Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0115

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0115
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Открытое акционерное общество "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ"
Название доклада
Разработка "активных", с управляемым теплосъемом/теплоотдачей, термоскважин для геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения
Докладчик
Горнов Виктор Федорович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание «активных» термоскважин с повышенной эффективностью извлечения низкопотенциального тепла грунта и замещение импорта аналогичных устройств высоконадёжным оборудованием отечественного изготовления. Обеспечение возможности управления интенсивностью процессов теплообмена между грунтом и термоскважиной, в том числе для покрытия пиковых нагрузок на геотермальную теплонасосную систему.
Актуальность и новизна исследования
Проблема расширения применения теплонасосных систем актуальна и относится к разряду приоритетных проблем как для экономики России, так и для мировой экономики. Последние зарубежные исследования свидетельствуют, что тепловые насосы становятся основным решением для систем отопления зданий, причём чем севернее страна, тем более актуальным становится их применение. В Европе геотермальные теплонасосные системы рассматриваются в качестве базового решения для зданий будущего - зданий с почти нулевым энергопотреблением (EPBD-2010/31/ЕС: все здания Евросоюза, подлежащие реконструкции, с 01.01.2019 г., а все вновь строящиеся дома с 01.01.2021 г. должны обеспечивать почти нулевое потребление энергии). «Энергетическая стратегия России» определяет применение тепловых насосов в качестве приоритетного направления научно-технического прогресса по направлению «Теплоснабжение».
Геотермальные теплонасосные системы сегодня – это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования возобновляемых источников энергии. Важным элементом этих систем являются термоскважины, обеспечивающие извлечение тепловой энергии из грунта и фактически определяющие эффективность системы в целом. Исследования по повышению их эффективности сегодня ведутся во всем мире.
Проведённые на первом этапе выполнения работ аналитические исследования показали, что проблема повышения удельного теплосъёма/теплосброса грунтовых теплообменников в настоящее время является одной из важнейших для дальнейшего развития технологии использования геотермальных теплонасосных систем, в связи с чем активно ведутся работы по оптимизации и совершенствованию существующих, а также по разработке новых конструкций термоскважин.
Описание исследования

Исследовались возможности повышения интенсивности теплообмена в грунте, в том числе за счёт воздействия на его влажностный режим.

Для оценки влияния различных факторов на эффективность процессов теплообмена в грунте были проведены численные эксперименты. Исследовались следующие факторы влияния: 

1. Конструктивные особенности термоскважин;

2. Взаимное тепловое влияние термоскважин для разных значений расстояния между ними;

3. Изменение влажности грунта;

Все факторы влияния исследовались для обоих возможных режимов эксплуатации термоскважин - режима извлечения и режима сброса тепловой энергии в грунт.

По пункту 1 были рассмотрены конструкции термоскважин, получившие наибольшее распространение. Описание конструкций и их основные геометрические параметры, использованные в расчётах, приведены ниже

  • коаксиальная конструкция, полиэтиленовая наружная труба Дн=160 мм;
  • коаксиальная конструкция, стальная наружная труба Дн=159 мм;
  • одинарная U-образная конструкция, полиэтиленовая труба Дн=32 мм;
  • двойная U-образная конструкция, полиэтиленовая труба Дн=32 мм.

Рисунок 1. Исследуемые конструкции термоскважин

Для проведения исследования взаимного теплового влияния термоскважин в пределах скважииного поля рассматривалось размещение термоскважин в узлах прямоугольной сетки с с шагом 6, 8 и 10 м в обоих направлениях. Пример расчётной картины размещения термоскважин в пределах скважинного поля и распределение температур показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Распределение температур в поле термоскважин в режиме топлоотдачи. Шаг 6 м.

Для проведения исследования по влиянию изменения влажности грунта имелись следующие предпосылки. Движение влаги является основным фактором, влияющим на теплообмен между землёй и теплообменником. Когда тепло извлекают из земли, то влага в порах грунта движется к теплообменнику, улучшая тем самым теплообмен между трубопроводом и окружающим грунтом. При работе в режиме сброса тепла в грунт происходит отток поровой влаги, замедляя при этом перенос тепла. В ходе численного моделирования рассматривалось изменение величины удельного теплосъёма/теплоотвода при увеличении влажности грунта с 5% до 20%.

В ходе проведения аналитического обзора было выявлено, что на эффективность работы U-образных грунтовых теплообменников оказывает влияние также и расстояние между трубками теплообменника. Поскольку наиболее распрастранённым вариантом исполнения термоскважин является двойная U-образная конструкция, для неё были проведены дополнительные исследования по определению влияния изменения расстояния между трубками на интенсивность извлечения и сброса тепловой энергии в грунтРасчётные схемы термоскважин показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Исследуемые конструкции двойных U-образных термоскважин.

Численные эксперименты по оценке влияния различных факторов на эффективность процессов теплообмена в грунте проводились на моделях и программном обеспечении, разработанном и принадлежащем ГК «ИНСОЛАР».

Результаты исследования

В результате проведённых исследований было выявлено, что все рассморненные факторы влияния оказывают воздействие на эффективность работы термоскважин. При этом наиболее существенным оказалось влияние изменения влажности грунта, контактирующего с термоскважиной. Данные, полученные в результате проведения численных экспериментов для режима извлечения тепла из грунта и сброса тепла в грунт представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.

 Таблица 1. Изменение интенсивности удельного теплосъёма при различной влажности для разных конструкций термоскважин.

Конструкция

термоскважины

Удельный теплосъём, Вт/м

Влажность грунта 5%

Влажность грунта 20%

Прирост,%

Коаксиальная ПЭ

8,655

17,53

102,5

Коаксиальная стальная

9,068

19,32

113,1

Одиночная U-образная

7,52

15,45

105,5

Двойная U-образная

8,238

17,19

108,7

Таблица 2.Изменение интенсивности удельной теплоотдачи при различной влажности для разных конструкций термоскважин.

Конструкция

термоскважины

Удельная теплоотдача, Вт/м

Влажность грунта 5%

Влажность грунта 20%

Прирост,%

Коаксиальная ПЭ

18,13

36,2

99,7

Коаксиальная стальная

18,99

39,79

109,5

Одиночная U-образная

15,49

30,81

98,9

Двойная U-образная

17,17

35,18

104,9

 

И в случае извлечения (при эксплуатации системы теплосбора в низкотеплопроводных и нетеплоёмких грунтах), и, особенно, в случае сброса тепла в грунт полезным оказывается поддерживать прилегающие к термоскважине слои грунта увлажнёнными. В связи с этим в качестве технического решения по повышению эффективности процессов теплообмена в грунте предлагается решение по оснащению грунтовых теплообменников устройством для увлажнения прилегающего к нему массива грунта. 

Расчёты по оценке влияния увеличения расстояния между трубками U-образного теплообменника дали следующие результаты, представленные в таблице 3.

Таблица 3. Изменение эффективности U –образных грунтовых теплообменников.

Режим

Влажность грунта, %

Удельная тепловая характеристика, Вт/м

Прирост,%

60 мм

106 мм

Теплосъём

5

7,541

8,201

8,75

20

15,72

17,12

8,91

Теплоотдача

5

15,67

17,09

9,06

20

32,06

35,02

9,23

Как видно из приведённых данных, увеличение расстояния между трубками U-образного теплообменника с 60 мм до 106 мм приводит к увеличению эффективности термоскважины примерно на 9% в обоих режимах работы.

В соответствии с выводами, полученными в результате проведённых численных экспериментов, была разработана конструкция «активной» термоскважины, которая предусматривает реализацию обоих выявленных путей повышения эффективности – увеличения расстояния между трубками и увлажнения прилегающего грунтового массива. Общий вид "активной" термоскважины показан на рисунке 4.

Рисунок 4. «Активная» термоскважина для геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения.

Увлажнение грунтового массива, окружающего термоскважину, организуется путём подачи воды в грунт с через трубу-спутник, укладываемую в термоскважину вместе с грунтовым теплообменником. Труба-спутник перфорируется через определённые промежутки длины с шагом, зависящим от фильтрационной способности грунтов. Управляемая подача воды в устройство увлажнения позволяет согласовывать между собой нагрузку на теплонасосную систему и величину теплосъёма/теплоотвода системы сбора тепла грунта

Для увеличения расстояния между трубками применены проставки, которые одновременно выполняют функцию разведения трубок на требуемое расстояние и их фиксации вместе с трубой-спутником для увлажнения в единый пучок.

Практическая значимость исследования
В результате проведённого численного моделирования выявлено, что изменение влажности грунта в значительной степени влияет на теплотехнические параметры грунтовых теплообменников. Расчёты показали, что изменение влажности грунта, представленного глинами и суглинками и находящегося в талом состоянии, от 5 % до 20 % повышает интенсивность теплообмена между грунтом и термоскважиной как в режиме извлечения тепловой энергии из грунта, так и в режиме сброса тепла в грунт практически вдвое.
Увеличение расстояния между трубками наиболее распространённой U-образной конструкции термоскважины приводит к увеличению эффективности примерно на 9% как в режиме сброса тепла в грунт, так и в режиме его извлечения.
Комбинация двух рассмотренных вариантов повышения эффективности термоскважин согласно расчётам позволяет рассчитывать на более чем двукратное повышение эффективности работы термоскважин.Это позволяет рассчитывать на то, что оказывая искусственное влияние на влажность грунта будет возможно регулировать интенсивность теплообменных процессов, происходящих в грунте. Так, в случае возникновения пиковых нагрузок на геотермальную теплонасосную систему и, следовательно, на грунтовые теплообменники, можно будет за счёт искусственного увлажнения повысить эффективность работы грунтовых теплообменников и обеспечить пиковый теплосъём или теплоотвод. При этом появляется возможность сократить само количество термоскважин, поскольку их нужно будет рассчитывать уже не на пиковую нагрузку, а с учётом предложенного способа повышения их эффективности при наступлении пиковых нагрузок. Таким образом могут быть значительно снижены капитальные вложения в создание теплонасосной системы.
Проведённые исследования по оценке возможности и эффективности применения результатов выполняемых ПНИЭР на объектах строительства, таких как:
 Объекты административного назначения;
 Объект религиозного назначения;
 Общественные здания;
 Офисные помещения;
 Объекты энергетики
продемонстрировали, что использование геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения на объектах различного назначения, заметно отличающихся и размерами, и энергетическими нагрузками, оказывается как энергетически, так и экономически эффективно в большинстве случаев.