Вертикальные грунтовые теплообменники
Вертикальные грунтовые теплообменники (в англоязычной литературе принято обозначение «BHE» – от «borehole heat exchanger») позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (15–20 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. Пример ГТСТ с вертикальным грунтовым теплообменником приведен на рис.1.
Рис.1. ГТСТ с вертикальным грунтовым теплообменником
Несмотря на малую изученность вертикальных грунтовых теплообменников и сравнительно небольшую историю их применения (10-15 последних лет), они получают все большее распространение в мировой практике. Прежде всего, это связано с отсутствием необходимости отчуждения значительных земельных участков под грунтовый теплообменник. В горизонтальном варианте теплообменник занимает, как правило, значительную площадь. Кроме того, циркуляция теплоносителя в вертикальных теплообменниках сопряжена со значительно меньшими затратами энергии на привод циркуляционных насосов, чем в горизонтальных теплообменниках. Но основным преимуществом вертикальных теплообменников является все-таки высокая технологичность их сооружения, позволяющая создавать грунтовые теплообменники практически неограниченной тепловой мощности, лимитируемой только технологическими возможностями бурового оборудования и стоимостными показателями теплообменника.
При устройстве вертикальных грунтовых теплообменииков теплоноситель циркулирует по трубам (металлическим, полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Как правило, используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников (рис.2):
- 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;
- 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.2. Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников
Теплонасосные системы теплохладоснабжения с вертикальными грунтовыми теплообменниками используются для тепло- и хладоснабжения зданий различных размеров. Для небольшого здания достаточно одной скважины, а для больших зданий может потребоваться устройство целой группы скважин с вертикальными теплообменниками. Самое большое в мире число скважин используется в системе теплохладоснабжения «Richard Stockton College» в США, в штате Нью-Джерси. Вертикальные грунтовые теплообменники этого колледжа располагаются в 400 скважинах глубиной 130 м каждая. В Европе наибольшее число скважин (154 скважины глубиной 70 м) используются в системе тепло- и хладоснабжения центрального офиса Германской Службы управления воздушным движением («Deutsche Flug-sicherung»).
Частным случаем вертикальных закрытых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например, термосвай - фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Сечение такой термосваи с тремя U- образными теплообменниками приведено на рис.3.
Рис.3. Схема грунтовых теплообменников, замоноличенных в фундаментные сваи – термосваи, и поперечное сечение термосваи
Существуют системы использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли, которые нельзя однозначно отнести к открытым или замкнутым. Например, одна и та же глубокая (глубиной 100 - 450 м) скважина, заполненная водой, может быть как эксплуатационной, так и нагнетательной. Диаметр скважины обычно составляет 150 мм. В нижнюю ее часть помещается насос, посредством которого вода из скважины подается к испарителям теплового насоса. Обратная вода возвращается в верхнюю часть водяного столба в ту же скважину. Под действием гравитационных сил происходит циркуляция воды в скважине и при необходимости ее подпитка грунтовыми водами. В этом случае открытая система работает подобно замкнутой. Системы такого типа в англоязычной литературе носят название «standing column well system». Обычно скважины такого типа используются и для снабжения здания питьевой водой (рис.4).
Рис.4. Схема вертикального грунтового теплообменника, совмещенного с питьевой скважиной
Однако такая система может работать эффективно только в почвах, которые обеспечивают постоянную подпитку скважины водой, что предотвращает ее замерзание. Если водоносный горизонт залегает слишком глубоко, для нормального функционирования системы нужен мощный насос, требующий повышенных затрат энергии. Большая глубина скважины обуславливает достаточно высокую стоимость подобных систем, поэтому они не используются для тепло- и холодоснабжения небольших зданий. Сейчас в мире функционирует всего несколько таких систем в США и Европе.
В грунтовом массиве систем теплосбора геотермальных ТСТ, используемых как для тепло-, так и для холодоснабжения, «автоматически» устанавливается квазипериодический температурный режим: в зимнее время происходит охлаждение грунтового массива, в летнее время – его нагрев. В открытых системах, использующих низкопотенциальное тепло грунтовых вод, происходит постоянный водообмен: пополнение грунтовых вод за счет воды, просачивающейся с поверхности, и воды, поступающей из более глубоких слоев грунта. Таким образом, теплосодержание грунтовых вод увеличивается как «сверху» (за счет тепла атмосферного воздуха), так и «снизу» (за счет тепла Земли); величина теплопоступлений «сверху» и «снизу» зависит от толщины и глубины залегания водоносного слоя. За счет этих теплопоступлений температура грунтовых вод остается постоянной в течение всего сезона и мало меняется в процессе эксплуатации. В закрытых системах с вертикальными грунтовыми теплообменниками ситуация иная. При отводе тепла температура грунта вокруг грунтового теплообменника понижается. На понижение температуры влияют как особенности конструкции теплообменника, так и режим его эксплуатации.