Восстановление энергетического потенциала системы теплосбора геотермальных тепловых насосов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 697.4:621.577

А.С. Штым, И.А. Журмилова, Т.Г. Савина

ШТЫМ Алла Сильвестровна - кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: shtym_alla@mail.ru, ЖУРМИЛОВА Ирина Александровна - ассистент кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail:angelleech@mail.ru, САВИНА Татьяна Геннадьевна - магистрант, Инженерная школа (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: savina_vl@mail.ru. © Штым А.С., Журмилова И. А., Савина Т.Г., 2012

Восстановление энергетического потенциала системы теплосбора геотермальных тепловых насосов

Тепловые насосы используют низкопотенциальную энергию грунта. В процессе эксплуатации потенциал грунтового массива уменьшается, поэтому в данной статье рассматриваются возможности восстановления этого потенциала.

Ключевые слова: энергосбережение, солнечная радиация, температура грунта, геотермальные тепловые насосы.

Recovery of an energy potential of system of heat collecting geothermal thermal pumps. Alla S. Shtym, Irina A. Zhurmilova, Tatyana G. Savina - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok). Heat pumps use a low-potential energy of the ground. During operation the potential of ground mass decreases, so in this article examines the possibility of recovering the energy potential of the soil. Key words: power savings, solar radiation, soil temperature, geothermal heat pumps.

Источником энергии в геотермальных тепловых насосах является низкопотенциальная энергия грунта, которая извлекается системами теплосбора, состоящими из грунтовых теплообменников, соединенных кол -лекторами. В климатических условиях России с долгой и холодной зимой энергетический потенциал грунта будет снижаться, поэтому массив грунта, окружающего трубы грунтового теплообменника, должен быть большим. Количество энергии, извлекаемой из грунта, определяет габариты соответствующего теплообменника, но если предусмотреть возможности восстановления энергетического потенциала грунтового слоя, то это приведет к существенной экономии при создании данного теплообменника и повысит эффективность работы геотермального теплового насоса.

Тепловой режим грунта поверхностных слоев Земли формируется под действием двух основных факторов: падающей на поверхность солнечной радиации и потоком радиогенной теплоты из земных недр. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта [2]. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15-20 м. Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже этой глубины («нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата.

Солнечная радиация, которая в среднем составляет 1,4 кВт/м2 • сут, формирует запасы низкопотенциального тепла в грунте непосредственно у его поверхности. В настоящий период при постоянном росте стоимости традиционных энергоносителей актуальной становится задача определения возможности использования запасов низкопотенциального тепла [1].

Количественной характеристикой запасов тепла является зависимость распределения температуры грунтов от глубины и периода времени года. Динамика изменения температуры грунта на различных глубинах, а также максимальные и минимальные значения температур на его поверхности позволяют определить запасы энергии.

Определить температуру грунта для определенной глубины можно по известной зависимости [3] :

Г?'.

/ i

_ —X , -1 ■■ 365

= ТГр — As е Е6ЕЛ CQS t-tfl X

^365 2Л 1Ш

/

(1)

В формуле (1) Х- это глубина, выраженная в футах, а сама температура выражается в градусах по Фаренгейту. С учетом коэффициентов, которые переводят все величины в размерности системы СИ, формула приобретает вид:

✓ V ---Э,16-1(Г*Х

Т\р(хД) = Тгр-Ане

абэо

СОЗ

2ж ЭЬ5

t — t0 — 1,834 -1(Г2Х

Л

(2)

где, Х - глубина, м, \ - порядковый номер дня года;

^ - среднегодовая температура поверхности почвы, принимается равной среднегодовой температуре наружного воздуха для выбранного региона, ° С;

Б - годовая амплитуда колебаний температуры поверхности почвы, °С; А - температуропроводность грунта, м2 / с; ^ - фазовая константа.

С целью обеспечить равномерное увеличение температуры ниже зоны сезонной изменчивости необходимо добавить в уравнение еще один член.

T™G)=Trp-Ase

-iií-irt

Vм*1 cosí—

365

t -- 1,834-10~гХ i—

l+x— 1 100 •

(3)

Для Владивостока построен график температурного поля нетронутого грунта, учитывая заданные свойства почвы. На оси абсцисс отложена глубина, а на оси ординат - температура (см. рисунок).

Глубина,м

Температурное поле нетронутого грунта для г. Владивостока

С увеличением глубины наблюдается увеличение инерционности в динамике изменения температуры грунта (см. рисунок). Это связано с влиянием тепловых потоков от более глубоких слоев грунта. На глубине 2,4 м зафиксировано максимальное сезонное изменение температуры грунта. Сезонные колебания температуры воздуха практически не влияют на температуру грунта на глубинах более 10 м, ниже которой установлено экспериментальным путем и подтверждено расчетом: температуры грунта лежат в пределах +8 °С. Таким образом, грунт глубинных слоев земли является достаточно мощным аккумулятором низкопотенциальной энергии и оказывает существенное влияние на температурное поле в вышележащих слоях.

Проведенные численные эксперименты показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт имеет пониженный температурный потенциал. Следовательно, необходимо повышать данный потенциал; сделать это можно при помощи дополнительной аккумуляции тепла (например, солнечной энергии) в летний период.

На процесс теплообмена в почве на больших глубинах (кроме свойств рабочей жидкости в грунтовом теплообменнике) влияет много различных факторов. Неоднородность структуры почвы как в вертикальном,

так и в радиальном направлениях, наличие подземных вод или карстовых полостей, заполненных воздухом, - лишь некоторые из них. Большинство этих явлений просто невозможно учесть, поэтому важным при расчете температурных полей, как и при математическом моделировании любых других процессов, является четкое описание принятых в модели упрощений и предположений. На основе этого в дальнейшем можно будет решать, насколько правомерно применять результаты, полученные при моделировании. Разработка математической модели и расчетной методики необходима для определения состояния энергетического потенциала грунта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по климату СССР. Ч. 1. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. Вып. 1-34. Л.: Гидрометеоиздат, 1966-1968.

2. Штым А.С., Маркелова И.А. Системы теплосбора для геотермальных тепловых насосов // Вестн. ВолгГАСУ. Сер. Стр-во и архит. 2011. Вып. 23. С 126.

3. RETScreen®International. Ground-source Heat Pump Project Analysis: Chapter // RETScreen®Engineering & Cases Textbook / Ministry of Natural Sources of Canada, 2005. 70 p.

X

УДК 697.4:621.577

А.С. Штым, Т.Г. Савина, И.А. Журмилова

ШТЫМ Алла Сильвестровна - кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: shtym_alla@mail.ru, САВИНА Татьяна Геннадьевна - магистрант (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: savina_vl@mail.ru, ЖУРМИЛОВА Ирина Александровна - ассистент кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail:angelleech@mail.ru. © Штым А.С., Савина Т.Г., Журмилова И.А., 2012

Влияние расхода теплоносителя на работу грунтового теплообменника

Представлено исследование влияния предельной скорости теплоносителя при прохождении по заданному диаметру трубы U-образного грунтового теплообменника, произведен расчет гидравлических потерь по методу динамических давлений.

Ключевые слова: энергосбережение, грунтовый теплообменник, теплоноситель, температурный перепад.

Influence of an expense of the heat-transfer agent on operation of the ground heat exchanger. Alla S. Shtym, Tatyana G. Savina, Irina A. Zhurmilova - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

Presented the research of influence of speed limit of the heat-transfer agent when passing on the given diameter of a pipe of "U"-shaped ground heat exchanger is settled hydraulic calculation of the losses by the method of dynamic pressures.

Key words: power savings, the ground heat exchanger, the heat-transfer agent, temperature difference.

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет собой сегодня одну из глобальных мировых проблем, успешное решение которой будет иметь определяющее значение. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). В мире широкое распространение получили установки, работающие на солнечной энергии и тепле земли. Установки могут работать как отдельно, так и совместно, что существенно повышает их эффективность [2].