Сегодня, 18 апреля
- 10:00-18:00 СочиСочинский Всероссийский жилищный конгресс
- 10:00-18:00 Санкт-Петербург30-я Юбилейная строительная выставка «ИнтерСтройЭкспо 2024»
Ближайшие мероприятия
-
15 апреля - 19 апреля
-
16 апреля - 18 апреляСанкт-Петербург30-я Юбилейная строительная выставка «ИнтерСтройЭкспо 2024»
-
23 апреля - 25 апреляЕкатеринбургВыставка Build Ural 2024
-
23 апреля - 24 апреля
-
24 апреля - 26 апреляСанкт-ПетербургМеждународная выставка «ЖКХ России»
-
24 апреля - 26 апреляСанкт-ПетербургМеждународная выставка-конгресс «Защита от коррозии»
Эффективность пассивного использования «холода» грунта в адаптивных геотермальных теплонасосных системах теплохладоснабжения (АГТСТ) на примере экспериментального дома «улитка»
Г. П. Васильев, М. В. Колесова, В. Ф. Горнов, Н. А. Тимофеев, А. А. Бурмистров
ГК «ИНСОЛАР»
Аннотация
Статья посвящена оценке возможности и эффективности использования пассивного «холода» грунта для холодоснабжения зданий в климатических условиях Москвы (Россия). В статье представлены результаты численных экспериментов по оценке эффективности снижения пиковых нагрузок на систему холодоснабжения здания, оборудованного АГТСТ, за счет использования естественного холода скважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода летом в ночное (внепиковое) время с последующим потреблением его (холода) днем как в пассивном режиме, так и при включении тепловых насосов. В выводах по статье сформулированы основные принципы пассивного холодоснабжения при проектировании АГТСТ.
Ключевые слова:
Адаптивная геотермальная теплонасосная система теплоснабжения (АГТСТ). Геотермальная теплонасосная система теплоснабжения (ГТСТ). Теплонасосная установка (ТНУ). Термоскважины. Система сбора низкопотенциального геотермального тепла (система теплосбора). Теплопроводность. Энергетическая эффективность. Тепловой режим.
Введение
Сегодня геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения (ГТСТ) уже широко применяются в регионах с умеренным климатом (Северная Америка, Европа и Китай [1]). Накопленный в последние десятилетия достаточно обширный мировой опыт практического применения геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения (ГТСТ) выявил наиболее острые проблемы, стоящие на пути их массового внедрения, как за рубежом, так и в России.
Основной причиной, сдерживающей широкое применение ГТСТ, являются значительные первоначальные капитальными вложения в систему, обусловленные не только высокими вложениями в устройство термоскважин, непосредственно обеспечивающих извлечение низкопотенциального геотермального тепла, но и существенными затратами, связанными с увеличением электрической нагрузки здания и пропускной способности подведенных к зданию электрических сетей. В последнее время, в связи с потеплением климата, даже в условиях средней полосы России все большее значение приобретает летняя нагрузка на систему холодоснабжения здания, которая зачастую соизмерима, а иногда и превышает зимнюю отопительную нагрузку. В итоге в ряде случаев фактически летняя холодильная нагрузка здания определяет расчетную мощность электрического привода теплонасосных систем теплохладоснабжения. И именно затраты, связанные с увеличением электрической нагрузки здания и пропускной способности подведенных к зданию электрических сетей, становятся определяющими при принятии решения о применении ГТСТ.
В то же время для большинства регионов России характерны низкие естественные температуры грунта и продолжительный отопительный период, в связи с чем многолетняя эксплуатация ГТСТ в почвенно-климатических условиях большинства регионов РФ практически всегда связана с замораживанием/оттаиванием грунта, окружающего термоскважины, и аккумулированием в грунте значительного количества холода, который целесообразно использовать в летнее время для холодоснабжения здания. Именно на решение этой проблемы и оценку возможности и эффективности использования пассивного «холода» грунта для холодоснабжения зданий в геоклиматических условиях России направлены исследования, представленные в данной статье.
Особенностью представленных численных экспериментов была необходимость учета при моделировании процессов, сопровождающих эксплуатацию АГТСТ процессов замораживания/оттаивания поровой влаги в грунте, окружающем термоскважины. Изучение существующих моделей процессов теплопередачи в системе грунт-термоскважина [2, 3] показало практическое отсутствие общепризнанных алгоритмов решения этой задачи и, в особенности, учета в моделях процессов фазовых превращений поровой влаги в грунте. В итоге для проведения численных экспериментов был выбран разработанный в российской компании INSOLAR-INVEST «программный комплекс INSOLAR.GSHP.12. Программный комплекс INSOLAR.GSHP.12 позволяет моделировать тепловой режим грунтового массива системы сбора низкопотенциального геотермального тепла при многолетней эксплуатации АГТСТ [4], при этом комплекс учитывает, в том числе, и процессы фазовых превращений поровой влаги в грунте [5, 6].
Базовое здание
Рис. 1. Фотография базового экспериментального здания
В качестве базового здания при проведении численных экспериментов было принято реальное экспериментальное здание, расположенное по адресу: г. Москва, Большая Филевская ул., вл. 22, стр. 2. Общая площадь здания — 278 кв. м. Здание имеет три этажа. Форма и план экспериментального здания в виде улитки (рис. 1). Фактическое удельное энергопотребление дома на нужды отопления и вентиляции по результатам инструментальных измерений 55 кВтч/кв. м в год, класс энергоэффективности A++. Дом оснащен системами жизнеобеспечения, использующими низкопотенциальное тепло грунта, атмосферного воздуха, а также имеет эффективную теплозащиту наружных ограждающих конструкций. Дом подключен к городским электрическим сетям и водопроводу. Подключение к городским тепловым сетям отсутствует. На экспериментальном доме установлена теплонасосная система теплохладоснабжения, в основу которой положена разработанная ОАО «ИНСОЛАРИНВЕСТ» принципиально новая научная концепция «адаптивных» геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения (ГТСТ) зданий, предполагающая максимальную гармонизацию графиков энергетических нагрузок объектов теплохладоснабжения с энергетическими возможностями ГТСТ, и обеспечивает как минимум двукратное снижение дополнительной пиковой электрической нагрузки объекта от привода ГТСТ. В качестве источников низкопотенциальной тепловой энергии для испарителей ГТСТ используется грунт поверхностных слоев Земли в комбинации с наружным атмосферным воздухом и вентиляционные выбросы дома [7].
Основные технические характеристики базового экспериментального здания приведены в табл. 1
Таблица 1. Технические характеристики базового экспериментального здания
|
Площадь экспериментального базового здания 278 кв. м |
||
|
Наименование наружной ограждающей конструкции |
Приведенное сопротивление теплопередаче R, м2x°С/Вт |
Площадь, кв. м |
|
Наружные стены |
3,7 |
210 |
|
Пол 1-го этажа |
4,5 |
122 |
|
Покрытие |
4 |
170 |
|
Окна |
0,8 |
36 |
|
Витраж |
0,6 |
40 |
Численные эксперименты
Рис. 2. Изменение температуры теплоносителя системы сбора низкопотенциального тепла грунта в течение 1, 3 и 5 лет эксплуатации ГТСТ
Численные эксперименты проводились для базового здания, описанного в разделе 1, оснащенного АГТСТ. Ограждающие конструкции и технические характеристики базового здания приведены в таблице 1 и при проведении численных экспериментов не изменялись. Изменялись только режимы эксплуатации и, соответственно, нагрузки на инженерные системы зданий.
Численные эксперименты
Рис. 3. Изменение размеров ледяной линзы, намораживаемой вокруг термоскважины (ось абсцисс — время в месяцах, ось ординат — радиус намерзающей линзы, м)
Численные эксперименты проводились для базового здания, описанного в разделе 1, оснащенного АГТСТ. Ограждающие конструкции и технические характеристики базового здания приведены в таблице 1 и при проведении численных экспериментов не изменялись. Изменялись только режимы эксплуатации и, соответственно, нагрузки на инженерные системы зданий.
Численные эксперименты проводились для климатических условий г. Москвы. Расчетные параметры наружного воздуха принимались в соответствии с СП 131.13330.2012 «СНиП 23-01-99* Строительная климатология»:
— летний период — расчетная температура наружного воздуха +26,3 °С по сухому термометру, энтальпия 56,8 кДж/кг (при относительной влажности 56%).
Рис. 4. Коэффициенты трансформации энергии в ГТСТ на 5-й год эксплуатации
В качестве типового климатического года был выбран 2013 год как наиболее близкий к году с показателями, осредненными за последние 30 лет.
При проведении численных экспериментов рассматривались варианты АГТСТ базового здания в различных конфигурациях, использующих естественный холод термоскважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода летом в ночное (внепиковое) время с последующим потреблением его (холода) днем как в пассивном режиме, так и при включении тепловых насосов.
Рис. 5. Изменение температуры теплоносителя системы сбора низкопотенциального тепла грунта в течение 1, 3 и 5 лет эксплуатации АГТСТ
3.1. Численный эксперимент № 1. Вариант ГТСТ базового здания с использованием теплонасосного оборудования в летнее время в реверсивном режиме с воздушным охлаждением конденсатора и сбросом тепла в атмосферу
Численный эксперимент № 1 фактически является базовым вариантом конфигурации АГТСТ, в сравнении с которым проводилась оценка эффективности различных конфигураций АГТСТ, использующих естественный холод термоскважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода.
Рис. 6. Изменение размеров ледяной линзы, намораживаемой вокруг термоскважины
(ось абсцисс — время в месяцах, ось ординат — радиус намерзающей линзы)
Для покрытия холодильных нагрузок здания в летнее время (июнь-август) в этом эксперименте не использовался грунт. Мощность установленного электрооборудования определялась как сумма электрических мощностей теплонасосного оборудования + пикового электродоводчика + циркуляционных насосов, вентиляторов и пр. Горячее водоснабжение дома отсутствовало.
На рис. 2 приведены графики изменения температур теплоносителя на входе (самая холодная точка) в систему сбора низкопотенциального геотермального тепла в течение 1, 3 и 5 лет эксплуатации АГТСТ, а на рис. 3 изменение размеров ледяной линзы, намораживаемой вокруг термоскважины.
Рис. 7. Коэффициенты преобразования энергии (СОР) в АГТСТ на 5-й год эксплуатации
Анализируя диаграммы и графики, представленные на рис. 3 и 4, можно заметить, что в этой конфигурации АГТСТ с каждым годом эксплуатации температура теплоносителя и, соответственно, грунта снижается и к концу марта 5-го года эксплуатации минимальная температура теплоносителя в системе сбора тепла грунта достигает -24 оС. Эта ситуация, в свою очередь, приводит к образованию вокруг термоскважин ледяных линз, которые в летнее время года уменьшаются в размерах, но не оттаивают полностью и к концу марта 5-го года эксплуатации достигают в диаметре 1–1,2 м. Результатом этой ситуации являются сравнительно невысокие коэффициенты преобразования энергии (СОР) в АГТСТ на 5-й год эксплуатации, значения которых представлены на рис. 4. Очевидно, что «холод», аккумулированный в ледяных линзах, может быть эффективно использован в летнее время года для пассивного холодоснабжения.
В табл. 2 приведены результаты эксперимента № 1. В летнее время года холодоснабжение здания осуществляется от теплонасосного оборудования, хладоресурс грунта не используется.
Таблица 2.
Результаты эксперимента № 1
|
Мощность установленного электрооборудования (ТНУ + доводчики + циркуляционные насосы), Wyst |
5,86 кВт |
|
Расход электрической энергии (за 5-й год эксплуатации) на ГТСТ (отопление), Ws |
17397,15 кВт·час |
|
Расход электрической энергии (за 5-й год эксплуатации) на ГТСТ (холодоснабжение), Whol |
1117 кВт·час |
3.2. Численный эксперимент № 2. Вариант ГТСТ базового здания с пассивным использованием «холода», аккумулированного в зимний период в термоскважинах, для холодоснабжения здания в летнее время года
Рис. 8. Температура наружного воздуха в мае
В численном эксперименте № 2 исследовалась эффективность пассивного использованием «холода», аккумулированного в зимний период в термоскважинах, для холодоснабжения здания в летнее время года. Для покрытия холодильных нагрузок здания в летнее время (июнь-август) в этом эксперименте использовался грунт. Мощность установленного электрооборудования определялась как сумма электрических мощностей теплонасосного оборудования + пикового электродоводчика + циркуляционных насосов, вентиляторов и пр. Горячее водоснабжение дома отсутствовало.
На рис. 5 приведены графики изменения температур теплоносителя системы сбора низкопотенциального тепла грунта в течение 1, 3 и 5 лет эксплуатации АГТСТ, а на рис. 6 изменение размеров ледяной линзы, намораживаемой вокруг термоскважины.
Рис. 10. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в июне при пассивном холодоснабжении за счет естественного холода грунта без включения теплонасосного оборудования
Анализируя графики, можно заметить, что в этом эксперименте к началу каждого нового отопительного сезона грунт практически успевает восстановить свой температурный потенциал и даже к началу 6-го отопительного сезона находится в зоне положительных температур. Потребление «холода» из грунта и связанный с этим «сброс» тепловой энергии в грунт, в свою очередь, приводят к полному оттаиванию образовавшихся в зимнее время вокруг термоскважин ледяных линз. Результатом этой ситуации являются повышенные (в сравнении с экспериментом № 1) коэффициенты преобразования энергии (СОР) в АГТСТ на 5-й год эксплуатации, значения которых представлены на рис. 7.
В Таблица3 приведены основные результаты эксперимента № 2. В летнее время года холодоснабжение здания осуществляется от грунта без включения теплонасосного оборудования — в этот период работают только циркуляционные насосы системы сбора низкопотенциального тепла грунта и системы холодоснабжения здания.
Таблица 3.
Основные результаты эксперимента № 2
|
Расчетная мощность установленного электрооборудования (ТНУ + доводчики + циркуляционные насосы), Wyst |
5,86 кВт |
|
Расход электрической энергии (за 5-й год эксплуатации) на ГТСТ (отопление), Ws |
17 009,25 кВт·час |
|
Расход электрической энергии (за 5-й год эксплуатации) на ГТСТ (холодоснабжение), Whol |
215 кВт·час |
3.3. Численный эксперимент № 3. Вариант ГТСТ базового здания с использованием естественного холода термоскважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода летом в ночное время с последующим потреблением днем как в пассивном режиме, так и при включении тепловых насосов
Рис. 10. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в июне при пассивном холодоснабжении за счет естественного холода грунта без включения теплонасосного оборудования
В численном эксперименте № 3 исследовалась эффективность использованиея естественного холода термоскважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода летом в ночное время с последующим потреблением днем как в пассивном режиме, так и при включении тепловых насосов. Мощность установленного электрооборудования определялась как сумма электрических мощностей теплонасосного оборудования + пикового электродоводчика + циркуляционных насосов, вентиляторов и пр. Горячее водоснабжение дома отсутствовало. При проведении эксперимента рассматривался температурный режим теплоносистеля системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в наиболее теплые месяцы года: май-июль. Ход температур наружного воздуха в мае рассматриваемого типового климатического года приведен на рис. 8.
Рис. 11. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального тепла грунта в самые теплые сутки года (28 июня) при пассивном холодоснабжении за счет естественного холода грунта без включения теплонасосного оборудования
На рис. 9, 10 приведены графики изменения температур теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла грунта в мае и июне при использовании естественного холода грунта для пассивного холодоснабжения здания. В этом случае теплонасосное оборудование не включалось и холодоснабжение здания полностью обеспечивалось за счет естественного холода грунта.
Анализ представленных на рисунках графиков показывает, что в климатических условиях Московского региона холодоснабжение базового здания в полном объеме может быть обеспечено за счет естественного холода грунта. Как видно из Рис.11 даже в самые теплые сутки года температура теплоносителя системы теплосбора не поднимается выше 17 оС, что вполне достаточно для обеспечения холодом системы кондиционирования здания.
На рис. 12–15 представлены графики изменения температуры теплоносителя системы теплосбора при пассивном использовании холода, аккумулированного в грунте, при включенном теплонасосном оборудовании.
Рис. 12. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в 1-й, 3-й и 5-й годы эксплуатации при пассивном холодоснабжении с включением теплонасосного оборудования
В этом варианте, как мы видим из представленных на рисунках графиков, весьма эффективно используется «холод», выработанный теплонасосным оборудованием в зимнее время и саккумулированный в грунте. Как мы видим из рисунков 14–15, температура теплоносителя, подаваемого в систему кондиционирования здания, даже в самое теплое время года не превышает 12 оС. [8] Очень важным обстоятельством является тот факт, что, как видно из графиков, в ночное время при сбросе нагрузки на систему кондиционирования происходит «зарядка холодом» системы теплосбора. Холод поступает, или «подкачивается», из слоев грунта, окружающих термоскважину. Этот эффект явно выражен на представленных на рисунках-графиках. При необходимости этот эффект может быть усилен за счет включения теплонасосного оборудования в ночное время и ускоренной «подзарядки» холодом системы теплосбора.
Рис. 13. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в мае при пассивном холодоснабжении с включением теплонасосного оборудования
Заключение
Исследования, представленные в данной статье, позволили сформулировать следующие принципы пассивного использования «холода» грунта при проектировании АГТСТ:
1. При проектировании АГТСТ необходимо максимально использовать пассивное холодоснабжение за счет холода, саккумулированного в грунте в зимнее время, что не только позволяет обеспечить холодоснабжение здания без включения теплонасосного оборудования, но и существенно повышает его (здания) энергоэффективность и обеспечивает экономию энергии около 7%.
Рис. 14. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в июне при пассивном холодоснабжении с включением теплонасосного оборудования
2. При использовании в летнее время года холода, саккумулированного в грунте системы теплосбора, необходимо стремиться к его пассивному использованию в системе кондиционирования здания без включения теплонасосного оборудования, при этом в случае недостаточности хладоресурса грунта теплонасосное оборудование целесообразно включать в ночное время (при льготных тарифах на электроэнергию) для «подзарядки холодом» системы теплосбора.
Рис. 15. Температура теплоносителя на входе-выходе системы сбора низкопотенциального геотермального тепла в июле при пассивном холодоснабжении с включением теплонасосного оборудования
3. Использование холода, саккумулированного в грунте системы теплосбора, для непосредственного охлаждения в летнее время года конденсаторов теплонасосного оборудования нецелесообразно.
4. При проектировании ГТСТ должен учитываться эффект «подкачки холода» из слоев грунта, окружающих термоскважину, наблюдающийся в ночное время при сбросе нагрузки на систему кондиционирования. При необходимости этот эффект может быть усилен за счет включения теплонасосного оборудования в ночное время и ускоренной «подзарядки» холодом системы теплосбора.
Литература
- Lund J. W., Freeston D. H., Boyd T. L. Direct utilization of geothermal energy 2010 worldwide review. Geothermics, 40 (2011). 159–180.
- Yang H., Cui P., Fang Z. Vertical-borehole ground-coupled heat pumps: A review of models and systems, Applied Energy, 87 (2010). 16–27.
- Васильев Г. П. «Использование низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев земли для теплохладоснабжения здания». Теплоэнергетика. 1994. № 2. С. 31–33
- Васильев Г. П. «Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли» (Монография). Издательский дом «Граница». М., «Красная звезда» — 2006. — 220 с.
- G. P. Vasilyev, N. V. Peskov, M. M. Brodach, V. A. Lichman, A. N. Dmitriev,V. F. Gornov, M. V. Kolesova «Estimation of the thermal effect of ground moisture condensation on heat transfer outside a geothermal borehole» Energy and Buildings 82 (2014). 795–798 doi:10.1016/j.enbuild.2014.07.068
- G. P. Vasilyev, N. V. Peskov, V. A. Lichman, V. F. Gornov, M. V. Kolesova, «Simulating the thermal operating conditions in the thermal wells of ground source heat pump heat supply systems. Part I: accounting the porous moisture freezing processes in soil» Thermal Engineering, 2015, Vol. 62, No. 8, pp. 547–552. DOI:10.1134/S004060151508008X
- Васильев Г. П. «Результаты натурных исследований теплового режима экспериментального энергоэффективного дома» Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. № 6. С. 3.
- Васильев Г. П., Тимофеев Н. А. «Энергетический потенциал вентиляционных выбросов жилых зданий В Москве». АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2010. № 1. С. 24–32
Скачать статью в pdf-формате: Эффективность пассивного использования «холода» грунта в адаптивных геотермальных теплонасосных системах теплохладоснабжения (АГТСТ) на примере экспериментального дома «улитка»
