Топлоснабдяване от земята

В близко бъдеще една от обещаващите области на енергийното снабдяване в Русия може да бъде използването на системи за топлоснабдяване с термопомпи (TST), използващи повсеместния източник на топлина - почвата на повърхностните слоеве на земята.

Възможно е да се разграничат два вида топлинна енергия на земята - високопотенциална и нископотенциална. Източникът на първата са хидротермалните ресурси - тоест води, загряти до високи температури в резултат на геоложки процеси. Използването на високата потенциална топлина на земята обаче е ограничено до определени геоложки райони. В Русия това е например Камчатка и района на кавказките минерални води. В Европа има горещи извори в Унгария, Исландия и Франция.

За разлика от хидротермалните ресурси, използването на нискокачествена топлина на земята е възможно почти навсякъде - чрез термопомпи.

Нископотенциалната топлина на земята може да се използва в различни видове сгради и конструкции за отопление, водоснабдяване, климатизация (охлаждане), отоплителни пътеки през зимния сезон, предотвратяване на заледяване, отоплителни полета на открити стадиони и др.

Термопомпите в европейските страни работят предимно в режим на отопление (в САЩ термопомпите се използват по-често във въздушни отоплителни системи, комбинирани с вентилация, която позволява както за отопление, така и за охлаждане на външния въздух). Термопомпите обикновено се използват в отоплителни системи с топла вода. Тъй като ефективността на термопомпите се увеличава с намаляването на температурната разлика между изпарителя и кондензатора, често системи за подово отопление се използват за отопление на сгради, в които отоплителна среда циркулира при относително ниска температура (35-40 ° C).

Отопляема къща

През последните десет години броят на системите, които използват нискокачествена земна топлина за отопление и охлаждане на сгради, се е увеличил значително. Най-голям брой такива системи се използват в САЩ. Освен това те работят в Канада, Австрия, Германия, Швеция и Швейцария. В Русия са построени само няколко обекта.

Например в Москва, в микрорайон Никулино-2, за първи път е построена система с термопомпа за водоснабдяване на многоетажна жилищна сграда. Този проект е реализиран през 1998-2002 г. от Министерството на отбраната на Руската федерация съвместно с правителството на Москва, Министерството на промишлеността и науката на Русия, НП "AVOK" и OJSC "Insolar-Invest" в рамките на " Дългосрочна програма за енергоспестяване в Москва ".

Като източник на топлинна енергия с нисък потенциал за изпарителите на термопомпи тук се използва топлината на почвата на повърхностните слоеве на земята, както и топлината на отстранения вентилационен въздух. Пречиствателната станция за топла вода се намира в сутерена на сградата. Той включва следните основни елементи:
- термопомпени агрегати за компресия на пара (HPU);
- резервоари за съхранение на топла вода;
- системи за събиране на нискокачествена топлинна енергия на почвата и нискокачествена топлина на отстранения въздух за вентилация;
- циркулационни помпи, апаратура.

Основният елемент на топлообмен на нискостепенната система за събиране на топлина са вертикалните наземни коаксиални топлообменници, разположени отвън по периметъра на сградата. Тези топлообменници представляват 8 кладенци с дълбочина от 32 до 35 метра, разположени близо до къщата. Тъй като режимът на работа на термопомпите, използващи топлината на земята и топлината на отстранения въздух, е постоянен, а разходът на топла вода е променлив, системата за подаване на топла вода е снабдена с резервоари за съхранение.

Как земята се затопля?

Температурният режим на почвените слоеве, разположени под тази дълбочина ("неутрална зона"), се формира под въздействието на топлинна енергия, идваща от недрата на земята, и практически не зависи от сезонните и още повече ежедневните промени в параметрите на външния климат. С увеличаване на дълбочината температурата на земята се повишава в съответствие с геотермалния градиент (около 3 ° C на всеки 100 m). Мащабът на потока от радиогенна топлина, идваща от земните недра, се различава за различните райони. За Централна Европа тази стойност е 0,05-0,12 W/m2.

Системи за използване на топлинна енергия

Наземните топлообменници свързват оборудването на термопомпата със земната маса. В допълнение към „извличането“ на топлината на земята, земните топлообменници могат да се използват и за акумулиране на топлина (или студ) в земната маса. Като цяло могат да се разграничат два вида системи за използване на нископотенциална топлинна енергия на земята:

- отворени системи: подпочвената вода, подавана директно към термопомпите, се използва като източник на нискокачествена топлинна енергия;
- затворени системи: топлообменниците са разположени в почвената маса; когато охлаждаща течност с температура, понижена спрямо земята, циркулира през тях, топлинната енергия се „взима“ от земята и се прехвърля към изпарителя на термопомпата (или, когато се използва охлаждаща течност с повишена температура спрямо земята, тя се охлажда ).

Основната част от отворените системи са сондажи, които извличат подпочвените води от водоносните хоризонти и връщат водата обратно в същите водоносни хоризонти. Обикновено за това се подреждат сдвоени кладенци.

Предимството на отворените системи е възможността за получаване на голямо количество топлинна енергия при относително ниски разходи. Такива кладенци обаче изискват поддръжка. Освен това използването на тези системи не е възможно навсякъде.

Отворените системи се използват по-често за отопление или охлаждане на големи сгради. Най-голямата в света геотермална термопомпена система използва подземните води като източник на нискокачествена топлинна енергия. Той се намира в САЩ, в Луисвил и се използва за отопление и охлаждане на хотелски и офис комплекс; неговият капацитет е приблизително 10 MW.

Понякога системите, използващи топлината на земята, включват системи за използване на нискокачествена топлина от открити водни тела, естествени и изкуствени.

Затворените системи се делят на хоризонтални и вертикални.

Хоризонтален топлообменник на земята обикновено е инсталиран близо до къщата на малка дълбочина (но под нивото на замръзване на почвата през зимата). Използването на хоризонтални земни топлообменници е ограничено от размера на наличната площадка.

В страните от Западна и Централна Европа хоризонталните наземни топлообменници обикновено са отделни тръби, положени относително плътно и свързани последователно или паралелно. За да се спести място, са разработени подобрени видове топлообменници, като топлообменници под формата на спирала, разположени хоризонтално или вертикално.

Вертикалните наземни топлообменници позволяват използването на нископотенциална топлинна енергия на земната маса, разположена под "неутралната зона" (10 - 20 m от нивото на земята). Системите с вертикални земни топлообменници не изискват големи площи и не зависят от интензивността на слънчевата радиация, падаща на повърхността. Те работят ефективно в почти всички видове геоложки среди, с изключение на почви с ниска топлопроводимост, като сух пясък или чакъл.

Охлаждащата течност циркулира през тръби (най-често полиетилен или полипропилен), поставени във вертикални кладенци с дълбочина от 50 до 200 м. Обикновено се използват два вида вертикални земни топлообменници:

- U-образна, която представлява две успоредни тръби, свързани отдолу. Един кладенец съдържа една или две двойки такива тръби. Предимството на тази схема е относително ниската производствена цена.

- Коаксиален (концентричен) топлообменник. Най-простият коаксиален топлообменник се състои от две тръби с различен диаметър. По-малка тръба се поставя вътре в друга тръба.

За да се увеличи ефективността на топлообменниците, пространството между стените на кладенеца и тръбите се запълва със специални топлопроводими материали.

Системи с вертикални земни топлообменници могат да се използват за отопление и охлаждане на сгради с различни размери. За малка сграда е достатъчен един топлообменник, за големи сгради може да се наложи да се монтира цяла група кладенци с вертикални топлообменници. Най-голям брой кладенци в света се използва в системата за отопление и охлаждане на колежа Ричард Стоктън в САЩ. Вертикалните наземни топлообменници на колежа са разположени в 400 кладенци с дълбочина 130 м. В Европа най-голям брой кладенци (154 кладенци с дълбочина 70 м) се използват в системата за отопление и охлаждане на централния офис на германския контрол на въздушното движение.

Частен случай на вертикални затворени системи е използването на строителни конструкции като земни топлообменници, например фундаментни пилоти с монолитни тръбопроводи. Наземният масив и строителните конструкции със земни топлообменници могат да се използват не само като източник, но и като естествен акумулатор на топлинна енергия или "студ", например топлината на слънчевата радиация.

Други случаи на употреба

Съществуват системи за използване на нискокачествената топлина на земята, които не могат да бъдат категорично класифицирани като отворени или затворени. Например една и съща дълбочина (от 100 до 450 м дълбочина), добре напълнена с вода, може да бъде както производство, така и инжектиране. Диаметърът на кладенеца обикновено е 15 см. В долната част на кладенеца се поставя помпа, чрез която водата от кладенеца се подава към изпарителите на термопомпата. Обратната вода се връща в горната част на водния стълб в същия кладенец. Постоянно се попълва кладенецът с подпочвени води и отворената система работи като затворена.

Една от перспективните области е използването на вода от мини и тунели като източник на нискокачествена топлинна енергия. Температурата на тази вода е постоянна през цялата година. В същото време водата от мини и тунели е лесно достъпна.

По този начин светът е натрупал достатъчно опит, разработени са няколко варианта за проектиране на системи за отопление и охлаждане на сгради, които използват нископотенциална топлина на земята. Тези системи представляват надежден източник на енергия, който може да се използва доста дълго време и навсякъде - включително в Русия.