Види горизонтальних грунтових теплообмінників
а - теплообмінник з послідовно сполучених труб; б - теплообмінник з паралельно сполучених труб; в - горизонтальний колектор, укладений в траншеї; г - теплообмінник у формі петлі; д - теплообмінник у формі спіралі, розташованої горизонтально (так званий «slinky» колектор; е - теплообмінник у формі спіралі, розташованої вертикально
Якщо система з горизонтальними теплообмінниками використовується тільки для отримання тепла, її нормальне функціонування можливе тільки за умови достатніх теплопоступлень з поверхні землі за рахунок сонячної радіації. З цієї причини поверхня вище за теплообмінники повинна бути схильна до дії сонячних променів.
Вертикальні грунтові теплообмінники (у англомовній літературі прийнято позначення «BHE» - «borehole heat exchanger») дозволяють використовувати нізкопотенциальну теплову енергію грунтового масиву, лежачого нижче за «нейтральну зону» (10-20 м від рівня землі). Системи з вертикальними грунтовими теплообмінниками не вимагають ділянок великої площі і не залежать від інтенсивності сонячної радіації, падаючої на поверхню. Вертикальні грунтові теплообмінники ефективно працюють практично у всіх видах геологічних середовищ, за винятком грунтів з низькою теплопро- водністю, наприклад, сухого піску або сухого гравію. Системи з вертикальними грунтовими теплообмінниками набули дуже широкого поширення.
Схема опалювання і гарячого водопостачання одноквартирного житлового будинку за допомогою теплонасосной установки з вертикальним грунтовим теплообмінником приведена на мал.
Схема опалювання і гарячого водопостачання одноквартирного житлового будинку за допомогою теплонасосной установки з вертикальним грунтовим теплообмінником
Теплоносій циркулює по трубах (найчастіше поліетиленовим або поліпропіленовим), укладених у вертикальних свердловинах завглибшки від 50 до 200 м. Зазвичай використовується два типи вертикальних грунтових теплообмінників (мал) :
· U-образный теплообмінник, що є двома паралельною трубою, сполученою в нижній частині. У одній свердловині розташовуються одна або дві (рідше три) пари таких труб. Перевагою такої схеми є відносно низька вартість виготовлення. Подвійні U-образные теплообмінники - найбільш широко використовуваний в Європі тип вертикальних грунтових теплообмінників.
· Коаксіальний (концентричний) теплообмінник. Простим коаксіальним теплообмінником є дві труби різного діаметру. Труба меншого діаметру розташовується усередині іншої труби. Коаксіальні теплообмінники можуть бути і складніших конфігурацій.
Перетин різних типів вертикальних грунтових теплообмінників
Для збільшення ефективності теплообмінників простір між стінками свердловини і трубами заповнюється спеціальними теплопроводящимі матеріалами. Системи з вертикальними грунтовими теплообмінниками можуть використовуватися для тепло- і холодоснабженія будівель різних розмірів. Для невеликої будівлі достатньо одного теплообмінника; для великих будівель може потрібно пристрій цілої групи свердловин з вертикальними теплообмінниками. Найбільше в світі число свердловин використовується в системі тнепло- і холодоснабженія «Richard Stockton College» в США в штаті Нью-Джерсі. Вертикальні грунтові теплообмінники цього коледжу располагают- ця в 400 свердловинах завглибшки 130 м. У Європі найбільше число свердловин (154 свердловини завглибшки 70 м) використовуються в системі тепло- і холодоснабженія центрального офісу Німецької служби управління повітряним рухом («Deutsche Flug-sicherung»).
Окремим випадком вертикальних замкнутих систем є використання як грунтові теплообмінники будівельних конструкцій, наприклад фундаментних паль із замоноліченнимі трубопроводами. Перетин такої палі з трьома контурами грунтового теплообмінника приведений на мал.
Схема грунтових теплообмінників, замоноліченних у фундаментні палі будівлі і поперечний перетин такої палі
Грунтовий масив (у разі вертикальних грунтових теплообмінників) і будівельні конструкції з грунтовими теплообмінниками можуть використовуватися не тільки як джерело, але і як природний акумулятор теплової енергії або «холоду», наприклад тепло сонячної радіації. Існують системи використання нізкопотенціального тепла Землі, які не можна однозначно віднести до відкритих або замкнутих. Наприклад, одна і та ж глибока (завглибшки від 100 до 450 м) свердловина, заповнена водою, може бути як експлуатаційною, так і нагнітальною. Діаметр свердловини зазвичай складає 15 див. У нижню частину свердловини поміщається насос, за допомогою якого вода зі свердловини подається до випарників теплового насоса. Зворотна вода повертається у верхню частину водяного стовпа в ту ж свердловину. Відбувається постійне підживлення свердловини грунтовими водами, і відкрита система працює подібно до замкнутої. Системи такого типу в англомовній літературі носять назву «Standing column well system» (мал.).
Схема свердловини типу «standing column well»
Зазвичай свердловини такого типу використовуються і для постачання будівлі питною водою. Проте така система може працювати ефективно тільки в грунтах, які забезпечують постійне підживлення свердловини водою, що запобігає її замерзанню. Якщо водоносний горизонт залягає дуже глибоко, для нормального функціонування системи буде потрібно могутній насос, що вимагає підвищених витрат енергії. Велика глибина свердловини обуславліваєт достатньо високу вартість подібних систем, тому вони не використовуються для тепло- і холодоснабженія невеликих будівель. Зараз в світі функціонує декілька таких систем в США, Германії і Європі. Один з перспективних напрямів - використання як джерело нізкопотенциальної теплової енергії води з шахт і тунелів. Температура цієї води постійна протягом всього року. Вода з шахт і тунелів легко доступна.
«Стійкість» систем використання нізкопотенциального тепла Землі. При експлуатації грунтового теплообмінника може виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура грунту поблизу грунтового теплообмінника знижується, а в літній період грунт не встигає прогрітися до початкової температури - відбувається пониження його температурного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезону викликає ще більше пониження температури грунту, і його температурний потенціал ще більше знижується. Це примушує при проектуванні систем використання нізкопотенціального тепла Землі розглядати проблему «стійкості» (sustainability) таких систем. Часто енергетичні ресурси для зниження періоду окупності устаткування експлуатуються дуже інтенсивно, що може привести до їх швидкого виснаження. Тому необхідно підтримувати такий рівень виробництва енергії, який би дозволив експлуатувати джерело енергетичних ресурсів тривалий час. Ця здатність систем підтримувати необхідний рівень виробництва теплової енергії тривалий час називається «стійкістю» (sustainability). Для систем використання нізкопотенціального тепла Землі дано наступне визначення стійкості [4, 5]: «Для кожної системи використання нізкопотенціального тепла Землі і для кожного режиму роботи цієї системи існує деякий максимальний рівень виробництва енергії; виробництво енергії нижче за цей рівень можна підтримувати тривалий час (100-300 років)».
Проведені в ОАО «ІНСОЛАР-ІНВЕСТ» дослідження показали, що споживання теплової енергії з грунтового масиву до кінця опалювального сезону викликає поблизу регістра труб системи теплосбора пониження температури грунту, яке в грунтово-кліматичних умовах більшої частини території Росії не встигає компенсуватися в літній період року, і на початок наступного опалювального сезону грунт виходить із зниженим температурним потенціалом. Споживання теплової енергії протягом наступного опалювального сезону викликає подальше зниження температури грунту, і на початок третього опалювального сезону його температурний потенціал ще більше відрізняється від природного. І так далі. Що проте огинають теплового впливу багаторічної експлуатації системи теплосбора на природний температурний режим грунту мають яскраво виражений експоненціальний характер, і до п'ятого року експлуатації грунт виходить на новий режим, близький до періодичному, тобто, починаючи з п'ятого року експлуатації, багаторічне споживання теплової енергії з грунтового масиву системи теплосбора супроводжується періодичними змінами його температури. Таким чином, при проектуванні теплонасосних систем теплопостачання представляється необхідним облік падіння температур грунтового масиву, викликаного багаторічною експлуатацією системи теплосбора, і використання як розрахункові параметри температур грунтового масиву, очікуваних на 5-й рік експлуатації ТСТ [12].
У комбінованих системах, використовуваних як для тепло-, так і для холодоснабженія, тепловий баланс встановлюється «автоматично»: у зимовий час (потрібне теплопостачання) відбувається охолоджування грунтового масиву, в літній час (потрібний холодоснабженіє) - нагрів грунтового масиву. У системах, використовуючих нізкопотенциальноє тепло грунтових вод, відбувається постійне поповнення водних запасів за рахунок води, що просочується з поверхні, і води, що поступає з глибших шарів грунту. Таким чином, теплосодержаніє грунтових вод збільшується як «зверху» (за рахунок тепла атмосферного повітря), так і «знизу» (за рахунок тепла Землі); величина теплопоступленій «зверху» і «знизу» залежить від товщини і глибини залягання водоносного шару. За рахунок цих теплопоступленій температура грунтових вод залишається постійною протягом всього сезону і мало міняється в процесі експлуатації.
У системах з вертикальними грунтовими теплообмінниками ситуація інша. При відведенні тепла температура грунту навколо грунтового теплообмінника знижується. На пониження температури впливає як особливості конструкції теплообмінника, так і режим його експлуатації. Наприклад, в системах з високими величинами теплової енергії (декілька десятків ватів на метр довжини теплообмінника), що відводиться, або в системах з грунтовим теплообмінником, розташованим в грунті з низькою теплопровідністю (наприклад, в сухому піску або сухому гравії) пониження температури буде особливо помітним і може привести до заморожування грунтового масиву навколо грунтового теплообмінника.
Німецькі фахівці провели вимірювання температури грунтового масиву, в якому влаштований вертикальний грунтовий теплообмінник завглибшки 50 м, розташований недалеко від Франкфурта-на-Майне. Для цього навколо основної свердловини на відстані 2,5, 5 і 10 м від було пробурено 9 свердловин тієї ж глибини. У всіх десяти свердловинах через кожних 2 м встановлювалися датчики для вимірювання температури - всього 240 датчиків. На мал. 9 приведені схеми, що показують розподіл температур в грунтовому масиві навколо вертикального грунтового теплообмінника на початку і після закінчення першого опалювального сезону. В кінці опалювального сезону добре помітно зменшення температури грунтового масиву навколо теплообмінника. Виникає тепловий потік, направлений до теплообмінника з навколишнього грунтового масиву, який частково компенсує зниження температури грунту, викликане «відбором» тепла. Величина цього потоку в порівнянні з величиною потоку тепла із земних надр в даній місцевості (80-100 мвт/кв.м) оцінюється достатньо високо (декілька ватів на квадратний метр).