ГРУНТОВЫЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ЗОНД

Область применения предлагаемой полезной модели относится к технике получения низкопотенциальной тепловой энергии из грунта земли посредством тепловых насосов. Грунтовый вертикальный зонд является устройством, используемым в аппаратурно-технологических схемах с тепловыми насосами для отбора тепла из грунта при циркуляции в них теплоносителя.
Основным техническим устройством данной схемы (фиг.1) является тепловой насос 1, реализующий процесс переноса низкотемпературной тепловой энергии из грунта тепла на более высокий температурный уровень. В качестве устройства для перекачки тепла из земли используются вертикальные грунтовые зонды (теплообменники) 2, через которые в замкнутом цикле циркулирует теплоноситель, подогреваемый за счет тепла земли и отдающий тепло в тепловом насосе для прямого использования. Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или пропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Известен с десяток разных конструкций зондов, порой весьма необычных (например в виде труб, замурованных в сваи фундамента дома), но наиболее применимыми являются U-образный и труба в трубе.
Обычно используют два типа вертикальных грунтовых теплообменников (фиг.1):
- 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 зондов.
- коаксиальный (концентрический) теплообменник, который представляет собой две трубы различного диаметра, одна из которых за счет меньшего диаметра располагается внутри другой трубы. Коаксиальные теплообменники могут быть и более сложных конфигураций (фиг.1).
Анализ современного состояния техники применения грунтовых зондов позволил установить, что основное внимание при оптимизации процесса теплопередачи от грунта к
вертикальному грунтовому зонду [1, 2, 3] уделяется исключению воздушных сред по всей глубине скважины. С этой целью пробуренные скважины с установленными вертикальными грунтовыми зондами заливаются глинистыми растворами или их комбинацией с бетоном и цементом для создания гомогенности и снижения сопротивления теплопередаче при равно близких значениях теплопроводности. Как показали исследования в Германии и Швейцарии [2], поставленная задача была достигнута и среднее значение отбираемого тепла грунтовым зондом определилось в диапозоне 30÷100 Вт на 1 м скважины в зависимости от структуры грунта (глина, песок, торф, влажность и т.д.).
Хотя и в настоящее время во всех развитых странах использование грунтового тепла земли с применением вертикальных грунтовых зондов получило широкое распространение, но анализ имеющихся данных позволил [2] установить, что основной объем реализации тепловых насосов с грунтовыми зондами обуславливается двумя обстоятельствами:
1. применение тепловых насосов с грунтовыми зондами с использованием тепла земли характерно для стран с умеренно мягким климатом, а именно Испания, Греция, Италия, Германия и др., где сосредоточено до 75° от общего объема.
2. в странах с холодным климатом (Швеция, Норвегия, Россия и др.) предопределены направления в сторону использования тепла с применением горизонтальных коллекторов (море, сбросные очищенные стоки).
Понятно, что в обоих вариантах имеется достаточно высокая эффективность, обусловленная достаточно небольшой разницей в температурах пользователя и исходной, а также минимальными потерями тепла при доставке нагретого теплоносителя до теплового насоса ввиду мягких погодных условий.
В странах же с более холодным климатом, сопровождающимся промерзанием поверхностного слоя земли до 1,5÷2 м, применение вертикальных грунтовых зондов осложняется ухудшением условий теплопередачи из недр земли, а именно повышенными теплопотерями при прохождении теплоносителя через промерзлый слой грунта.
Выполненные исследования и расчеты свидетельствуют, что в зоне грунта с минусовой температурой (порядка -3° ÷ -5°С), прилегающей к поверхности земли (до 5 м) существуют условия для охлаждения теплоносителя, который поступает в грунтовой зонд через поверхностный слой из теплового насоса и охлаждения выводимого нагретого теплоносителя на 3-5°С при прохождении его через тот же слой грунта в тепловой насос.
Снижение температуры подаваемого теплоносителя в тепловой насос на 3-5°С предопределяет при прочих равных условиях снижение коэффициента полезного действия
теплового насоса, а именно повышение дополнительных энергетических затрат для достижения такой же мощности по теплу или уменьшением мощности теплового насоса при аналогичных эксплуатационных затратах.
В качестве известных решений [4], способных устранить негативное влияние отрицательной температуры промерзшего грунта на температуру теплоносителя, могут быть:
- устройство колодцев из железобетонных колец глубиной 2÷3 м для теплоизоляции выводимых и вводимых верхних концов грунтовых зондов (фиг.2);
- создание теплоизоляционной оболочки 4 на верхней части грунтовых зондов в процессе опускания зондов в скважину (фиг.3).
2
Практика показывает, что издержки при строительстве, обустройстве и эксплуатации теплоизоляционных колодцев и лотков (фиг.2) значительны, что ведет к капитальным дополнительным и эксплуатационным затратам. Кроме этого, при организации отопления больших по площади (свыше 1000 м) офисно-производственных помещений при небольшой мощности грунтового зонда (не более 4-5 КВт) использование колодцев с целью снижения теплопотерь проблематично.
Вариант установки грунтового зонда с последующим нанесением изоляционного слоя, в качестве которого используются полуцилиндры-скорлупы из пенополиуретана, которые используются, как правило, для теплоизоляции трубопроводов, на верхние концы грунтового зонда (фиг.3), наиболее приближен к решению поставленной задачи. К сожалению, изготовление теплоизоляционной рубашки на месте не позволяет осуществить качественную изоляцию, которая, как показала практика, не обеспечивает требуемые показатели по теплогидроизоляции вследствие некачественной стыковки рубашки с полиэтиленовой трубой и приходит в негодность вследствие механических разрушений в процессе опускания зонда. Кроме этого, пенополиуретановые полуцилиндры-скорлупы, наряду с низким коэффициентом теплопроводности (не более 0,028-0,045 Вт/°С) склонны к частичному поглощению влаги (до 10% на границе поверхности), что в условиях влажного грунта на глубине до 5,0 м способствует снижению сопротивления теплопередаче.
Целью настоящего патента на полезную модель является создание такой конструкции грунтового зонда, которая бы меньше зависела от негативного влияния поверхностного слоя грунта, особенно в условиях мерзлоты и от технических решений принимаемых на месте в процессе монтажа грунтовых зондов.
Поставленная задача решается созданием условий максимального сопротивления теплопередаче в системе поверхность грунтового зонда - грунт (глинистый раствор), что
позволило бы повысить температуры как теплоносителя на выходе из зонда, так и на входе до 5 м ниже уровня поверхности земли в случае отрицательной температуры грунта путем подбора (установки) теплогидроизоляционной рубашки с более высокими коэффициентами теплогидросопротивления и созданием унифицированной конструкции вертикального грунтового зонда.
Для улучшения качества теплоизоляционной оболочки и соответственно более надежной конструкции предлагается вариант, когда грунтовый зонд разделяется на 2 составных элемента, а именно:
- основная (нижняя) часть U-образного зонда из двух полиэтиленовых труб высокого давления с наконечникоми с длиной в зависимости от глубины скважины;
- отдельная (верхняя) часть из таких же полиэтиленовых труб и высотой от 3 до 5 м (превышающей глубину промерзания грунта на 1,5÷2 м) и имеющая отводы для соединения с основной частью зонда и коллектором.
Места стыка теплогидроизоляционной рубашки и полиэтиленовой трубы уплотняются с помощью термоусадочных муфт. Качество проверяется на месте. Соединение верхней и нижней (основной) части зонда осуществляется на месте с применением электротермосварки.
Предметом заявки на полезную модель является создание конструкции грунтового зонда, состоящей из двух составных элементов: основной - нижняя часть, выполненная из полиэтиленовых труб, соединенных уголком в виде U-образника, изготавливаемой и опускаемой на месте; верхней части - выполненной в виде теплогидроизоляционного участка (рубашка) полиэтиленовой трубы на глубину ниже промерзания грунта, изготавливаемой в производственных условиях, и которая соединяется на месте с основной частью методом электротермосварки. С целью снижения потерь тепла и предотвращения набухания теплогидроизоляции предусмотрено применение теплоизоляционных материалов, которые в сочетании с имеющимися показателями величины теплопроводности (на порядок меньше, чем грунт), имеют высокие показатели по коэффициентам сопротивления проникновению влажности. Это может быть трубчатая изоляция на основе вспененного каучука (например: Kaiflex ST) или же теплоизоляция из пенополиуретана в полиэтиленовой пленке в гофрированной гидрозащитной оболочке. Для таких вариантов теплогидроизоляционных изоляций величина коэффициента теплопроводности колеблется в области 0,02-0,03 Вт/°С (при 10°С) и коэффициентов сопротивления проникновению влажности от 3000 до 7000. Кроме этого, высокое качество данной теплогидроизоляции достигается за счет изготовления ее в производственных условиях и гарантируется системой дистанционного контроля
влажности. В качестве верхней составной части может быть использована гибкая полиэтиленовая двойная труба с теплоизоляцией из пенополиуретана в гофрированной полиэтиленовой оболочке, диаметр которых равен диаметрам труб основной части зонда. Конструктивное оформление разработанной модели грунтового зонда приведено в (фиг.4 и 5) и описано в примерах применения.
Практическая ценность предлагаемой полезной модели подтверждена проведенными опытами по установке подобных грунтовых зондов на теплопункте с применением теплового насоса DS - 5017 в сравнении с грунтовыми зондами, не защищенными теплогидроизоляцией. Было достигнуто повышение температуры поступающего в тепловой насос теплоносителя на 3-4°С. Температура выводимого из теплового насоса теплоносителя в грунтовой зонд соответственно была выше также на 3-4°С.
Преимуществами предлагаемой полезной модели грунтового вертикального зонда является следующее:
- унификация геотермических зондов, в результате чего повышается качество и надежность изделия, сокращается время на установку геотермических зондов;
- применение более водоустойчивых материалов, повышающих наряду с повышенной теплоизоляцией и сопротивление проникновению влаги;
- расширение географии внедрения тепловых насосов, в частности в северных районах Российской Федерации.
Пример 1. В пробуренную скважину ⌀ 140 мм и глубиной 70 м опускается грунтовой зонд (фиг.4), состоящий из основной части - U образная труба из полиэтилена ⌀ 40 мм (5) с наконечником и общей высотой 66 м, предварительно залитый 30%-ным раствором этиленгликоля в воде. При достижении глубины 65 м, на верхние концы опускаемого U-образника приваривается второй элемент, представляющий собой подобные полиэтиленовые трубы диаметром 40 мм и длиной 4 м. покрытые теплогидроизоляционной рубашкой из пенополиуретана или вспененного каучука (6) толщиной 20 мм и высотой 3,5 м, защищенной сверху полиэтиленовой оболочкой. В верхней и нижней части гидротеплоизоляционной рубашки в месте ее контакта с трубой установлены термоусадочные муфты (7) с целью исключения попадания влаги в гидротеплоизоляционный слой рубашки. Подобный элемент устанавливается на обоих концах зонда. Верхняя часть зонда соединяется с основной (нижней) частью зонда с применением электротермосварки, после чего грунтовой зонд опускается на требуемую глубину, в него доливается раствор этиленгликоля. На выводимые участки зонда
устанавливаются для цели термоконпенсации мягкие вставки, представляющие собой гибкие (гофрированные) теплоизоляционные участки полиэтиленовых труб, снижающие потери тепла и учитывающие изменение высоты зонда вследствие изменения температуры (40÷50 см) (фиг.4).
Температура выводимого теплоносителя из зонда составила +3°С, вместо + -1°С, а поступающего в землю (после теплового насоса) -1°С, вместо -4°С. Температура наружного воздуха -15°С, тепловой насос DS 5107. Расчет показывает, что производительность насоса увеличилась при этом на 0,8 КВт.
Пример 2. Условия, аналогичные в Примере 1, за исключением того, что теплоизоляционный элемент выполнен в виде теплоизоляционной рубашки с двумя полиэтиленовыми трубами (фиг.5) того же диаметра, что и основная труба грунтового зонда. После опускания основного элемента грунтового зонда теплоизоляционный элемент соединяется сразу с обоими концами основного элемента грунтового зонда. Подобным образом осуществляется защита стыковочных соединений. Разница в том, что теплоизоляция и термокомпенсация обеспечивается гофрированной 2-х трубной теплогидроизоляцией из ППУ.
Было установлено, что при эксплуатации теплового насоса ДS 5107.3 при наружной температуре воздуха -15°С температура теплоносителя вводимого в тепловой насос составила +3, 4°С вместо -1°С, а после теплового насоса теплоноситель, поступающий в грунтовой зонд имел температуру 0,2°С, вместо -3,6°С. При этом производительность насоса по тепловой энергии увеличилась на 1,0 кВт.
Список литературы:
1. «Еще о принципах работы тепловых насосов» Центр возобновляемой энергетики. www.energy-center.ru
2. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах. Г.П.Васильев, Н.В.Шилкин. Журнал «АВОК» №2, 2003 год.
3. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Люском. Архитектура. ГУП «НИАЦ», 2001 год.
4. Тепловые насосы. Техника для комфорта Stiebel Eltron, TCP / Haqer, Deutschland, 37601 Holzminden. Стр. 59-66.