Инсолар

тел: +7(499) 142-53-77
        +7(499) 142-53-99
E-mail: info@insolar.ru
            com@insolar.ru

English version   Русская версия

Комбинированное использование грунта и других источников низкопотенциальной тепловой энергии в теплонасосных системах теплохладоснабжения зданий и сооружений

При проведении оценки эффективности комбинированного использования грунта и наружного воздуха в качестве источников низкопотенциальной тепловой энергии для ГТСТ был рассмотрен гипотетический малоэтажный дом площадью 200 кв. метров, оборудованный ГТСТ (длина термоскважины была равна 40 метров, а радиус 0,1 м).

Для моделирования теплового режима рассматриваемого дома был использован программный комплекс HEATPUMP.

Комбинированное использование низкопотенциального тепла грунта и атмосферного воздуха

При оценке эффективности комбинированного использования низкопотенциальной тепловой энергии грунта и наружного воздуха в качестве критерия эффективности работы ГТСТ были приняты коэффициент преобразования (трансформации) энергии в ГТСТ и суммарные годовые затраты электрической энергии на полный привод теплонасосной системы теплоснабжения, включающие все затраты на циркуляционные насосы, вентиляторы, автоматику, пиковый электродоводчик и прочее. Продолжительность отопительного сезона была регламентирована в соответствии с действующими климатологическими нормами.

На рис.1 представлен ход среднемесячных температур наружного воздуха в Москве, а на рис.2 коэффициент преобразования энергии за в ГТСТ рассматриваемого коттеджа, использующей окружающий воздух в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии (в летнее время коэффициент преобразования энергии равен 0, поскольку раасматривается только отопительный сезон).

Ход среднемесячных температур наружного воздуха в Москве
Рис.1. Ход среднемесячных температур наружного воздуха в Москве

p>
Коэффициент преобразования энергии в ГТСТ, 
использующей окружающий воздух в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии
Рис.2. Коэффициент преобразования энергии в ГТСТ, использующей окружающий воздух в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии

Анализ данных, представленных на рисунках, показывает, что коэффициент преобразования в течение отопительного сезона снижается от 3,5 в октябре до 2,5 в январе. При этом суммарное потребление коттеджем электрической энергии составит 9106 кВт••ч в год. Таким образом, если абстрагироваться от проблем, связанных с инееобразованием на теплообменных аппаратах (дефростация теплообменников), то средние энергетические показатели «воздушной» ГТСТ выглядят неплохо. Однако учет дефростации резко изменит эту картину. На рис.3 и рис.4 представлено сравнение температурных потенциалов наружного воздуха и грунта как источников низкопотенциального тепла для испарителей тепловых насосов, а также сравнение коэффициентов преобразования энергии воздушной и грунтовой ТСТ рассматриваемого коттеджа (длина термоскважины была равна 40 метров, а радиус 0,1 м).

Сравнение температурных потенциалов наружного воздуха и грунта
Рис.3. Сравнение температурных потенциалов наружного воздуха и грунта

Сравнение коэффициентов трансформации энергии геотермальной и воздушной ТСТ
Рис.4. Сравнение коэффициентов трансформации энергии геотермальной и воздушной ТСТ

Анализ сравнительной информации по воздушной и геотермальным теплонасосным системам теплоснабжения позволяет сделать вывод о том, что в климатических условиях Москвы и Средней полосы России использование наружного воздуха в качестве источника тепла низкого потенциала для испарителей ТСТ является не эффективным. Грунт, окружающий системы теплосбора геотермальных систем имеет более высокий температурный потенциал и, как следствие, коэффициенты преобразования энергии у геотермальной ТСТ выше, чем у воздушной. В нашем случае суммарное потребление коттеджем электрической энергии с геотермальной ТСТ составило 7781 кВт•ч в год, что на 15 % меньше, чем у воздушной ТСТ. По-видимому, возможно использование наружного воздуха как источника низкопотенциального тепла в комбинации с грунтом (октябрь и апрель), но это нужно в конкретных случаях обосновывать экономически.

Комбинированное использование низкопотенциального тепла грунта, вентиляционных выбросов и канализационных стоков

Для проведения «численных» экспериментов по оценке эффективности комбинированного использования грунта с другими источниками низкопотенциальной тепловой энергии рассмотрим тепловой режим системы теплосбора гипотетического коттеджа площадью 200 кв. метров, оснащенного ТСТ, использующей тепло грунта в комбинации с теплом «вентиляционных выбросов» и канализационных стоков. «Сбросное» тепло вентиляционных выбросов выделяется среди источников тепловой энергии низкого потенциала как наиболее эффективно сочетающееся с грунтом.

В формировании воздушного режима помещений жилых зданий участвуют окна, двери, ограждающие конструкции, лестничные узлы и системы приточной и вытяжной вентиляции. Наиболее распространенной схемой воздухообмена является неорганизованный приток свежего воздуха через неплотности окон и наружных стен, а удаление из помещений - через вытяжные решетки кухонь и сантехкабин.

Система вентиляции с естественной вытяжкой имеет два существенных недостатка: первый – увеличение воздухообмена при низких наружных температурах и высоких скоростях ветра, что вызывает перерасход тепла на подогрев приточного воздуха; и второй – частое опрокидывание вытяжки в помещениях верхних этажей, располагаемый напор для удаления воздуха из которых является наименьшим. Избавиться от этих недостатков в некоторой мере возможно устройством центральной вытяжной вентиляции, которая также позволяет организовать утилизацию тепла вытяжного воздуха.

Повышение уровня теплозащиты наружных ограждающих конструкций (вплоть до Rст * 6 (м2. •*С)/Вт), применение прозрачных ограждений из стеклопакетов и низко эмиссионных стекол изменяет баланс между трансмиссионными теплопотерями и затратами на нагрев наружного воздуха, поступающего в помещения. В итоге, даже незначительная утилизация теплоты вытяжного воздуха может заметно снизить теплопотребление и повысить энергетический к.п.д. здания.

Одно из эффективных направлений энергосбережения в зданиях – утилизация теплоты вентиляционных выбросов с помощью тепловых насосов. Здесь возможно как более глубокое охлаждение вытяжного воздуха, так и использование его теплоты для отопления помещений и получения горячей воды. Причем отопление здания может быть как воздушным, так и водяным.

Использование низкопотенциального геотермального тепла для теплоснабжения зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов

Две важнейшие проблемы, стоящие сегодня перед северными регионами России, - это теплоснабжение и защита вечномерзлых грунтовых оснований от теплового воздействия зданий и сооружений.

Дело в том, что при строительстве в районах распространения вечно-мерзлых грунтов железобетонные фундаменты зданий и сооружений фактически являются теплопроводными включениями в вечномерзлый грунт, поскольку теплопроводность железобетона выше, чем у мерзлого грунта. В результате, при эксплуатации здания происходит растепление (деградация) вечной мерзлоты по контакту фундамент-грунт, что, в свою очередь, влечет потерю несущей способности основания здания.

Кроме того, складывающаяся ситуация с изменением климата на планете вынуждает искать новые технологии жизнеобеспечения зданий и сооружений в северных районах.

По заказу Арктического Совета - межправительственного форума государств, территория которых полностью или частично расположена в Арктике - России, Канады, США, Швеции, Финляндии, Норвегии, Дании и Исландии, был подготовлен доклад "Оценка климатического воздействия на Арктику", в котором содержится предупреждение об очень быстром таянии льдов в указанном регионе. Арктика переживает быстрые и необратимые перемены, утверждается в документе. Таким образом, к 2060-2100 гг. все океанские льды могут полностью растаять, что, вкупе с ростом ультрафиолетового облучения, может оказать серьезное влияние на экологическую систему и население Арктики.

Доклад стал итогом работы шести организаций и 250 ученых, занимающихся делами полярных народов. Над докладом трудились четыре года.

Это одно из самых детальных исследований возможного влияния глобального потепления на отдельно взятый регион нашей планеты.

Арктика играет одну из ведущих ролей в регуляции климата Земли. Происходящее в Арктике представляет не только локальный интерес. Арктика нагревается стремительно, говорится в документе, - в два раза быстрее остальной планеты. Вечная мерзлота перестает быть вечной, ее площадь сокращается. Арктические морские льды теряют и в толщине, и в площади. В период с 60-х по 90-е годы ХХ века количество отложений (лед, располагающийся между поверхностью океана и нижней кромкой ледовых глыб) сократилось на 40%. В результате, леса движутся на север, а многим животным, например, белым медведям, приходится приспосабливаться к новым условиям.

Кроме того, в вечной мерзлоте и в океанских отложениях содержатся гигантские запасы углерода. Если они потеплеют, это существенно скажется на всей Земле. Лед отражает солнечный свет, возвращая лучи обратно в космос. Если он исчезнет, Земля будет получать от Солнца больше энергии. Таким образом, скорость потепления заметно возрастет. Потепление изменит животный и растительный мир региона радикальным образом. Сегодня Арктика кормит около 600 миллионов птиц. К тому же, в связи с таянием вечной мерзлоты, будут частично или полностью разрушены фундаменты многих зданий, а зимние дороги станет невозможно использовать. Таким образом, очевидно, что проблема защиты вечной мерзлоты от деградации является весьма актуальной.

Решение этой проблемы возможно с помощью разработанных новых технологических решений по использованию низкопотенциального геотермального тепла в районах распространения вечномерзлых грунтов для теплоснабжения зданий и сооружений с одновременной защитой вечномерзлого грунтового основания от деградации (растепления).

Существующие на сегодняшний день технологии защиты вечномерзлых грунтовых оснований от деградации, энергетически затратны, требуют значительных энергоресурсов для охлаждения грунта. Проведенные автором исследования показали принципиальную возможность и технологическую осуществимость использования извлекаемого при охлаждении вечномерзлого грунта тепла в испарителях парокомпрессионных тепловых насосов в качестве источника тепла низкого потенциала. Эта технология позволит получить на 1 кВт энергии, расходуемой на привод ГТСТ, около 2-2,5 кВт полезного тепла и 1-1,5 кВт «холода» для стабилизации температурного режима вечномерзлого грунтового основания.

Весьма существенным преимуществом данной технологии является возможность строительства зданий без тепловых сетей, аварии на которых сегодня, как правило, приводят к потере несущей способности фундаментов и зачастую, как следствие, к разрушению зданий. Таким образом, использование ГТСТ в условиях вечномерзлых грунтов позволит не только решить проблему стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтовых оснований, но и одновременно обеспечит теплоснабжение зданий. Учитывая стоимость энергетических ресурсов в районах распространения вечномерзлых грунтов, трудно переоценить возможный экономический эффект от создаваемых технологий.

Для районов распространения вечномерзлых грунтов можно рекомендовать использование следующих технических решений [1]. Геотермальная теплонасосная система теплоснабжения объектов в районах распространения вечномерзлых грунтов, компенсирующая т епловое воздействие фундамента здания и сооружения на вечномерзлое грунтовое основание. ГТСТ может быть выполнена в двух вариантах....



С более подробной информацией как именно по этому вопросу, так и по другим аспектам технические специалисты могут ознакомиться в разделе Библиотека

Все права защищены и охраняются законом. © Группа компаний "ИНСОЛАР" 2002-2020, Москва