Инсолар

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

English version   Русская версия

"Геотермальные теплонасосные системы теплохладоснабжения зданий и сооружений"

Васильев Г.П.,
Научный руководитель ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», д.т.н.,
Председатель Совета директоров ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ".


Аннотация
В статье представлен краткий обзор современного о состояния проблемы использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли в геотермальных теплонасосных системах теплохладоснабжения (ГТСТ) зданий и сооружений в мире и приведен анализ причин, сдерживающих внедрение тепловых насосов в России.


Эффективность использования энергии является своего рода индикатором научно-технического и экономического потенциала общества, позволяющим оценивать уровень его развития. Сопоставление показателей энергетической эффективности экономики России и развитых стран показывает, что удельная энергоемкость нашего валового внутреннего продукта (ВВП) в несколько раз выше. Так, уровень энергопотребления в расчете на единицу сопоставимого ВВП России примерно в 4 раза выше, чем в США, - стране с высокой энерговооруженностью материального производства, сферы услуг и быта.

Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергоэффективных технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ), и, в первую очередь, в области теплохладоснабжения зданий и сооружений, являющейся сегодня в России одним из наиболее емких потребителей топливно-энергетических ресурсов. Преимущества технологий теплохладоснабжения, использующих НВИЭ, в сравнении с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также предоставляемыми новыми возможностями в области повышения степени автономности систем жизнеобеспечения зданий. По всей видимости, в недалеком будущем именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынке теплохладогенерирующего оборудования как в нашей стране, так и за рубежом.

В последнее десятилетие все большее распространение в мире получают новые энергоэффективные технологии жизнеобеспечения зданий, базирующиеся на применении тепловых насосов и теплонасосных систем теплохладоснабжения (ТСТ). Все широкомасштабные программы по экономии энергии, реализуемые за рубежом, предусматривают их широкое использование.

В наиболее общей конфигурации ТСТ здания или сооружения включает в себя следующие основные элементы:

  • низкопотенциальную часть (источник низкопотенциальной тепловой энергии, или потребитель холода) – систему сбора низкопотенциального тепла (систему теплосбора), или систему хладоснабжения (кондиционирования);
  • высокопотенциальную часть (потребитель тепловой энергии) – системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения здания, или сооружения;
  • теплонасосное оборудование.

С точки зрения термодинамики тепловой насос (ТН) представляет собой обращённую холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и, как правило, компрессор. В основном используются два типа тепловых насосов: абсорбционный и наиболее распространённый - парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора тепла из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс тепловой энергии в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим «полезное» тепло для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную тепловую энергию: вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Среди возможных источников низкопотенциальной тепловой энергии необходимо выделить следующие:

  • окружающий воздух;
  • грунт поверхностных слоев Земли;
  • водоёмы и природные водные потоки;
  • вентиляционные выбросы зданий и сооружений;
  • канализационные стоки;
  • сбросное тепло технологических процессов.

Проведенный анализ эффективности различных источников низкопотенциальной тепловой энергии показал, что в почвенно-климатических условиях России наиболее перспективными являются ТСТ зданий и сооружений, использующие в качестве источника тепла низкого потенциала повсеместно доступный грунт поверхностных слоев Земли.

Грунт поверхностных слоев Земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под воздействием двух основных факторов: солнечной радиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр.

За прошедшее десятилетие в мире значительно увеличилось количество теплосистем с тепловыми насосами, использующих низкопотенциальное тепло поверхностных слоев Земли. В англоязычной технической литературе такие системы обозначаются как «GHP» – «geothermal heat pumps», геотермальные тепловые насосы. Наибольшее распространение эти системы получили в США, Канаде и в странах центральной и Северной Европы: Австрии, Германии, Швеции и Швейцарии. Сегодня в мире общая установленная мощность подобных ТСТ приближается к 7 млн. кВт [1]. Мировым лидером по величине использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли на душу населения является Швейцария.

В России, к сожалению, построены и эксплуатируются лишь единичные здания, оснащенные ТСТ, использующими низкопотенциальное тепло поверхностных слоев Земли, наиболее значимые из которых созданы по технологии и при участии ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ».

Такое положение дел с внедрением в практику отечественного строительства геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения (ГТСТ) зданий и сооружений связано с рядом объективных обстоятельств, таких, как переход национальной экономики к рыночным отношениям, искаженные тарифная политика и структура цен на энергетические ресурсы, а также господствующая до недавнего времени в России доктрина повсеместной централизации теплоснабжения, доставшаяся в «наследство» от энергорасточительного СССР. Но основным препятствием, сдерживающим внедрение тепловых насосов и ГТСТ, является фактическое отсутствие математического, программного и нормативного обеспечения проектирования и строительства этих систем в почвенно-климатических условиях России.

Дело в том, что, в отличие от традиционных аналогов, для ТСТ и, в особенности для ГТСТ, характерны повышенные единовременные капитальные вложения при сравнительно низких эксплуатационных издержках. Вместе с тем их применение позволяет не только обеспечить экономию энергоресурсов, но и получить значительный экологический эффект от сокращения сжигания традиционного органического топлива. Таким образом, эффективность внедрения тепловых насосов и использования ГТСТ в значительно большей степени, чем традиционного теплогенерирующего оборудования, зависит от согласованности всех элементов комплекса: здание + система теплоснабжения, включая систему теплосбора + климат + окружающая среда.

Системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев Земли, или системы теплосбора, в общем случае включают в себя грунтовый теплообменник и трубопроводы, соединяющие его с теплонасосным оборудованием.

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 теплосбора:

  • 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).

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.

Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. 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.
Схема открытой системы приведена на рисунке 1.

Открытые системы чаще используются для тепло- или хладоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Эта система расположена в США, в г. Луисвилль (Louisville), штат Кентукки. Система используется для тепло- и хладоснабжения гостинично-офисного комплекса, ее мощность составляет примерно 10 МВт.

Иногда к системам сбора низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли относят и системы, использующие низкопотенциальное тепло открытых водоемов, естественных и искусственных. Такой подход принят, в частности, в США. Системы, использующие низкопотенциальное тепло водоемов, относятся к открытым, как и системы, использующие низкопотенциальное тепло грунтовых вод.

Закрытые (герметичные) системы, в свою очередь, делятся на горизонтальные и вертикальные.

Рис. 1.Схема открытой системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли

Горизонтальный грунтовой теплообменник (в англоязычной литературе используются также термины «ground heat collector» и «horizontal loop») 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. Если система с горизонтальным грунтовым теплообменником используется только для получения тепла, то для ее эффективной эксплуатации необходимы достаточные теплопоступления с поверхности земли от солнечной радиации. По этой причине поверхность выше теплообменников не должна находиться в тени.

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. 2). Для экономии площади участка были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально (рис. 3). Такая форма теплообменников распространена в США.

Рис. 2. Виды горизонтальных грунтовых теплообменников

Рис. 3. Виды горизонтальных спиральных грунтовых теплообменников

Вертикальные грунтовые теплообменники (в англоязычной литературе принято обозначение «BHE» – от «borehole heat exchanger») позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (15–20 м от уровня земли). Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Вертикальные грунтовые теплообменники 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. Пример ГТСТ с вертикальным грунтовым теплообменником приведен на рисунке 4.

Несмотря на малую изученность вертикальных грунтовых теплообменников и сравнительно небольшую историю их применения (10-15 последних лет), они получают все большее распространение в мировой практике. Прежде всего, это связано с отсутствием необходимости отчуждения значительных земельных участков под грунтовый теплообменник. В горизонтальном варианте теплообменник занимает, как правило, значительную площадь. Кроме того, циркуляция теплоносителя в вертикальных теплообменниках сопряжена со значительно меньшими затратами энергии на привод циркуляционных насосов, чем в горизонтальных теплообменниках. Но основным преимуществом вертикальных теплообменников является все-таки высокая технологичность их сооружения, позволяющая создавать грунтовые теплообменники практически неограниченной тепловой мощности, лимитируемой только технологическими возможностями бурового оборудования и стоимостными показателями теплообменника.

Рис. 4. ГТСТ с вертикальным грунтовым теплообменником

При устройстве вертикальных грунтовых теплообменииков теплоноситель циркулирует по трубам (металлическим, полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Как правило, используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников (рис. 5):

  • U-образный теплообменник, представляющий 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;
  • 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.

Рис. 5. Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников

Теплонасосные системы теплохладоснабжения с вертикальными грунтовыми теплообменниками используются для тепло- и хладоснабжения зданий различных размеров. Для небольшого здания достаточно одной скважины, а для больших зданий может потребоваться устройство целой группы скважин с вертикальными теплообменниками. Самое большое в мире число скважин используется в системе теплохладоснабжения «Richard Stockton College» в США, в штате Нью-Джерси. Вертикальные грунтовые теплообменники этого колледжа располагаются в 400 скважинах глубиной 130 м каждая. В Европе наибольшее число скважин (154 скважины глубиной 70 м) используются в системе тепло- и хладоснабжения центрального офиса Германской Службы управления воздушным движением («Deutsche Flug-sicherung»).

Частным случаем вертикальных закрытых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например, термосвай - фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Сечение такой термосваи с тремя U- образными теплообменниками приведено на рис. 6.

Рис. 6. Схема грунтовых теплообменников, замоноличенных в фундаментные сваи – термосваи, и поперечное сечение термосваи

Существуют системы использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли, которые нельзя однозначно отнести к открытым или замкнутым. Например, одна и та же глубокая (глубиной 100 - 450 м) скважина, заполненная водой, может быть как эксплуатационной, так и нагнетательной. Диаметр скважины обычно составляет 150 мм. В нижнюю ее часть помещается насос, посредством которого вода из скважины подается к испарителям теплового насоса. Обратная вода возвращается в верхнюю часть водяного столба в ту же скважину. Под действием гравитационных сил происходит циркуляция воды в скважине и при необходимости ее подпитка грунтовыми водами. В этом случае открытая система работает подобно замкнутой. Системы такого типа в англоязычной литературе носят название «standing column well system». Обычно скважины такого типа используются и для снабжения здания питьевой водой (рис. 7). Однако такая система может работать эффективно только в почвах, которые обеспечивают постоянную подпитку скважины водой, что предотвращает ее замерзание. Если водоносный горизонт залегает слишком глубоко, для нормального функционирования системы нужен мощный насос, требующий повышенных затрат энергии. Большая глубина скважины обуславливает достаточно высокую стоимость подобных систем, поэтому они не используются для тепло- и хладоснабжения небольших зданий. Сейчас в мире функционирует всего несколько таких систем в США и Европе.

Рис. 7. Схема вертикального грунтового теплообменника, совмещенного с питьевой скважиной

В грунтовом массиве систем теплосбора геотермальных ТСТ, используемых как для тепло-, так и для холодоснабжения, «автоматически» устанавливается квазипериодический температурный режим: в зимнее время происходит охлаждение грунтового массива, в летнее время – его нагрев. В открытых системах, использующих низкопотенциальное тепло грунтовых вод, происходит постоянный водообмен: пополнение грунтовых вод 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 закрытых системах с вертикальными грунтовыми теплообменниками ситуация иная. При отводе тепла температура грунта вокруг грунтового теплообменника понижается. На понижение температуры влияют как особенности конструкции теплообменника, так и режим его эксплуатации. В таблице 1 представлена структура мирового уровня использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли в теплонасосных системах теплоснабжения [1].

Таблица. 1. Мировой уровень использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли


Страна
Установленная мощность теплонасосного оборудования,
Мвт

Произведенная энергия,
ТДж/год
Австралия24,057,6
Австрия228,01094,0
Болгария13,3162,0
Великобритания0,62,7
Венгрия3,820,2
Германия344,01149,0
Греция0,43,1
Дания3,020,8
Исландия4,020,0
Италия1,26,4
Канада360,0891,0
Литва21,0598,8
Нидерланды10,857,4
Норвегия6,031,9
Польша26,2108,3
Россия1,211,5
Сербия6,040,0
Словакия1,412,1
Словения2,646,8
США4800,012000,0
Турция0,54,0
Финляндия80,5484,0
Франция48,0255,0
Чехия8,038,2
Швейцария300,01962,0
Швеция377,04128,0
Япония3,964,0
Всего:6675,423268,9

Данные, представленные в таблице, еще раз подтверждают, что США, Канада, Швеция и Австрия лидируют в области использования геотермальных тепловых насосов и лучше всех стран готовы к их широкому внедрению. Многолетний опыт эксплуатации геотермальных ТСТ, их популяризация, реклама и информирование населения, обоснованная законодательная политика в области энергосбережения обеспечили в этих странах во впечатляющих масштабах взаимовыгодную рыночную обратную связь между производителями и потребителями этой технологии. Постоянно растущий спрос на технологию поощряет рыночных игроков производить все более сложное и эффективное оборудование. Властные структуры в этих странах ощутили реальную экономическую и экологическую эффективность геотермальных ТСТ для национальных экономик и обеспечили рынку этих систем теплохладоснабжения государственную законодательную и образовательную поддержку.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Rybach L. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; sustainability aspects of GHPs. International Course on geothermal heat pumps, 2002.

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