Weswen

Чистые технологии в каждый дом

Геотермальная энергия

геотермальная энергияВ наше время все более актуальным становится использование энергосберегающих технологий в теплоснабжении зданий и сооружений из-за постоянного истощения запасов ископаемого топлива. Обеспечение теплоснабжения с помощью нетрадиционных источников энергии имеет ряд преимуществ перед традиционным ископаемым топливом. Кроме значительного сокращения затрат энергии на обеспечение жизнедеятельности зданий и сооружений, нетрадиционные энергосберегающие технологии не несут нагрузку на экологическую составляющую, а также имеют высокую степень автономности систем теплоснабжения. Именно жизнеобеспечение зданий в России имеет наиболее перспективную область применения энергосберегающих технологий, которые используют нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Достаточно эффективным направлением является использование геотермальной энергии, под которой подразумевается тепловая энергия, содержащаяся в недрах земли.

Одним из перспективных направлений в теплоснабжении является использование тепловой энергии земли с помощью тепловых насосов. Существует два вида тепловой энергии поверхностных слоев земли – высокопотенциальная и низкопотенциальная. Высокопотенциальная тепловая энергия представляет собой гидротермальные ресурсы, подразумевающие нагретые воды в результате геологических процессов до достаточно высокой температуры. Однако использование данной энергии в теплоснабжении ограничено расположением объекта в определенном геологическом районе. Например, в России данные ресурсы преобладают в районе Кавказских минеральных вод и на Камчатке. А в Европе горячие источники присутствуют в Венгрии, Исландии и Франции.Главным отличием низкопотенциальной тепловой энергии земли от высокопотенциальной является возможность повсеместно ее использовать. Использование низкопотенциальной энергии осуществляется с помощью тепловых насосов. Под тепловым насосом подразумевается устройство для переноса тепловой энергии от источника с низкой температурой к потребителю с более высокой температурой. Принцип работы теплового насоса аналогичный принципу работы холодильной машины. Отличием является то, что холодильная машина производит холод путем отбора теплоты из объема испарителем, а конденсатор производит сброс теплоты в окружающую среду, тогда как в тепловой насос работает наоборот. То есть конденсатор служит для теплообмена, выделения теплоты для потребителя, а утилизация низкопотенциальной энергии осуществляется испарителем.

Низкопотенциальную тепловую энергию земли используют для теплоснабжения, холодоснабжения, а также для подогрева дорожек в зимнее время года, устранение обледенения, подогрева полей на стадионах и т.д.

В Европе тепловые насосы используют в основном для организации теплоснабжения, когда как в США преобладает воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией, поэтому возможно использование тепловых насосов для отопления и холодоснабжения одновременно. Наиболее эффективны тепловые насосы в системах водяного отопления, при этом прокладка труб с теплоносителем предпочтительно на полу. Это объясняется тем, что данный теплоноситель обладает относительно низкой температурой (35-40°С), а эффективность тепловых насосов увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора. Использование тепловых насосов наиболее развито в США, где суммарная мощность оборудования составляет порядка 4 800 МВт. На втором месте по использованию низкопотенциальной энергии находится Швеция (377 МВт), далее Канада (360 МВт). Также значительно преобладают над остальными странами Австралия (228 МВт), Швейцария (300 МВт), Германия (344 МВт). В России организация теплоснабжения и холодоснабжения с помощью источников низкопотенциальной тепловой энергии не настолько развито, как в других странах, но тем не мене были построены некоторые единичные объекты. Суммарная мощность оборудования использующего низкопотенциальную энергию земли в России составляет порядка 1.2 МВт. Кроме тепла грунта поверхностных слоев земли источником низкопотенциальной тепловой энергии для тепловых насосов является также тепло выводимого вентиляционного воздуха, которое удаляется из помещения. При организации горячего водоснабжения, основные элементы которого располагаются в подвале здания и состоят из: парокомпрессионных теплонасосных установок (ТНУ);- специальных систем сбора низкопотенциальной тепловой энергии земли, а также тепла выводимого вентиляционного воздуха; контрольно-измерительной аппаратуры и циркуляционных насосов. В качестве теплообменного элемента систем сбора низкопотенциальной тепловой энергии земли являются коаксиальные грунтовые теплообменники, которые расположены по периметру здания. Данные теплообменники в количестве восьми штук углубляются в грунт на 32-35м посредством бурения скважин. Наличие баков аккумуляторов для горячего водоснабжения обуславливается переменным потреблением горячей воды, когда как тепловые насосы работают постоянно.

Источником низкопотенциальной тепловой энергии кроме грунта поверхностных слоев земли могут быть и подземные воды относительно низкой температуры, но теплосодержание грунта по сравнению с водой в общем случае выше, так как тепловая энергия поверхностных слоев земли подвержена влиянию падающей на поверхность солнечной энергии и радиогенного тепла, исходящего из недр земли. Воздействие солнечной радиации и температуры наружного воздуха не постоянно в зависимости от времени года и суток, поэтому температура верхних слоев земли изменяется под действием данных факторов. В разных районах глубина проникновения суточных колебаний температуры воздуха и солнечной радиации находится в пределах от нескольких сантиметров до полутора метров, а влияние сезонной интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха прекращается на глубине свыше 15-20м. Ниже данной глубины, в так называемой «нейтральной зоне», на температуру слоев грунта влияет только тепловая энергия, исходящая из недр Земли, а она не зависит от сезонных и суточных колебаний температуры воздуха и солнечной радиации.

Тепловой насос Weswen

Тепловой насос связывается с грунтовым массивом через грунтовые теплообменники, которые осуществляют не только извлечение тепла, но и могут накапливать тепло или холод в грунте. Системы использования низкопотенциальной тепловой энергии бывают открытыми и замкнутыми. Источником низкопотенциальной тепловой энергии для открытых систем являются грунтовые воды, которые подводятся непосредственно к тепловым насосам. Источником же замкнутых систем является грунтовой массив, отбор тепла в котором происходит посредством теплообменников за счет разности их температуры и температуры грунтового массива.

Работа открытых систем основывается на парных скважинах, которые позволяют подавать грунтовые воды к тепловому насосу и обратно. Главным достоинством данных систем является то, что при относительно низких затратах можно получить большое количество тепловой энергии. Однако использование данных систем возможно не во всех местностях, а скважины требуют дополнительного обслуживания. Кроме этого есть требования к грунту и грунтовым водам. Грунтовой воды должно быть в достаточном количестве и иметь хороший химический состав. Открытые системы применяются для организации теплоснабжения крупных зданий, а также для реализации холодоснабжения. В США расположена самая большая геотермальная теплонаносная система мощностью 10 МВт, которая используется для организации теплоснабжения и холодоснабжения крупного гостиничного комплекса.

Замкнутые системы бывают горизонтальными и вертикальными.

Особенностью горизонтального теплообменника является то, что он строится недалеко от дома на небольшой глубине и занимает достаточно большую площадь. Глубина расположения теплообменников должна быть ниже промерзания грунта в зимнее время. Горизонтальные теплообменники, соединенные последовательно или параллельно, укладываются достаточно плотно. Для экономии площади теплообменники могут быть в виде спирали, которая располагается горизонтально или вертикально.

При использовании горизонтальных теплообменников только для получения тепла необходимо поступления тепла с поверхности земли в достаточном количестве за счет солнечной радиации. Поэтому поверхность над теплообменниками должна быть подвержена влиянию солнечных лучей.

Вертикальные теплообменники прокладываются ниже «нейтральной зоны» (10-20 м), поэтому не зависят от солнечной энергии и не требуют наличия участков большой площади. Замкнутые системы использования низкопотенциальной тепловой энергии с вертикальными теплообменниками достаточно эффективно работают во всех средах, кроме грунтов с низкой теплопроводностью (сухой песок и гравий). Поэтому данные системы получили очень широкое распространение. Увеличение эффективности теплообменников осуществляется за счет заполнения пространства между стенок скважин и труб специальным теплопроводящим материалом.

Использование систем с вертикальными теплообменниками в тепло- и холодоснабжении эффективно как для небольших зданий, так и для крупных. Так организация теплоснабжения маленького здания требует одного теплообменника, а большого – требует целую группу скважин с вертикальными теплообменниками. Например, самое большое число скважин с вертикальными теплообменниками используется в США штат Нью-Джерси для отопления и холодоснабжения колледжа, и их количество насчитывает 400 штук глубиной 130м. Самое большое число скважин в Европе, используемое для организации отопления и холодоснабжения, построено для центрального офиса Германской службы управления воздушным движением. Там насчитывается 154 скважины глубиной 70м.

Иногда в качестве теплообменников для вертикальных замкнутых систем используют строительные конструкции зданий в виде фундаментных свай с трубопроводами. Строительные конструкции с вертикальными грунтовыми теплообменниками и сам грунтовой массив могут использоваться не только как источник низкопотенциальной энергии, но и как природный аккумулятор тепла, например, солнечной энергии.

Существуют и другие виды систем использования низкопотенциальной энергии Земли, которые объединяют принцип работы открытых и замкнутых систем. Скважины данных систем имеют большую глубину (порядка 100 – 150м) и они заполнены водой. В нижней части скважины монтируется насос, с помощью которого вода поступает к испарителям теплового насоса, после чего она возвращается в верхнюю часть скважины, поэтому скважина постоянно наполняется грунтовыми водами. Иногда такие скважины используют для снабжения здания питьевой водой. Так как скважины имеют большую глубину, требуется достаточно мощный насос, на который затрачивается большое количество энергии. Поэтому данные системы использования низкопотенциальнго тепла не получили большое распространение из-за большой стоимости. Организации теплоснабжения и холодоснабжения более-менее эффективно для крупных административных зданий.

Сегодня дешевым и перспективным направлением использования низкопотенциальной тепловой энергии является применение в качестве источника воды из различных шахт и туннелей, температура которой не изменяется в течение всего года. Кроме этого, доступность данной воды не вызывает проблем.

Таким образом, обеспечение любых зданий теплоснабжением и холодоснабжением с помощью энергосберегающих систем, которые в качестве источника используют низкопотенциальное тепло Земли, происходит с минимальными затратами. Кроме этого, данный источник энергии надежен в эксплуатации и может использоваться в любой местности в течение длительного времени, а после окончания времени использования достаточно легко возобновляется.