Сучасні розробки у галузі енергозабезпечення (стр. 6 из 9)

Окремим випадком вертикальних замкнутих систем є використання як ґрунтових теплообмінників будівельних конструкцій, наприклад фундаментних паль із замоноліченними трубопроводами. Переріз такої палі з трьома контурами ґрунтового теплообмінника приведений на малюнку 2.9.7.4.

При експлуатації ґрунтового теплообмінника може виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунту поблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт не встигає прогрітися до початкової температури – відбувається пониження його температурного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезону викликає ще більше пониження температури ґрунту, і його температурний потенціал ще більше знижується. Це примушує при проектуванні систем використання низько потенційного тепла землі розглядати проблему «стійкості» (sustainability) таких систем.

Мал.2.9.7.4

Схеми ґрунтових теплообмінників замонолічених в фундаментні палі будівлі, та поперечний переріз такої палі

2.9.8 "Стійкість" систем використання низько потенційного тепла землі

Часто енергетичні ресурси для зниження періоду окупності устаткування експлуатуються дуже інтенсивно, що може привести до їх швидкого виснаження. Тому необхідно підтримувати такий рівень виробництва енергії, який би дозволив експлуатувати джерело енергетичних ресурсів тривалий час. Ця здатність систем підтримувати необхідний рівень виробництва теплової енергії тривалий час називається «стійкістю. Для систем використання низько потенційного тепла землі дано наступне визначення стійкості : «Для кожної системи використання низько потенційного тепла землі і для кожного режиму роботи цієї системи існує деякий максимальний рівень виробництва енергії; виробництво енергії нижче за цей рівень можна підтримувати тривалий час (100–300 років)». [ORKUSTOFNUN Working Group, Iceland (2001): Sustainable production of geothermal energy - suggested definition. IGA News no. 43. January-March, 2001. 1-2.]

Проведені в дослідження показали, що споживання теплової енергії з ґрунтового масиву до кінця опалювального сезону викликає поблизу регістра труб системи теплозбору пониження температури ґрунту, яке в ґрунтово-кліматичних умовах більшої частини території України не встигає компенсуватися в літній період року, і на початок наступного опалювального сезону ґрунт виходить із зниженим температурним потенціалом. Споживання теплової енергії протягом наступного опалювального сезону викликає подальше зниження температури ґрунту, і на початок третього опалювального сезону його температурний потенціал ще більше відрізняється від природного. І так далі. Однак криві теплового впливу багаторічної експлуатації системи теплозбору на природний температурний режим ґрунту мають яскраво виражений експоненціональний характер, і до п'ятого року експлуатації ґрунт виходить на новий режим, близький до періодичному, тобто, починаючи з п'ятого року експлуатації, багаторічне споживання теплової енергії з ґрунтового масиву системи теплозбору супроводжується періодичними змінами його температури. Таким чином, при проектуванні теплонаносних систем теплопостачання є необхідним облік падіння температур ґрунтового масиву, викликаного багаторічною експлуатацією системи теплозбору, і використання як розрахункові параметри температур ґрунтового масиву, очікуваних на 5-й рік експлуатації ТСУ .

У комбінованих системах, використовуваних як для тепло-, так і для холодопостачання, тепловий баланс відновлюється «автоматично»: у зимовий час (потрібне теплопостачання) відбувається охолодження ґрунтового масиву, в літній час (потрібний холодопостачання) – нагрів ґрунтового масиву. У системах, використовуючих низькопотенційне тепло ґрунтових вод, відбувається постійне поповнення водних запасів за рахунок води, що просочується з поверхні, і води, що поступає з глибших шарів ґрунту. Таким чином, тепломісткість ґрунтових вод збільшується як «зверху» (за рахунок тепла атмосферного повітря), так і «знизу» (за рахунок тепла землі); величина теплопонадходжень «зверху» і «знизу» залежить від товщини і глибини залягання водоносного шару. За рахунок цих теплонадходжень температура ґрунтових вод залишається постійною протягом всього сезону і мало змінюється в процесі експлуатації.

У системах з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками ситуація інша. При відведенні тепла температура ґрунту навколо ґрунтового теплообмінника знижується. На пониження температури впливають як особливості конструкції теплообмінника, так і режим його експлуатації. Наприклад, в системах з високими величинами теплової енергії (декілька десятків Ватт на метр довжини теплообмінника), що відводиться, або в системах з ґрунтовим теплообмінником, розташованим в ґрунті з низькою теплопровідністю (наприклад, в сухому піску або сухому гравії) пониження температури буде особливо помітним і може привести до замерзання ґрунтового масиву навколо ґрунтового теплообмінника.

Німецькі фахівці провели вимірювання температури ґрунтового масиву, в якому влаштований вертикальний ґрунтовий теплообмінник завглибшки 50 м, розташований недалеко від Франкфурта-на-Майні. Для цього навколо основної свердловини на відстані 2,5, 5 і 10 м від було пробурено 9 свердловин тієї ж глибини. У всіх десяти свердловинах через кожних 2 м встановлювалися датчики для вимірювання температури – всього 240 датчиків. В кінці опалювального сезону добре помітно зменшення температури ґрунтового масиву навколо теплообмінника. Виникає тепловий потік, направлений до теплообмінника з навколишнього ґрунтового масиву, який частково компенсує зниження температури ґрунту, викликане «відбором» тепла. Величина цього потоку в порівнянні з величиною потоку тепла із земних надр в даній місцевості (80–100 Мвт/м2) оцінюється достатньо високо (декілька ватів на квадратний метр).

Оскільки відносне широке розповсюдження вертикальні теплообмінники почали отримувати приблизно 15–20 років тому, у всьому світі відчувається недолік експериментальних даних, отриманих при тривалих (декілька десятків років) термінах експлуатації систем з теплообмінниками такого типу. Виникає питання про стійкість цих систем, про їх надійність при тривалих термінах експлуатації. Чи є низькопотенційне тепло землі поновлюваним джерелом енергії? Який період «відновлення» цього джерела?

З 1986 року в Швейцарії, недалеко від Цюріха, проводилися дослідження системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками . У ґрунтовому масиві був влаштований вертикальний ґрунтовий теплообмінник коаксіального типу завглибшки 105 м. Цей теплообмінник використовувався як джерело низько потенційної теплової енергії для теплонасосної системи, встановленої в одноквартирному житловому будинку. Вертикальний ґрунтовий теплообмінник забезпечував пікову потужність приблизно 70 Вт на кожен метр довжини, що створювало значне теплове навантаження на навколишній ґрунтовий масив. Річне виробництво теплової енергії складає близько 13 МВт.

На відстані 0,5 і 1 м від основної свердловини були пробурені дві додаткових, в яких на глибині в 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 і 105 м встановлено датчики температури, після чого свердловини були заповнені глинисто-цементною сумішшю. Температура вимірювалася кожні тридцять хвилин. Окрім температури ґрунту фіксувалися і інші параметри: швидкість руху теплоносія, споживання енергії приводом компресора температура повітря і тому подібне.

Перший період спостережень продовжувався з 1986 по 1991 рік. Вимірювання показали, що вплив тепла зовнішнього повітря і сонячної радіації наголошується в поверхневому шарі ґрунту на глибині до 15 м. Нижче за цей рівень тепловий режим ґрунту формується головним чином за рахунок тепла земних надр. За перших 2-3 року експлуатації температура ґрунтового масиву, що оточує вертикальний теплообмінник, різко знизилася, проте з кожним роком пониження температури зменшувалося, і через декілька років система вийшла на режим, близький до постійному, коли температура ґрунтового масиву навколо теплообмінника стала нижча первинної на 1-2 °C.

Восени 1996 року, через десять років після початку експлуатації системи, вимірювання були відновлені. Ці вимірювання показали, що температура ґрунту істотним чином не змінилася. У подальші роки були зафіксовані незначні коливання температури ґрунту в межах 0,5 °C залежно від щорічного опалювального навантаження. Таким чином, система вийшла на квазістаціонарний режим після перших декількох років експлуатації.

На підставі експериментальних даних були побудовані математичні моделі процесів, що проходять в ґрунтовому масиві, що дозволило зробити довгостроковий прогноз зміни температури ґрунтового масиву.

Математичне моделювання показало, що щорічне пониження температури поступово зменшуватиметься, а об'єм ґрунтового масиву навколо теплообмінника, схильного до пониження температури, з кожним роком збільшуватиметься. Після закінчення періоду експлуатації починається процес регенерації: температура ґрунту починає підвищуватися. Характер протікання процесу регенерації подібний до характеру процесу "відбору" тепла: у перші роки експлуатації відбувається різке підвищення температури ґрунту, а в подальші роки швидкість підвищення температури зменшується. Тривалість періоду "регенерації" залежить від тривалості періоду експлуатації. Ці два періоди приблизно однакові. У даному випадку період експлуатації ґрунтового теплообмінника дорівнював тридцяти рокам, і період "регенерації" також оцінюється в тридцять років. [Rybach L., Sanner B. Ground-source heat pump systems - the European experience. GeoHeatCenter Bull. 21/1, 2006.]