Открытые системы сбора низкопотенциального тепла грунта

Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины. Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах.

Однако скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях.

Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:

• достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;
• хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отложений на стенках труб и коррозией.

Схема открытой системы

Открытые системы чаще используются для тепло- или хладоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Эта система расположена в США, в г. Луисвилль (Louisville), штат Кентукки. Система используется для тепло- и хладоснабжения гостинично-офисного комплекса, ее мощность составляет примерно 10 МВт.

Иногда к системам сбора низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли относят и системы, использующие низкопотенциальное тепло открытых водоемов, естественных и искусственных. Такой подход принят, в частности, в США. Системы, использующие низкопотенциальное тепло водоемов, относятся к открытым, как и системы, использующие низкопотенциальное тепло грунтовых вод. Закрытые (герметичные) системы, в свою очередь, делятся на горизонтальные и вертикальные.

Как правило, практически повсеместно на всей территории Московского региона на глубине 200-400 метров от поверхности находятся водоносные слои, из которых сравнительно легко и относительно недорого извлечь грунтовую воду для использования в качестве источника низкопотенциального тепла для теплонасосных систем. Преимуществом грунтовой воды, как источника низкопотенциального тепла, является ее постоянный температурный потенциал в течение всего года.

Существует несколько методов использования грунтовой воды в геотермальных теплонасосных системах теплоснабжения.

1. Извлечение. В этом случае грунтовая вода извлекается из грунта, охлаждается или нагревается в тепловом насосе и «сбрасывается» в канализационный коллектор или на поверхность и в естественные водотоки. Недостатком этого метода является сброс извлеченной грунтовой воды на поверхность в естественные водотоки и связанные с этим экологические последствия.
2. Извлечение и инъекция. Недостаток первого метода может быть преодолен путем инъектирования (закачки) обратно в грунт использованной (охлажденной, или нагретой в теплонасосной системе) грунтовой воды. В этом случае ГТСТ потребляет только тепловую энергию, без расходования грунтовой воды. Недостатком метода является возможное тепловой влияние инъектируемой воды на извлекаемую, что в конечном счете может привести к понижению теплового потенциала грунтовой воды, как источника тепла для ГТСТ. Второй недостаток – неудобство – для существующих и потенциальных пользователей этого водоносного горизонта, поскольку охлаждение грунтовой воды может вызвать у них негативные последствия - замораживание водопроводов, увеличение расхода энергии на горячее водоснабжение и прочее.
3. Извлечение и инъекция с тепловым равновесием. Недостатков присущих предыдущим методам можно избежать восстанавливая температурный потенциал грунтовой воды путем «сбрасывания» в грунт избытков тепловой энергии в летнее время, полученных, например, с помощью солнечных коллекторов, или с помощью утилизации тепла систем кондиционирования зданий. В этом случае можно добиться теплового равновесия в водоносном горизонте.
4. Хранение энергии. Эффективность ГТСТ может быть повышена за счет сезонного аккумулирования энергии в водоносных слоях грунта. В этом случае в летнее время для кондиционирования зданий может быть использован «холод» накопленный в водоносном горизонте за зимнее время года. При этом «холод» может быть использован как непосредственно, так и с помощью тепловых насосов. «Сброс» летом в грунт тепловой энергии улучшит показатели ГТСТ в зимнее время.

В мире технологии использования в ГТСТ низкопотенциального тепла водоносных слоев грунта получили развитие в начале 80-х годов прошлого века. Первоначально, эти технологии рассматривали только с точки зрения получения низкопотенциального тепла для ГТСТ в зимнее время. Скоро стало очевидно, что весьма перспективным является сезонное хранение тепловой энергии в водоносных слоях, при этом хранить можно как тепло, так и холод для последующего использования в летнее время.

В последнее время появилась новая концепция (технология) - winnerway. Размещая грунтовые теплообменники ниже поверхности асфальтированных дорог, можно «запасти» тепловую энергию в летнее время, а в зимнее время с помощью этой энергии можно удалять лед c поверхности дорожного покрытия зимой. Избыток сохраненной тепловой энергии может быть использован для отопления придорожной инфраструктуры. Преимущество этой технологии кроме экономии энергии состоит в том, что деградация дорожного полотна будет замедлена, из-за охлаждения дорожной поверхности летом и обогрева (сокращение циклов промерзания и оттаивания) зимой.

С более подробной информацией для технических специалистов можно ознакомиться в разделе Библиотека