Особенности применения грунтовых тепловых насосов
С развитием общества его потребности в электрической, механической и тепловой энергии всё время растут. Но при том потенциале, который необходим для потребления, ни один из этих видов энергии, как правило, в окружающей среде не присутствует. Поэтому преобразовывают энергию других форм, чаще всего химическую, ядерную, низкопотенциальную тепловую или механическую. Структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что более 70% потребляемой энергии получают за счёт сжигания органического топлива, запасы которого отнюдь не бесконечны. Истощение наиболее технологичных для энергетики в целом и автономной теплоэнергетики в частности видов топлива уже привели к значительному повышению их стоимости на мировом рынке и определённо обозначили тенденцию к её дальнейшему росту. Поэтому в перспективе, учитывая также атомные станции и избыток электроэнергии в ночное время, следует рассчитывать на её использование и для теплоснабжения. Единственным устройством, делающим такое потребление электроэнергии конкурентноспособным, является тепловой насос (ТН), позволяющий получить для отопления и горячего водоснабжения теплоту Q1, значительно превышающую потреблённую электрическую энергию. Их отношение называют отопительным коэффициентом (СОР в зарубежных изданиях), который составляет 2…6 в зависимости от типа ТН, уровня температур отвода и подвода теплоты (рис. 1).
 |
| Рис.1 Отопительный коэффициент типового теплового насоса в зависимости от температур греющей и охлаждающей сред. |
 |
| Рис 2. Тенденция продаж тепловых насосов в Норвегии. |
 |
| Рис 3. Тенденция продаж тепловых насосов в Швеции. |
Во всех случаях для эффективного и оправданного использования ТН необходимо выполнять соответствующее технико-экономическое обоснование. Ввиду того, что теплонасосные системы отопления должны использоваться продолжительное время, в таком обосновании неизбежно присутствуют элементы прогноза. В число обязательно рассматриваемых пунктов обоснования обычно входят:
- наличная электрическая мощность;
- источники низкопотенциальной теплоты, возможности их регенерации и комбинирования;
- график изменения температуры воздуха в регионе установки ТН;
- температурный уровень нагреваемого теплоносителя;
- график потребления теплоты;
- цены на энергоносители и их динамика;
- цены на оборудование.
Среди возможных источников низкопотенциальной тепловой энергии необходимо выделить следующие:- наличная электрическая мощность;
- источники низкопотенциальной теплоты, возможности их регенерации и комбинирования;
- график изменения температуры воздуха в регионе установки ТН;
- температурный уровень нагреваемого теплоносителя;
- график потребления теплоты;
- цены на энергоносители и их динамика;
- цены на оборудование.
- окружающий воздух;
- грунт поверхностных слоев Земли;
- водоемы и природные водные потоки;
- вентиляционные выбросы зданий и сооружений;
- канализационные стоки;
- сбросное тепло технологических процессов.
В почвенно-климатических условиях Украины одними из наиболее перспективных являются теплонасосные системы, использующие в качестве в качестве тепла низкого потенциала повсеместно доступный грунт поверхностных слоев Земли.
Грунт поверхностных слоев Земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под действием многочисленного количества факторов, среди которых важнейшими являются: солнечная радиация, радиогенное тепло, поступающее из глубин Земли, а также теплофизические характеристики грунтового массива: теплопроводность, теплоёмкость, влажность и пористость грунта. Главный источник тепловой энергии, поступающей в грунт – солнечная радиация. Тепловой режим грунта определяется теплообменом в системе: приземный слой воздуха – растения – поверхностные слои грунта – подстилающие горные породы. Тепловая энергия, аккумулированная в грунте принимает участие в фазовых переходах грунтовой влаги, выделяясь при льдообразовании и конденсации влаги и расходуясь при таянии льда и испарении. Поступление солнечной радиации на поверхность грунта ослабляется растительностью, а охлаждение грунта зимой – снежным покровом.
Тепловой режим грунта поверхностных слоев Земли обладает вековой, многолетней, годовой и суточной цикличностью, сопряжённой со сменой режимов инсоляции и излучения. В среднем многолетнем выражении годовой баланс тепла данного грунта равен нулю, а среднегодовая температура одинакова во всём её профиле. Суточные колебания температуры охватывают толщу грунта на глубину от 20см до 1м, годовые – до 10-20м. Температурный режим слоёв грунта, расположенных ниже этой глубины, формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных колебаний.
Тепловой режим грунта формируется главным образом под воздействием климатических условий, но имеет и свою специфику, связанную с теплофизическим состоянием, как самого грунта, так и подстилающих пород.
В работе [1] проводилась оценка влияния теплотехнических параметров грунтового массива на эффективность эксплуатации системы теплосбора на примере горизонтальной системы грунтового теплообменника. Анализ работы показал, что отопительный сезон, во время которого эксплуатируется система теплосбора, можно разбить на три периода.
Первый период, продолжительностью от начала отопительного сезона до 200 часов (8 суток), характеризуется ярко выраженной нестационарностью теплового режима грунта и вследствие этого значительным изменением удельного теплосъема во времени, интенсивность которого за этот период может упасть до -30% от начальной. Характерным для этого периода является тот факт, что грунтовый теплообменник в это время оказывает существенное тепловое влияние на слои грунта, находящиеся только в непосредственной близости от него. Поэтому возможно путем искусственного повышения теплопроводности и объемной теплоемкости (замена грунта, увлажнение его и т.д.) незначительного объема грунта вблизи грунтового теплообменника существенно улучшить эксплуатационные характеристики системы теплосбора.
Второй период – от 200 до 500 часов (8-21 суток) – характеризуется более плавным протеканием тепловых процессов в грунте системы теплосбора. Изменение интенсивности удельного теплосъема в течение этого периода - в пределах 15% от начального значения.
Третий период начинается с 500 часов (22 суток) и продолжается до конца отопительного сезона. Для этого периода характерно линейное изменение интенсивности удельного теплосъема во времени. Однако, несмотря на значительно более пологий характер зависимостей удельного теплосъема от времени, на протяжении этого периода они все же имеют ярко выраженный нестационарный характер.
Отмеченный момент позволяет сделать вывод, что для систем теплосбора на протяжении всего периода их эксплуатации характерен нестационарный режим с той или иной интенсивностью изменения во времени протекающих в грунте тепловых процессов. Иначе говоря, интенсивность падения во времени удельного теплосъема с одного погонного метра длины грунтового теплообменника, начиная с 22 суток эксплуатации, практически не зависит ни от теплопроводности , ни от теплоемкости грунта, практически неизменна по длине грунтового теплообменника и целиком и полностью определяется коэффициентом теплообмена между теплоносителем и внутренней поверхностью труб.
Зависимость интенсивности удельного теплосъема с одного погонного метра длины грунтового теплообменника от теплопроводности и объемной теплоемкости грунта представляет собой практически прямую пропорциональность и наиболее существенное влияние на интенсивность удельного теплосъема оказывает изменение теплопроводности грунта в пределах 0.2 до 2 Вт/(м2°С), и его объемной теплоемкости в пределах 400 до 1000 кДж/(м3°С), а дальнейшее их увеличение сказывается на увеличении удельного теплосъема менее заметно.
Этот факт позволяет сделать вывод , что при эксплуатации системы теплосбора в малотеплопроводных и нетеплоемких грунтах имеется реальная возможность за счет незначительного повышения влажности грунта значительно повысить эффективность эксплуатации системы теплосбора.
Особого внимания заслуживает обнаруженный в процессе расчётов факт неочевидности положительного влияния высокой теплоемкости грунта на эффективность системы теплосбора. Оказалось, что если первый год эксплуатации повышенная теплоемкость грунта увеличивает эффективность системы теплосбора (более высокие температуры грунта), то на пятом году эксплуатации – ухудшает (грунт восстанавливается менее интенсивно).
Исследования теплового состояния грунта и изменения температуры теплоносителя в течение года для вертикальной системы теплосбора из одной термоскважины диаметром 0.2м и длиной 40м, проведенные в [1] для грунта с теплоемкостью 0.4ккал/кг*град дают следующую зависимость, рис 4. Первый месяц на графике соответствует первому месяцу начала отопительного сезона (октябрю). Продолжительность отопительного периода 7 месяцев, минимальная температура наружного воздуха (наиболее холодной пятидневки) -28°С, температура воздуха в отапливаемом помещении 20°С, глубина заложения грунтового теплообменника 10м, длина 40м.
Грунт поверхностных слоев Земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под действием многочисленного количества факторов, среди которых важнейшими являются: солнечная радиация, радиогенное тепло, поступающее из глубин Земли, а также теплофизические характеристики грунтового массива: теплопроводность, теплоёмкость, влажность и пористость грунта. Главный источник тепловой энергии, поступающей в грунт – солнечная радиация. Тепловой режим грунта определяется теплообменом в системе: приземный слой воздуха – растения – поверхностные слои грунта – подстилающие горные породы. Тепловая энергия, аккумулированная в грунте принимает участие в фазовых переходах грунтовой влаги, выделяясь при льдообразовании и конденсации влаги и расходуясь при таянии льда и испарении. Поступление солнечной радиации на поверхность грунта ослабляется растительностью, а охлаждение грунта зимой – снежным покровом.
Тепловой режим грунта поверхностных слоев Земли обладает вековой, многолетней, годовой и суточной цикличностью, сопряжённой со сменой режимов инсоляции и излучения. В среднем многолетнем выражении годовой баланс тепла данного грунта равен нулю, а среднегодовая температура одинакова во всём её профиле. Суточные колебания температуры охватывают толщу грунта на глубину от 20см до 1м, годовые – до 10-20м. Температурный режим слоёв грунта, расположенных ниже этой глубины, формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных колебаний.
Тепловой режим грунта формируется главным образом под воздействием климатических условий, но имеет и свою специфику, связанную с теплофизическим состоянием, как самого грунта, так и подстилающих пород.
В работе [1] проводилась оценка влияния теплотехнических параметров грунтового массива на эффективность эксплуатации системы теплосбора на примере горизонтальной системы грунтового теплообменника. Анализ работы показал, что отопительный сезон, во время которого эксплуатируется система теплосбора, можно разбить на три периода.
Первый период, продолжительностью от начала отопительного сезона до 200 часов (8 суток), характеризуется ярко выраженной нестационарностью теплового режима грунта и вследствие этого значительным изменением удельного теплосъема во времени, интенсивность которого за этот период может упасть до -30% от начальной. Характерным для этого периода является тот факт, что грунтовый теплообменник в это время оказывает существенное тепловое влияние на слои грунта, находящиеся только в непосредственной близости от него. Поэтому возможно путем искусственного повышения теплопроводности и объемной теплоемкости (замена грунта, увлажнение его и т.д.) незначительного объема грунта вблизи грунтового теплообменника существенно улучшить эксплуатационные характеристики системы теплосбора.
Второй период – от 200 до 500 часов (8-21 суток) – характеризуется более плавным протеканием тепловых процессов в грунте системы теплосбора. Изменение интенсивности удельного теплосъема в течение этого периода - в пределах 15% от начального значения.
Третий период начинается с 500 часов (22 суток) и продолжается до конца отопительного сезона. Для этого периода характерно линейное изменение интенсивности удельного теплосъема во времени. Однако, несмотря на значительно более пологий характер зависимостей удельного теплосъема от времени, на протяжении этого периода они все же имеют ярко выраженный нестационарный характер.
Отмеченный момент позволяет сделать вывод, что для систем теплосбора на протяжении всего периода их эксплуатации характерен нестационарный режим с той или иной интенсивностью изменения во времени протекающих в грунте тепловых процессов. Иначе говоря, интенсивность падения во времени удельного теплосъема с одного погонного метра длины грунтового теплообменника, начиная с 22 суток эксплуатации, практически не зависит ни от теплопроводности , ни от теплоемкости грунта, практически неизменна по длине грунтового теплообменника и целиком и полностью определяется коэффициентом теплообмена между теплоносителем и внутренней поверхностью труб.
Зависимость интенсивности удельного теплосъема с одного погонного метра длины грунтового теплообменника от теплопроводности и объемной теплоемкости грунта представляет собой практически прямую пропорциональность и наиболее существенное влияние на интенсивность удельного теплосъема оказывает изменение теплопроводности грунта в пределах 0.2 до 2 Вт/(м2°С), и его объемной теплоемкости в пределах 400 до 1000 кДж/(м3°С), а дальнейшее их увеличение сказывается на увеличении удельного теплосъема менее заметно.
Этот факт позволяет сделать вывод , что при эксплуатации системы теплосбора в малотеплопроводных и нетеплоемких грунтах имеется реальная возможность за счет незначительного повышения влажности грунта значительно повысить эффективность эксплуатации системы теплосбора.
Особого внимания заслуживает обнаруженный в процессе расчётов факт неочевидности положительного влияния высокой теплоемкости грунта на эффективность системы теплосбора. Оказалось, что если первый год эксплуатации повышенная теплоемкость грунта увеличивает эффективность системы теплосбора (более высокие температуры грунта), то на пятом году эксплуатации – ухудшает (грунт восстанавливается менее интенсивно).
Исследования теплового состояния грунта и изменения температуры теплоносителя в течение года для вертикальной системы теплосбора из одной термоскважины диаметром 0.2м и длиной 40м, проведенные в [1] для грунта с теплоемкостью 0.4ккал/кг*град дают следующую зависимость, рис 4. Первый месяц на графике соответствует первому месяцу начала отопительного сезона (октябрю). Продолжительность отопительного периода 7 месяцев, минимальная температура наружного воздуха (наиболее холодной пятидневки) -28°С, температура воздуха в отапливаемом помещении 20°С, глубина заложения грунтового теплообменника 10м, длина 40м.
 |
| Рис.4 Средняя температура теплоносителя системы теплосбора. |
Литература
1. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: монография / Г.П. Васильев. – М.: Издательский дом «Граница», 2006. – 176с., ил. Стр. 62 – 66.
2. IEA Heat Pump Centre Newsletter. Vol. 22 – No. 2/2004 - p.10…11.
