Возобновляемые источники энергии

12
15
8
3
3
4
4
2
2
9
10
11
13
14
6
5
7
6
5
7
1
Рис. 2.4. Технологическая схема геотермальной теплонасосной системы тепло- и водо-
снабжения:
1
— геотермальная скважина; 
2
— испарители; 
3
— конденсаторы; 
4
— охладители; 
5
—
дроссельные клапаны; 
6
— компрессоры; 
7
— электродвигатели; 
8
— потребитель тепла;
9
— блок химводоочистки; 
10
— резервуар чистой воды; 
11
— насосная станция; 
12
— теп-
лоизолированный бак-аккумулятор; 
13
— на холодное водоснабжение; 
14
— на горячее
водоснабжение; 
15
— регулятор подпитки

---

138
рии, Швеции, Норвегии. Для отбора тепла применяют грунтовые
теплообменники. Накоплен некоторый опыт использования тепла
грунта и в России. По технологиям ОАО «Инсолар-Инвест» внедрен
ряд проектов по ТСТ с использованием низкопотенциальной тепло-
вой энергии поверхностных слоев земли (демонстрационный комп-
лекс «Экопарк-Фили», теплоснабжение сельской школы в Ярославс-
кой обл., энергоэффективный жилой дом в Москве) [5].
Для широкой реализации ТСТ с грунтовыми теплообменниками
необходимо разработать оптимальные конструкции теплообменников,
исследовать взаимное влияние теплового насоса и грунтового тепло-
обменника и оптимизировать режимы эксплуатации всей установки.
Теплообменники в грунте могут быть расположены горизонтально (на
глубине до 3 м) и вертикально (скважинные теплообменники). Наибо-
лее эффективным является вертикальный грунтовый теплообменник.
В качестве такого теплообменника может служить вертикальная сква-
жина (рис. 2.5), внутрь которой помещена дополнительная теплоизо-
лированная труба меньшего диаметра. Промежуточный теплоноситель
(вода) опускается по межтрубному кольцевому пространству теплооб-
менника и отбирает тепло от окружающей горной породы, далее в
нагретом состоянии поднимается по внутренней трубе.
Процесс теплопередачи в вертикальном грунтовом теплооб-
меннике с учетом граничного условия 
t
1
(
z
= 0) = 
t
н
описывается урав-
нением:
,
(2.16)
где 
t
1
— температура промежуточного теплоносителя, °С; 
z
—
вертикальная координата, м; 
k
— линейный коэффициент теплопе-
редачи от горной породы к промежуточному теплоносителю, Вт/м
æ
°С;
G
— массовый расход промежуточного теплоносителя, кг
/
с; 
c
p
—
теплоемкость промежуточного теплоносителя, Дж
/
кг
æ
°С; 
t
0
—
температура нейтрального слоя, °С; 
Г 
—
геотермический градиент, °С
/
м; 
t
н
— тем-
пература промежуточного теплоносителя
на входе в теплообменник, °С.
d
t
1
d
z
--------
k
Gc
p
----------
t
0
Г
z
t
1
–
+
(
)
=
3
2
1
H
z
Рис. 2.5. Конструкция вертикального грунтового тепло-
обменника:
1
— наружная колонна труб; 
2
— лифтовая колонна труб;
3
— теплоизоляция

---

139
Решая (2.16) получаем формулу для определения характера
изменения температуры промежуточного теплоносителя по глу-
бине грунтового теплообменника.
.
(2.17)
Параметры, входящие в (2.17) кроме коэффициента теплопере-
дачи 
k
, заранее известны. Для определения 
k
необходимо знать
радиус зоны возмущения температурного поля в горной породе вок-
руг скважины.
Циркуляция промежуточного теплоносителя в вертикальном
грунтовом теплообменнике влияет на тепловое поле вокруг сква-
жины. Диаметр зоны возмущения температурного поля зависит от
диаметра скважины, интенсивности и длительности работы грунто-
вого теплообменника, температуры и теплофизических свойств
пород и промежуточного теплоносителя. Теоретически при циркуля-
ции промежуточного теплоносителя температура пород должна
изменяться на бесконечно большом расстоянии. Однако практически
в пласте всегда можно выделить границу, за пределами которой пласт
сохраняет свою естественную температуру.
Радиус теплового влияния 
R
определяется по формуле
.
(2.18)
Здесь 
a
— температуропроводность пород, , м
2
/
c; 
τ
— время, с.
В таком случае, линейный коэффициент теплопередачи определя-
ется по формуле
:
,
(2.19)
где 
d
3
— диаметр скважины по долоту, м; 
d
1
, 
d
2
— внутренний и
наружный диаметры наружной колонны труб; 
λ
п
, 
λ
ц
, 
λ
м
— соответ-
ственно коэффициенты теплопроводности горной породы, цемент-
ного кольца и металла, Вт
/(
м
æ
°С); 
α
— коэффициент теплоотдачи от
внутренней стенки наружной колонны труб к промежуточному теп-
лоносителю, Вт
/(
м
2
æ
°С).
Исследования свидетельствуют о том, что с увеличением времени
эксплуатации теплообменника эффективность съема тепла с горной
породы снижается (происходит уменьшение значения коэффициента
теплопередачи 
k 
от грунта к промежуточному теплоносителю). Уве-
личение расхода промежуточного теплоносителя приводит к некото-
рому увеличению коэффициента теплопередачи в начальный период
t
1
t
0
Г
z
ГGc
p
k
--------------
–
t
н
t
0
–
ГGc
p
k
--------------
+
⎝
⎠
⎜
⎟
⎛
⎞
e
–
k
z
Gc
p
----------
+
+
=
R
2,5
a
τ
=
k
π
1
2
λ
п
--------- ln 
2 2,5
a
τ
(
)
d
3
---------------------------
1
2
λ
ц
--------- ln 
d
3
d
2
-----
1
2
λ
м
---------- ln 
d
2
d
1
-----
1
α
d
1
----------
+
+
+
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
=

---

140
эксплуатации скважины. В дальнейшем, при увеличении времени
эксплуатации, основным в процессе теплопередачи становится терми-
ческое сопротивление горных пород. За счет того, что коэффициент
теплопередачи при малом времени эксплуатации скважины значи-
тельно выше, чем при ее эксплуатации в течение продолжительного
времени, теплообменник глубиной 100 м, находящийся в эксплуата-
ции в течение 24 ч, по отбираемому теплу практически равнозначен
теплообменнику глубиной 200 м, эксплуатируемому непрерывно в
течение всего отопительного сезона. Расчеты показывают, что опти-
мальный расход промежуточного теплоносителя составляет 0,5—
0,6 кг
/
с. Дальнейшее увеличение расхода практически не приводит к
увеличению теплосъема с горной породы.
Извлекаемая из грунтового теплообменника тепловая энергия
линейно зависит от глубины теплообменника. При этом удельный
съем тепла 
q
с горной породы на 1 м глубины теплообменника
составляет: для теплообменника глубиной 200 м и его эксплуатации в
течение 150 сут
q
= 33 Вт/м; при глубине теплообменника 100 м и
его эксплуатации в течение 2 сут
q
= 60 Вт/м.
Оптимальной является ТСТ с двумя грунтовыми теплообменни-
ками в вертикальных скважинах, работающих попеременно в цикли-
ческом режиме (одна скважина работает 24 ч, другая находится в
простое для восстановления температурного поля вокруг скважины).
Недостатком ТСТ с двумя скважинами является необходимость в
частом переключении циркуляционного потока от одной скважины к
другой. В то же время в ТСТ с одной скважиной глубиной 200 м
капитальные затраты на ее устройство выше суммарных затрат на
устройство двух скважин глубиной 100 м каждая. Кроме того, и экс-
плуатационные затраты, связанные с прокачкой теплоносителя, в
глубокой скважине выше из-за увеличения в 2 раза потерь напора на
трение по высоте теплообменника.
На рис. 2.6 приведена принципиальная технологическая схема
ТСТ с двумя вертикальными грунтовыми теплообменниками, разра-
ботанная в ИПГ ДНЦ РАН. В предложенной схеме вентили 
1
закрыты, и промежуточный теплоноситель циркулирует по контуру
«левый грунтовый теплообменник — испаритель теплового насоса —
циркуляционный насос». Через определенное время вентили 
1
открываются с одновременным закрытием вентилей 2 и теплоноси-
тель переключают на правый теплообменник.
Окончательный выбор технологической схемы ТСТ, режима экс-
плуатации, глубины и количества грунтовых теплообменников зави-
сит от технико-экономического обоснования с учетом капитальных и
эксплуатационных затрат, горно-геологических и теплофизических
свойств пород разреза и гидрогеологических условий. Наличие гори-

---

141
зонта подземных вод в разрезе проходимом при бурении позволит
сократить как глубину скважин, так и их количество.
Теплонасосные системы теплоснабжения с вертикальными грун-
товыми теплообменниками могут быть успешно применены для
создания экологически чистых децентрализованных систем отопле-
ния и горячего водоснабжения сельских потребителей. Скважины-
теплообменники не требуют заметного отчуждения земли и могут
сооружаться под фундаментом здания или в непосредственной бли-
зости от него. Широкое применение этих технологий теплоснабже-
ния позволит не только разрешить проблемы, связанные с приобрете-
нием и доставкой энергоносителей в отдаленные населенные
пункты, но и самым существенным образом будет способствовать
социальным преобразованиям в сельской местности.
На рис. 2.7 приведена схема ТСТ с автоматизированной теплона-
сосной установкой АТНУ-10 (разработчик ОАО «Инсолар-Инвест»).
Автоматизированная установка АТНУ-10 используется в составе
ТСТ для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения. Уста-
новка состоит из теплового насоса НТБ-10 с блоком автоматики и
блока горячего водоснабжения с автоматикой (БГВ). Промежуточный
теплоноситель (вода) циркулирует в контуре «скважина-теплообмен-
ник — циркуляционный насос — испаритель», отбирает тепло в
скважине от окружающей горной породы и передает его в испари-
теле низкокипящему рабочему агенту R22. Теплоноситель в испари-