Сучасні розробки у галузі енергозабезпечення (стр. 5 из 9)

Мал. 2.9.5.1 Графік зміни температури ґрунту залежно від глибини

Температурний режим шарів ґрунту, розташованих нижче за цю глибину («нейтральної зони»), формується під впливом теплової енергії, що поступає з надр землі, і практично не залежить від сезонних, а тим більше добових змін параметрів зовнішнього клімату (мал. 2.10.5.1). Із збільшенням глибини температура ґрунту зростає відповідно до геотермічного градієнта (приблизно 3 °C на кожних 100 м). Величина потоку радіогенного тепла, що поступає із земних надр, для різних місцевостей розрізняється. Для Центральної Європи ця величина складає 0,05–0,12 Вт/м2 .

2.9.6 Чинники, під впливом яких формується температурний режим ґрунту

У експлуатаційний період масив ґрунту, що знаходиться в межах зони теплового впливу регістра труб ґрунтового теплообмінника системи збору низько потенційного тепла ґрунту (системи теплозбору), внаслідок сезонної зміни параметрів зовнішнього клімату, а також під впливом експлуатаційних навантажень на систему теплозбору, як правило, піддається багатократному заморожуванню і розтаванню. При цьому, природно, відбувається зміна агрегатного стану вологи, ув'язненої в порах ґрунту і що знаходиться в загальному випадку як в рідкій, так і в твердій і газоподібній фазах одночасно. Інакше кажучи, ґрунтовий масив системи теплозбору, незалежно від того, в якому стані він знаходиться (у мерзлому або талому), є складною трифазною полідисперсною гетерогенною системою, «скелет» якої утворений величезною кількістю твердих частинок різноманітної форми і величини і може бути як жорстким, так і рухомим, залежно від того, чи міцно зв'язані між собою частинки або ж вини відокремлені один від одного речовиною в рухомій фазі. Проміжки між твердими частинками можуть бути заповнені мінералізованою вологою, газом, парою і мерзлою водою або тим і іншим одночасно. Моделювання процесів тепломасоперенесення, що формують тепловий режим такої багатокомпонентної системи, є надзвичайно складним завданням, оскільки вимагає обліку і математичного опису різноманітних механізмів їх здійснення: теплопровідності в окремій частинці, теплопередачі від однієї частинки до іншої при їх контакті, молекулярній теплопровідності в середовищі, що заповнює проміжки між частинками, конвекції пари і вологи, що містяться в поровом просторі, і багато інших.

Особливо слід зупинитися на впливі вологості ґрунтового масиву і міграції вологи в його паровому просторі на теплові процеси, що визначають характеристики ґрунту як джерела низько потенційної теплової енергії.

У капілярно-пористих системах, яким є ґрунтовий масив системи теплозбору, наявність вологи в паровому просторі надає помітний вплив на процес розповсюдження тепла. Коректний облік цього впливу на сьогоднішній день зв'язаний із значними труднощами, які перш за все пов'язані з відсутністю чітких уявлень про характер розподілу твердої, рідкої і газоподібної фаз вологи в тій або іншій структурі системи. До цих пір не з'ясовані природа сил зв'язку вологи з частинками скелета, залежність форм зв'язку вологи з матеріалом на різних стадіях зволоження, механізм переміщення вологи в паровому просторі.

За наявності в товщі ґрунтового масиву температурного градієнта молекули пари переміщаються до місць, що мають знижений температурний потенціал, але в той же час під дією гравітаційних сил виникає протилежно направлений потік вологи в рідкій фазі. Окрім цього, на температурний режим верхніх шарів ґрунту робить вплив волога атмосферних опадів, а також ґрунтові води.

2.9.7 Види теплообмінників

Ґрунтові теплообмінники пов'язують теплонасосне устаткування з ґрунтовим масивом. Окрім «витягання» тепла землі, ґрунтові теплообмінники можуть використовуватися і для накопичення тепла (або холоду) в ґрунтовому масиві. У загальному випадку можна виділити два види систем використання нізкопотенциальной теплової енергії землі:

- відкриті системи: як джерело низько потенційної теплової енергії використовуються ґрунтові води, що підводяться безпосередньо до теплових насосів;

- замкнуті системи: теплообмінники розташовані в ґрунтовому масиві; при циркуляції по ним теплоносія із зниженою щодо ґрунту температурою відбувається «відбір» теплової енергії від ґрунту і перенесення її до випарника теплового насоса (або, при використанні теплоносія з підвищеною щодо ґрунту температурою, його охолоджування).

Основна частина відкритих систем – свердловини, що дозволяють витягувати ґрунтові води з водоносних шарів ґрунту і повертати воду назад в ті ж водоносні шари. Зазвичай для цього влаштовуються парні свердловини. Достоїнством відкритих систем є можливість отримання великої кількості теплової енергії при низьких витратах. Проте свердловини вимагають обслуговування. Окрім цього, використання таких систем можливе не у всіх місцевостях. Головні вимоги до ґрунту і ґрунтових вод такі:

- достатня водопроникність ґрунту, що дозволяє поповнюватися запасам води;

- хороший хімічний склад ґрунтових вод (наприклад, низький вміст заліза), що дозволяє уникнути проблем, пов'язаних з утворенням відкладень на стінках труб і корозією. Схема такої системи приведена на малюнку .

Мал. 2.9.7.1 Схема відкритої системи використання низько потенційної енергії ґрунтових вод.

Замкнуті системи, у свою чергу, діляться на горизонтальні і вертикальні.

Горизонтальний ґрунтовий теплообмінник (у англомовній літературі використовуються також терміни «Ground heat collector» і «horizontal loop») влаштовується, як правило, поряд з будинком на невеликій глибині (але нижче за рівень промерзання ґрунту в зимовий час). Використання горизонтальних ґрунтових теплообмінників обмежене розмірами наявного майданчика.

У країнах Західної і Центральної Європи горизонтальні ґрунтові теплообмінники зазвичай є окремими трубами, покладеними відносно щільно і сполучені між собою послідовно або паралельно (мал. 4а, б). Для економії площі ділянки були розроблені вдосконалені типи теплообмінників, наприклад, теплообмінники у формі спіралі, розташованої горизонтально або вертикально (мал. 4д, 4е). Така форма теплообмінників поширена в США.

Якщо система з горизонтальними теплообмінниками використовується тільки для отримання тепла, її нормальне функціонування можливе тільки за умови достатнього приходу тепла з поверхні землі за рахунок сонячної радіації. З цієї причини поверхня вище за теплообмінники повинна бути направлена до дії сонячних променів.

Мал. 2.9.7.2 Види гориознтальних ґрунтових теплообмінників

Види горизонтальних ґрунтових теплообмінників:

а) – теплообмінник з послідовно сполучених труб; б) – теплообмінник з паралельно сполучених труб; в) – горизонтальний колектор, укладений в траншеї; г – теплообмінник у формі петлі; д – теплообмінник у формі спіралі, розташованої горизонтально (так званий «slinky» колектор); е – теплообмінник у формі спіралі, розташованої вертикально.

Вертикальні ґрунтові теплообмінник дозволяють використовувати низькопотенційну теплову енергію ґрунтового масиву, лежачого нижче за «нейтральну зону» (10–20 м від рівня землі). Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками не вимагають ділянок великої площі і не залежать від інтенсивності сонячної радіації, падаючої на поверхню. Вертикальні ґрунтові теплообмінники ефективно працюють практично у всіх видах геологічних середовищ, за винятком фрунтів з низькою теплопровідністю, наприклад, сухого піску або сухого гравію. Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками набули дуже широкого поширення.

Мал.2.9.7.3

Схема опалення і гарячого водопостачання житлового будинку за допомогою ТНУ з вертикальним ґрунтовим теплообмінником

Теплоносій циркулює по трубах (найчастіше поліетиленових або поліпропіленових), укладених у вертикальних свердловинах завглибшки від 50 до 200 м. Зазвичай використовується два типи вертикальних ґрунтових теплообмінників:

- U-подібний теплообмінник, що є двома паралельною трубою, сполученою в нижній частині. У одній свердловині розташовуються одна або дві (рідше три) пари таких труб. Перевагою такої схеми є відносно низька вартість виготовлення. Подвійні U-подібні теплообмінники – найбільш широко використовуваний в Європі тип вертикальних ґрунтових теплообмінників.

- Коаксиальний (концентричний) теплообмінник. Простим коаксиальним теплообмінником є дві труби різного діаметру. Труба меншого діаметру розташовується усередині іншої труби. Коаксиальні теплообмінники можуть бути і складніших конфігурацій.

Для збільшення ефективності теплообмінників простір між стінками свердловини і трубами заповнюється спеціальними теплопровідними матеріалами.

Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками можуть використовуватися для тепло- і холодопостачання будівель різних розмірів. Для невеликої будівлі достатньо одного теплообмінника; для великих будівель може бути потрібно ціла група свердловин з вертикальними теплообмінниками.. Вертикальні ґрунтові теплообмінники коледжу «Richard Stockton College» в США розташовуються в 400 свердловинах завглибшки 130 м. У Європі найбільше число свердловин (154 свердловини завглибшки 70 м) використовуються в системі тепло- і холодопостачання центрального офісу Німецької служби управління повітряним рухом («Deutsche Flug-sicherung»).