Проблемы и особенности использования грунтовых тепловых насосов для автономного теплоснабжения объектов в центральных регионах России

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 662.76

Б.А. Семенов, В.А. Соловьёв

ПРОБЛЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГРУНТОВЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ДЛЯ АВТОНОМНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

ОБЪЕКТОВ В ЦЕНТРАЛЬНЫХ РЕГИОНАХ РОССИИ

Анализируются проблемы, связанные с внедрением современных систем автономного теплоснабжения на основе грунтовых теплонасосных станций в геолого-климатических условиях Центральной России. Обосновывается актуальность разработки методики инженерного расчета интерференции многомерных температурных полей, возникающих в грунте в результате взаимного влияния отдельных веток грунтовых теплообменников при их взаимодействии с собственным температурным полем грунта. Формулируются основные задачи исследования и предлагаются подходы к их решению.

Теплонасосная установка, грунтовый теплообменник, холод, температурное поле, низкопотенциальная теплота, интерференция полей, интегральная характеристика, технико-экономические показатели, теплота грунта, коэффициент преобразования.

B.A. Semyonov, V.A. Solovyov

PROBLEMS AND FEATURES OF USE OF SOIL THERMAL HEAT PUMPS FOR THE INDEPENDENT HEAT SUPPLY OF OBJECTS IN THE CENTRAL REGIONS OF RUSSIA

The problems connected with introduction of modern systems of an independent heat supply on the basis of soil heat pump of stations in geology-climatic conditions of the central Russia are analyzed. The urgency of development of a technique of engineering account of an interference of the multivariate temperature fields arising in a ground as a result of mutual influence of separate branches soil heat exchangers at their interaction with own temperature field of a ground is justified. The primary goals of research are formulated and approaches to their decision are offered.

Heat pump installation, soil heat exchanger, cold, temperature field, low potential heat, the interference water, the integrated characteristic, technological and economical parameters, heat of the ground, transformation coefficient.

Успешное экономическое развитие нашей страны во многом зависит от скорейшего внедрения современных энергоресурсосберегающих технологий во все сферы деятельности. С точки зрения повышения результирующей эффективности производства и потребления тепловой энергии в автономных системах теплоснабжения весьма перспективными представляются технологии, основанные на использовании нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). В настоящее время поиском наиболее рациональных схем и экономически целесообразных инженерных решений в области НВИЭ, занимаются практически все наиболее известные зарубежные и отечественные фирмы, производящие теплогенерирующее и теплоиспользующее оборудование для автономного теплоэнергоснабжения. Это связано с тем, что использование НВИЭ помимо существенной экономии органического топлива, позволяет снижать загрязнение окружающей среды, удовлетворять нужды потребителей, расположенных как вдали от централизованных систем теплоснабжения, так и вблизи от них, снимая дефицит теплоты при интенсивной застройке и обеспечивая при этом постепенные капиталовложения.

В качестве основного НВИЭ в большинстве центральных регионов России (с ограниченным уровнем инсоляции и незначительным ветровым потенциалом) наиболее привлекательным представляется использование низкопотенциальной

геотермальной теплоты верхних слоев грунта (до 100-200 м). Построенные по данным, применительно к климатическим условиям центральных районов США графики распределения температуры в толще грунта, характерные для летнего, зимнего и двух переходных периодов года, показаны на рис. 1.

Из этого рисунка видно, что амплитуда сезонных колебаний температуры грунта практически затухает на глубине от 15 до 18 м.

Далее с увеличением глубины имеет место постоянное значение температуры,

составляющее примерно 10°С, вне зависимости от периода года. С учетом этого, оцененные, на примере Ярославской области, приповерхностные геотермальные ресурсы, только до глубины 100 м, составляют примерно 2,0-2,5 млн. т у. т. в год, то есть не менее 30-40% всей теплопотребности региона ежегодно [1]. Для Саратовской области таких сведений нет.

Отбор низкопотенциальной теплоты и приведение параметров теплоносителя к температурному уровню, необходимому для нужд теплоснабжения, можно практически осуществить с помощью тепловых насосов. Тепловые насосы, использующие грунт в качестве низкопотенциального теплоисточника, называются грунтовыми. Однако следует понимать, что это понятие довольно условное, так как один и тот же тепловой насос может быть использован, как для отбора теплоты грунта, так и для отбора теплоты от воды или воздуха. Различие при этом будет заключаться только в конструкции поверхности теплообменника испарителя.

Для отбора и наиболее эффективного преобразования любой низкопотенциальной теплоты рационально использовать теплонасосные станции, способные одновременно покрывать тепловые нагрузки на отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха. Создание теплонасосных станций возможно на основе двух принципиально

Глубина, м

Рис. 1. Графики изменения температуры грунта в зависимости от глубины

различных способов отбора геотермальной теплоты - с открытыми и закрытыми контурами.

Способ «открытого контура» заключается в непосредственном использовании теплоты грунтовых вод. Он предусматривает доставку этих вод с глубины на поверхность, использование их теплоты и возврат в пласт. Способ «закрытого контура» заключается в отборе теплоты от твердого грунта при помощи

промежуточного теплоносителя,

постоянно циркулирующего между расположенным на некоторой глубине грунтовым

теплообменником и испарителем теплонасосной станции. В свою очередь, системы с закрытыми

контурами подразделяются по типу грунтовых теплообменников на горизонтальные и вертикальные.

Принципиальная схема

системы автономного

теплоснабжения на основе

теплонасосной станции с закрытым контуром и вертикальными грунтовыми теплообменниками показана на рис. 2.

По имеющимся данным, закрытые контуры с вертикальными теплообменниками, способные осуществлять отбор геотермальной теплоты с большой глубины, по энергетическим показателям являются наиболее эффективными [2, 3]. Однако их устройство обходится гораздо дороже по сравнению с одинаковыми по мощности контурами на основе горизонтальных грунтовых теплообменников. В то же время, контуры с горизонтальными теплообменниками занимают гораздо большие площади, что может оказаться в некоторых случаях (при высокой плотности застройки) условием, неприемлемым для практической реализации.

Современный отечественный рынок изобилует предложениями от ведущих мировых фирм, производящих различное теплонасосное оборудование. Продукция этих фирм, ориентированная на среднеевропейские климатические условия, широко рекламируется в нашей стране. Однако следует понимать, что использование грунтовых теплонасосных установок (ТНУ) в центральных регионах России проходит в геологоклиматических условиях, существенно отличающихся от среднеевропейских: ниже температуры грунта (например до глубины 10 м, 5^8°С вместо 10^15°С), в 1,5^2,0 раза больше интегральные характеристики отопительного периода.

Интегральные характеристики принято использовать для совокупной оценки местных климатических особенностей, влияющих на результирующее годовое теплопотребление отапливаемых объектов. Такие характеристики в графической интерпретации представляют собой площади, заключенные между прямыми нормативной температуры внутреннего воздуха отапливаемых помещений и ломаными линиями изменения среднемесячной температуры наружного воздуха в данной местности. На рис. 3 показаны графики изменения среднемесячной температуры наружного воздуха за годовой цикл для Саратова и Осло.

Рис. 2. Принципиальная схема системы автономного теплоснабжения на основе теплонасосной станции с закрытым контуром и двумя вертикальными грунтовыми теплообменниками

На этом графике интегральные характеристики отопительного периода для Саратова и Осло выделены заливками разного тона. Количественно интегральные характеристики отопительного периода оцениваются суммой среднесуточных разностей температур внутреннего и наружного воздуха за отопительный период, измеряются в градусосутках, обозначаются символом Ба °С-сут. и рассчитываются по формуле

-1“ )• 4,

где 4 и ^ - средние за отопительный период температуры внутреннего и наружного воздуха, °С; ТОП - продолжительность отопительного периода, сут.

ей

&

К

г

н

3

&

и

и

Й

к

о

К

ч

а

О

Месяцы

Рис. 3. Среднемесячные наружные температуры и интегральные характеристики отопительного периода городов Саратова и Осло: кривая 1 - Саратов; кривая 2 - Осло

Для климатических условий г. Саратова Ба = 4950°С-сут. Среднее значение этого показателя по России составляет Ба = 5000°С-сут., а интервал его изменения расположен в пределах от 1044°С-сут. (Сочи) до 12045 °С-сут. (Оймякон).

Для сравнения аналогичные показатели других стран выглядят следующим образом:

Швеция Ба = 4017 °С-сут.

Норвегия = 3600 °С-сут.

Германия = 3163°С-сут.

Дания = 2779°С-сут.

США Ба = 2700°С-сут.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что даже по сравнению с одной из самых северных европейских стран - Швецией, интегральная характеристика отопительного периода Саратовской области, как и всей средней полосы России, на 25% выше. По сравнению со среднеевропейским показателем, мало отличающимся от климатической характеристики Германии, интегральная характеристика отопительного периода нашего региона в 1,5 раза выше.

Из представленных данных очевидно, что для одинаковых объектов суммарная годовая теплопроизводительность отопительной теплонасосной установки в климатических условиях Саратовской области должна быть, как минимум, в 4950/3600 = 1,375 раза больше, чем в климатических условиях Норвегии, и в 1,5 раза выше по сравнению с теплопроизводительностью аналогичных систем в Германии. Кроме

того, значительно выше должна быть и установленная мощность теплонасосной системы, которая зависит от температуры наиболее холодной пятидневки.

В связи с этим, при использовании в центральных регионах России технологий, основанных на геотермальных тепловых насосах, помимо увеличения установленной мощности, требуется увеличение количества и длины грунтовых теплообменников в расчете на единицу отапливаемой площади. Все это ведет к повышению капитальных затрат в сооружение системы отбора теплоты грунта и увеличению реальных сроков окупаемости грунтовых ТНУ. Следовательно, для внедрения подобных проектов в средней полосе России нужны дополнительные исследования с целью оптимизации параметров грунтовых теплообменников и всей системы автономного теплоснабжения, основанной на использовании теплонасосных станций, с учетом реальных геологоклиматических и экономико-ценовых условий, характерных для различных регионов нашей страны.

Для обоснования принципов повышения эффективности отбора геотермальной теплоты необходимо разработать методику расчета интерференции многомерных температурных полей, возникающих в грунте в результате взаимного влияния отдельных веток грунтовых теплообменников различной конфигурации при их взаимодействии с собственным температурным полем поверхностного слоя грунта. При этом следует учитывать возможность промерзания грунта вблизи грунтовых коллекторов и вызванное этим существенное снижение теплосъема. Кроме того, с учетом реальных геологоклиматических условий необходимо разработать систему региональной оценки энергоресурсов и ранжирования потенциалов геотермальной теплоты по максимальному теплосъему с одного погонного метра коллектора.

С позиции сокращения капитальных вложений в сооружение грунтовых коллекторов и улучшения экономических показателей всей теплонасосной системы важен также обоснованный выбор формы, материала и конструкции грунтовых теплообменников. Поэтому для практического проектирования таких теплообменников применительно к геолого-климатическим условиям центральных регионов России необходимо создать прикладную компьютерную программу, основанную на физикоматематическом моделировании теплопереноса в приповерхностном слое грунта с теплообменниками различных размеров, формы и направлений заложения.

С целью снижения эксплуатационных расходов, связанных с затратами электроэнергии на привод компрессора, необходимо разработать методику оптимизации всей системы автономного теплоснабжения, включая комплекс мероприятий по теплоизоляции зданий и переходу к низкотемпературным режимам отопления, позволяющим получать максимальные коэффициенты преобразования при эксплуатации теплонасосной установки за счет уменьшения перепада температур теплоносителей в испарителе, соединенном с подземным циркуляционным контуром, и - конденсаторе теплонасосной установки [4].

С позиции увеличения надежности функционирования грунтовой системы теплоотбора и увеличения срока её службы за счет предотвращения длительного промерзания и сверхнормативного уровня температурных деформаций грунтового теплообменника необходимо рассмотреть комплекс вопросов, связанных с обоснованием возможности снижения нагрузки на грунт (либо путем периодического ввода и вывода из рабочего режима одного из параллельно установленных рабочих коллекторов с целью естественной регенерации соответствующей грунтовой зоны отбора теплоты, либо за счет применения дополнительных энергоисточников, например, техногенного происхождения, в частности, тепловых выбросов приточно-вытяжной вентиляции).

Для улучшения экономических показателей теплонасосной станции рекомендуется в летний период использовать холод, аккумулированный в грунте за отопительный сезон, на прямое охлаждение помещений от скважин, то есть - без кондиционеров, затрачивающих на производство холода электроэнергию. Охлаждение напрямую от

скважин или через реверсивным тепловой насос, переключаемый в теплыи период года в режим холодильной машины, могут в комплексе обеспечить необходимую охлаждающую нагрузку, включая самые жаркие регионы страны при минимальных затратах электроэнергии [5].

С целью дальнейшего расширения технологических возможностей теплонасосных систем необходимо оценить перспективы включения в схему автономного теплоснабжения дополнительных элементов, позволяющих использовать различные варианты тепловой поддержки за счет других видов возобновляемых энергоисточников, например, получать дополнительное количество теплоты на горячее водоснабжение в межотопительные периоды с использованием солнечных коллекторов, устанавливаемых на крыше.

Предлагаемые подходы могут быть применены и при внедрении геотермальных технологий для многоэтажных зданий, но тогда, ввиду использования многоскважинного подземного контура, необходимо разработать методику оптимизации поля скважин с учетом имеющегося пространства под застройку и теплового взаимовлияния грунтовых теплообменников, зависящего от расстояний между ними и конфигурации скважинного поля.

Решение комплекса поставленных вопросов необходимо для создания научной и нормативно-технической базы, позволяющей осуществить более широкое практическое внедрение экологически чистого местного источника возобновляемой энергии, разрабатываемого с помощью мелких скважин и обеспечивающего при коротких подсоединениях (снижающих риски, затраты на транспортировку и теплопотери) широкий спектр объектов с любой удаленностью от энергоподводящих магистралей и месторождений органического топлива.

ЛИТЕРАТУРА

1. Калинин М.И. Эффективное использование приповерхностных геотермальных ресурсов в геолого-климатических условиях центральных регионов России / М.И. Калинин, Б.Н. Хахаев, Е.П. Кудрявцев // Вестник Ярославского регионального отделения РАЕН. 2007. Т. 1. № 1. С. 20-26.

2. Rybach L. Ground-Source Heat Pump Systems the European Experience / L. Rybach, В. Sanner // Geo-Heat Center Quarterly Bulletin. 2000. Vol. 21. № 1. P. 16-26.

3. Sanner B. Examples of Ground Source Heat Pumps (GSHP) from Germany / B. Sanner, О. Kohlsch // International Summer School on Direct Application of Geothermal Energy. Bad Urach, 2001. P. 81-94.

4. Калинин М.И. Методы расчета и рекомендации по эффективному использованию приповерхностных геотермальных ресурсов в центральных регионах России / М.И. Калинин, Е.П. Кудрявцев, А.В. Баранов // Новости теплоснабжения. 2007. № 10. С. 26-33.

5. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием

низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: монография /

Г.П. Васильев. М.: Издат. дом «Граница», 2006. 176 с.

Семенов Борис Александрович - Semyonov Boris Aleksandrovich -

доктор технических наук, профессор Doctor of Technical Sciences, Professor,

кафедры «Промышленная теплотехника» Head of the Department

Саратовского государственного of «Industrial Heat Engineering»

технического университета of Saratov State Technical University

Соловьёв Владимир Александрович - Solovyov Vladimir Aleksandrovich -

аспирант Post-graduate student

П

Саратовского государственного of «Industrial Heat Engineering»

технического университета of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 03.02.09, принята к опубликованию 11.03.09