Разработка технологии и оборудования для сооружения энегоэкономичных малоэтажных зданий пассивного типа для городской застройки

Разработка технологии и оборудования для сооружения энегоэкономичных малоэтажных зданий пассивного типа для городской застройки.

Анализ эффективности различных источников низкопотенциальной тепловой энергии показал, что в почвенно-климатических условиях г. Москвы наиболее перспективными являются ТСТ, использующие в качестве источника тепла низкого потенциала повсеместно доступный грунт поверхностных слоев Земли.


Тепловые насосы, известные давно и считающиеся эффективными и надежными, имеют срок службы не меньший, чем у любого вентиляционно-отопительного оборудования. Их применение является следующим шагом развития отопления, все в большей степени ориентирующегося на требования окружающей среды. Имеются широкие возможности применения тепловых насосов, как в новом строительстве, так и в реконструируемом жилищном фонде взамен традиционных отопительных котлов.


С точки зрения термодинамики тепловой насос (ТН) представляет собой обращённую холодильную машину, которая содержит испаритель, конденсатор и 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).


Грунт поверхностных слоев Земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под воздействием двух основных факторов: солнечной радиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр.


В отличие от «прямого» использования высокопотенциального геотермального тепла (гидротермальные ресурсы) использование низкопотенциального тепла Земли тепловыми насосами возможно практически повсеместно. В настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.


Серьезной проблемой при разработке технологии и оборудования для использующих тепло грунта ТСТ являлся корректный учет при проектировании фазовых переходов влаги в поровом пространстве грунтового массива систем теплосбора. Для решения этой проблемы было введено понятие эквивалентной теплопроводности, фактически заменяющее задачу о тепловом режиме замерзшего вокруг труб грунтового теплообменника цилиндра грунта квазистационарной задачей с близким температурным полем, одинаковыми граничными условиями, но с другой эквивалентной теплопроводностью, которая учитывает фазовый переход влаги в порах грунтового массива.


Эквивалентная теплопроводность грунта системы теплосбора зависит от радиуса труб грунтового теплообменника, «рабочей» температуры теплоносителя системы теплосбора, влажности грунта и продолжительности периода потребления тепловой энергии из грунта – отопительного периода.


Значения эквивалентной теплопроводности грунтового массива системы теплосбора, состоящего из слоев тяжелой глины, определены при разных радиусах труб грунтового теплообменника. При этом влажность грунта принималась равной 15%, теплопроводность по ASHRAE - 2 Вт/(м*°С), а продолжительность периода потребления энергии из грунта варьировалась в пределах от 3000-30000 ч.


Эквивалентная теплопроводность грунтового массива очень слабо зависит от продолжительности периода потребления тепловой энергии из грунта, причем с увеличением этого периода эквивалентная теплопроводность грунта убывает.


Эквивалентная теплопроводность грунтового массива незначительно зависит от температуры теплоносителя системы теплосбора, причем с понижением этой температуры эквивалентная теплопроводность грунта убывает.


Для проведения инженерных расчетов вертикальных систем сбора низкопотенциального тепла грунта (радиус труб грунтовых теплообменников 0,08-0,1 м) могут быть рекомендованы значения эквивалентной теплопроводности грунтового массива систем теплосбора, наблюдающиеся при температуре теплоносителя -10оС при продолжительности периода отбора тепла из грунта, превышающем 30000 ч.


Для вертикальных систем сбора низкопотенциального тепла грунта, как наиболее перспективных для городского хозяйства г. Москвы, была определена эквивалентная теплопроводность грунтов по классификации ASHRAE.


Анализ значений эквивалентной теплопроводности грунтов, учитывающей скрытую теплоту фазового перехода поровой влаги в грунте, показывает, что влияние эффекта «нулевой завесы» достаточно велико и его необходимо учитывать при проектировании теплонасосных систем сбора тепла грунта, эксплуатируемых при отрицательной температуре.


Системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта можно разделить на закрытые и открытые системы. Закрытые (герметичные) системы, в свою очередь, делятся на горизонтальные и вертикальные.


Горизонтальный грунтовой теплообменник (английские термины «ground heat collector» и «horizontal loop») устраивается, как правило, рядом с домом на небольшой глубине, но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время. Использование горизонтальных грунтовых теплообменников ограничено размерами имеющейся площадки. Если система с горизонтальным грунтовым теплообменником используется только для получения тепла, то для ее эффективной эксплуатации необходимы достаточные теплопоступления с поверхности Земли от солнечной радиации. По этой причине поверхность над теплообменниками не должна находиться в тени.


Вертикальные грунтовые теплообменники («BHE»- «borehole heat exchanger») используют низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (15–20 м от уровня земли). Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех геологических средах, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или сухого гравия. Несмотря на сравнительно небольшой срок их применения (10-15 лет), они получают все большее распространение в мировой практике. Циркуляция теплоносителя в вертикальных теплообменниках сопряжена со значительно меньшими затратами энергии на привод циркуляционных насосов, чем в горизонтальных теплообменниках. Основным преимуществом вертикальных теплообменников является высокая технологичность их сооружения, позволяющая создавать грунтовые теплообменники практически неограниченной тепловой мощности, лимитируемой только возможностями бурового оборудования и стоимостью теплообменника.


Основная часть открытых систем теплосбора – скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно. Обычно для этого устраиваются парные скважины.


Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако скважины требуют обслуживания. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:


- достаточная водопроницаемость грунта, необходимая для пополнения запасов воды;


- определенный химический состав грунтовых вод (например, низкое содержание железа), позволяющий избежать проблем образования отложений на стенках труб и коррозии.


ОАО « ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» разработана компьютерная программа «HEATPUMP+», которая использована для оценки эффективности применения открытых систем сбора низкопотенциального тепла грунта. С использованием программы «HEATPUMP+» были проведены исследования их конструктивных и технических решений.


Программный комплекс «HEATPUMP+» обеспечивает определение оптимальных параметров системы теплосбора в зависимости от климатических условий района строительства, теплозащитных качеств здания, эксплуатационных характеристик теплонасосного оборудования, циркуляционных насосов, нагревательных приборов системы отопления, а также режимов их эксплуатации. Исследования проводились на примере поселка «Кутузово», строительство которого предполагается в 2007 г. в г. Зеленограде.


Эффективность ТСТ в значительной степени определяется эффективной теплопроводностью эксплуатируемого водоносного слоя.


На основании результатов исследований были разработаны теплонасосные системы теплоснабжения (ТСТ), эффективные в почвенно-климатических условиях г. Москвы. Принципиальные схемы систем ТСТ включены в «Альбом технологических схем и технических решений теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) малоэтажных зданий пассивного типа для городской застройки». Альбом содержит технологические и технические решения, примененные на объектах.


Альбом является первым документом, обобщающим отечественный опыт применения ТСТ в климатических условиях г. Москвы.


ОАО МКНТ
Инсолар-инвест
Н.И.Майорова, канд.техн.наук Г.П.Васильев, канд.техн.наукБ.Л.Акопов, И.И.Мареева, Н.А.Тимофеев