СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОАККУМУЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГРУНТА
METHOD TO USE HEAT-ACCUMULATING PROPERTIES OF SOIL

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для энергетически и экологически эффективного теплохладоснабжения зданий и сооружений различного назначения.
Известен способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта, заключающийся в охлаждении грунтового массива и использовании извлеченной тепловой энергии с помощью тепловых насосов для целей теплоснабжения. Способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта включает устройство в грунте системы сбора низкопотенциального тепла грунта из термоскважин, по которым циркулирует предварительно охлажденный в тепловых насосах теплоноситель, обеспечивающий отбор тепловой энергии от грунта (Статья «Энергоэффективный жилой дом в Москве», журнал "Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика" (АВОК), №4 за 1999 год).
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта (патент РФ №2351850, F24D 11/02, F28D 1/00, 2007 г.), включающий устройство в грунтовом массиве системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев Земли, состоящей из термоскважин, сброс в грунт утилизируемой тепловой энергии вентвыбросов здания, ее аккумулирование в грунте - суточное и сезонное, и отбор тепловой энергии или холода из грунта для целей теплохладоснабжения (прототип). Данный способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта обладает низкой энергетической эффективностью из-за низкого удельного теплосъема и теплосброса с единицы длины термоскважины, особенно в летнее время года при сбросе тепловой энергии в грунт. Кроме того, данный способ не позволяет активно влиять на интенсивность теплообмена между грунтом и термоскважиной.
Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения энергетической эффективности использования теплоаккумуляционных свойств грунта.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта включает устройство в грунте герметичных теплообменников, организацию циркуляции по ним теплоносителя и извлечение из грунта, или/и сброс в грунт низкопотенциальной тепловой энергии и за счет температурного режима теплоносителя обеспечивает вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов поровой влаги, содержащейся в грунтовом массиве. Так же температурным режимом теплоносителя предусмотрено в течение года как минимум однократное понижение температуры теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник ниже 0°С и замораживание части окружающего теплообменник грунтового массива при извлечении тепла из грунта и как минимум однократный обратный переход температуры теплоносителя через 0°С с вовлечением в процесс теплообмена скрытой теплоты замерзания и оттаивания поровой влаги, содержащейся в грунтовом массиве. Так же температурный режим теплоносителя обеспечивает в поровом пространстве части грунтового массива, окружающего грунтовый теплообменник, как минимум однократную конденсацию водяных паров при извлечении низкопотенциального тепла из грунта и как минимум однократное испарение поровой влаги при сбросе тепловой энергии в грунт. Возможно, что грунт вблизи грунтового теплообменника или термоскважин в процессе эксплуатации увлажняется, для чего грунтовый теплообменник или термоскважина дополнительно оснащены трубопроводом-спутником, обеспечивающим нагнетание воды под давлением в одну или более точек подачи воды по длине грунтового теплообменника или термоскважины, при этом давление нагнетания воды в трубопровод-спутник определено расчетом исходя из фильтрационной способности грунтов и количества извлекаемой или аккумулируемой в грунте тепловой энергии, при этом нагнетание воды в грунт обеспечено до наступления в нем отрицательных температур, после чего в замерзшей точке подача воды прекращается, а в остальных точках продолжается, и так до замерзания грунта вокруг всех точек подачи воды. В качестве теплоносителя грунтового теплообменника может быть использована переохлажденная вода - «жидкий лед». Увлажнение грунта вокруг грунтового теплообменника может быть осуществлено непосредственно теплоносителем - водой, эксфильтрованной из термоскважин в грунт в необходимых объемах.
Предлагаемое устройство позволяет решить поставленную техническую задачу, потому что температурный режим теплоносителя обеспечивает вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов поровой влаги, содержащейся в грунтовом массиве.
Сущность предлагаемого способа поясняется схемой, показанной на Фиг.1. По грунтовому теплообменнику 1 обеспечена циркуляция теплоносителя 2, температурный режим которого обеспечивает вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов поровой влаги, содержащейся в зоне мерзлого грунта 3 и в зоне конденсации паров воды в поровом пространстве 4 грунтового массива.
Принцип работы предлагаемого способа состоит в следующем: температурный режим теплоносителя предусматривает в течение года как минимум однократное понижение ниже 0°С температуры теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник и замораживание части окружающего теплообменник грунтового массива 3 при извлечении тепла из грунта и как минимум однократный обратный переход температуры теплоносителя через 0°С с вовлечением в процесс теплообмена скрытой теплоты замерзания и оттаивания поровой влаги, содержащейся в зоне грунтового массива 3. При этом температурный режим теплоносителя обеспечивает в поровом пространстве части грунтового массива 4 как минимум однократную конденсацию водяных паров при извлечении низкопотенциального тепла из грунта и как минимум однократное испарение поровой влаги при сбросе тепловой энергии в грунт.
Схема на Фиг.2 поясняет сущность предлагаемого способа в случае необходимости увлажнения грунта вокруг термоскважины. Грунт 3 вблизи грунтового теплообменника или термоскважины 1 в процессе эксплуатации увлажняют, для чего, например, грунтовый теплообменник или термоскважину 1 дополнительно оснащают трубопроводом-спутником 5, обеспечивающим нагнетание воды под давлением в одну или более точек подачи воды по длине грунтового теплообменника или термоскважины.
В этом случае принцип работы предлагаемого изобретения состоит в следующем: давление нагнетания воды в трубопровод-спутник 5 определяется расчетом исходя из фильтрационной способности грунтов и количества извлекаемой или аккумулируемой в грунте тепловой энергии, а вода в грунт нагнетается до наступления в нем отрицательных температур, после чего нагнетание в замерзшей точке подачи воды прекращается, а в остальных точках продолжается, и так до замерзания грунта вокруг всех точек подачи воды. В качестве теплоносителя грунтового теплообменника, например термоскважин, может быть использована переохлажденная вода, а увлажнение грунта 3 вокруг грунтового теплообменника, например термоскважины 1, осуществляют непосредственно теплоносителем 2 - водой, эксфильтрующейся из термоскважин в грунт 3 в необходимых объемах.
Предлагаемое техническое решение позволяет решить задачу использования теплоаккумуляционных свойств грунта эффективнее прототипа, так как температурный режим теплоносителя обеспечивает вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов поровой влаги, содержащейся в грунтовом массиве, кроме того оно позволяет активно влиять на интенсивность теплообмена между грунтом и термоскважиной.