Влияние установки и использования геотермальных теплонасосов на состояние грунтов

Введение. Использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ) мировое человеческое сообщество расценивает как один из наиболее перспективных путей решения растущих проблем энергообеспечения. Наличие неистощимой ресурсной базы и экологическая чистота НВИЭ считаются определяющими их преимуществами в условиях исчерпания органических энергоресурсов и возрастающих темпов загрязнения среды вокруг нас [1, 2, 11].
НВИЭ стали в последнее время одним из наиболее определяющих критериев стойкого развития мирового сообщества. Осуществляется поиск новых и улучшение существующих технологий, вывод их к экономически и энергетически эффективному уровню и расширение сфер их применения. Ключевыми причинами такого интереса является ожидаемое исчерпание запасов органического топлива, резкий рост их стоимости, несовершенство и невысокая эффективность технологий их применения, вредоносной влияние на окружающую среду, результаты которого все более и более беспокоят человечество.
Альтернативная энергетика считается одним из базисных направлений развития технологий в мире, на ряду с информационными и нанотехнологиями она становится необходимой составляющей нового постиндустриального технологического уклада. На сейчас удельная часть НВИЭ в производстве энергии в мире еще не является значительной (около 14%), но их потенциал на несколько порядков больше, чем уровень мирового потребления топливно-энергетических ресурсов. Темпы роста объемов выработки энергии за счет НВИЭ также значительно превышают аналогичные для традиционных видов энергии. Так, в ближайшие 10 лет прогнозируется ежегодный рост мирового производства электроэнергии традиционной электроэнергетикой порядком – 2,8%, а электроэнергии НВИЭ – 9,2% [4, 10].
В России существует значительный потенциал развития НВИЭ, который многократно выше прогнозируемих уровней потребления тепловой энергии всеми секторами экономики страны.
С иной стороны, трудности и проблемы эффективности использования традиционных источников энергии в России стоят еще острее, чем в мире или странах ЕС. Подосновой этого считают устаревшие технологии, исчерпания ресурса использования основных фондов генерации электричества и теплоты, совместно с невысокой эффективностью применения и использования топлива приводит к значительным объемам вредных выбросов. Также имеют место существенные и значимые потери при транспортировке, распределении и использовании.
С целью сокращения вредного воздействия человека на окружающую его среду нужно внедрять энергоэффективные технологии и гарантировать широкое применение НВИЭ с внедрениием теплонасосной технологии. На сегодня тепловые насосы (ТН), без сомнения, считаются наиболее многообещающими среди источников нетрадиционной энергетики с целью решения проблем энергосбережения, благодаря создарющейся при их использовании возможности «брать и использовать» возобновляемую энергию из окружающей среды. Внедрение теплогенерирующих источников на базе теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения в сферах, где это рационально и конкурентоспособно, позволит комплексно решить энергетические, экономические, экологические и социальные проблемы, актуальные для России.
Так, геотермальная энергетика является многообещающим источником энергии для нашей страны. Грунт является наиболее универсальным источником низкопотенциальной теплоты, который на глубине 5 м держит в течение всего года постоянную температуру на уровне 8-12 ° С, обеспечивая, таким образом, эффективную работу ТН [3, 5, 6]. Для извлечения теплоты из почвы и использования его как внешнего источника теплоты для теплонасосных установок теплоснабжения применяются вертикальные и горизонтальные грунтовые теплообменники. Самая большая энергоэффективность геотермальных теплонасосных систем (ГТС) достигается при работе с водяными низкотемпературными системами отопления (30 ... 50 ° С): напольное или настенное отопления. Таким образом, в настоящее время широкую популярность приобретает сочетание низкотемпературного отопления с современной энергосберегающей технологии генерирования тепла – теплового насоса.
Основная часть. На текущий момент развития науки разработано несколько разработанных методик расчета вертикальных грунтовых теплообменников [7], однако ни одна из них не учитывает оптимальные условия функционирования теплового насоса с использованием внешнего грунтового теплообменного контура.
Тепловой насос – это инженерный прибор, который работает используя принцип обратной холодильной машины, суть которого состоит в передаче тепла от низкотемпературного источника к высокотемпературной среде, например системе отопления здания.
Принцип работы трансформатора теплоты – теплового насоса похож на принцип работы обычного бытового холодильника, только в обратном порядке [6]. Бытовой холодильник отбирает тепло из холодильной камеры и переносит его наружу. Тепловой насос же в свою очередь переносит тепло, накопленное в почве, водоеме, подземных водах или воздухе, в отапливаемое или охлаждаемое помещение. Как и холодильник, этот энергоэффективный тепловой насос имеет следующие основные элементы:
- теплообменник-конденсатор (это теплообменник, в котором имеют место процессы передачи тепла от рабочего тела – хладагента к инженерному оборудованию системы отопления здания: низкотемпературных радиаторов, фанкойлов, контуру теплого пола);
- дросселирующие устройство (это узел теплового насоса, который необходим для снижения давления и температуры, результатом работы которого является замыкание теплофикационного цикла в тепловом насосе);
- теплообменник-испаритель (теплообменник, в котором происходит отбор тепла от источника низкотемпературного потенциала к внешнему циркуляционному контуру теплового насоса);
- компрессор (это конструктивная деталь – устройство, которая повышает давление и температуру паров исправившегося хладагента).
Принципиальная энергетическая схема устройства теплового насоса с указанием направленности движения рабочего агента с целью работы в системам отопления и искуственного охлаждения (кондиционирования) здания приведена на рис

. 1. Наружный теплообменник (внешниий теплообменный контур) расположен у источников низкопотенциального тепла, внутренний – в помещении, которое нужно нагревать зимой и соответственно охлаждать летом.
Тепловой насос обустроен и сконструирован таким образом, чтобы заставить тепло двигаться в обратном направлении. Имеется ввиду, что для нагрева внутренних помещений здания, тепло отбирается от какого-либо холодного внешнего источника (земли, реки, озера, наружного воздуха) и передается в здание [2, 9].
Рисунок 1 – Принципиальная схема теплового насоса:
1 – внешний теплообменный контур; 2 – направление движения хладагента при работе в режиме охлаждения помещения; 3 – направление движения хладагента при работе в режиме отоплении помещения; 4 – четырехходовой регулирующий клапан; 5 – внутренний теплообменник; 6 – регулирующий вентиль; 7 – компрессор.
C целью реализации охлаждения (кондиционирования) здания или строения необходимо отобрать от более нагретого воздуха в помещении и перености наружу.
На сегодняшний день наиболее распространенными являются тепловые насосы работающие по парокомпрессионному термодинамическому циклу. В основе принципа их работы по данному циклу лежат два явления: во-первых, поглощение и выделение тепла жидкостью при смене агрегатного состояния – испарение и конденсация, соответственно; во-вторых, изменение температуры испарения (и конденсации) при изменении давления в циркуляционном контуре.
В испарителе теплового насоса рабочим телом называется хладагент, не имеющий в своём составе хлора, он находится под низким давлением и кипит при невысокой температуре, поглощая тепло низкопотенциального источника. Далее, согласно циклу хладагент сжимается в компрессоре, который приводится в движение с помощью электрического или другого двигателя, и попадает в конденсатор, где при высоком давлении конденсируется при более высокой температуре, отдавая тепло конденсации приемнику тепла, например, теплоносителю системы отопления или холодоносителю в системе кондиционирования [2, 3].
После теплообменника-конденсатора рабочее тело (хладагент) через дросселирующие устройство опять попадает в испаритель, где его давление снижается, и процесс кипения хладагента повторяется.
Тепловой насос способен отбирать тепло от нескольких источников, к примеру, воздух, вода или почва (грунт). Точно по такому же циклу он имеет возможность скидывать тепло в воздух, воду или землю. В зависимости от типа источника и приемника тепла, испаритель и конденсатор могут быть выполнены как теплообменники типа «воздух-жидкость», так и «жидкость-жидкость».
Регулировка работы системы отопления с установленными тепловыми насосов в большинстве случаев осуществляется с помощью его включения и выключения по сигналу датчика температуры, установленного в диктующем помещении (при нагревании) или же на источнике (при охлаждении) тепла. Настройка теплового насоса обычно осуществляется изменением переменного сечения дросселя (терморегулирующего вентиля).
Как и холодильная машина, тепловой насос использует механическую (электрическую или же другую) энергию для реализации качественного протекания термодинамического цикла. Данная энергия нужна и используется для приведения в действие привода компрессора (современные тепловые насосы мощностью до 100 кВт комплектуются высокоэффективными скролл компрессорами). Коэффициент преобразования (коэффициент трансформации или эффективности) теплового насоса – это соотношение количества тепловой энергии, которую вырабатывает тепловой насос к количеству электрической энергии, которую она потребляет.
Коэффициент преобразования напрямую зависит от перепада температур в испарителе и конденсаторе теплового насоса. Это значение колеблется для различных теплонасосных систем в диапазоне от 2,5 до 7. Данный коэффициент показывает, на 1 кВт потраченной электроэнергии тепловой насос производит от 2,5 до 7 кВт тепловой энергии, что не под силу выработать ни конденсационному газовому котлу, ни любому другому генератору тепла. В следствие этого можно утверждать, что парокомпрессионные тепловые насосы производят тепло, при этом затрачивая минимальное количество дорогостоящей электрической энергии. Температурный уровень возможной работы системы теплоснабжения от тепловых насосов – 35-60 ° С. Экономия дорогих энергетических ресурсов при таком температурном режиме работы достигает порядка 75%.
По виду теплоносителя во входном (почвенный контур, наружный воздух, водное источник и др.) и выходном (система отопления, горячее водоснабжение, охлаждение) контурах тепловые насосы делятся на шесть видов или типов: грунт-вода, вода-вода, воздух-вода, почву-воздух, вода-воздух, воздух-воздух [7].
Почва - это наиболее универсальный источник низкопотенциального рассеянного тепла. Она аккумулирует попадающую на нее солнечную энергию и круглый год в непрерывном режиме подогревается от земного ядра и самое главное способна ее отдавать независимо от погодных условий на поверхности (конечно же с использованием теплонасосных технологий). Согласно исследованиям, на глубине 5-7 м температура практически постоянна в течение всего года. Для большей территории Российской Федерации она составляет 8-12 ° С, что вполне достаточно для обустройства высокоэффективной системы отопления и охлаждения