ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТИПА СИСТЕМЫ СБОРА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЗЕМЛИ

SELECTION AND JUSTIFICATION OF THE TYPE OF LOW-POTENTIAL HEAT COLLECTION SYSTEM FOR THE SURFACE LAYERS OF THE EARTH

Dmitry S. Bauer

Master's Student, Department of Construction Production, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

Miroslava Gusarova

Candidate of Economics, associate Professor of the Department of Joint Venture, Professor, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

АННОТАЦИЯ

Системы сбора низкопотенциального тепла поверхностных слоев Земли, в общем случае, включает в себя грунтовый теплообменник, а также подающий и обратный трубопроводы, которые соединяют грунтовый теплообменник с тепловым насосом или промежуточным теплообменником. Кроме основной функции отбора тепла, грунтовые теплообменники выполнять функцию накопления тепла в массиве грунта. В статье автор проводит исследование выбора и обоснование типа системы сбора низкопотенциального тепла поверхностных слоев Земли.

ABSTRACT

Systems for collecting low-potential heat from the surface layers of the Earth, in general, include a ground heat exchanger, as well as supply and return pipelines that connect the ground heat exchanger to a heat pump or intermediate heat exchanger. In addition to the main function of heat extraction, ground heat exchangers perform the function of heat accumulation in the soil mass. In the article, the author conducts research on the choice and justification of the type of system for collecting low-potential heat from the surface layers of the earth.

Ключевые слова: теплоснабжение, низкопотенциальное тепло, теплообменник, грунтовые воды, теплонасосная система.

Keywords: heat supply, low-potential heat, heat exchanger, ground water, heat pump system.

Как правило, выделяют два вида системы сбора низкопотенциального тепла поверхностных слоев Земли:

− открытые системы (источником низкопотенциального тепла являются грунтовые воды, которые подводятся к теплообменникам тепловых насосов или промежуточным теплообменникам);

− закрытые системы (источником низкопотенциального тепла являются непосредственно сам грунт и/или грунтовые воды. Отбор тепла происходит по средствам циркуляции теплоносителя в трубах грунтового теплообменника и переносит его в испаритель теплового насоса) [1].

Основными частями открытой системы теплоснабжения являются скважины для забора «теплой» воды и скважины для возврата воды, охлажденной в испарителе теплового насоса или промежуточном теплообменнике. Скважины для забора воды следует размещать выше по течению, чем скважины для возврата воды, для того чтобы уже охлажденная вода не попала повторно в испаритель теплового насоса или промежуточный теплообменник. Так же производителями тепловых насосов рекомендуется использовать промежуточный теплообменник для защиты от замерзания испарителя теплового насоса [2].

Главным достоинством таких систем является возможность получения большего количества тепла, при низких капитальных затратах. Однако, качество грунтовых вод не всегда удовлетворяет требованиям к качеству воды для теплообменного оборудования, что влечет за собой большие затраты на обслуживание скважин и теплообменного оборудования.

Основные требования к грунту и грунтовым водам, представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Основные требования к грунту и грунтовым водам

Такие системы применяются для тепло- и/или хладоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире система геотермальная теплонасосная система, использующая в качестве источника низкопотенциального тепла грунтовые воды, расположена в США в городе Луисвилль, штат Кентукки система расположена в гостиничном комплексе, ее мощность составляет примерно 10 МВт [3].

Закрытые системы подразделяются на горизонтальные и вертикальные. Горизонтальный грунтовый теплообменник располагается рядом с домом на небольшой глубине, но не выше глубины промерзания грунта. Использование горизонтальных грунтовых теплообменников возможно только при больших площадях имеющегося участка. Основным источником тепла на глубине, где располагается грунтовый теплообменник, является теплопоступления от солнечной радиации. Поэтому наружная поверхность грунта над горизонтальным грунтовым теплообменником не должна находиться в тени.

Вертикальные грунтовые теплообменники дают возможность использовать геотермальное тепло недр Земли. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не занимают большой площади участков и не зависят от теплопоступлений от солнечной радиации. Температура на глубине ниже 15 м постоянна. Работа вертикального грунтового теплообменника не зависит от геологической среды, в которой он расположен, исключением являются только грунтовые породы, имеющие низкую теплопроводность. Такие системы получили наибольшие распространение, благодаря вышеперечисленным преимуществам. Вертикальные грунтовые теплообменники изготавливают из металлических, полипропиленовых и полиэтиленовых труб.

Существует два основных типа вертикальных грунтовых теплообменников, которые представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Типы вертикальных грунтовых теплообменников

Наиболее выгодным является применение U-образных вертикальных теплообменников, изготовленных из полиэтиленовой трубы, так как данный материал труб наиболее долговечен.

Проведя обзор используемых технологий тепловых насосов, в рамках исследования была спроектирована система теплоснабжения, описание которой представлено ниже.

Для обеспечения потребностей в тепловой энергии на нужды отопления и вентиляции. Теплонаносная система теплоснабжения включает в себя подсистемы генерации теплоты и транспорта теплоты.

Генератором тепловой энергии является два двухступенчатых тепловых насоса типа вода-грунт, расположенные внутри здания на первом этаже, в складском помещении. К каждому теплому насосу подключается бак- аккумулятор объемом 950 л. Параметры теплоносителя 45 ̊С/35 ̊С. В качестве теплоносителя применяется 25% раствор пропиленгликоля с температурой замерзания -10 ̊С.

Подсистема сбора низкопотенциальной тепловой энергии представляют собой вертикальные грунтовые теплообменники (зонды), установленные в скважинах глубиной 100 м, диаметром 110 мм. Количество скважин 20. Пространство между зондом и стенками скважин заполнялось песчано-гравийной смесью до отметки гидростатического уровня воды, выше которого скважина заполнялась бентонитовым раствором. Минимальное расстояние между ними 5 м. Минимально расстояние от скважины до обреза здания составляет 9,3 м.

Зонд представляют собой одну U-образную петлю трубы, изготовленную из двух полиэтиленовых труб ПНД ПЭ-100 SDR11-32×3 труб, которые были соединены U-образным одинарным фитингом под электомуфты. К которому прикреплялся балласт для направления движения зонда по скважине. Количество зондов 20.

Подающие и обратные трубопроводы проложены с уклоном 0,002 от устья скважины в сторону тепловой камеры и соединяются в четыре коллектора, расположенных в тепловой камере, и заводятся в здание четырьмя трубами. Горизонтальные трубопроводы изготовлены из предизолированной полиэтиленовой трубы различного диаметра. Для изоляции труб применяется пенополиуретан. Горизонтальные трубопроводы оснащены системой организации диспетчерского контроля (ОДК). Укладка горизонтальных трубопроводов производится на глубине три метра. Тепловая камера расположена с северной стороны здания на отметке -3,200 и имеет размер в осях 4,5×3,40.

Циркуляционные насосы, оснащенные частотно-регулируемым приво- дом, расположены в тепловой камере на отметке ….м.

Ввод в здание выполнен на отметке -2.700 с северной стороны здания через гильзы.

Прокладка трубопроводов внутри здания осуществлялась по потолку помещения ИТП, коридора, гаража и складского помещения на отметке 4 м под подшивным потолком. Для исключения выпадения конденсата трубы внутри здания также утеплены. В качестве тепловой изоляции применяется вспененный каучук.

Таким образом, анализ типа системы сбора низкопотенциального тепла поверхностных слоев Земли, позволил обосновать и спроектировать систему теплоснабжения для проектирования и сооружения здания.

Список литературы:

1. Современные исследования применения тепловых насосов [Электронный ресурс] - режим доступа: http://stroy-spravka.ru/article/sovremennye-issledovaniya-i-primenenie-teplovykh-nasosov
2. Особенности применения тепловых насосов [Электронный ресурс] - режим доступа: http://portal-energo.ru/articles/details/id/129
3. Млынчик, В.И. Методика определения потенциала энергосбережения и перечня типовых мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности. В. И. Млынчик, А. Е. Ерастров, И. А. Вишневская // СРО НП «ТРИ-Э», 2011. – 76 с.