СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ГРУНТОВ ВОКРУГ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА
METHOD OF EXTRACTION AND USE OF GEOTHERMAL HEAT FOR COOLING SOILS AROUND SUBWAY TUNNELS

1. Область техники
Изобретение относится к способам использования извлеченного геотермального тепла для охлаждения грунтов вокруг тоннелей метрополитена и трансформирование его для нагрева воды в системе горячего водоснабжения бытовых помещений метрополитена с помощью теплового насоса.
2. Предшествующий уровень техники
Известен СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА [1] при помощи циркулирующего в замкнутом контуре теплоносителя, нагреваемого в скважине с температурным градиентом, и охлаждаемым при помощи теплового насоса.
Библиографические данные [1]: СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА [Текст]: пат. 2288413 Рос. Федерация: F24J 3/08(2006.01) / Стоянов Николай Иванович (RU), Гейвандов Иоган Арестагесович (RU), Воронин Александр Ильич (RU); заявитель и патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский государственный технический университет" (RU); - №2005113114; заявл. 29.04.2005; 27.11.2006 Бюл. №33.
Использование специальных скважин глубиной до 300 м и диаметром 150 мм для расположения зондов тепловых насосов не представляется возможным при строительстве и эксплуатации метрополитена.
Наиболее близким решением по технической сущности и совокупности технических признаков является СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА С ПОМОЩЬЮ ПАРОЭЖЕКТОРНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА [2], включающего подачу охлажденного теплоносителя в скважину, после чего нагретый теплоноситель передает тепло потребителю при помощи теплового насоса, работающего на паре хладагента - низкокипящего теплоносителя.
Библиографические данные [2]: СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА С ПОМОЩЬЮ ПАРОЭЖЕКТОРНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА [Текст]: пат. 2528213 Рос. Федерация: F24J 3/08(2006.01) / Стоянов Николай Иванович (RU), Воронин Александр Ильич (RU), Гейвандов Иоганн Арестагесович (RU), Смирнов Станислав Сергеевич (RU); заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" (RU); - №2011140370; заявл. 04.10.2011; 10.09.2014, Бюл. №25.
Техническое решение не предназначено для исключения перегрева тоннелей метрополитена в процессе эксплуатации, нагретая вода из скважины используется в генераторе абсорбционного теплового насоса для работы непосредственно теплового насоса, а затем - для догрева водопроводной воды в системе ГВС, предварительно нагретой в абсорбере. Кроме того, использование абсорбционного (диффузионного) теплового насоса по сравнению с компрессионным менее эффективно, так как коэффициент преобразования у него ниже из-за больших потерь в элементах абсорбционного контура. Сложность конструкции самого агрегата и высокая коррозионная нагрузка требуют применения дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов.
3. Раскрытие сущности изобретения
3.1. Результат решения технической задачи
Давно известно, что грунт является наиболее универсальным источником рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и часть избыточного тепла, выделяющегося в тоннелях. При этом, он способен отдавать тепло вне зависимости от погоды. Ведь на глубине уже 5-7 м температура практически постоянна в течение всего года. Для средней полосы России она составляет 5-8°С. Средняя расчетная температура грунтов вокруг тоннелей метро составляет 9-12°С. Это очень подходящие условия для работы теплового насоса.
В теплый период года температура приточного воздуха часто превышает расчетные значения и в подземные сооружения поступает с воздухом дополнительное тепло, усиливающее тепловую нагрузку на грунт, что не позволяет прямоточным вентиляционным системам осуществлять ассимиляцию тепла в необходимом количестве и обеспечивать нормативный тепловлажностный режим (ТВР) (температура от 18 до 28°С относительная влажность 15-75% согласно СП 120.13330.2012 «Метрополитены» и СП 2.5.1337-03 «Санитарные правила эксплуатации метрополитенов»).
Влияние тепла наружного воздуха и солнечной радиации отмечается в поверхностном слое грунта на глубине до 15 м. Кроме этого, грунты нагреваются за счет тепла от абсолютных источников в тоннелях метрополитена.
За период эксплуатации 10-15 лет температура грунтов вокруг тоннелей метрополитена повышается по статистическим данным на 2-3°С, что приводит в повышению температуры воздуха, поступающего из тоннелей в платформенный зал станции.
Техническая задача - увеличение теплоаккумулирующей способности грунтов с целью исключения перегрева тоннелей в процессе эксплуатации для поддержания нормируемых метеорологических условий на станциях за счет использования естественных дешевых низкотемпературных источников.
Технический результат - понижение температуры грунтов вокруг тоннелей метрополитена у станции, увеличение теплопередачи через стенки тоннеля, использование извлеченного тепла для нужд систем ГВС.
Решение технической задачи и технический результат достигаются за счет того, что извлекают геотермальное тепло из грунтов, окружающих тоннели метрополитена, грунтовым низкотемпературным теплообменником заглубленным в землю, представляющим собой комплект подключаемых контуров, выполненных из полиэтиленовых труб диаметром 32-40 мм без стыковых соединений. Контуры укладывают плоскими спирально-винтовыми витками на глубине 2-4 м от поверхности земли ниже глубины промерзания огибая своды тоннелей метрополитена с шагом 0,7 -0,8 м, диаметр витков 800-1000 мм. Количество контуров определено расчетом. Длина подключаемых контуров выполнена одинаковой 100-120 м. Аккумулируют извлеченное тепло в теплоносителе, представляющим собой незамерзающий тридцатипроцентный водный раствор пропиленгликоля, закачанный в трубу под давлением 4 атм, циркулирующий со скоростью не менее 0,3 м/с по замкнутому внешнему контуру. Из контуров теплоноситель попадает в сборные коллекторы, откуда его насосом подают в испаритель теплового насоса. В испарителе теплоноситель отдает тепло хладагенту, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса, где хладагент закипает и переходит в газообразное состояние, после чего хладагент подают в компрессор, который сжимает его до высокого давления, что еще более повышает его температуру. Горячий газообразный хладагент подают в конденсатор, в котором тепло хладагента передают воде, поступающей по трубе из водопровода, и нагревает ее для использования потребителями в системе горячего водоснабжения. Суточную неравномерность потребления воды на горячее водоснабжение выравнивают с помощью баков - аккумуляторов. Остывая, хладагент, циркулирующий во внутреннем контуре теплового насоса, переходит в жидкое состояние, проходит через редукционный клапан теряя давление, откуда его подают в испаритель. Затем охлажденный теплоноситель по внешнему контуру насосом возвращают обратно за новой порцией тепла, понижая температуру грунтов вокруг тоннелей метрополитена у станции.
4. Краткое описание чертежей
СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ГРУНТОВ ВОКРУГ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА поясняется следующими чертежами:
На фиг. 1 представлена принципиальная схема работы системы охлаждения грунтов вокруг тоннелей метрополитена (разрез),
На Фиг. 2 представлен план-схема работы системы охлаждения грунтов вокруг тоннелей метрополитена, где
1 - тоннель метрополитена; 2 - поверхность земли; 3 - грунтовый низкотемпературный теплообменник; 4 - насос; 5 - испаритель; 6 - компрессор; 7 - дроссель; 8 - конденсатор; 9 - потребитель ГВС; 10 - тепловой насос; 11 - направление движения теплоносителя; 12 - ось тоннеля; 13 - станция; 14 - контур грунтового низкотемпературного теплообменника; 15 - сборный коллектор грунтового низкотемпературного теплообменника; 16 - внутренний контур хладагента теплового насоса; 17 - труба с водой, поступающей из сети водопровода.
5. Осуществление изобретения
Извлечение необходимой энергии из низкопотенциальных (холодных) источников - грунтов, окружающих тоннели метрополитена (1), осуществляется грунтовым низкотемпературным теплообменником (3), заглубленным в землю, огибающим конструкции тоннеля на глубине ниже уровня промерзания почвы.
Грунтовый низкотемпературный теплообменник (3) представляет собой комплект подключаемых контуров (14), выполненных из полиэтиленовых труб РЕ ПНД6 диаметром 32-40 мм без стыковых соединений, уложенных плоскими спирально-винтовыми витками на глубине 2-4 м от поверхности земли (2) ниже глубины промерзания над сводом тоннелей метрополитена (1) с шагом 0,7-0,8 м, диаметр витков 800-1000 мм. Количество контуров (14) определяется расчетом для конкретных тоннелей. Длина подключаемых контуров (14) должна быть примерно одинаковой для гидравлической увязки системы и составляет 100-120 м.
Аккумулируют извлеченное тепло в теплоносителе. В качестве такого переносчика энергии используют незамерзающую экологически безвредную жидкость -тридцатипроцентный водный раствор пропиленгликоля, закачанную в трубу под давлением 4 атм., циркулирующий со скоростью не менее 0,3 м/с по замкнутому внешнему контуру. Из контуров (14) теплоноситель попадает в сборные коллекторы (15), откуда его насосом (4) подают в испаритель (5) теплового насоса (10).
В испарителе (5) теплоноситель отдает тепло хладагенту (озонобезопасному фреону R410A), циркулирующему во внутреннем контуре (16) теплового насоса (10), который закипает и переходит в газообразное состояние.
Хладагент после закипания подают в электрический компрессор (6), который сжимает его до высокого давления, что еще более повышает его температуру.
Горячий газообразный хладагент подают в следующий теплообменник -конденсатор (8), в котором хладагент отдает тепло теплоносителю - воде, поступающей по трубе (17) из водопровода, и нагревает ее для использования потребителями (9) в системе ГВС. Суточную неравномерность потребления воды на горячее водоснабжение выравнивают с помощью баков - аккумуляторов.
Остывая, хладагент, циркулирующий во внутреннем контуре (16) теплового насоса (10), переходит в жидкое состояние, проходит через редукционный клапан, теряя давление, откуда его подают в испаритель.
Охлажденный теплоноситель по внешнему контуру насосом возвращают обратно за новой порцией тепла, понижая температуру грунтов вокруг тоннелей метрополитена у станции.
6. Наилучший вариант осуществления изобретения
Для реализации способа выполняют укладку полиэтиленовых труб плоскими винтовыми спиралями.
Рабочая жидкость (30% водный раствор пропиленгликоля) циркулирует по внешнему замкнутому контуру через тепловой насос (10) компрессорного типа. Трансформируемая теплота используется для нагрева воды для системы горячего водоснабжения в бытовых помещениях метрополитена.
Использование геотермального теплового насоса для охлаждения грунтов вокруг тоннелей метрополитена позволяет существенно уменьшить температуру воздуха, поступающего из тоннелей на платформу станции.
Съем тепла с каждого метра погонного трубы зависит от многих параметров: глубины укладки, наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов он составляет 20 Вт. м.п. Более точно: сухой песок - 10, сухая глина - 20, влажная глина - 25, глина с большим содержанием воды - 35 Вт. м.п. Разницу температуры теплоносителя в прямой и обратной линии петли при расчетах, принимают равной 3°С. На участке коллектора, относящегося к технической зоне метро, не возводятся строения, и источник энергии пополняется энергией за счет солнечной радиации и тепла от абсолютных источников в тоннелях метрополитена.
За первых нескольких лет эксплуатации система выходит на квазистационарный режим, когда температура грунтового массива вокруг теплообменника станет ниже первоначальной на 1-2°С. Системы теплоснабжения зданий, использующие низкопотенциальное тепло земли, представляют собой надежный источник энергии, который может использоваться в течение длительного времени.
Стоимость эксплуатации традиционных источников тепла - нагревателей, котлов, работающих на различных видах топлива и пр. с каждым годом возрастает, горячая вода становится все дороже. Экономическая выгода от использования тепловых насосов очевидна благодаря высокому КПД и достаточно дешевой эксплуатации.
Наибольшую долю капитальных вложений составляет стоимость земляных работ. Строительство станций метрополитена ведется открытым способом, универсальность и простота монтажа в котловане являются достоинствами способа.
Поскольку контур для извлечения тепла является закрытым, то исключаются: загрязнение теплоносителя от грунтов; утечки теплоносителя в грунт; напор насоса используется только для преодоления гидравлических сопротивлений в системе, которые сравнимы с гидравлическими сопротивлениями в обычных тепловых сетях.