Использование геотермальных тепловых насосов для обеспечения нормальных условий твердения бетонной смеси при бетонировании в зимний период с их последующей эксплуатацией Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ ПРИ БЕТОНИРОВАНИИ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД С ИХ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ

Чуков И.Д.

Чуков Игорь Дмитриевич - студент, кафедра технологии строительных материалов и метрологии, строительный факультет, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,

г. Санкт-Петербург

Аннотация: в статье анализируется метод зимнего бетонирования с помощью геотермальных тепловых насосов.

Ключевые слова: строительство, зимнее бетонирование, бетон, почва, геотермальные насосы, тепло.

Геотермальные тепловые насосы - системы, которые обеспечивают дом теплом или холодом в зависимости от сезона, используя при этом бесплатные и возобновляемые источники энергии. Для работы системы необходимо потребление электричества, однако на 1 единицу электроэнергии, мы получаем 3 -7 единиц тепловой энергии [1].

С точки зрения термодинамики тепловой насос (ТН) представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и, как правило, компрессор. В основном используются два типа ТН: абсорбционный и наиболее распространённый - парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора тепла из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс тепловой энергии в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим «полезное» тепло для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную тепловую энергию: вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Среди возможных источников низкопотенциальной тепловой энергии необходимо выделить следующие:

- окружающий воздух;

- грунт поверхностных слоев Земли;

- водоёмы и природные водные потоки;

- вентиляционные выбросы зданий и сооружений;

- канализационные стоки;

- сбросное тепло технологических процессов [3].

Идея заключается в том, чтобы обеспечить нормальные условия твердения бетонной смеси при её твердении в зимний период с помощью тепловой энергии, получаемой этими геотермальными тепловыми насосами.

До недавнего времени не существовало руководства к расчету геотермального теплового насоса, однако сейчас есть ГОСТ Р 54865-2011 «Теплоснабжение зданий. Методика расчета энергопотребности и эффективности системы теплогенерации с тепловыми насосами». Согласно ему можно рассчитать систему геотермальной установки, но она зависит от множества факторов, от которых будет зависеть КПД насоса. Например, согласно ГОСТ Р 54865-2011 исходная информация для расчета геотермального насоса должна включать в себя:

- тип (конфигурацию) генерации теплоты (моновалентный, бивалентный);

- тип теплонасосного оборудования [энергия привода, например, электричество или топливо, термодинамический цикл (парокомпрессионный - VCC. пароабсорбционный - VAC )]',

- тип источника теплоты низкого потенциала и теплоносителя подсистемы распределения теплоты (отвода теплоты от конденсатора теплового насоса), например, грунт - вода, воздух - воздух;

- энергетические нагрузки подсистем распределения теплоты: подсистема отопления помещений и подсистема бытового горячего водоснабжения;

- экспериментальные зависимости (данные испытаний теплонасосного оборудования) теплопроизводительности и Kj-p * от изменения температуры источника низкопотенциальной теплоты и температурного режима теплоносителя подсистемы распределения;

*Эффективность ТСТ оценивается коэффициентом трансформации

(преобразования) энергии Л/рр, а не КПД (СОР) , как принято в европейских стандартах. Понятие КПД по мнению авторов является более широким, поскольку в строгой постановке, в отличие от Кр-р, должно учитывать тепловую энергию, потребляемую от источника теплоты низкого потенциала и не может быть более 1. Этот подход более объективен для сравнения различных систем теплоснабжения.

Л-рр - используется для сравнения различных систем ТСТ.

- экспериментальные данные испытаний теплонасосного оборудования по влиянию на эффективность его эксплуатации режимов автоматического регулирования работы компрессора (режимы "ON - OFF", ступенчатый, с переменной скоростью);

- количество вспомогательной энергии, расходуемой на привод ТСТ, необходимое для работы подсистемы генерации теплоты и не учитываемое при проведении типовых испытаний теплонасосного оборудования по определению его

теплопроизводительности, iOpp , или КПД;

- тепловые потери компонентов подсистем аккумулирования и хранения тепловой энергии для подсистем распределения теплоты: подсистем отопления помещений и бытового горячего водоснабжения, включая соединительные трубопроводы;

- месторасположение теплонасосного теплового узла подсистемы генерации теплоты [4, с. 9].

В проект здания изначально закладывается геотермальный тепловой насос, рассчитанный на отопление/вентиляцию дома. Производятся работы нулевого цикла: отрыв котлована начинается с места, где будет устроена установка геотермального теплового насоса, затем одновременно ведутся последующие земляные работы под устройство фундаментной плиты и термоскважины (герметичный грунтовый теплообменник, встроенный в вертикальную или наклонную скважину, обеспечивающий извлечение из грунта или сброс тепловой энергии в грунт) под петли в земле (loop) и устройство железобетонной плиты под геотермальный тепловой насос (устройство основания, вязка арматуры, установка опалубки и т.д.). Петля в земле (loop) - система (подсистема) сбора низкопотенциальной теплоты (система теплосбора): Совокупность устройств, узлов и аппаратов, обеспечивающая

28

извлечение и использование тепловой энергии низкого потенциала, например, низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев земли. Петля может устраиваться горизонтально в грунте, может укладываться в водоем, а при стесненных условиях может монтироваться вертикально. Здесь могут использоваться:

- системы прямого расширения с охлаждающей жидкостью, испаряющейся по мере циркуляции в контуре трубопровода, заглубленного в грунт;

- системы с рассольной жидкостью, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в грунт [2].

Производится устройство геотермального насоса. Тепло, получаемое насосом, идет на обогрев тепляка, установленного для укладки бетона в опалубку фундаментной плиты. Тепловую энергию, получаемую тепловым насосом, можно подвести к любому удобному месту с помощью специальных трубок для осуществления монолитных работ маломассивных и среднемассивных конструкций любого яруса.

Если геотермальный тепловой насос не сможет обеспечить требуемую тепловую энергию для твердения бетонной смеси, то он сможет снизить затраты электроэнергии при использовании его в совокупности с другим методом зимнего бетонирования, например, термообработка бетона греющими проводами.

Список литературы

1. Jay Egg EggGeothermal, 2013.

2. Briganti Antonio. Тепловые насосы в жилых помещениях. // АВОК, 2001. № 5, 6.

3. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. Москва. Издательский дом «Граница», 2006.

4. ГОСТ Р 54865-2011 «Теплоснабжение зданий. Методика расчета энергопотребности и эффективности системы теплогенерации с тепловыми насосами».