СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛА ПРИПОВЕРХНОСТНОГО ГРУНТА
NEAR-SURFACE SOIL HEAT USE METHOD

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения зданий и сооружений различного назначения с применением тепловых насосов, обеспечивающих отопление, подогрев приточного вентиляционного воздуха и производство бытовой горячей воды.
Известны теплонасосные системы теплоснабжения (ТСТ) зданий, использующих низкопотенциальное тепло поверхностных слоев Земли, источником которого являются процессы теплообмена на границе «земная поверхность - атмосфера» в условиях поглощения энергии солнечной радиации. Поглощенное тепло в форме температурной волны распространяется вглубь земной поверхности. Грунт поверхностных слоев Земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под воздействием солнечной радиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр. Падающая на земную поверхность солнечная радиация и сезонные изменения ее интенсивности оказывают влияние на температурный режим слоев грунта, залегающих на глубинах 10÷20 метров. Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже глубин проникновения тепла солнечной радиации, формируется только под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата. Грунт поверхностных слоев Земли, в связи с его повсеместной доступностью и достаточно высоким температурным потенциалом, является наиболее перспективным источником тепловой энергии низкого потенциала для теплонасосных установок.
Известен способ использования теплоаккумулирующих свойств грунта, заключающийся в охлаждении грунтового массива, отборе низкопотенциального тепла из термоскважин, по которым циркулирует предварительно охлажденный в тепловом насосе теплоноситель, обеспечивающий отбор тепловой энергии от грунта и преобразование его с помощью тепловых насосов до более высокого уровня для теплоснабжения. При этом отбор тепловой энергии от грунта может быть реализован посредством установки двух типов замкнутых теплообменников ТСТ, расположенных в грунтовом массиве, использующих теплоту грунта и грунтовых вод с помощью трубопроводов, образующих замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров: горизонтальных грунтовых теплообменников, представляющих собой отдельные трубы, расположенные в предварительно вырытых траншеях, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно, имеющих ограниченную область применения ввиду необходимости использования больших площадей поверхности земли для их устройства, и вертикальных грунтовых теплообменников, представляющих собой отдельные трубы, расположенные в пробуренных в земной коре скважинах, также соединенных между собой последовательно и параллельно, применение которых связано с высокими затратами на их строительство и невозможностью обслуживания (Федянин В.Я., Карпов М.К. Использование грунтовых теплообменников в системах теплоснабжения / В.Я. Федянин, М.К. Карпов // Ползуновский вестник. - 2006. - №4. - С. 98-103).
Недостатками известного способа являются большая инерционность и низкая энергетическая эффективность передачи тепла солнечной радиации, поглощаемой на границе «земная поверхность - атмосфера» глубинным слоям грунта, где устанавливают грунтовый теплообменник ТСТ, а также низкая эффективность извлечения тепла для целей горячего водоснабжения объектов в теплый период года, когда существенно снижается температура массива грунта, прилегающего к грунтовому теплообменнику, из-за интенсивного отбора тепла от грунта в предшествующий отопительный период.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта, включающий дополнительный подогрев грунта сторонним источником тепла, в течение всего года отбор низкопотенциального тепла с использованием термоскважин и преобразование его с помощью теплонасосного цикла до более высокого уровня, удовлетворяющего требованиям систем отопления и горячего водоснабжения, в межотопительный период сброс в грунт утилизируемой тепловой энергии вентвыбросов для дополнительного аккумулирования тепла в грунте. При этом дополнительный подогрев грунта осуществляется сторонним источником тепла, в качестве которого используют утилизированное низкопотенциальное тепло вентиляционных выбросов. Подогрев производят путем подачи жидкого теплоносителя через слои грунта с помощью теплообменников закрытого типа. В межотопительный период переходят к аккумулированию в грунте внешних тепловых сбросов, переводя подачу теплоносителя через слои грунта на дополнительную замкнутую циркуляционную систему с установленным в ее составе промежуточным теплообменником ТСТ утилизации тепловых сбросов. При переходе от отбора тепла к аккумулированию тепловых сбросов меняют глубину подачи теплоносителя через слои грунта от уровня пересечения вертикальными контурами одного или нескольких водоносных слоев грунта до уровня выше кровли верхнего водоносного слоя. Для этого часть контуров, используемых для отбора тепла из грунта, применяют при отборе тепла и аккумулировании тепловых сбросов по укороченному варианту, путем установки этих контуров в составе дополнительной циркуляционной системы с длиной, соответствующей второму из указанных уровней. При этом остальные контуры устанавливают в составе основной циркуляционной системы с длиной, соответствующей первому уровню. Посезонную смену уровней решают либо путем применения в составе контуров известных конструктивных исполнений со скважинами разной глубины, либо - на основе скважинного теплообменника, реализующего способ (патент RU 2483255 C1, F24J 3/08 (2006/01), F24D 11/02 (2006/01)).
Данный способ посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта обладает низкой энергетической эффективностью из-за низкой величины удельного теплосъема с единицы длины термоскважины при «тепловой зарядке» массива грунта, ограниченной областью применения из-за требования наличия собственного источника утилизированной тепловой энергии, то есть наличия достаточной мощности этих источников и наличия на объекте теплоснабжения системы сбора сбросного тепла, например, для большинства жилых зданий практически отсутствует возможность создания таких систем. Кроме того, трудоемкость работ по реализации описанного способа, связанных с созданием и периодическим обслуживанием в процессе эксплуатации грунтового теплобменника ТСТ, является высокой из-за низкой энергетической эффективности процессов теплообмена на границе «поверхность термоскважины - грунт», что приводит к необходимости увеличения площади теплообменной поверхности термоскважины и, как следствие, к общему увеличению объема посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение энергетической эффективности процессов теплообмена, расширение области применения и снижение трудоемкости реализации способа.
Для решения поставленной задачи в способе использования тепла приповерхностного грунта, включающем дополнительный подогрев грунта сторонним источником тепла, в течение всего года отбор низкопотенциального тепла и преобразование его с помощью теплонасосного цикла до более высокого уровня, удовлетворяющего требованиям систем отопления и горячего водоснабжения. Согласно изобретению дополнительный подогрев грунта осуществляют путем подачи стороннего источника тепла, в качестве которого используют солнечную радиацию, внутрь массива грунта, поглощения сконцентрированной солнечной радиации в приемнике солнечной радиации и передачи тепла в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя, находящегося в тепловом контакте с грунтом, а отбор и преобразование низкопотенциального тепла из грунта до более высокого температурного уровня проводят путем передачи тепла через теплообменник закрытого типа, подключенный к контуру испарителя теплового насоса.
Подачу солнечной радиации внутрь массива грунта можно осуществлять путем ее фокусирования зеркальными отражателями с криволинейными, в частности параболическими, или прямолинейными рабочими поверхностями.
Передачу тепла в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя, находящегося в тепловом контакте с грунтом, от приемника-поглотителя солнечной радиации можно осуществлять однофазным конвективным потоком жидкого теплоносителя за счет термосифонной циркуляции.
Повышение энергетической эффективности процессов теплообмена обусловлено высокой результативностью использования солнечной радиации, падающей на границу «земная поверхность - атмосфера» за счет исключения потерь на отражение от поверхности и потери поглощенного тепла нагретого грунта с инфракрасным излучением в атмосферу. Так, общие потери энергии с открытой поверхности грунта весьма значительны и, например, для равнинных территорий Алтайского края они составляют 43÷66% от годовой суммы солнечной радиации (Федянин В.Я., Мещеряков В.А. Инновационные технологии для алтайской энергетики / В.Я. Федянин, В.А. Мещеряков. - Барнаул: ААЭП, 2010. - С. 62. ISBN 978-5-8349-0126-6).
Расширение области применения способа обусловлено возможностью создания на его основе энергоэффективных теплонасосных систем теплоснабжения для любых объектов, в том числе и для объектов, не обладающих достаточной мощностью источников тепловых сбросов.
Снижение трудоемкости реализации способа обусловлено простотой устройств концентрации и передачи энергии солнечной радиации к теплообменникам системы ТСТ, более высокой энергетической эффективности процессов передачи тепла потребителю за счет более высокой рабочей температуры галечно-водяного теплообменника-накопителя, чем массива прилегающего к нему грунта и, как следствие, меньшей материалоемкостью теплообменников системы ТСТ, меньшими трудозатратами при их создании и эксплуатации, чем при реализации известных технических решений.
Предлагаемый способ поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена схема его осуществления, а на фиг. 2 - вид А фиг. 1.
Способ использования тепла приповерхностного грунта реализуется при помощи концентратора 1 солнечной радиации, позволяющего использовать как прямое, так и отраженное солнечное излучение, имеющего слой тепловой изоляции 2, устройства 3 вертикальной ориентации концентратора солнечной радиации на Солнце, теплообменника ТСТ 4, приемника 5 солнечной радиации, галечно-водяного теплообменника-накопителя 6.
Концентратор 1 солнечной радиации снабжен зеркальными отражателями с криволинейными, в частности параболическими, рабочими поверхностями конической или клиновидной конфигурации или прямолинейными рабочими поверхностями. Отражатели с параболическими рабочими поверхностями, получившие название фоконов, то есть фокусирующих конусов, и фоклинов, то есть фокусирующих клинов, применяются в настоящее время в гелиоэнергетике.
Фоконы и фоклины с параболическими рабочими поверхностями обладают двумя основными положительными свойствами: они не требуют высокой точности изготовления зеркальной поверхности отражателя и, что особенно важно, сохраняют исходный уровень концентрации излучения при невысокой точности ориентации оси отражателя на Солнце. В стационарных условиях они могут эффективно работать, оставаясь в течение нескольких месяцев неподвижными по отношению к светилу.
Лучшим материалом рабочих поверхностей отражателя является алюминий, который имеет наиболее высокий интегральный коэффициент отражения в диапазоне длин волн солнечного спектра. Для защиты алюминия от внешних воздействий на него должно быть нанесено защитное покрытие, в частности, из тонкой полимерной пленки, либо из пленки окиси кремния, либо из пленки двуокиси алюминия.
К концентраторам солнечной радиации предъявляются следующие основные требования:
- высокая отражательная способность в диапазоне длин волн спектра солнечного излучения;
- минимальная удельная масса, то есть масса на единицу площади отражающей поверхности;
- компактность в транспортировочном состоянии при простоте и надежности устройств, обеспечивающих сборку;
- устойчивость элементов конструкции и оптических покрытий отражающих рабочих поверхностей к длительному воздействию факторов внешней среды;
- низкая стоимость и простота изготовления и ремонта.
Основным энергетическим показателем концентратора солнечной радиации является коэффициент, то есть степень, концентрации, или концентрирующая способность К, которая определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучистого потока, падающего на отражающую поверхность при условии точной ориентации последней на Солнце.
Внешние поверхности концентратора 1 для исключения конденсации влаги покрыты слоем эффективной тепловой изоляции 2.
Устройство 3 вертикальной ориентации концентратора солнечной радиации на Солнце позволяет подстраивать направление оси концентратора 1 в зависимости от сезонного изменения траектории видимого движения Солнца.
Теплообменник ТСТ 4, который может быть выполнен спиральным, предназначен для передачи тепловой энергии к теплообменнику-испарителю теплового насоса (на чертеже не показан).
Приемник 5 солнечной радиации закрытого, то есть полостного, типа, теплообменника ТСТ 4 и галечно-водяной теплообменник-накопитель 6 встроены в грунтовый массив.
Способ использования тепла приповерхностного грунта осуществляется следующим образом.
Осуществляют дополнительный подогрев грунта путем подачи стороннего источника тепла, в качестве которого используют солнечную радиацию, внутрь массива грунта, через концентратор 1 солнечной радиации, поглощения сконцентрированной солнечной радиации посредством приемника 5 солнечной радиации и передачи тепла в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя 6, находящегося в тепловом контакте с грунтом. Таким образом, сконцентрированное солнечное излучение, попадая в приемник 5 солнечной радиации, нагревает стенки внутренней полости, а циркулирующий в рубашке приемника солнечной радиации теплоноситель передает поглощенное тепло в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя 6.
Отбор и преобразование низкопотенциального тепла из грунта до более высокого температурного уровня, удовлетворяющего требованиям систем отопления и горячего водоснабжения, с помощью теплонасосного цикла в течение всего года проводят путем дальнейшей передачи тепла через теплообменник ТСТ 4, подключенный к контуру испарителя теплового насоса.
Подачу солнечной радиации внутрь массива грунта можно производить путем ее фокусирования зеркальными отражателями с криволинейными, в частности параболическими, или прямолинейными рабочими поверхностями.
Передачу тепла в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя 6, находящегося в тепловом контакте с грунтом, можно осуществлять однофазным конвективным потоком жидкого теплоносителя.
Предлагаемый способ использования тепла приповерхностного грунта обеспечивает высокую энергетическую эффективность, расширение области применения и снижение трудоемкости и стоимости работ по изготовлению и периодическому обслуживанию оборудования, реализующего способ.