017, Москва
Подробнее о соблюдении авторских прав