CC BY
80
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: строительство
Теплоснабжение, вентиляция
DOI.org/10.5281/zenodo.896976 УДК 697.329
И.А. Журмилова, А.С. Штым
ЖУРМИЛОВА ИРИНА АЛЕКСАНДРОВНА - к.т.н., доцент кафедры, e-mail: zhurmilova.ia@dvfu.ru
ШТЫМ АЛЛА СИЛЬВЕСТРОВНА - к.т.н., профессор кафедры, e-mail: shtym_alla@mail.ru Кафедра инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
Влияние теплофизических свойств грунта
на формирование геотермального поля
в системе сбора низкопотенциальной энергии грунта
Аннотация: Применение возобновляемых источников энергии способствует снижению использования органического топлива, улучшению экологической ситуации и является актуальной задачей сегодняшнего дня. Вертикальные грунтовые теплообменники извлекают низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже 10-15 м от уровня земли, и передают ее в геотермальные тепловые насосы, которые повышают потенциал извлеченной энергии в случае теплоснабжения или понижают его в случае кондиционирования. Системы теплосбора низкопотенциальной энергии с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Они эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например сухого песка или гравия. В данной работе предложена авторская методика для расчета расстояния между скважинами с грунтовыми теплообменниками с учетом процесса теплопередачи между массивом грунта и рабочей жидкости в трубах теплообменника, исключающего обмерзание скважин. Используя методику, можно выбрать при проектировании оптимальный вариант формирования скважинного поля с грунтовыми теплообменниками для конкретного района строительства с учетом теплотехнических свойств грунта и создать эффективный, стабильный источник низкопотенциальной энергии для геотермальных тепловых насосов. Представлена номограмма, с помощью которой можно определить расстояние между скважинами, обеспечивающее надежную и эффективную работу геотермальных тепловых насосов в течение всего периода их эксплуатации без ухудшения теплофизических свойств грунта. Ключевые слова: низкопотенциальная энергия, система теплосбора, грунт, обмерзание скважины, грунтовый теплообменник, тепловой поток.
Введение
Вертикальные грунтовые теплообменники позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (10-15 м от уровня земли). Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность, так как
© Журмилова И.А., Штым А.С., 2017
О статье: поступила: 24.04.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.
их погружают в скважины глубиной 40-200 м и диаметром 100-200 мм. Они эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например сухого песка или гравия [1].
Процесс теплопередачи в период эксплуатации вертикальной системы сбора низкопотенциальной энергии грунта - явление сложного теплообмена, включающее процесс теплоотдачи при вынужденном течении рабочей жидкости в трубах грунтового теплообменника и процесс теплопроводности в стенке трубы грунтового теплообменника, наполнителе скважины и в массиве грунта [2]. Таким образом, можно произвести условное деление на две задачи: внутренняя - процессы, протекающие в трубе грунтового теплообменника, и внешняя - процессы теплопередачи до внутренней стенки трубы теплообменника.
Важной задачей при проектировании вертикальной системы сбора низкопотенциальной энергии грунта является определение «рабочего» массива грунта, который должен обеспечить необходимую производительность скважины по энергосъему. Для решения этой задачи следует найти расстояния между скважинами с грунтовыми теплообменниками. На данный момент в инструкциях по проектированию таких систем приводится рекомендуемое расстояние (5-6 м) между скважинами, независимо от режима их эксплуатации, величины теплового потока, идущего на нагрев теплоносителя, и особенностей теплофизических свойств грунта, в котором расположена скважина [3-5].
Однако необходимо учитывать, что при интенсивном теплосъеме рекомендованного расстояния между скважинами может быть недостаточно, поэтому начинает происходить обмерзание массива грунта вокруг труб теплообменника, что вызывает нестабильность в работе теплового насоса и приводит к снижению энергетического потенциала грунта с течением времени. Для восстановления энергетического потенциала грунтового массива естественным путем потребуется продолжительное время, а применение специальных мер не всегда возможно.
Цель настоящей статьи - предложить методику определения оптимального расстояния между скважинами для сохранения энергетического потенциала массива грунта.
Методика определения расстояния между скважинами
Расстояние между скважинами должно быть таким, чтобы их температурные поля не пересекались, и в период эксплуатации окружающий грунтовый массив не подвергался замораживанию. Решение данной задачи позволит установить необходимые границы площадки под поле скважин и произвести оптимальную разбивку территории.
Зная, какое количество энергии грунтовый теплообменник выкачивает из массива грунта, а также свойства теплоносителя и его температуру на входе в грунтовый теплообменник, свойства материала труб теплообменника, наполнителя скважины и массива грунта, можно рассчитать объем грунта, необходимый для покрытия требуемой нагрузки на систему теплоснабжения. Для определения расстояния между скважинами мы предлагаем массив грунта, окружающий скважину, геометрически представить как цилиндр (рис. 1), соответственно, радиус цилиндра и будет искомым параметром.
Рис. 1. Схема для расчета расстояния между скважинами системы сбора низкопотенциальной энергии грунта.
Методика расчета следующая.
1. Определить количество теплоты, извлекаемое одной скважиной за отопительный период, Огреби Дж:
Qтреб. = 86400 * Яскв.'Н * отт, (1)
где qскв. - средний тепловой поток с одного метра скважины, Вт/м; Н - глубина скважины, м; 2от. - продолжительность отопительного периода, принимаемая по [6] в соответствии с [7], сут/год.
2. Определить объем грунта1, способный покрыть требуемую нагрузку при эксплуатации
,, 3
одной скважины, У™, м :
з у гр
Q,
Урр. =-^-__ , (2)
Сгр. ■ Рг,
I г + г
4 вх. вых.
где Сгр. - удельная теплоемкость грунтового массива, Дж/кгК; ргр. - плотность грунтового массива, кг/м3; температура грунтового массива, °С; 1вх. и 1вьк. - температура входа и выхода рабочей жидкости в грунтовом теплообменнике, °С.
3. Определение расстояния от центра скважины с грунтовым теплообменником до границы эксплуатируемого массива грунта, Грр., м:
ггр.
]1
V
гр.
п-Н
(3)
В соответствии с представленной методикой расчета формулу (3) можно преобразовать и, объединив в ней (1) и (2), получить общую формулу для определения расстояния между скважинами:
Д„„ = 2 -
86400 - дСКв ^ от
п-с - р - гр. ггр. г гР.\ г + г Л вх. вЫ1Х. 2 )_
(4)
Таким образом, получена формула для определения расстояния между скважинами, которая учитывает теплофизические параметры грунта, величину теплового потока, температурный перепад между массивом грунта и теплоносителем, а также позволяет учесть продолжительность отопительного периода для конкретного региона.
По (4) произведены вычисления расстояния между скважинами с грунтовыми теплообменниками в условиях г. Владивостока при различных комбинациях теплофизических свойств грунтов, наполнителя и материала труб теплообменника. Полученные значения расстояния между скважинами характерны для ее эксплуатации при постоянном значении количества теплоты, извлекаемой в течение отопительного периода, т.е. не учитывается возможная неравномерность в работе скважины, что гарантирует сохранение положительных температур в грунтовом массиве.
Рекомендуемые расстояния между скважинами с грунтовыми теплообменниками
Согласно расчетам для г. Владивостока, нами установлено: рекомендуемое расстояние между скважинами, в соответствии с [3-5], можно применять для грунтов, у которых значение объемной теплоемкости не ниже 4 103 кДж/м3К при тепловом потоке до 60 Вт/м, для грунтов с более высоким значением объемной теплоемкости величина теплового потока может быть увеличена до 250 Вт/м (см. таблицу).
1
Наполнитель скважины не учитывается, так как (по проведенным расчетам) его доля относительно эксплу-
атируемого массива грунта составляет примерно 0,1%.
Однако чаще встречаются грунты, у которых значение объемной теплоемкости варьируется
3 3 3
в пределах от 1,810 до 2,710 кДж/м К - для этих грунтов при различных значениях теплового потока расстояния между скважинами получились больше рекомендуемых (см. таблицу).
По полученным данным, грунты подразделены на мало-, средне- и высокотеплоемкие
(см. таблицу). Очевидно, что в грунтах, обладающих значениями объемной теплоемкости ниже
3 3
1,8103 кДж/м 3К, расстояние между скважинами необходимо делать более 10 м даже при низких значениях теплового потока (менее 40 Вт/м) скважины, следовательно, применение грунтовых теплообменников в таких условиях может быть экономически невыгодно. И наоборот: грунты, обладающие средней и высокой объемной теплоемкостью, являются наиболее приемлемыми для создания систем сбора низкопотенциальной энергии грунта.
Рекомендуемые расстояния (м) между скважинами с грунтовыми теплообменниками для горных пород, выбранных по 12 разведочным скважинам, г. Владивосток
Виды грунтов ср103, qскв., Вт/м
кДж/м3 К 40 50 60 70 80 90 100
Малотеплоемкие 1,8-2 9 10 11 12 13 14 14
2,1-2,4 8 9 10 10 11 12 13
2,5-2,7 8 8 9 10 11 11 12
Среднетеплоемкие 4,3 6 7 7 8 8 9 9
4,8 6 6 7 7 8 8 9
6,1 5 6 6 7 7 7 8
12 4 4 4 5 5 5 6
Высокотеплоемкие 14 3 4 4 4 5 5 5
18 3 3 4 4 4 4 5
22 3 3 3 4 4 4 4
Рис. 2. Номограмма для определения расстояния между скважинами с грунтовыми теплообменниками.
Зная тепловой поток, можно рассчитать необходимое расстояние между скважинами по формуле (4) либо воспользоваться номограммой (рис. 2), разработанной на основе методики, представленной выше.
Путь движения по номограмме: зная отопительный период района застройки, пройти на линию q^.H (Вт), затем - на кривую температурного перепада; на линии ординат получится количество энергии со скважины за отопительный период; с линии температурного перепада опуститься на линию объемной теплоемкости породы в скважине; далее на ординату - определяется расстояние между скважинами.
Обсуждение результатов
Рассчитав количество скважин и определив расстояние между ними, можно произвести разбивку территории. Если территории недостаточно под скважинное поле, то увеличением глубины можно повысить производительность грунтовых теплообменников. Другой вариант увеличения производительности грунтового теплообменника - изменение параметров теплоносителя, но в пределах того диапазона, при котором обеспечивается стабильная работа геотермального теплового насоса. Дополнительные способы увеличения производительности: применение труб для грунтового теплообменника из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, увлажнение скважин.
Заключение
Представленная методика расчета вертикальных систем сбора низкопотенциальной энергии позволяет получить необходимые параметры для их проектирования, выбрать оптимальный вариант формирования скважинного поля с грунтовыми теплообменниками для конкретного района строительства с учетом теплотехнических свойств грунта и создать эффективный, стабильный источник низкопотенциальной энергии для геотермальных тепловых насосов. Предложенная нами номограмма значительно упрощает инженерную задачу создания скважинного поля с геотермальными теплообменниками, обеспечивающего требуемую производительность системы без ухудшения теплофизических свойств грунта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России // АВОК. 2003. № 2. С. 52-60.
2. Журмилова И.А., Штым А.С. Процессы теплообмена в системе сбора низкопотенциальной энергии грунта // Научное обозрение. 2016. № 2. С. 62-69.
3. Руководство монтажника NIBE F1145. Геотермальный тепловой насос. IHB RU 1343-2231699. NIBE AB Sweden. URL: http://nibe.com.ru/sites/default/files/catalogs/Technical-NIBE-F1145.pdf (дата обращения: 10.04.2017).
4. Руководство по проектированию и монтажу. Тепловые насосы для отопления и горячего водоснабжения. URL: http://www.dimplex.de/fileadmin/dimplex/downloads/planungshandbuecher/ru-/dimplex_php_heizen_ru_052007v2.pdf (дата обращения: 12.04.2017).
5. Системы тепловых насосов. Инструкция по проектированию. 5829 122-2-GUS. Viessmann Werke GmbH & Co. 2/2000. URL: http://forum.abok.ru/index.php?act=attach&type=post&id=19331 (дата обращения: 12.04.2017).
6. СП 131.13330.2012 Строительная климатология.
7. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
construction
Heat Supply and Ventilation
D0l.org/10.5281/zenodo.896976
Zhurmilova I., Shtym A.
IRINA ZHURMILOVA, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, e-mail: zhurmilova.ia@dvfu.ru
ALLA SHTYM, Candidate of Engineering Sciences, Professor, e-mail: shtym_alla@mail.ru Department Engineering Systems of Buildings and Constructions, School of Engineering Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
The influence of the thermophysical soil properties
on the emergence of a geothermal field
in the collecting system for the low-potential ground energy
Abstract: The use of renewable energy sources contributes to reducing the use of fossil fuels and improving the environmental situation which is an urgent task of today. Vertical ground heat exchangers extract the low-potential thermal energy of the ground mass lying below 10-15 m from the ground level and transfer it to the geothermal heat pumps. The low-potential energy collection systems with vertical ground heat exchangers do not require large areas and do not depend on the intensity of solar radiation incident on the surface. They work effectively in virtually all types of geological environments, with the exception of the soils having low thermal conductivity such as dry sand or gravel. In this paper, we propose an authorial method of calculating the distance between boreholes with ground heat exchangers taking into account the heat transfer process between the ground mass and the hydraulic fluid in the heat exchanger tubes eliminating the freezing of the boreholes. The application of the method makes it possible to choose the best option to shape a borehole field with soil heat exchangers for a specific construction area taking into consideration the thermal properties of the soil and to create an efficient and stable source of low-potential energy for geothermal heat pumps. A nomogram is presented which makes it possible to determine the distance between the boreholes ensuring a reliable and efficient operation of the geothermal heat pumps during the entire period of their operation without degrading the thermal physical properties of the soil.
Key words: low-potential energy, heat collection system, ground, freezing of borehole, ground heat exchanger, heat flow.
REFERENCES
1. Vasiliev G.P., Shilkin N.V. Geothermal heat pump systems of heat supply and efficiency of their application in climatic conditions of Russia. HVAC. Moscow, 2003;2:52-60.
2. Zhurmilova I.A., Shtym A.S. Processes of heat exchange in the system of collecting low-potential energy of soil. Scientific review. 2016;2:62-69.
3. Installation manual NIBE F1145. Geothermal heat pump. IHB RU 1343-2231699. NIBE AB Sweden. URL: http://nibe.com.ru/sites/default/files/catalogs/Technical-NIBE-F1145.pdf. - 10.04.2017.
4. A guide to design and installation. Heat pumps for heating and hot water supply. Dimplex.
URL: http://www.dimplex.de/fileadmin/dimplex/downloads/planungshandbuecher/ru/dimplex_php_heizen_ru _052007v2.pdf. - 12.04.2017.
5. Heat pump systems. The instruction on designing. 5829 122-2-GUS. Viessmann Werke GmbH & Co. KG 2/2000. URL: http://forum.abok.ru/index.php?act=attach&type=post&id=19331. - 12.04.2017.
6. Code of practice 131.13330.2012 Construction climatology.
7. Code of practice 50.13330.2012 Thermal protection of buildings.
