научная статья по теме ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ»

№ 3

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2015

УДК 620.9.697

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ

© 2015 г. Г.П. ВАСИЛЬЕВ13, Н.В. ПЕСКОВ12, В.Ф. ГОРНОВ1, М.В. КОЛЕСОВА1

1 ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ", Москва 2 Московский государственный университет (МГУ) Факультет вычислительной математики и кибернетики, Москва 3 ГУП НИИМосстрой E-mail: insolar-invest@mail.ru

В статье представлены результаты исследований по оценке эффективности использования низкопотенциального геотермального тепла в теплонасосных системах теплоснабжения (ТСТ) зданий в климатических условиях территории России. Исследования проводились с помощью программного комплекса "INSOLAR.GSHP.12", моделирующего нестационарный тепловой режим геотермальных ТСТ при многолетней эксплуатации. При моделировании теплового режима геотермальных ТСТ в климатических условиях различных регионов учитывалось влияние многолетнего извлечения геотермального тепла на тепловой режим грунта и влияние фазовых переходов поровой влаги в грунте на эффективность эксплуатации геотермальных ТСТ. Приведены результаты районирования территории РФ по эффективности использования низкопотенциального геотермального тепла в ТСТ зданий. При проведении районирования было учтено падение температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, в качестве расчетных параметров температур грунтового массива использованы температуры грунта, ожидаемые на пятый год эксплуатации геотермальной ТСТ.

Ключевые слова: геотермальная теплонасосная система теплоснабжения (ГТСТ), теплонасосная система теплоснабжения (ТСТ), фазовый переход, поровая влага, термоскважины, теплопроводность, энергетическая эффективность, тепловой режим, коэффициент преобразования энергии.

EFFICIENCY LOW-POTENTIAL HEAT IN CLIMATIC CONDITIONS

IN RUSSIA

G.P. VASILIEV13, N.V. PESKOV12, V.F. GORNOV1, M.V. KOLESOVA 1

1 JSC "INSOLAR-INVEST", Joint Stock Company, Moscow 2 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Computational Mathematics and Cybernetics, Moscow 3 State Unitary Enterprise "NIIMosstroy", scientific research institute of Moscow construction

E-mail: insolar-invest@mail.ru

The paper contains the results of study on the effectiveness of using low-grade ground heat in heat pump systems in climatic conditions of Russia. The study was carried out using

software package "INSOLAR.GSHP.12" that simulates non-stationary thermal conditions of ground source heat pumps (GSHP) over several years of operation. The impact of longstanding ground heat collection on the soil's thermal conditions, as well as the impact of phase transitions of the ground moisture on the effectiveness of GSHP operation were taken into consideration during the simulation. The paper contains the results of zoning of the territory of Russia according to the effectiveness of using low-grade ground heat in heat pump systems. The zoning has been made with consideration for decrease of soil's temperatures over several years of heat collection system operation. The soil's temperatures expected on the fifth year of operation were considered the design temperatures.

Key words: geothermal heatpump system of a heat supply (GHSHS), heatpump system of a heat supply (HSHS), phase transition, steam moisture, thermowells, heat conductivity, power efficiency, thermal mode, coefficient of transformation of energy.

Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения (ГТСТ) используются в регионах с умеренным климатом (Северная Америка, Европа и Китай) [1]. Для этих регионов, в отличие от России, характерны более высокие естественные температуры грунта и достаточно непродолжительные отопительные сезоны, поэтому возможно извлечение тепловой энергии грунта при его положительных температурах.

В отличие от "прямого" использования высокопотенциального геотермального тепла (гидротермальные ресурсы) использование грунта поверхностных слоев Земли, как источника низкопотенциальной тепловой энергии для геотермальных теплона-сосных систем теплоснабжения (ГТСТ), возможно практически повсеместно. В настоящее время в мире это одно из развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

При эксплуатации ГТСТ грунтовый массив, находящийся в пределах зоны теплового влияния регистра труб грунтового теплообменника системы сбора низкопотенциального тепла грунта (системы теплосбора), из-за сезонного изменения параметров наружного климата и под действием эксплуатационных нагрузок на систему тепло-сбора подвергается многократному замораживанию и оттаиванию. При этом происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта и находящейся в общем случае в жидкой, твердой и газообразной фазах одновременно. В капи-лярно-пористых системах, каковой является грунтовый массив системы теплосбора, наличие влаги в поровом пространстве оказывает заметное влияние на процесс распространения тепла. В большинстве регионов России, для которых характерны низкие естественные температуры грунта и продолжительный отопительный период, эксплуатация ГТСТ при положительных температурах извлекаемого из грунта низкопотенциального тепла экономически неэффективна. Многолетняя эксплуатация ГТСТ в почвенно-климатических условиях большинства регионов РФ практически всегда будет связана с замораживанием/оттаиванием грунта, окружающего термоскважины [2].

К особенностям теплового режима систем сбора тепла грунта (как объекта проектирования) следует отнести и так называемую "информативную неопределенность" математических моделей, описывающих подобные процессы, то есть отсутствие достоверной информации о воздействиях на систему окружающей среды (атмосферы и массива грунта, находящихся вне зоны теплового влияния грунтового теплообменника системы теплосбора) и чрезвычайную сложность их аппроксимации. Действительно, если аппроксимация воздействий на систему наружного климата, хотя и сложна, но при определенных затратах машинного времени и использовании существующих моделей (например, типового климатического года) может быть реализована, то проблема учета в модели влияния на систему атмосферных воздействий (роса, туман, дождь, снег и т.д.) и также аппроксимация теплового влияния на грунтовый массив системы теплосбора подстилающих и окружающих его слоев грунта на сегодняшний день практически не разрешима и могла бы быть предметом отдельных исследований [3, 4]. Так, например, малая изученность процессов формирования фильтрационных потоков грунтовых вод, их скоростного режима, невозможность получения достовер-

ной информации о тепловлажностном режиме слоев грунта, находящихся ниже зоны теплового влияния грунтового теплообменника, значительно усложняет задачу построения корректной математической модели теплового режима системы сбора низкопотенциального тепла грунта.

Для преодоления сложностей, возникающих при проектировании геотермальных ТСТ, авторы создали и апробировали на практике метод математического моделирования теплового режима систем сбора низкопотенциального геотермального тепла, позволяющий в определенной мере преодолеть эти трудности. Суть метода состоит в рассмотрении при построении математической модели разности двух задач: "базовой" задачи, описывающей тепловой режим грунта в естественном состоянии (без влияния грунтового теплообменника системы теплосбора), и решаемой задачи, описывающей тепловой режим грунтового массива со стоками (источниками) тепла. Метод позволяет получить решение относительно некоторой новой функции, представляющей собой функцию влияния стоков тепла на естественный тепловой режим грунта, и равной разности температуры массива грунта в естественном состоянии и массива грунта со стоками (источниками тепла) — с грунтовым теплообенником системы теплосбора. Использование этого метода при построении математических моделей теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта позволило обойти трудности, связанные с аппроксимацией внешних воздействий на систему теплосбора, и использовать в моделях экспериментально полученную метеостанциями информацию о естественном тепловом режиме грунта, что позволяет частично учесть весь комплекс факторов (таких, как наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структура и расположение слоев грунта, "тепловой" фон Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве и многое другое), существенно влияющих на формирование теплового режима системы теплосбора, совместный учет которых в строгой постановке задачи практически невозможен. Неоценимым преимуществом метода является тот факт, что в качестве решения "базовой" задачи используются реальные и данные о ходе температур грунта, полученные с метеостанций прямыми измерениями.

В таблице 1 приведены среднемесячные температуры грунта по 23 городам РФ на глубине 1,6 м, которая представляется рациональной по температурному потенциалу грунта и возможностям механизации производства работ по заложению горизонтальных грунтовых теплообменников.

Представленная в таблице информация в естественном ходе температур грунта на глубине до 3,2 м (т.е. в рабочем слое грунта для ГТСТ с горизонтальным расположением грунтового теплообменника) иллюстрирует возможности использования грунта как источника геотермального тепла низкого потенциала. Очевидным является сравнительно небольшой интервал изменения на территории России температуры слоев, расположенных на одинаковой глубине. Так, минимальная температура грунта на глубине 3,2 м от поверхности в г. Ставрополь составляет 7,4°С, в г. Якутск — (—4,4°С), соответственно, интервал изменения температуры грунта на данной глубине составляет 11,8°. Это позволяет рассчитывать на создание в достаточной степени унифицированного теплонасосного оборудования, пригодного к эксплуатации практически на всей территории России.

Как видно из таблицы, особенностью естественного температурного режима грунта является запаздывание минимальных температур грунта относительно времени поступления минимальных температур нару

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком