НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ТЕПЛО ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЗЕМЛИ – ДОСТУПНЫЙ ИСТОЧНИК ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Шарипов Н. Б. – стажер, Федянин В. Я. – д.т.н., профессор Республика Таджикистан, г. Курган-Тюбе, Институт энергетики РФ, Алтайский край, г. Барнаул ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Проблема использования возобновляемых источников для теплоснабжения жилых домов актуальна для сельских регионов Алтайского края, где проживает около половины всего населения. Цель данной работы – исследование технологий снабжения зданий теплом для обеспечения в них комфортного микроклимата за счет тепловой энергии поверхностных слоев Земли.

Применение теплонасосных установок (ТНУ) для отопления дает заметный экономический и энергосберегающий эффект за счет высокой эффективности преобразования электроэнергии по сравнению с электронагревателями и электрическими отопительными котлами.

Для изучения работы теплонасосной системы отопления разработана и смонтирована система теплоснабжение жилого здания, построенного в районе малоэтажной застройки города Барнаула.

При проектировании здания была поставлена цель – уменьшить удельный расход тепловой энергии на отопление на 60÷65% по сравнению требуемым расходом в соответствие с территориальными строительными нормами Алтайского края [1].

Основные теплоэнергетические параметры здания рассчитанны с помощью компьютерной программы [2]. Расчеты показывают, что удельный расход тепловой энергии на отопление ниже нормативного [1] на 36%.

Основные расходы энергии в эксплуатируемых зданиях связаны с возмещением тепловых потерь через ограждающие конструкции, с горячим и холодным водоснабжением, водоотведением, освещением, приготовлением пищи, работой лифтов в многоэтажных домах, использованием электрических бытовых машин, приборов и средств технической коммуникации. Проблема состоит в том, чтобы, поддерживая комфортные условия микроклимата, минимизировать потери энергии. Исходя из этого и рассматривая возможный вклад возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом балансе здания, необходимо рассматривать здание как единую энергетическую систему, в которой взаимодействуют потоки энергии разного вида. Поскольку капитальные вложения, связанные с использованием возобновляемых источников, значительны, а плотности потоков этих видов энергии невелики, здания должны иметь минимальные потери энергии в окружающую среду.

Система сбора низкопотенциального тепла с вертикальным грунтовым теплообменником представляла собой шесть скважин глубиной от 23 до 71 м, размещенных на приусадебном участке.

Рисунок 1 - Схема размещения вертикальных грунтовых теплообменников

В каждую скважину был помещен U-образный грунтовый теплообменник, по одной ветви которого теплоноситель подается вниз, а по другой – возвращается в систему. В качестве теплоносителя системы сбора низкопотенциального тепла грунта, исходя из имеющегося опыта использования грунтовых теплообменников в условиях юга Западной Сибири, выбран 36%-ый водный раствор этиленгликоля с температурой кристаллизации -20 °С. Герметичный грунтовый теплообменник, предварительно испытанный под давлением, погружался в скважину. Перед погружением в заполненную буровым раствором скважину U-образный теплообменник заполняется водой и к нижнему концу теплообменника подвешивается дополнительный груз, чтобы предотвратить его всплытие. Количество теплообменников было выбрано с большим избытком для проведения серии предварительных исследований с целью выявления факторов, влияющих на удельный теплосъем вертикального теплообменника. Результаты предварительных исследований показали, что средний тепловой поток в расчете на погонный метр скважины практически не зависит от глубины. Основные факторы, определяющие интенсивность теплосъема – температурно-гидравлический режим теплообменника и влажность грунта Производительность рассмотренных грунтовых теплообменников лежит в интервале 25÷50 Вт/м.

В процессе опытной эксплуатации системы проводились измерения следующих параметров: температуры теплоносителя на входе и выходе грунтового теплообменника и расход теплоносителя в контуре «грунтовый теплообменник – испаритель теплового насоса»; температуры теплоносителя на входе и выходе теплообменника-конденсатора и расход теплоносителя в контуре «конденсатор теплового насоса – бак-накопитель тепла» системы теплоснабжения здания; электрической энергии, потребляемой компрессором и циркуляционными насосами грунтового теплообменника и отопительного контура. Фиксировалась температура наружного воздуха.

Величины энергетических потоков тепла и электроэнергии за три месяца отопительного периода 2015/2016 г.г. приведены в Таблице 1.

Коэффициент преобразования (КОП) теплонасосной системы отопления рассчитывался по формуле:

где Q – тепло, отданное в систему отопления, кВтч;

E – электроэнергия, затраченная на работу теплового и циркуляционных насосов, кВтч.

Таблица 1

Средняя величина КОП= 3,17.

Полученные значения коэффициента трансформации позволяют оценить, сколько привозного топлива можно заместить на низкопотенциальное тепло с помощью теплонасосных систем.

Для примера рассмотрим два варианта системы отопления жилого дома с отапливаемой площадью 100 м2. Приведем краткую характеристику климатических факторов места расположения здания. Расчетные температуры наружного воздуха (°С ):

- наиболее холодной пятидневки – 39;

- средней за отопительный период – 7,7.

Продолжительность отопительного периода – 221 сут.

С учетом регионального норматива [3] удельный расход тепловой энергии на отопление такого здания равен 125 кДж/(м2ºС.сут). Сезонная потребность в отопительном тепле рассматриваемого здания составит:

Для обеспечения этого тепла с помощью традиционной системы печного отопления (КПД=30%) потребуется доставить потребителю угля.

Теплонасосная система отопления затратит электроэнергии, для выработки которой на тепловой электростанции необходимо сжечь (с учетом 15% потерь при передаче электроэнергии) угля. Таким образом одна теплонасосная установка снижает в раза потребление угольного топлива, расходуемого на отопление сельских зданий. Загрязнения окружающей среды уменьшаются на еще более значительную величину, т.к. при сжигании топлива на ТЭЦ производят очистку продуктов сгорания перед их выбросом в атмосферу, а деревенские печи выбрасывают продукты сгорания без очистки и на небольшом расстоянии от поверхности почвы.

Основные результаты экспериментальных исследований:

- удельный теплосъем U-образного теплообменника зависит от расхода теплоносителя и может устойчиво поддерживаться в диапазоне 20÷35 Вт на погонный метр скважины;

- значение эффективного коэффициента трансформации теплонасосной системы (с учетом электроэнергии, потребляемой циркуляционными насосами) поддерживается в диапазоне 3,0÷3,5 путем эффективного погодозависимого регулирования режимов работы установки;

- оценка потенциала возобновляемого тепла, поступающего в поверхностные слои Земли за счет поглощения солнечной радиации, показывает, что энергии, поглощаемой поверхностью 3÷3,5 м2 почвы, достаточно для обеспечения теплом одного квадратного метра отапливаемой площади малоэтажного здания с нормативным уровнем теплозащиты.

Список использованных источников:

1. Федянин В. Я., Мещеряков В. А. Инновационные технологии для повышения эффективности алтайской энергетики: Монография Барнаул: Изд-во ААЭП, 2010. – 192 с.

2. Климат Барнаула [Текст]: научное издание / Под ред. С. Д Кошинского и В. Л. Кухарской. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1984. – 139 с.

3. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. – М. Госстрой России, 2004. – 42 с.