Shipika H.S., master (DonNTU), Zavialova H.L. Ph.D docent (DonNTU)
Improving the technology of geothermal energy for heating utility projects
Предложен способ использования геотермальной энергии для теплоснабжения коммунальных объектов в условиях Донбасса, в котором за счет размещения грунтового коллектора внутри слоя смеси, теплопроводность которой выше, чем теплопроводность грунта, обеспечивается увеличение коэффициента теплопроводности вмещающей коллектор среды, что позволяет увеличить эффективность передачи тепла теплоносителю, в результате чего произойдет сокращение капитальных затрат на реализацию способа из-за уменьшения протяженности трубопровода и объема вынимаемой почвы.
Ключевые слова: теплоноситель, геотермальная энергия, грунтовой коллектор,
теплопроводность.
Введение. Зависимость украинской экономики от импортных энергоресурсов заставляет искать все новые пути снижения затрат на отопление зимой и кондиционирование летом. В этой связи значительный интерес представляет инновационная технология, основанная на использовании так называемых тепловых насосов. Данная технология привлекательна хотя бы с той точки зрения, что для выработки одного и того же количества тепла тепловой насос потребляет в 2,5...4,5 электрической энергии меньше чем любой другой электрический нагревательный прибор.
Привлекательным является также тот факт, что в данный момент в Украине имеет место некоторый избыток электрической энергии. Кроме того, использование тепловых насосов для отопления и кондиционирования преимущественно в ночное время позволит существенно разгрузить электрические сети и еще сильнее снизить затраты на отопление (в Украине "ночной" тариф электрической энергии значительно ниже "дневного").
Цели и задачи: совершенствование технологии использования геотермальной энергии для теплоснабжения коммунальных объектов путем увеличения коэффициента теплопроводности среды, вмещающей грунтовой коллектор теплового насоса.
Изложения материала. Для Донбасса, в котором отсутствуют неглубоко расположенные высокопотенциальные термальные ресурсы, перспективным является использование низкопотенциальной геотермальной энергии с помощью теплового насоса, принцип действия которого заключается в том, что для обогрева некоторого объема здания из гораздо большего объема основания забирается низкопотенциальное тепло посредством грунтового коллектора, в котором циркулирует рассол (рис.1) . Теплоноситель (рассол) передает тепло недр хладагенту в тепловой машине, затем хладагент нагревается в процессе его сжатия и фазового перехода (т.е. конденсации) в тепловой машине, теплота хладагента передается в помещение.
Основная проблема использования тепловых насосов в качестве отопительного прибора и (или) устройства для кондиционирования воздуха - необходимость выполнения больших объемов земляных работ для прокладки грунтовых коллекторов и как следствие - относительная дороговизна указанной отопительной системы.
Горизонтальный грунтовой коллектор подходит особенно для домов с достаточно большой площадью участка земли. Его нельзя застраивать (например, гараж или терраса), поверхность над земляным коллектором нельзя закупоривать (например, покрывать тротуарной плиткой ). Кроме того, передача тепла недр теплоносителю, циркулирующем в трубах, зависит от коэффициента теплопроводности грунта, который в свою очередь зависит от его свойств: чем выше влажность, тем он выше. Это обстоятельство в засушливых регионах или при гидроизолирующих свойствах почвы может привести к снижению эффективности работы системы теплоснабжения.
|
Рис. 1. Использование горизонтального коллектора для обогрева (схема): 1 – обогреваемое здание; 2 – тепловая машина; 3 – горизонтальный коллектор; 4 – обогревательный прибор (испаритель). |
Так анализ температурного режима на дневной поверхности и в глубине грунтовой толщи показал, что минимальная глубина закладки коллектора в г. Донецке составляет (Н, м) 1,4 м (граница промерзания грунта находится на глубине 1,2 м), а оптимальная глубина закладки - 3,2 м. На этой глубине температура принимает строго положительные значения, амплитуда среднегодовых колебаний температур меньше, чем на глубине 1,4 м и составляет от 8оС в марте до 18 оС в августе. Вмещающие породы на глубине Н = 3,2 м представлены песчаником со средним коэффициентом теплопроводности λвп = 3,4 Вт / (м град), их температура на глубине 3,2 м составляет 12,5 оС, среднегодовая температура на поверхности составляет 10,1 оС .
Разница температур на входе и выходе коллектора ΔT, которая необходима для определения общего количества полученного тепла, в расчетах для грунтовых коллекторов обычно принимается равной 3 °С. Удельный теплосъем такого коллектора определяли по формуле:
, Вт / м.
для песчаника - q = 10,2 Вт / м.
Теплопотребность коттеджа площадью 120 ... 240 м2 (в зависимости от теплоизоляции) - 12 кВт , температура воды в системе отопления должна быть 35 °С; минимальная температура теплоносителя - 7 ° С. Для обогрева здания может быть использован тепловой насос WPS 140-l (Buderus) мощностью 14,5 кВт (ближайший больший типоразмер), расходуемой на нагрев фреона 3,22 кВт. Тепловая мощность , получаемая от низкопотенциального источника (грунт) (Qo, кВт) рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса (Qwp, кВт) и электрической мощности, расходуемой на нагрев фреона (Р, кВт):
Qo = Qwp - P , кВт .
Суммарную длину труб коллектора (L, м) и общую площадь участка размещения (A, м2) рассчитывали по формулам :
L = Qo / q , ( м) ;
A = L • da , (м2) ,
где q - удельный (с 1 м трубы ) теплосъем; da - расстояние между трубами (шаг укладки - не менее 0,7 ... 0,8 м).
Таким образом, при использовании известного способа использования геотермальной энергии для теплоснабжения коттеджа площадью 120...140 м2 необходимая тепловая мощность коллектора составит:
Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 кВт;
суммарная длина труб -
L = Qo / q = 11,28 / 0,0102 = 1106 м.
При шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка равна :
А = 1110 0,75 = 833 м2.
Схема расположения труб в таком коллекторе может составлять 10 колен длиной по 111м.
Результаты исследований. Учеными Донецкого национального технического университета предложен способ извлечения тепла недр, позволяющий за счет увеличения коэффициента теплопроводности вмещающего коллектор грунта интенсифицировать процесс теплосъема, а, следовательно, уменьшить длину грунтового коллектора и площадь участка им занимаемого.
Укладку труб грунтового коллектора при этом осуществляют внутрь слоя смеси, теплопроводность которой выше, чем теплопроводность почвы, и толщина слоя которой составляет 3-5 диаметров трубы грунтового коллектора (рис. 2).
|
Рис. 2. Предлагаемый способ использования горизонтального коллектора для обогрева (схема): 1 – обогреваемое здание; 2 – тепловая машина; 3 – горизонтальный коллектор; 4 – обогревательный прибор (испаритель); 5 – слой теплопроводной смеси. |
В качестве теплопроводной смеси была выбрана глино-графитовая смесь с содержанием графита 50 % вес. из-за своих исключительных теплопроводных свойств и относительной низкой стоимости (табл. 1).
Таблица 1 - Зависимость коэффициента теплопроводности глино-графитный смеси от процентного содержания графита
Содержание графита в смеси, Сгр ,% вес. |
Коеффициент теплопроводности смеси, |
Увеличение коеффициента теплопроводности смеси, |
||
сухой |
влажной |
сухой |
влажной |
|
0 |
4,87 |
6,18 |
0 |
0 |
5 |
5,1 |
6,7 |
4,72 |
8,4 |
10 |
5,7 |
7,25 |
17,0 |
17,3 |
15 |
6,69 |
7,66 |
37,4 |
23,9 |
20 |
7,69 |
8,41 |
57,9 |
36,08 |
50 |
10,17 |
15,89 |
108,83 |
157,12 |
75 |
11,9 |
12,57 |
144,35 |
103,40 |
100 |
15,57 |
13,68 |
219,71 |
121,36 |
При этом удельный теплосъем такого коллектора составит :
q = 10,17 • 3 = 30,5 Вт / м;
суммарная длина труб -
L = Qo / q = 11,28 / 0,0305 = 370 м.
Для организации такого коллектора достаточно 4 колена длиной по 100 м. При шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка равна :
А = 400 0,75 = 300 м2.
Таким образом, при реализации предлагаемого способа необходимая длина трубопровода уменьшилась в 2,8 раза, а, следовательно, в 2,8 раза уменьшился и объем капитальных затрат.
Заключение
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает совершенствование технологии использования геотермальной энергии для теплоснабжения коммунальных объектов, в котором за счет размещения грунтового коллектора внутри слоя смеси, теплопроводность которой выше, чем теплопроводность грунта, обеспечивается увеличение коэффициента теплопроводности вмещающей коллектор среды, что позволяет увеличить эффективность передачи тепла теплоносителю, в результате чего произойдет сокращение капитальных затрат на реализацию способа из-за уменьшения протяженности трубопровода и объема вынимаемой почвы.
Список литературы:
1. Шаповал В.Г., Моркляник Б.В. Основания и фундаменты теплових насосов.- Львов: Сполом. – 2009. – 64с. 10-13 с.
2. Шипика А.С., Скринецкая И.В., Завьялова Е.Л. «Повышение эффективности использования теплопроводящих анкеров», «Комплексне використанння природних ресурсів»: V регіонал. конф., 6 грудня 2012 р.: зб. доповідей студентів та аспірантів. – Донецьк: ДонНТУ, 2012. - С.23-28.
3. Шипика А.С., Скринецкая И.В., Завьялова Е.Л., «Совершенствование технологии извлечения тепла недр в условиях Донбасса», IX международный научный форум-конкурс молодых ученых, «Проблемы недропользования». 23-25 апреля 2014года. Сборник научных трудов «Проблемы недропользования», Санкт-Петербург, 2014.
4. Патент на винахід №102020 Україна МПК E21D 21/00, E21D/00. «Спосіб анкерного кріплення виробки» Костенко В.К. . Зав'ялова О.Л., Салехирадж С. Шипика О.С., заявники і власники ДонНТУ. – № а 2011 12723; заявк.. 31.10.2011; публ., 27.05.2013 бюл. № 10.