Гидрогеотермальные приповерхностные теплонасосные установки индивидуального теплоснабжения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© Э.И. Богуславский,

Н.Н. Смирнова, 2006

УДК 658.264.26:622.532

Э.И. Богуславский, Н.Н. Смирнова

ГИДРОГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ПРИПОВЕРХНОСТНЫЕ ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Семинар № 18

стория использования естественного тепла недр Земли насчитывает несколько тысячелетий. Широкий практический интерес к развитию геотермальной энергетики проявился с начала 70 годов в связи с известным энергетическим кризисом. Все возрастающий интерес мировой общественности к экологическим проблемам, особенно принятие Киотского соглашения в значительной мере содействовал развитию экологически чистого геотермального источника энергии.

Важными событиями в развитии геотермальной энергетики следует счи-тать: освоение циркуляционных технологий, бинарного цикла производства электроэнергии и, в последние годы - широкое использование тепловых насосов на базе грунтовых (скважинных) теплообменников.

Тепловые насосы привели к настоящей революции в прямом использовании геотермальной энергии и позволили освоить для нужд теплоснабжения с помощью грунтовых теплообменников тепловую энергию самых верхних горизонтов литосферы на глубинах до 200300 м.

По обобщающим материалам Мирового геотермального конгресса 2005 ^вС 2005) [1] 71 страна, сообщили о прямом использовании геотермальной энергии, что является существенным

увеличением по отношению к 2000 г. -58 стран и 1995 - 28 стран.

Установленная тепловая мощность прямого использования в конце 2004 составила 27 825 МВт, это двойное увеличение по сравнению с 2000 г. Годовой прирост составил 12,9 %. Используемая тепловая энергия увеличилась против 2000 г. почти на 40% и составила - 261 418 ТДж/год (72 622 ГВт.ч/год), прирост составил 6,5 % ежегодно.

Распределение тепловой энергии, по направлениям использования:

- 33 % для геотермальных тепловых насосов,

- 29 % для плавательных бассейнов (включая бальнеологию),

- 20 % для нагревания помещений (из них 77 % для теплоцентралей),

- 7,5 % для оранжереи и открытого нагревания грунтов,

- 4 % для подачи теплоты в производственные процессы,

- 4 % для аквакультур,

- <1 % для сельскохозяйственной сушки,

- <1 % для таяния снега и охлаждения,

- <0,5 % для других целей использования.

Растущая популярность геотермальных (грунтовых) тепловых насосов имела самое существенное воздействие на эти данные. Ежегодное использование энергии для них росло со скоростью

30,1 % по сравнению с пятью прошлыми годами и 19,5 % - по сравнению с десятью прошлыми годами. Почти все приповерхностные системы созданы для жителей Северной Америки и Европы. Количество стран увеличилось с 26 - в 2000 г. до 32 стран - в 2005 г.

Эквивалентное число установленных систем с тепловой мощностью 12 кВт (типичной для американских и западноевропейских домов) - приблизительно 1,3 миллиона. Мощность ин-

дивидуальных систем находится в диапазоне от 5,5 кВт - для жилого дома до больших объектов по 150 кВт - для коммерческого и муниципального учреждения. В Соединенных Штатах большинство систем применяется для пикового охлаждения, они используют в среднем только 1000 часов предельной нагрузки ежегодно (коэффициент использования 0,11). В Европе большинство систем применяются для нагрузки теплоснабжения и, зачастую, она достигает базовой нагрузки равной органическому топливу. В результате эти системы могут работать с предельной нагрузкой от 2000 до 6000 часов ежегодно (коэффициент использования от 0,23 до 0,68).

Несмотря на широкое промышленное применение геотермальных приповерхностных теплонасосных установок (ГПТНУ) в Мире, технология извлечения и использования теплоты приповерхностных слоев недр еще полностью не устоялась и продолжается ее активное развитие. Это, прежде всего, связано с большим многообразием характеристик и типов приповерхностных геотермальных ресурсов. Существенное значение имеет быстрый темп развития и совершенствования теплонасосного оборудования. Важное значение имеет разработка новых конструкций и материалов скважинных теплообменников. Ска-

зывается отсутствие серьезного опыта применения этой технологии в неблагоприятных природных условиях: весьма низкие зимние температуры и продолжительные периоды их стояния, условия вечной мерзлоты и др.

Весьма разнообразны направления использования тепловой продукции ГПТНУ и специфика потребителей. В этом отношении можно выделить:

- отопление и горячее водоснабжение индивидуальных домов;

- теплоснабжение и кондиционирование индивидуальных домов;

- теплоснабжение и кондиционирование многоэтажных жилых домов;

- теплоснабжение и кондиционирование школ, больниц и других муниципальных зданий;

- теплоснабжение и кондиционирование офисов, малых предприятий;

- теплоснабжение и кондиционирование жилых массивов или групповых строений;

- оттаивание снежного покрова на тротуарах и проезжей части дорог;

- другие направления использования.

В связи со всем этим трудно предложить завершенную классификацию технологии ГПТНУ, поэтому предлагается классификация технологических принципов этих установок (рис. 1).

Больше чем 20 лет назад в Европе утвердилась концепция этой технологии, так же как общепринятого типового проекта и инсталляционных критериев. Типичная ГПТНУ с буровой скважиной показан на рис. 2. Эти системы требуют для каждого кВт.ч нагревания или охлаждения расхода 0,22-0,35 кВт.ч электроэнергии.

Верхняя толща пород от нейтрального слоя до глубин 200-300 м по температурным параметрам связана с формами переноса теплоты из внутренних или

Технология освоения Технология освоения Технология освоения

климатически зависи- тепловых ресурсов тепловых ресурсов

мых тепловых ресурсов —1 недр до глубины поверхностных вод

недр 300 м

В слабопроницаемых Открытые систе-

породах мы

Рис. 1. Классификация технологических принципов геотермальных приповерхностных теплонасосных установок

В естественных коллекторах

* У о я д °

о

о

д

м

Л

Л

ю

о

О

д

Д нн

о Л

д 3

Д о « н й °

I? §

о д н о

>д §

& И л м

Н И

глубинных источников и, почти в полной мере, определяются геологическими, геотермическими и гидрогеологическими свойствами недр.

В условиях слабопроницаемых пород или малых скоростей фильтрации базовой составляющей извлечения геотермальных ресурсов является кондуктив-

ный теплоперенос. При высокой обводненности пород и достаточных скоростях фильтрации - конвективный тепло-перенос. Определенную добавку к теплосодержанию при-поверхностного слоя пород дает активность гидротермальной деятельности и проявления повышенно-

Горячий водный резервуар (танк)

Тепловой Низкотемпературное пронасос ходящее под полом нагре-

вание

Теплообменники в буровых скважинах

Рис. 2. Типичное применение домашней системы теплоснабжения с геотермальным тепловым насосом в Центральной Европе (глубина скважин >100 м)

го теплового потока, как функции вул-кани-ческой деятельности.

Весьма эффективны ГПТНУ в естественных коллекторах с относительно высокими скоростями фильтрации пластового флюида. Расчет и оптимизация параметров этих установок довольно сложная задача тепломассопереноса.

Физической моделью этой задачи является теплообмен при течении жидкости внутри цилиндра, поперечно обтекаемого жидкостью фильтрующейся через неподвижный зернистый слой (рис. 3, 4).

Математическое описание процесса:

Условные обозначения: т - время; t - температура теплоносителя в скважине; и - скорость движения теплоносителя в скважине; и — скорость фильтрации в слое; х - координата по направлению движения теплоносителя;

г - текущий радиус скважины; t -среднее значение температуры теплоносителя в скважине; ^ - температура теплоносителя на входе; ^ - температура на внутренней стенке скважины; ТП - температура пород; рж - плотность жидкости; Хж, Хф - теплопроводность жидкости в скважине и в окружающих породах; Сж, Сф - теплоемкости жидкости в скважине и в окружающих породах; ё, Я

- внутренний диаметр и радиус скважины; q - удельный тепловой поток из массива в скважину; д - толщина трубы (изоляции); л - коэффициент вязкости

жидкости; Лп - корни характеристического уравнения; кт - коэффициент теплопередачи; а - коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки скважины; аП - коэффициент теплоотдачи между внешней стенкой и набегающим потоком в проницаемой среде; киз - теплопроводность изоляции; V - коэффициент кинематической вязкости; аТ - коэффициент температуропроводности; ц(т ) - функция Хевисайда.

Дифференциальное уравнение теплопроводности для температуры теплоносителя в скважине с учетом ее изменения во времени, по на-

правлению движения и в направлении перпендикулярном стенке скважины:

д д Лж

— + и— = ——

дт дх Сж р

( д 2 ^ дг2

1

г дг

Л

(1)

Приток тепла в скважину начинается с момента прихода гидроди-намической

волны в данную точку х, т.е. х

при т = — . и

Обозначив текущее время

г

и

*

х, т .

Уравнение для температуры теплоносителя:

Аж

dt

дх Сж р

х

т > —; и

дг

+

2 г дг

> 0

(2)

- Аж

дг

— к т (t —

(t — Tn)

(3)

г — R

dt

kT — 2nL

— + Y — ln[R aR ¿іА: V R

I — 1 1

1

Ri I an Rn

Рис. 4. ФизЙнеа&мФмойїчлекаяонввіітшвшно теплообменжараивкобразтвпршбменикепри эксплуатацицншыршлвлвнн: 1 -/«фильтрующий

породні; 2 - тешюизодяц

3

* х

т — т-----, перейдем в систему отсчета

Краевые условия к уравнению теплопроводности задаются, как условия сопряжения тепловых потоков на стенке скважины через коэффициент теплопередачи:

дt

_________:ция внутренней трубы;

эксплуатаицонных^колонн? и -

направление фильтрационного потока; 4 -скорость ,-фильтрации в пориСтом эксплуатационная труба для «агревания *техни-

ческого теплоноеителя- 5корвп«ьщичеаиа*жіду обсадной колонстий R стаййШнжплуДйуциЙЙ-ных труб; 6 тлЭЙДругтруШ^Ча- тИЙЩДля тру-Дачи нагретогоітепл®Шцййе;л? - фильтрующие

_____________породы; 2 - заполнитель между

обсадной колонной и ставом эксплуатационных труб; 3 - наружная эксплуатационная труба для нагревания технического теплоносителя; 4 - направление фильтрационного потока; 5 - теплоизоляция внутренней трубы; 6 -внутренняя труба для выдачи нагретого теплоносителя

(4)

Цилиндрическая изоляция уменьшает тепловой поток, если Хиз<^иза.

В случае ^+1 = Ri+диз (5Ш - мало) и Яиз»Киза, коэффициент теплопередачи определяется условиями на внутренний и внешний границе скважины т.е.:

KT — 2П

1

■ + -

1

2 R

Полагая a —

an Rn

Аж

(5)

перепишем

В центре скважины: — = 0 при г = дг

0.

Коэффициент теплопередачи для трубчатых разделяющих поверхностей с многослойной цилиндрической изоляцией в общем случае рассчитывается по формуле:

задачу, краевые и начальные условия в следующем виде:

ddL

дх

— a

( д 21

Л

1 дf

----о---+--------

дг2 г дг

V I

(6)

ді

q = const, при r = R, — = 0 при

dr

r = 0.

t = t0 при x = 0, q = 0 при T* < 0.

Решение этого уравнения имеет вид:

4

Т

+1

Величина Единица измерения Значение

Коэффициент кинематической вязкости м2/с 0,000001

Коэффициент температуропроводности м2/с 1,4Е-07

Расход теплоносителя через став труб м3/час 0,2 - 2,0

Расстояние между стенками скважины и трубы м 0,04

Диаметр обтекаемого элемента пород м 0,033

Теплопроводность окружающих скважину пород Вт/м*К 2,5

Диаметр скважины (контура отбора теплоты) м 0,2 - 0,5

Теплопроводность жидкости в трубе Вт/м*К 0,57

Плотность жидкости кг/м3 1000

Удельная теплоемкость жидкости Дж/кг*К 4190

Температура пород на забое скважины оС 10

Температура теплоносителя на входе в трубу оС 1

Длина скважины м 100

Смещение стенки теплоотборной трубы от центра скважины м 0,03

Теплопроводность окружающих трубу пород Вт/м*К 2,7

Скорость фильтрации в слое м/сутки 10

< (<, х)=^о +|

-I-

2 ах -1 Я2 4

п=1 п ^ 0 (Лп х^(г*)

В стабилизированном случае, когда тепловые слои сомкнулись

Я

Я2

і (г, х) = І о +

ЯЯ

2 ах 1

Я

2

4

1

21 Я 2

п

() (8)

Средняя объемная температура теплоносителя:

Я

<=-ы I <г“г =

12 I

< 0 +

2яах дЯ

Лж Я

4Лж

1 -

2г

Я 2

= і о + 2я

ах

Лш Я

Тепловой поток через стенку трубы:

Я = кт ^ - тп )

Используя полученное выражение

для t , можно записать:

(7) Я = кт <о + 2я

ах

Лж Я

- Тп

или Я =

кт (<о - тп)

(. 2 ктах I

1-------т—

ЛжЯ У

(10)

(11)

Для безразмерной температуры теп-

лоносителя в скважине:

в =

<(г ■х)- < о

< о - тп

гбг =

(9)

ктЯ

2 ах 1 ( 2 г

Я " 411 - Я2

(12)

х )

Тепломассообмен цилиндра, поперечного обтекаемого жидкостью, фильтрую-

2

х

щейся через неподвижный зернистый слой, определяется формулой [2]:

Ми = 0,45 Ре0'7 Рг0'4 (13)

Числа Нуссельта Ыы и Прандтля рассчитываются по диаметру элемен-та засыпки. Формула справедлива в диапазоне чисел: Рг = 0,7^2000; Re = =1^1000.

Расход теплоносителя, м /час

0,20 ^^0,25 ^^0,30 ^^0,40

0,50

'ис. 5, а. Зависимость температуры теплоносителя на выходе из модуля приповерхностной

ЦОеямтшяташмЫ

жжиншдтжомшт мтшш в

скважинах диаметром 0,2-0,5 м, глубиной 100 м и температурой на забое 10 С

т

и/

С1

Расход теплоносителя , м /час

0,20 —^0,25 —^0,30 —»^0,40 -

■0,50

Рис. 6 б Зависимость теплопроизводительности модуля при тех же условиях

an d4

Re = Ui

Здесь: Nu =

n ar Pr = —.

Отсюда коэффициент теплоотдачи на внешней стенке трубы:

Nul

ап =

гФ

d„

ad

Так как Nu = — = 3,66 = const,

Лж

коэффициент теплоотдачи внутренней стенки трубы для стабилизированного течения:

3,66 Лж

a=

d

(14)

Для модулей приповерхностной геотермальной системы с центральным (рис. 3) и и-образным (рис. 4) типом эксплуатационных колонн были разработаны алгоритмы инженерных расчетов температур на выходе из систем и теплопроизводительностей

модулей. На их базе созданы и реализованы на компьютере Программы, позволившие при исходных данных (таблица) установить зависимости температур на выходе и теплопроизводительностей модулей геотермальных приповерхностных систем от задаваемых расходов технического теплоносителя (рис. 5-6).

Выводы

1. Разработана теоретическая база инженерных расчетов процессов массо-переноса в сложных геотермальных приповерхностных установках индивидуального теплоснабжения.

2. Созданы алгоритмы и программы компьютерных расчетов параметров и показателей этих установок.

3. Установлены зависимости температуры на выходе и теплопроизво-дительности при центральном и Ц-образном расположении трубопровода в скважинах модулей геотермальных приповерхностных систем индивидуального теплоснабжения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. John W. Lund, Derek H. Freeston, Tonya L. Boyd. World-Wide Direct Uses of Geothermal Energy 2005. World Geothermal Congress 2005. Antalya, Turkey, 24-29 April 2005.

2. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. - М.: Энерго-атомиздат. 1990.

V

V

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------

Богуславский Эмиль Иосифович - заведующий кафедрой, профессор, доктор технических наук, действительный член РАЕН,

Смирнова Нина Николаевна - доцент, кандидат физико-математических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).