Чинники, під впливом яких формується температурний режим ґрунту

2.9.6 Чинники, під впливом яких формується температурний режим ґрунту

У експлуатаційний період масив ґрунту, що знаходиться в межах зони теплового впливу регістра труб ґрунтового теплообмінника системи збору низько потенційного тепла ґрунту (системи теплозбору), внаслідок сезонної зміни параметрів зовнішнього клімату, а також під впливом експлуатаційних навантажень на систему теплозбору, як правило, піддається багатократному заморожуванню і розтаванню. При цьому, природно, відбувається зміна агрегатного стану вологи, ув'язненої в порах ґрунту і що знаходиться в загальному випадку як в рідкій, так і в твердій і газоподібній фазах одночасно. Інакше кажучи, ґрунтовий масив системи теплозбору, незалежно від того, в якому стані він знаходиться (у мерзлому або талому), є складною трифазною полідисперсною гетерогенною системою, «скелет» якої утворений величезною кількістю твердих частинок різноманітної форми і величини і може бути як жорстким, так і рухомим, залежно від того, чи міцно зв'язані між собою частинки або ж вини відокремлені один від одного речовиною в рухомій фазі. Проміжки між твердими частинками можуть бути заповнені мінералізованою вологою, газом, парою і мерзлою водою або тим і іншим одночасно. Моделювання процесів тепломасоперенесення, що формують тепловий режим такої багатокомпонентної системи, є надзвичайно складним завданням, оскільки вимагає обліку і математичного опису різноманітних механізмів їх здійснення: теплопровідності в окремій частинці, теплопередачі від однієї частинки до іншої при їх контакті, молекулярній теплопровідності в середовищі, що заповнює проміжки між частинками, конвекції пари і вологи, що містяться в поровом просторі, і багато інших.

Особливо слід зупинитися на впливі вологості ґрунтового масиву і міграції вологи в його паровому просторі на теплові процеси, що визначають характеристики ґрунту як джерела низько потенційної теплової енергії.

У капілярно-пористих системах, яким є ґрунтовий масив системи теплозбору, наявність вологи в паровому просторі надає помітний вплив на процес розповсюдження тепла. Коректний облік цього впливу на сьогоднішній день зв'язаний із значними труднощами, які перш за все пов'язані з відсутністю чітких уявлень про характер розподілу твердої, рідкої і газоподібної фаз вологи в тій або іншій структурі системи. До цих пір не з'ясовані природа сил зв'язку вологи з частинками скелета, залежність форм зв'язку вологи з матеріалом на різних стадіях зволоження, механізм переміщення вологи в паровому просторі.

За наявності в товщі ґрунтового масиву температурного градієнта молекули пари переміщаються до місць, що мають знижений температурний потенціал, але в той же час під дією гравітаційних сил виникає протилежно направлений потік вологи в рідкій фазі. Окрім цього, на температурний режим верхніх шарів ґрунту робить вплив волога атмосферних опадів, а також ґрунтові води.

2.9.7 Види теплообмінників

Ґрунтові теплообмінники пов'язують теплонасосне устаткування з ґрунтовим масивом. Окрім «витягання» тепла землі, ґрунтові теплообмінники можуть використовуватися і для накопичення тепла (або холоду) в ґрунтовому масиві. У загальному випадку можна виділити два види систем використання нізкопотенциальной теплової енергії землі:

- відкриті системи: як джерело низько потенційної теплової енергії використовуються ґрунтові води, що підводяться безпосередньо до теплових насосів;

- замкнуті системи: теплообмінники розташовані в ґрунтовому масиві; при циркуляції по ним теплоносія із зниженою щодо ґрунту температурою відбувається «відбір» теплової енергії від ґрунту і перенесення її до випарника теплового насоса (або, при використанні теплоносія з підвищеною щодо ґрунту температурою, його охолоджування).

Основна частина відкритих систем – свердловини, що дозволяють витягувати ґрунтові води з водоносних шарів ґрунту і повертати воду назад в ті ж водоносні шари. Зазвичай для цього влаштовуються парні свердловини. Достоїнством відкритих систем є можливість отримання великої кількості теплової енергії при низьких витратах. Проте свердловини вимагають обслуговування. Окрім цього, використання таких систем можливе не у всіх місцевостях. Головні вимоги до ґрунту і ґрунтових вод такі:

- достатня водопроникність ґрунту, що дозволяє поповнюватися запасам води;

- хороший хімічний склад ґрунтових вод (наприклад, низький вміст заліза), що дозволяє уникнути проблем, пов'язаних з утворенням відкладень на стінках труб і корозією. Схема такої системи приведена на малюнку .

Мал. 2.9.7.1 Схема відкритої системи використання низько потенційної енергії ґрунтових вод.

Замкнуті системи, у свою чергу, діляться на горизонтальні і вертикальні.

Горизонтальний ґрунтовий теплообмінник (у англомовній літературі використовуються також терміни «Ground heat collector» і «horizontal loop») влаштовується, як правило, поряд з будинком на невеликій глибині (але нижче за рівень промерзання ґрунту в зимовий час). Використання горизонтальних ґрунтових теплообмінників обмежене розмірами наявного майданчика.

У країнах Західної і Центральної Європи горизонтальні ґрунтові теплообмінники зазвичай є окремими трубами, покладеними відносно щільно і сполучені між собою послідовно або паралельно (мал. 4а, б). Для економії площі ділянки були розроблені вдосконалені типи теплообмінників, наприклад, теплообмінники у формі спіралі, розташованої горизонтально або вертикально (мал. 4д, 4е). Така форма теплообмінників поширена в США.

Якщо система з горизонтальними теплообмінниками використовується тільки для отримання тепла, її нормальне функціонування можливе тільки за умови достатнього приходу тепла з поверхні землі за рахунок сонячної радіації. З цієї причини поверхня вище за теплообмінники повинна бути направлена до дії сонячних променів.

Мал. 2.9.7.2 Види гориознтальних ґрунтових теплообмінників

Види горизонтальних ґрунтових 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.

Вертикальні ґрунтові теплообмінник дозволяють використовувати низькопотенційну теплову енергію ґрунтового масиву, лежачого нижче за «нейтральну зону» (10–20 м від рівня землі). Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками не вимагають ділянок великої площі і не залежать від інтенсивності сонячної радіації, падаючої на поверхню. Вертикальні ґрунтові теплообмінники ефективно працюють практично у всіх видах геологічних середовищ, за винятком фрунтів з низькою теплопровідністю, наприклад, сухого піску або сухого гравію. Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками набули дуже широкого поширення.

Мал.2.9.7.3

Схема опалення і гарячого водопостачання житлового будинку за допомогою ТНУ з вертикальним ґрунтовим теплообмінником

Теплоносій циркулює по трубах (найчастіше поліетиленових або поліпропіленових), укладених у вертикальних свердловинах завглибшки від 50 до 200 м. Зазвичай використовується два типи вертикальних ґрунтових теплообмінників:

- U-подібний 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-подібні теплообмінники – найбільш широко використовуваний в Європі тип вертикальних ґрунтових теплообмінників.

- Коаксиальний (концентричний) теплообмінник. Простим коаксиальним теплообмінником є дві труби різного діаметру. Труба меншого діаметру розташовується усередині іншої труби. Коаксиальні теплообмінники можуть бути і складніших конфігурацій.

Для збільшення ефективності теплообмінників простір між стінками свердловини і трубами заповнюється спеціальними теплопровідними матеріалами.

Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками можуть використовуватися для тепло- і холодопостачання будівель різних розмірів. Для невеликої будівлі достатньо одного теплообмінника; для великих будівель може бути потрібно ціла група свердловин з вертикальними теплообмінниками.. Вертикальні ґрунтові теплообмінники коледжу «Richard Stockton College» в США розташовуються в 400 свердловинах завглибшки 130 м. У Європі найбільше число свердловин (154 свердловини завглибшки 70 м) використовуються в системі тепло- і холодопостачання центрального офісу Німецької служби управління повітряним рухом («Deutsche Flug-sicherung»).

Окремим випадком вертикальних замкнутих систем є використання як ґрунтових теплообмінників будівельних конструкцій, наприклад фундаментних паль із замоноліченними трубопроводами. Переріз такої палі з трьома контурами ґрунтового теплообмінника приведений на малюнку 2.9.7.4.

При експлуатації ґрунтового теплообмінника може виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунту поблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт не встигає прогрітися до початкової температури – відбувається пониження його температурного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезону викликає ще більше пониження температури ґрунту, і його температурний потенціал ще більше знижується. Це примушує при проектуванні систем використання низько потенційного тепла землі розглядати проблему «стійкості» (sustainability) таких систем.

Мал.2.9.7.4

Схеми ґрунтових теплообмінників замонолічених в фундаментні палі будівлі, та поперечний переріз такої палі

2.9.8 "Стійкість" систем використання низько потенційного тепла землі

При експлуатації ґрунтового теплообмінника може виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунту поблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт не встигає прогрітися до початкової температури – відбувається пониження його температурного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезону викликає ще більше пониження температури ґрунту, і його температурний потенціал ще більше знижується. Це примушує при проектуванні систем використання низько потенційного 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. Для систем використання низько потенційного тепла землі дано наступне визначення стійкості : «Для кожної системи використання низько потенційного 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)». [ORKUSTOFNUN Working Group, Iceland (2001): Sustainable production of geothermal energy - suggested definition. IGA News no. 43. January-March, 2001. 1-2.]

Проведені в дослідження показали, що споживання теплової енергії з ґрунтового масиву до кінця опалювального сезону викликає поблизу регістра труб системи теплозбору пониження температури ґрунту, яке в ґрунтово-кліматичних умовах більшої частини території України не встигає компенсуватися в літній період року, і на початок наступного опалювального сезону ґрунт виходить із зниженим температурним потенціалом. Споживання теплової енергії протягом наступного опалювального сезону викликає подальше зниження температури ґрунту, і на початок третього опалювального сезону його температурний потенціал ще більше відрізняється від природного. І так далі. Однак криві теплового впливу багаторічної експлуатації системи теплозбору на природний температурний режим ґрунту мають яскраво виражений експоненціональний характер, і до п'ятого року експлуатації ґрунт виходить на новий режим, близький до періодичному, тобто, починаючи з п'ятого року експлуатації, багаторічне споживання теплової енергії з ґрунтового масиву системи теплозбору супроводжується періодичними змінами його температури. Таким чином, при проектуванні теплонаносних систем теплопостачання є необхідним облік падіння температур ґрунтового масиву, викликаного багаторічною експлуатацією системи теплозбору, і використання як розрахункові параметри температур ґрунтового масиву, очікуваних на 5-й рік експлуатації ТСУ .

У комбінованих системах, використовуваних як для тепло-, так і для холодопостачання, тепловий баланс відновлюється «автоматично»: у зимовий час (потрібне теплопостачання) відбувається охолодження ґрунтового масиву, в літній час (потрібний холодопостачання) – нагрів ґрунтового масиву. У системах, використовуючих низькопотенційне тепло ґрунтових вод, відбувається постійне поповнення водних запасів за рахунок води, що просочується з поверхні, і води, що поступає з глибших шарів ґрунту. Таким чином, тепломісткість ґрунтових вод збільшується як «зверху» (за рахунок тепла атмосферного повітря), так і «знизу» (за рахунок тепла землі); величина теплопонадходжень «зверху» і «знизу» залежить від товщини і глибини залягання водоносного шару. За рахунок цих теплонадходжень температура ґрунтових вод залишається постійною протягом всього сезону і мало змінюється в процесі експлуатації.

У системах з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками ситуація інша. При відведенні тепла температура ґрунту навколо ґрунтового теплообмінника знижується. На пониження температури впливають як особливості конструкції теплообмінника, так і режим його експлуатації. Наприклад, в системах з високими величинами теплової енергії (декілька десятків Ватт на метр довжини теплообмінника), що відводиться, або в системах з ґрунтовим теплообмінником, розташованим в ґрунті з низькою теплопровідністю (наприклад, в сухому піску або сухому гравії) пониження температури буде особливо помітним і може привести до замерзання ґрунтового масиву навколо ґрунтового теплообмінника.

Німецькі фахівці провели вимірювання температури ґрунтового масиву, в якому влаштований вертикальний ґрунтовий теплообмінник завглибшки 50 м, розташований недалеко від Франкфурта-на-Майні. 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. В кінці опалювального сезону добре помітно зменшення температури ґрунтового масиву навколо теплообмінника. Виникає тепловий потік, направлений до теплообмінника з навколишнього ґрунтового масиву, який частково компенсує зниження температури ґрунту, викликане «відбором» тепла. Величина цього потоку в порівнянні з величиною потоку тепла із земних надр в даній місцевості (80–100 Мвт/м2) оцінюється достатньо високо (декілька ватів на квадратний метр).

Оскільки відносне широке розповсюдження вертикальні теплообмінники почали отримувати приблизно 15–20 років тому, у всьому світі відчувається недолік експериментальних даних, отриманих при тривалих (декілька десятків років) термінах експлуатації систем з теплообмінниками такого типу. Виникає питання про стійкість цих систем, про їх надійність при тривалих термінах експлуатації. Чи є низькопотенційне тепло землі поновлюваним джерелом енергії? Який період «відновлення» цього джерела?

З 1986 року в Швейцарії, недалеко від Цюріха, проводилися дослідження системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками . У ґрунтовому масиві був влаштований вертикальний ґрунтовий теплообмінник коаксіального типу завглибшки 105 м. Цей теплообмінник використовувався як джерело низько потенційної теплової енергії для теплонасосної системи, встановленої в одноквартирному житловому будинку. Вертикальний ґрунтовий теплообмінник забезпечував пікову потужність приблизно 70 Вт на кожен метр довжини, що створювало значне теплове навантаження на навколишній ґрунтовий масив. Річне виробництво теплової енергії складає близько 13 МВт.

На відстані 0,5 і 1 м від основної свердловини були пробурені дві додаткових, в яких на глибині в 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 і 105 м встановлено датчики температури, після чого свердловини були заповнені глинисто-цементною сумішшю. Температура вимірювалася кожні тридцять хвилин. Окрім температури ґрунту фіксувалися і інші параметри: швидкість руху теплоносія, споживання енергії приводом компресора температура повітря і тому подібне.

Перший період спостережень продовжувався з 1986 по 1991 рік. Вимірювання показали, що вплив тепла зовнішнього повітря і сонячної радіації наголошується в поверхневому шарі ґрунту на глибині до 15 м. Нижче за цей рівень тепловий режим ґрунту формується головним чином за рахунок тепла земних надр. За перших 2-3 року експлуатації температура ґрунтового масиву, що оточує вертикальний теплообмінник, різко знизилася, проте з кожним роком пониження температури зменшувалося, і через декілька років система вийшла на режим, близький до постійному, коли температура ґрунтового масиву навколо теплообмінника стала нижча первинної на 1-2 °C.

Восени 1996 року, через десять років після початку експлуатації системи, вимірювання були відновлені. Ці вимірювання показали, що температура ґрунту істотним чином не змінилася. У подальші роки були зафіксовані незначні коливання температури ґрунту в межах 0,5 °C залежно від щорічного опалювального навантаження. Таким чином, система вийшла на квазістаціонарний режим після перших декількох років експлуатації.

На підставі експериментальних даних були побудовані математичні моделі процесів, що проходять в ґрунтовому масиві, що дозволило зробити довгостроковий прогноз зміни температури ґрунтового масиву.

Математичне моделювання показало, що щорічне пониження температури поступово зменшуватиметься, а об'єм ґрунтового масиву навколо теплообмінника, схильного до пониження температури, з кожним роком збільшуватиметься. Після закінчення періоду експлуатації починається процес регенерації: температура ґрунту починає підвищуватися. Характер протікання процесу регенерації подібний до характеру процесу "відбору" тепла: у перші роки експлуатації відбувається різке підвищення температури ґрунту, а в подальші роки швидкість підвищення температури зменшується. Тривалість періоду "регенерації" залежить від тривалості періоду експлуатації. Ці два періоди приблизно однакові. У даному випадку період експлуатації ґрунтового теплообмінника дорівнював тридцяти рокам, і період "регенерації" також оцінюється в тридцять років. [Rybach L., Sanner B. Ground-source heat pump systems - the European experience. GeoHeatCenter Bull. 21/1, 2006.]

Таким чином, системи тепло- і холодопостачання будівель, використовуючи низькопотенційне тепло землі, є надійним джерелом енергії, яке може бути використаний повсюдно. Це джерело може використовуватися протягом достатнього тривалого часу і може бути відновлений після закінчення періоду експлуатації.

Похожие работы

Розробка стратегії розвитку підприємства в пореформений період

Скачать

176676

31

11

... ї діяльності підприємства необхідно поліпшувати ресурсний потенціал, залучати для цього додаткові кошти, розробити та впроваджувати стратегію розвитку підприємства, яка надасть змогу суттєво поліпшити фінансові показники діяльності ТОВ “Маяк” в пореформений період тощо. РОЗДІЛ 3 РОЗРОБКА СТРАТЕГІЇ ТОВ ”МАЯК” В ПОРЕФОРМЕНИЙ ПЕРІОД   3.1. Розробка методики аналізу зовнішнього і внутрішнього ...

Роль і господарське значення газової галузі в економіці України

Скачать

51216

4

4

... і європейського співтовариства та виведення її на рівень технічно надійних, високоекономічних систем. Таким чином, можна виділити чотири стратегічні мети політики держави в газовому секторі економіки України: ¾  зростання видобування газу в країні; ¾  утримання стратегічного становища України в міжнародній системі транспортування газу; ¾  створення фінансових та правових умов ...

Управління реальними інвестиціями на підприємстві

Скачать

160069

32

6

...  (1.11.) Проект з більшим значенням середнього квадратичного відхилення вважається більш ризиковим. Одже, варто співвідносити прибутковість інвестицій з величиною ризику по цьому проетку. Розділ 2. Управління реальними інвестиціями підприємства з переробки металобрухту ТОВ СП “Укрроссталь”   2.1. Аналіз вибору пріоритетних напрямків реального інвестування ...

Основи сучасних систем мотивації персоналу підприємств харчування

Скачать

164120

15

1

... систем мотивації праці, необхідно приділити увагу модернізації виробничих процесів. Та застосуванню новітніх технологій. Розділ 3. Шляхи підвищення ефективності застосування сучасних систем мотивації персоналу   3.1 Удосконалення систем мотивації в підприємстві та шляхи застосування найефективніших систем мотивації Основна категорія працівників ресторанного господарства – кухарі, офіціанти, ...