ВАРИАТИВНОСТЬ МОЩНОСТИ ТЕРМОСКВАЖИН ТНУ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ГРУНТА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Статья поступила в редакцию 16.01.13. Ред. рег. № 1510 The article has entered in publishing office 16.01.13. Ed. reg. No. 1510

УДК 62-68

ВАРИАТИВНОСТЬ МОЩНОСТИ ТЕРМОСКВАЖИН ТНУ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ГРУНТА

С.Н. Трушевский

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, tsn37@mail.ru

Заключение совета рецензентов 18.01.13 Заключение совета экспертов 23.01.13 Принято к публикации 25.01.13

Рассчитан теплоперенос из грунта к термоскважине ТНУ при положительных, с соблюдением сохранности нейтрального слоя почвы, и отрицательных, сохраняющих мёрзлым верхний слой, температурах грунта. Показана возможность регулирования мощности термоскважины варьированием температуры теплообменника. Скважины имели глубину 150, 100 и 40 м. Четыре скважины по 40 м обеспечивают ту же мощность, что и одна 150 м, но площадь охлаждения увеличивается в 2,25 раза. По результатам расчётов определяют параметры ТНУ. Термоскважина может выполнять несущую функцию сваи фундамента в регионах вечной мерзлоты.

Ключевые слова: термоскважина, тепловой насос, грунт, теплоперенос, положительная и отрицательная температуры, регулирование мощности, свайный фундамент, вечная мерзлота.

CAPACITY VARIABILITY OF THE HEAT PUMP THERMO-WELLS AT NEGATIVE

TEMPERATURES OF EARTH

S.N. Trushevsky

All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, tsn37@mail.ru

Referred 18.01.13 Expertise 23.01.13 Accepted 25.01.13

Heat transfer from earth to a thermo-well heat exchanger of a heat pump unit is calculated for positive and negative temperatures. Neutral layer of a soil is preserved at positive temperatures and stays frozen at negative temperatures. Possibility of regulation of the thermo-well heat capacity by means of changing the average temperature is demonstrated. The depths of the thermo-wells are 150, 100 and 40 m. The thermal capacity provided by four thermo-wells of 40 m is equal to the thermal capacity provided by one thermo-well of 150 m, but the cooling area increases up to 2,25 times in the first case. The heat pump parameters become defined according to the calculation results. The thermo-well can function as basement pile in regions of eternal frost.

Keywords: thermo-well, heat pump, ground, heat transfer, positive and negative temperatures, regulation of thermo-well heat capacity, basement pile, eternal frost.

Сведения об авторе: ведущий научный сотрудник ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии, профессиональный опыт 52 года.

Образование: высшее, кандидат технических наук.

Область научных интересов: теплофизика, теплотехника, гелиотехника.

Публикации: свыше 200 публикаций.

ft

til

Станислав Николаевич Трушевский

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Введение

Применение «грунтовых» тепловых насосов (ТН) в условиях Средней полосы России приводит к охлаждению грунта и, соответственно, выведению из оборота плодородной почвы [1]. Это обусловлено тем, что в процессе забора тепла из грунта образуется охлаждённый, зачастую ниже 0°С, массив, который охлаждает вышележащий слой. Массив образует вокруг термоскважины сложную в очертаниях поверхность. Работ, описывающих процесс охлаждения грунта вокруг термоскважины, автору статьи не известно. Головной организацией по грунтовым тепловым насосам справедливо можно считать Открытое акционерное общество "Инсолар-Инвест". Кроме сооружённых при их участии (научном руководстве) нескольких объектов, выпущены различные документы, в том числе «Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии», разработанное ОАО "Инсолар-инвест" (Васильев Г.П. и др.), которое утверждено и введено в действие указанием Москомархитектуры от 31.01.2001 г. № 8. В руководстве, в частности, приводится пример расчета коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к грунту (видимо, от грунта к теплоносителю, -С. Т.), т.е. процесс внутри теплообменника теплонасосной установки (ТНУ), но не затрагиваются процессы продвижения границы охлаждения во времени. Нет такового и в монографии [2], а также в свежем номере журнала «Энергия...» [3]. Приводятся, как правило, выходные данные, как, например, в [4]. Фактически, эти процессы трёхмерные и, ввиду сложных краевых условий, требуют очень большого объёма вычислений. Поэтому нами было предложено упрощённое решение задачи [5], включающее не только продвижение фронта охлаждения в течение 40 лет, но и решение дифференциальных уравнений, релаксацию температуры грунта, а также влияние охлаждённого грунта на вышележащий слой, в том числе плодородный.

В немногочисленных работах по применению грунтовых ТНУ в условиях криолитозоны как зарубежных [6, 1975 г.] и [7, 2000 г.], так и отечественных, таких как диссертация [8, 2001 г.] и статья Гулого С.А [9, 2008 г.], описаны горизонтальные теплообменники (ГТО). ГТО располагались под сооружением и использовали как теплоту грунта с глубины ~2 м, так и поступающую от тепловыделений нижней части зданий во избежание образования зоны протаивания. В этих условиях как ГТО, так и термоскважины ТНУ выполняют, кроме теплоснабжения, функции укрепления оснований фундаментов сооружений, что особенно важно в обширных регионах с многолетнемёрзлым грунтом (ММГ).

Несмотря на существенные отличия в эксплуатации грунтовых ТНУ в Средней полосе России и в зоне вечной мерзлоты, в литературе не затронуты такие общие проблемы как регулирование мощности термоскважин, а также продвижения фронтов охлаждения грунта с тем, чтобы эти фронты не пересекались, приводя к большой и даже полной потере мощности термоскважин.

Основной задачей данной статьи является анализ процессов переноса теплоты из грунта к теплообменнику (ТО) и регулирование мощности термоскважины, в том числе при отрицательной температуре грунта, характерной для многих регионов России. Пересечение фронтов определяется простым геометрическим способом если определены их границы за заданное время эксплуатации.

Теплоперенос при положительной температуре грунта

Перенос теплоты из грунта к теплообменнику термоскважины рассмотрен автором в [5] и других статьях и докладах при следующих допущениях:

- термоскважина представлена в виде коаксиального теплообменника, погружённого вертикально в грунт;

- охлаждаемые помесячно слои грунта представлены в виде полых цилиндров конечной длины, что в [5] и в данной статье подтверждается формулой термического сопротивления (3);

- помесячный режим принят квазистационарным в соответствии с заданной постоянной тепловой нагрузкой;

- теплообмен на торцах не учитывается;

- теплофизические свойства грунта постоянны.

В работе [5] принималась средняя температура грунта 11,5°С в соответствии с геотермическим градиентом 3°С/100 м и глубиной термоскважины 225 м, а средняя температура +4°С на внешней поверхности теплообменника термоскважины. Таким образом на входе теплообменника испарителя теплового насоса обеспечивалась температура +8°С, равная температуре нижней границы нейтрального слоя1. Выше этой границы теплообменник должен быть теплоизолирован для обеспечения естественной температуры корнеобитаемого слоя почвы2. При этом температура на выходе теплообменника испарителя и на дне термоскважины ~0°С. Фиксированная температура теплообменника приводила к недостаточной мощности термоскважины и необходимости дополнительного источника теплоты, либо поиска способа увеличения

Зона годовых и сезонных колебаний температуры //www.edudic.ru/geo/13506/ Нейтральный слой залегает обычно на глубине не более нескольких десятков метров http://www.geonaft.ru. В Средней полосе России 10-15 м.

Сельское хозяйство: глубина залегания корней, http://plodyagoda.ru/.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

мощности посредством регулирования параметров термоскважины.

Рассмотрим возможность увеличения мощности термоскважины с соблюдением условия на нижней границе нейтрального слоя +8°С.

Расчёты производим для полого цилиндра в предположении квазистационарного, в течение каждого месяца года, режима теплопереноса из грунта к теплообменнику при заданных температурах на внутренней и наружной поверхностях. Массу каждого слоя определяем по формуле:

е

m = -

Ак - )

(1)

q = -

t. -

R

(2)

место полное покрытие зимней, максимальной, тепловой мощности 4,3 кВт со значительным избытком в некоторых месяцах.

где е - месячная тепловая нагрузка, ср - удельная теплоёмкость грунта, и - средние температуры слоя на границах с неохлаждённым и охлаждённым слоями грунта.

Тепловой поток от охлаждаемого слоя к теплообменнику определяем в соответствии с законом теплопроводности Фурье, как

Рис. 1. Мощность термоскважины с глубиной 225 м на 20-й

год эксплуатации при разных средних температурах внешней поверхности теплообменника и температуре грунта +11,5°С..

Fig. 1. The capacity of the thermo-well with depth of 225 m by the beginning of the 20th year of operation at various average temperatures of earth and the temperature of the external surface of pipe-in-pipe heat exchanger equal to +11,5°С.

где /0 - средняя температура на внешней оболочке теплообменника, Я - термическое сопротивление от неохлаждённого слоя до теплообменника [10]:

R=

2жХк d„

(3)

где й,-диаметры й1, й2, ..., йп, й помесячных границ между неохлаждённым и охлаждённым грунтом; й0 -внешний диаметр термоскважины, к - высота полого цилиндра (слоя грунта).

На рис. 1 показано изменение в течение года мощности термоскважины на 20-м году эксплуатации при средних температурах от +4°С до 0°С на внешней поверхности теплообменника. Из рисунка следует, что при температуре 0°С имеет

На рисунках 2 показаны помесячные изменения за время эксплуатации в течение 40 лет мощностей термоскважины при средней температуре 0°С на внешней поверхности теплообменника и разных его диаметрах. Как следует из этих рисунков, при диаметре ТО 0,5 м мощность от начальной максимальной в 14,2 кВт (средней за год 8,5) в первый год уменьшается, на 40-й год падает до 3,8 кВт, приближаясь к номинальной на 9-10-й годы. При диаметре 0,25 м эти показатели, соответственно, 8,7 (3,6) и 3,2 кВт и номинальная мощность - на 5-й год. При диаметре скважины 0,15 м - от 6,8(4,5) до 2,9 кВт, номинальная - на 2-3 г. Таким образом, термоскважины с диаметрами 0,25 и 0,15 м не обеспечивают необходимую мощность в отопительный период.

16

14

12

tn

t

?

и 6

ь

гады эксплуатации

рейуемлямоа^ость-

Л- ____У

годы экс ппу атации

Л

\

1 \ 1

---—_ .

- - 4

do

Ч____/

10 12 14

Годы эксплуатации

\

у ----/

Г

Tpecveuag ио|щмть в 8 Месяцы года

Рис. 2. Помесячные изменения за время эксплуатации в течение 40 лет мощностей термоскважины 225 м при средней температуре 0°С внешней поверхности теплообменника и разных его диаметрах: 2а - 0,5 м; 2б - 0,25 м; 2в - 0,15 м. Fig. 2. Monthly changing capacity of the thermo-well with depth of 225 m during 40 years at the average temperature of the external surface of the pipe-in-pipe heat exchanger equal to 0°С and at various diameters: Рис. 2а - 0.5 m; 2б - 0.25 m; 2в - 0.15 m.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

c

Увеличить мощность можно, увеличивая разность температур (^о) в числителе выражения (2). Но так как ^ определяется естественной температурой грунта, можно изменять лишь t( посредством изменения теплоотдачи от стенки теплообменника к теплоносителю. Очевидно, что уменьшение значения ^ до 0°С не приведёт к существенному увеличению теплового потока, и мы автоматически переходим в область отрицательных температур. На рис. 3 показано увеличение мощности той же термоскважины при увеличении отрицательных значений температур

теплообменника и положительной температуры грунта. Как обычно, в первые годы эксплуатации мощность резко возрастает, т.к. термическое сопротивление ещё незначительное, и при t( = -30°С превышает требуемую 4,5 кВт на порядок. При повышении температуры это различие уменьшается и при 0°С на 4-й год эксплуатации достигается номинальная мощность отопительного периода. Со временем мощности постепенно незначительно уменьшаются и, например, на 40-й год для кривой «0°» - до 3,7 кВт. На кривой рис. 3, обозначенной как «2-х ст. рег-ка» - двухступенчатая регулировка, отключена нагрузка в летнее время (май-сентябрь), что дало незначительное отклонение от нулевой, но лишила потребителей горячей воды. Релаксации температуры охлаждённых слоёв за время отключения практически не происходит [5].

Рис. 3. Зависимость мощности термоскважины и диаметра

охлаждённого грунта от средней температуры теплообменника при температуре грунта +11,5°С. Поз. «2-х ст. рег-ка» - двухступенчатая регулировка, т.е. при отключении тепловой нагрузки в летнее время Fig. 3. The capacity of thermo-well and diameter of cooled soil depending on the average temperature of the pipe-in-pipe heat exchanger at soil temperature of +11,5oC. Two-stage adjustment during the summer time with no heating load is applied.

Диаметр охлаждённого грунта в этих вариантах увеличивается с 8 (при -30°С) до 17 м (0°С) за 12 лет

эксплуатации, а расчётные температуры на дне скважины изменяются от -68°С до -8°С, что, как было показано в [1, 5], приводит к выведению из оборота плодородной почвы. Соответственно, межцентровое расстояние скважин при эксплуатации в течение 12 лет должно быть не менее 8 и 17 м.

Теплоперенос при отрицательной температуре грунта

В рассмотренных выше термоскважинах вырабатывается избыточное тепло в летнее и близкое к нему время. Рассмотрим возможность регулирования мощности при отрицательной температуре грунта (-4°С), характерной для многих регионов России.

Глубина скважины, м 100

Коэффициент преобразования

идеального теплового насоса

150

150x0,25

Годы эксплуатации

Рис.4. Изменения диаметров охлаждённого грунта,

минимальной средней температуры теплообменника термоскважины и коэффициента преобразования идеального ТН за 10 лет эксплуатации при температуре грунта -4°С.

Fig. 4. Change of cooled soil diameters, minimal average temperature of the pipe-in-pipe heat exchanger and coefficient of performance of ideal heat pump during 10 years of operation at soil temperature of -4oC.

На рис. 4 показаны результаты расчётов для обеспечения постоянной нагрузки посредством изменения средней температуры теплообменника. Расчёты произведены для скважин: 150 м с диаметрами теплообменников 0,5 и 0,25 м; 100 м -0,5 м; 40 м с диаметром 0,5 м. Последняя рассчитывалась из условия обеспечения той же нагрузки 4-мя скважинами с отдельными ТН или одним ТН с 4-мя скважинами, т.е. её мощность уменьшена в 4 раза.

Термоскважина ТНУ располагается, в зависимости от размеров и конфигурации

40

30

20

10

0

-10

-20

-30

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

сооружения, в центре основания фундамента с несущими сваями по периферии или, будучи разделённой на менее мощные, термоскважины устанавливаются по его периферии, выполняя дополнительно несущую функцию сваи.

Как следует из рисунка 4, на 10-й год эксплуатации при отрицательной температуре грунта:

- у скважин 150 м температура теплообменника понижается на от -15 до -17 °С с уменьшением его диаметра, а диаметр охлаждённого грунта уменьшается с 28 до 26 м (поз. «150» и «150х0,25».);

- у скважины 100 м температура ниже на -7°С, чем у скважины 40 м (-21°С и -14°С), а диаметр охлаждённого грунта на 7 м больше (28 и 21, поз. «100» и «4х40»). Следует отметить, что площадь охлаждённого грунта (торцов цилиндров) из 4-х скважин в 2,25 раза больше, чем у скважин 100 и 150 м для одной и той же нагрузки, что для основания фундамента можно расценивать как положительный фактор;

- коэффициенты преобразования идеального ТН во всех вариантах термоскважин практически одинаковы и равны 5-6 (температура в подающей линии 45°С).

В дальнейшем эти закономерности имеют слабо выраженный экспоненциальный характер. По полученным значениям температур производится выбор параметров и шаг скважин, теплоносителя, рабочего тела и цикла теплового насоса. Выбор той или иной ТНУ окончательно определяется экономической целесообразностью.

Выводы

Рассчитан теплоперенос из грунта к теплообменнику термоскважин ТНУ при положительных, с соблюдением сохранности температуры нейтрального слоя почвы, и отрицательных, сохраняющих мёрзлым верхний, сезонно талый, слой, температурах грунта. Проанализированы параметры и шаг термоскважин различных глубин и диаметров. Показана приемлемая для эксплуатации возможность работы ТН в течение до 40 лет при положительных и при отрицательных, до 12 лет и более, температурах грунта.

Регулирование мощности термоскважин с обеспечением заданной тепловой нагрузки предполагается варьированием температуры теплообменника посредством изменения

теплоотдачи от наружной стенки теплообменника к теплоносителю. По результатам расчётов определяют необходимые параметры теплоносителя, рабочего тела, цикла теплового насоса и

термоскважины ТНУ. Термоскважина при отрицательных температурах грунта располагается, в зависимости от размеров и конфигурации сооружения, в центре основания фундамента с несущими сваями по периферии или, будучи разделённой на менее мощные, термоскважины устанавливаются по его периферии, выполняя дополнительно несущую функцию сваи. В последних случаях особенно важно соблюдение расстояния между осями свай. Оба варианта могут быть приемлемы во многих регионах России, в частности, на многолетнемерзлых грунтах.

Данная работа экспериментально не проверялась, но нет сомнений в правильности формулы (1). Предложенная методика может быть полезна на предварительной стадии проектирования ТНУ, в т. ч. проведения инженерно-геологических исследований.

Список литературы

1. Трушевский С.Н. Последствия использования теплоты грунтовых вод и грунта тепловыми насосами // Техника в сельском хозяйстве. 2011. №5. С. 28-29.

2. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. Монография. «Граница», М., 2006.

3. Васильев Г.П. Эффективность термоскважин ГТСТ // Энергия, экономика, техника, экология. 2012. №12. С. 47-52.

4. Васильев Г.П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне "Никулино-2". //АВОК. 2002. №4.

5. Трушевский С. Н. Анализ низкотемпературных источников теплоты Средней полосы России для тепловых насосов // Вестник ГНУ ВИЭСХ. 2012. Вып. 1. С. 31-38. Сдано в печать в 2010 г.

6. Stenbeak-Nielson and Sweet L.R. Heating with Ground Heat, an Energy Saving Method for Home Heating // The Northern. 1975. 7(1). P. 20-25.

7. Jnstanes B. Permafrost engineering on Svalbard // International Workshop on Permafrost Engineering Longyearbyen, Svalbard, Norway, 2000. P. 1-24.

8. Гулый С.А. Основы применения тепловых насосов в геотехнике криолитозоны: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. к.т.н.: Спец. 25.00.08 / Гулый Сергей Александрович; [Ин-т мерзлотоведения им. акад. П.И. Мельникова СО РАН, Сев.-Вост. науч.-исслед. мерзлот. станция]. Якутск: 2001. 19 с.: ил.

9. Гулый С. А. Будущее - за тепловыми насосами // Наука и техника в Якутии. 2008. № 1(14). С. 20-24.

10. Баскаков А.П. Теплотехника. М.: Энергоатомиздат. 1998.

г?<г>

- TATA —

56

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

1SJM