Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 221.

Теплоснабжение от земли

В ближайшее время в России одним из перспективных направлений энергообеспечения может стать применение теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ), использующих повсеместно доступный источник тепла - грунт поверхностных слоев земли.

Можно выделить два вида тепловой энергии земли - высокопотенциальную и низкопотенциальную. Источником первой являются гидротермальные ресурсы - т. е. воды, нагретые в результате геологических процессов до высокой температуры. Однако использование высокопотенциального тепла земли ограничено определенными геологическими районами. В России это, например, Камчатка и район Кавказских минеральных вод. В Европе горячие источники есть в Венгрии, Исландии и Франции.

В отличие от гидротермальных ресурсов использование низкопотенциального тепла земли возможно практически повсеместно - посредством тепловых насосов.

Низкопотенциальное тепло земли может использоваться в различных типах зданий и сооружений для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (охлаждения) воздуха, обогрева дорожек в зимнее время года, предотвращения обледенения, подогрева полей на открытых стадионах и т. п.

Тепловые насосы в европейских странах работают в основном в режиме отопления (в США же тепловые насосы чаще используются в системах воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией, что позволяет как подогревать, так и охлаждать наружный воздух). Обычно тепловые насосы применяются в системах водяного отопления. Поскольку эффективность тепловых насосов увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора, часто для отопления зданий используются системы напольного отопления, в которых циркулирует теплоноситель относительно низкой температуры (35-40 C).



Дом с подогревом

За последние десять лет количество систем, использующих для тепло- и холодоснабжения зданий низкопотенциальное тепло земли, значительно увеличилось. Наибольшее число таких систем используется в США. Кроме того, они функционируют в Канаде, Австрии, Германии, Швеции и Швейцарии. В России же построены лишь единичные объекты.

Так, например, в Москве в микрорайоне Никулино-2 впервые была построена теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. Этот проект был реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с правительством Москвы, Минпромнауки России, НП "АВОК" и ОАО "Инсолар-Инвест" в рамках "Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве".

В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов здесь используется тепло грунта поверхностных слоев земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:
- парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ);
- баки-аккумуляторы горячей воды;
- системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;
- циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.

Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 метров каждая, устроенных вблизи дома. Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.



Как земля добывает тепло?

В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться подземные воды с относительно низкой температурой либо грунт поверхностных (глубиной до 400 м) слоев земли. Теплосодержание грунтового массива в общем случае выше. Тепловой режим грунта поверхностных слоев земли формируется под действием двух основных факторов - падающей на поверхность солнечной радиации и потока радиогенного тепла из земных недр. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15 - 20 м.

Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже этой глубины ("нейтральной зоны"), формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата. С увеличением глубины температура грунта возрастает в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3 C на каждые 100 м). Величина потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр, для разных местностей различается. Для Центральной Европы эта величина составляет 0,05-0,12 Вт/м2.



Системы использования тепловой энергии

Грунтовые теплообменники связывают теплонасосное оборудование с грунтовым массивом. Кроме "извлечения" тепла земли, грунтовые теплообменники могут использоваться и для накопления тепла (или холода) в грунтовом массиве. В общем случае можно выделить два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии земли:
- открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;
- замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит "отбор" тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса (или, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой, его охлаждение).

Основная часть открытых систем - скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины.

Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако такие скважины требуют обслуживания. Кроме того, использование этих систем возможно не везде.

Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:
- достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;
- хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отложений на стенках труб и коррозией.

Открытые системы чаще используются для тепло- или холодоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Она расположена в США, в г. Луисвилле, и используется для тепло- и холодоснабжения гостинично-офисного комплекса; ее мощность составляет примерно 10 МВт.

Иногда к системам, использующим тепло земли, относят и системы использования низкопотенциального тепла открытых водоемов, естественных и искусственных.



Замкнутые системы

Замкнутые системы делятся на горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальный грунтовой теплообменник устраивается, как правило, рядом с домом на небольшой глубине (но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время). Использование горизонтальных грунтовых теплообменников ограничено размерами имеющейся площадки.

В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно. Для экономии площади были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально.

Вертикальные грунтовые теплообменники позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже "нейтральной зоны" (10 - 20 м от уровня земли). Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Они эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или гравия.

Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Обычно используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников:

- U-образный, представляющий собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две пары таких труб. Преимуществом такой схемы является относительно низкая стоимость изготовления.

- Коаксиальный (концентрический) теплообменник. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра. Труба меньшего диаметра располагается внутри другой трубы.

Для увеличения эффективности теплообменников пространство между стенками скважины и трубами заполняется специальными теплопроводящими материалами.

Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками могут использоваться для тепло- и холодоснабжения зданий различных размеров. Для небольшого здания достаточно одного теплообменника, для больших зданий может потребоваться устройство целой группы скважин с вертикальными теплообменниками. Самое большое в мире число скважин используется в системе тепло- и холодоснабжения "Richard Stockton College" в США. Вертикальные грунтовые теплообменники этого колледжа располагаются в 400 скважинах глубиной 130 м. В Европе наибольшее число скважин (154 скважины глубиной 70 м) используются в системе тепло- и холодоснабжения центрального офиса Германской службы управления воздушным движением.

Частным случаем вертикальных замкнутых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Грунтовой массив и строительные конструкции с грунтовыми теплообменниками могут использоваться не только как источник, но и как естественный аккумулятор тепловой энергии или "холода", например тепла солнечной радиации.



Другие варианты использования

Существуют системы использования низкопотенциального тепла земли, которые нельзя однозначно отнести к открытым или замкнутым. Например, одна и та же глубокая (глубиной от 100 до 450 м) скважина, заполненная водой, может быть как эксплуатационной, так и нагнетательной. Диаметр скважины обычно составляет 15 см. В нижнюю часть скважины помещается насос, посредством которого вода из скважины подается к испарителям теплового насоса. Обратная вода возвращается в верхнюю часть водяного столба в ту же скважину. Происходит постоянная подпитка скважины грунтовыми водами, и открытая система работает подобно замкнутой.

Одно из перспективных направлений - использование в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии воды из шахт и туннелей. Температура этой воды постоянна в течение всего года. При этом вода из шахт и туннелей легко доступна.

Таким образом, в мире накоплен достаточный опыт, разработано несколько вариантов конструкций систем тепло- и холодоснабжения зданий, использующих низкопотенциальное тепло земли. Эти системы представляют собой надежный источник энергии, который может быть использован в течение достаточно длительного времени и повсеместно - в том числе и в России.

Г. П. ВАСИЛЬЕВ, Н. В. ШИЛКИН

В 222 выпуске: Вариант автономного теплохладоснабжения