книги / Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве

или воздуха) и передает его в отопительную систему. При этом происходит охлаждение окружающей среды (т.е. воды, или земли, или воздуха) путем отбора из нее тепловой энергии.

В закрытом контуре теплового насоса происходит поочередное испарение, сжатие, конденсация (сжижение) и расширение рабочего вещества − хладагента, закипающего уже при невысокой температуре. Далее рассмотрим основные элементы теплового насоса.

1.Испаритель. В испарителе находится жидкий хладагент под воздействием низкого давления. Температура хладагента ниже, чем температура источника тепла (основания). Поэтому тепло от источника тепла передается хладагенту, что приводит к его испарению.

2.Компрессор. Газообразный хладагент из конденсатора поступает

вкомпрессор. Там он сжимается за счет высокого давления (последнее создается с использованием компрессора) и при этом настолько сильно нагревается, что температура хладагента после компрессии становится несколько выше температуры, необходимой для отопления и горячего водоснабжения. Кроме того, тепловая энергия привода компрессора тоже преобразуется в тепло, которое также расходуется на подогрев хладагента.

3.Конденсатор. Очень горячий хладагент высокого давления поступает в конденсатор. Там он отдает все свое тепло (т.е. тепло, полученное от источника тепла, и тепло, полученное от привода компрессора) в систему отопления. Это достигается за счет перепада тепловых потенциалов). При этом газообразный хладагент сильно охлаждается и вновь превращается в жидкость.

4.Расширительный клапан. Назначение этого элемента теплового насоса − понижение давления в хладагенте. После прохождения через расширительный клапан хладагент снова возвращается в испаритель. Цикл завершился.

Тепловые насосы имеют различную конструкцию, а следовательно, различные рабочие параметры. Поэтому для оценки эффективности их работы используют такие характеристики, как коэффициент мощности и коэффициент эффективности.

Соотношение между полезной тепловой мощностью теплового насоса, расходуемой на нагрев, и использованной мощностью электропривода компрессора называют коэффициентом мощности. Его обозначают символом ε и определяют с использованием такой эмпирической формулы:

11

где ε − коэффициент мощности теплового насоса; T − абсолютная температура приемника тепла (т.е. обогреваемого помещения), К; T0 − абсо-

лютная температура источника тепла, К; ∆T − разность между температурами приемника и источника; 0,5 − эмпирический коэффициент про-

порциональности.

Коэффициент мощности, достигаемый тепловым насосом, зависит

от разницы температур источника и приемника тепла, а также от температуры приемника тепла. Анализ формулы (1.1) позволяет сде-

лать такие выводы:

1.Чем меньше разность температур источника и приемника тепла

ичем больше температура приемника тепла, тем выше коэффициент мощности ε .

2.Чем меньше разность температур источника и приемника тепла

ичем больше температура источника тепла, тем выше коэффициент мощности ε .

Коэффициент эффективности характеризует эффективность работы отопительного прибора за некоторый период времени. На практике,

как правило, используют годовой коэффициент эффективности (англ.: seasonal performance factor). Этот коэффициент отображает соотношение между полезным теплом, произведенным тепловым насосом в течение одного года, к суммарной электрической работе, затраченной на его функционирование. Его обозначают символом β и рассчитывают

по формуле

где β − годовой коэффициент эффективности; Qwp − количество теплоты, отданное тепловым насосом в течение одного года, кВт·ч; Wel −

количество электрической энергии, потребленное тепловым насосом втечение одного года, кВт·ч.

1.3. Общие принципы использования тепловой энергии грунта

На определенной глубине температура грунта остается в большей степени постоянной в течение всего года, что позволяет использовать его в качестве источника тепла зимой и охлаждения летом.

12

В большинстве регионов Европы сезонные температуры грунта остаются относительно постоянными на глубине ниже 10–20 м. На рис. 1.2 показано годовое распределение температуры грунта для стран Центральной Европы до глубины 20 м. На глубине от 1,2 до 1,5 м температура меняется в диапазоне от 7 до 13 °C, на глубине от 18 м круглогодично остается на уровне около 10 °C. Далее, как правило, температура грунта повышается на 2–3 °C с каждыми 100 м глубины.

Рис. 1.2. Годовое изменение сезонной температуры по глубине грунта в странах Центральной Европы: 1 – 1 февраля, 2 – 1 мая,

3 – 1 ноября, 4 – 1 августа

В Пермском регионе температуры грунта постоянны начиная с глубины 6–8 м.

Анализ исследований показывает, что тепловой режим грунта поверхностных слоев земли формируется под действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и потоком радиогенного тепла из земных недр. Кроме этого, на температурный режим верхних слоев грунта оказывает влияние влага атмосферных осадков, а также грунтовые воды (рис. 1.3).

Принципиальная схема работы системы отопления с низкопотенциальной энергией грунта представлена на рис. 1.4.

13

Рис. 1.3. Факторы, под воздействием которых формируется температурный режим грунта

Рис. 1.4. Принципиальная схема работы системы отопления с использованием низкопотенциальной энергии земли: 1 – теплоообменники для сбора низкопотенциального тепла грунта; 2 – тепловой насос; 3 – система отопления здания

14

Естественная температура грунта поглощается теплоносителем первичного контура энергосистемы, состоящей из грунтовых теплообменников (абсорбционных труб). Первичный контур соединяется через тепловой насос со вторичным контуром, находящимся в здании. Вторичный контур представляет собой замкнутую систему отопления или охлаждения здания, состоящую из сети трубопроводов, заполненных жидкостью-теплоносителем.

1.4. Существующие технологии отбора низкопотенциальной энергии грунта

Грунтовые теплообменники связывают теплонасосное оборудование с грунтовым массивом. Кроме «извлечения» тепла земли, грунтовые теплообменники могут использоваться и для накопления тепла (или холода) вгрунтовом массиве. В общем случае можно выделить два вида систем использования низкопотенциальной тепловойэнергиигрунта:

1)открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;

2)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. Схема такой системы приведена на рис. 1.5.

Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам следующие:

– 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.

15

Рис. 1.5. Схема открытой системы использования низкопотенциальной тепловой энергии грунтовых вод

Открытые системы чаще используются для теплоснабжения крупных зданий.

Замкнутые системы, в свою очередь, делятся на горизонтальные

и вертикальные.

Горизонтальный грунтовой теплообменник (в англоязычной литера-

туре используются также термины «ground heat collector» и «horizontal loop») 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 (рис. 1.6, а, б). Для экономии площади участка были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально (рис. 1.6, д, е). Такая форма теплообменников распространена в США.

16

PNRPU

Рис. 1.6. Виды горизонтальных грунтовых теплообменников: а – теплообменник из последовательно соединенных труб; б – теплообменник из параллельно соединенных труб; в – горизонтальный коллектор, уложенный в траншее; г – теплообменник в форме петли; д – теплообменник в форме спирали, расположенной горизонтально (так называемый коллектор «slinky»); е – тепло-

обменник в форме спирали, расположенной вертикально

Если система с горизонтальными теплообменниками используется только для получения тепла, ее нормальное функционирование возможно только при условии достаточных теплопоступлений с поверхности земли за счет солнечной радиации. По этой причине поверхность выше теплообменников должна быть подвержена воздействию солнечных лучей.

Вертикальные грунтовые теплообменники (в англоязычной литературе принято обозначение BHE – borehole heat exchanger) 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. Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или сухого гравия. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками получили очень широкое распространение.

17

Схема отопления одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником приведена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Схема отопления одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником

Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Обычно используются два типа вертикальных грунтовых теплообменников (рис. 1.8):

1. U-образный теплообменник, представляющий собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две (реже три) пары таких труб. Преимуществом такой схемы является относительно низкая стоимость изготовления. Двойные U-образные теплообменники – наиболее широко используемый в Европе тип вертикальных грунтовых теплообменников.

18

2. Коаксиальный (концентрический) теплообменник. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра. Труба меньшего диаметра располагается внутри другой трубы. Коаксиальные теплообменники могут быть и более сложных конфигураций.

Рис. 1.8. Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников: а, б – U-образные теплообменники (б – двойной); в, г – коаксиальные теплообменники (в – простой, г – сложные)

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

Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками могут использоваться для теплоснабжения зданий различных размеров. Для небольшого здания достаточно одного теплообменника, для больших зданий может потребоваться устройство целой группы скважин с вертикальными теплообменниками.

Существуют системы использования низкопотенциального тепла грунта, которые нельзя однозначно отнести к открытым или замкнутым. Например, одна и та же глубокая (глубиной от 100 до 450 м) скважина,

19

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. Системы такого типа в англоязычной литературе носят название «standing column well system» (рис. 1.9).

Частным случаем вертикальных замкнутых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например свай фундаментов с замоноличенными трубопроводами. Сечение такой сваи с тремя контурами грунтового теплообменника приведено на рис. 1.10. В качестве энергоэффективных конструкций фундаментов могут также использоваться фундаментные плиты, «стены в грунте», диафрагмы, анкеры, стены подземных этажей и другие конструкции, контактирующие с грунтом. Существуют примеры использования стен (оболочки) метрополитенов в качестве энергоэффективных подземных элементов.

20