Грунтовые тепловые насосы для здания А+

В. Войналович

Повышение цен на энергоносители за последние пару лет существенно повлияло на украинский рынок и побудило потребителей активно реализовывать энергосберегающие решения – пассивные здания, тепловые насосы, рекуперация и т. д. Особое распространение получили грунтовые тепловые насосы малой мощности. Каковы особенности применения грунтовых ТН средней и большой мощности?

На украинском рынке геотермальных тепловых насосов с избытком имеется предложение оборудования разных брендов в различных исполнениях, предназначенное в основном для частного жилого фонда – коттеджей. Услуги по проектированию и монтажу подобных систем и их сервис-обслуживанию предоставляются сейчас достаточным количеством специалистов из разных фирм.

Сегодня уже никого не удивить различными схемами обустройства геотермальных источников энергии: горизонтальные теплообменники, вертикальные теплообменники, скважинные насосы и др. Проектировщики опираются на отдельный стандарт – ДСТУ Б В.2.5-44:2010 «Проектирование систем отопления зданий с тепловыми насосами». Он в полной мере охватывает системы мощностью до 30 кВт, а для более мощных систем предлагается выполнять индивидуальные расчеты.

Когда речь идет о системах мощности 15-30-50 кВт, как правило, используются вертикальные геотермальные зонды из полиэтиленовых труб DN32-DN40. Для проектов такого уровня зонды стараются располагать на одной линии вдоль границ участка, максимально задействовав участок земли вокруг здания (рис. 1).

Рис. 1. Типовые схемы с грунтовыми ТН и с теплообменниками на грунтовых водах

Но как быть, когда желаемая мощность системы представляет порядка 200-500-1000-2000 кВт? Стандартная схема – заполнить весь участок вертикальными зондами с сеткой 5-6-8 м – технически выполнима. Но какова же будет итоговая продуктивность, приведенная к 1 погонному метру длины зонда? Каков будет результирующий эффект такой площади теплообменников, сколько кВт·ч можно извлечь на обогрев и охлаждение? Каково будет взаимное влияние зондов друг на друга? Как это повлияет на грунтовые воды, экологическую обстановку? Давайте разберемся в этом вопросе на примере системы с геотермальным полем с вертикальными U-образными теплообменниками, позволяющей задействовать большую территорию земельного участка, как по площади, так и по глубине.

Первым делом

В первую очередь необходимо провести первичные геологические исследования грунтов, составить «геологическую колонку» глубиной 100 м. Глубина может варьироваться в зависимости от особенностей территории и геологических пород, которые встречаются на площадке. В данном случае речь будет идти о Киевской области. Первичный анализ грунта позволит предварительно оценить энергетический потенциал участка (см. табл. 1).

Таблица 1. Энергоотдача в зависимости от типа грунта

По результатам расчета выполняется оценка потенциалов тепловой и холодильной нагрузки, которую можно извлечь из площадки. Составляется технико-экономическое обоснование, по результатам которого заказчиком принимается решение о дальнейшем проектировании системы выбранного типа.

Полевые испытания

Для второго этапа проектирования необходимо провести натурные испытания теплового потенциала на месте. Для этого следует установить 1-4 тестовых зонда и определить следующие характеристики почвы: направление движения грунтовых вод, теплопроводность пород, скорость движения грунтовых вод. Данные испытания проводятся с помощью испытательной установки, в составе электрического котла, циркуляционного насоса, и цифрового контроллера, который позволяет измерять температуры жидкости на входе и на выходе из скважины, см. рис. 2.

Рис. 2. Схема выполнения тестового куста зондов

Испытания следует проводить согласно данной технологической карте.

1. Заполнить тестовые теплообменники водой (35% – гликолем, при проведении испытаний зимой).
2. Подключить трубы теплообменников согласно схеме испытательного стенда.
3. Установить рабочий режим циркуляции в испытательном зонде, который предусматривает работу от нагревательной установки общей мощностью 6 кВт/ч.
4. Режим работы насоса предусматривает постоянный расход жидкости. Выставить рабочую точку насоса на расход 1,5 м³/ч.
5. Запустить циркуляционный насос и электронагреватель в рабочий режим. Замеры температур согласно технологической карте проводить в течение 48 часов, выполняя фиксацию показаний каждого температурного датчика каждый час.
6. После испытаний в течение 48 часов составить отчет.
7. Переключить установку на следующий по плану зонд, по часовой стрелке.
8. Провести аналогичные испытания для каждого зонда.
9. Составить соответствующие отчеты по каждому зонду.

Данные отчеты являются исходной информацией для трехмерного компьютерного моделирования тепловых потоков CFD-моделирования геотермального первичного контура. Отчет должен быть подписан ответственным лицом, который проводил испытания.

Моделирование теплового поля

Вычисления в виде функций по времени для CFD-моделирования первичного контура необходимы для поиска точки баланса годового цикла охлаждения и подогрева грунта. Расчетная модель представляет собой объемную зону грунта, с учетом теплофизических характеристик каждого слоя, а также вертикальных зондов, с расстановкой в плане согласно предлагаемой сетке размещения, см. рис. 3.

Рис. 3. Вертикальный разрез грунтов и схема расположения зондов в плане

Компоновка взаимного расположения зондов принята исходя из направления течения подземных вод. Гексагональное расположение зондов позволяет снизить взаимное влияние зондов. Моделирование процесса охлаждения и нагрева земли проводятся с учетом годового теплового цикла здания: постепенное охлаждение зимой (с пиковым показателем в январе) и нагрев летом (работа систем кондиционирования). В расчетах применены реальные тепло-/холодопотребности здания, с учетом реального графика работы систем.

Благодаря CFD-моделированию определяются следующие параметры:

• профиль температур земли в зоне установки скважин на конец отопительного периода (см. рис. 4);
• профиль температур земли в зоне установки скважин на начало отопительного периода, после периода регенерации;
• фактическую продуктивность первичного контура в эквиваленте мощности Вт/м длины геотермального зонда;
• годовое потребление энергии из земли в эквиваленте мощности кВт·ч/м·год длины геотермального зонда.

Рис. 4. Тепловой профиль грунта в зоне расположения зондов

Расчет зимнего цикла

Данные графики демонстрируют термическое состояние земляных пород после окончания отопительного периода. В качестве результатов приводятся горизонтальные и вертикальные сечения земли в зоне установки геотермальных зондов. Расчет демонстрирует, что после сезонного цикла отбора тепла минимальная температура грунта составляет около 0°С в приграничной зоне геотермального зонда. Допустимая температура в данной зоне может составлять вплоть до минус 7°С.

Средняя скорость просачивания воды в толщине грунтов (песка, глины) колеблется от 0,001 до 1 м/сутки. В зимний период в связи с охлаждением пород процесс движения подземных вод замедляется, а его влияние на общую продуктивность минимизируется. Ключевой фактор в работе геотермального поля, который влияет на постоянную цикличную работу нагрев/охлаждение, – наличие процесса замораживания грунтовых пород в зоне расположения зондов. Само по себе это явление не представляет опасности ни для грунтов, ни для теплообменников, так как в них циркулирует незамерзающий рассол (30% раствор гликоля, морозостойкость до минус 15°С). Тем не менее, в случае замерзания грунтовых пород в отопительный период срок регенерации грунтов летом существенно замедляется. Все это сказывается на сезонном КПД всей системы.

Рис. 5. Горизонтальный срез на глубине 50 м. Зона залегания песка

Гексагональное расположение зондов позволяет получить в центральной части поля более благоприятную картину. Расчет демонстрирует, что после сезонного цикла отбора тепла минимальная температура грунта составляет около 0°С в приграничной зоне геотермального зонда. Замерзание грунтовых пород не наблюдается.

Данный вертикальный срез (рис. 6) демонстрирует распределение температур по глубине (изотермические кривые) и плотность теплового потока. Последний показатель в полной мере дает понимание, откуда именно система тепловых насосов «качает» тепловую энергию. Желтые и зеленые участки — главный коллекторный узел. В данном месте происходит самое интенсивное закачивание энергии из недр земли или движущейся массы воды.

Рис. 6. Изотермы по глубине слоев геотермального поля

В связи с цикличностью работы системы на нагрев и охлаждение, в приграничном слое происходят самые интенсивные тепловые процессы. Так, данный график (рис. 6) демонстрирует температуру поверхности земли в феврале. Следует обратить внимание, что данное явление может оказать влияние на жизненный цикл зеленых насаждений, произрастающих в зоне размещения геотермального поля теплового насоса.

Расчет летнего цикла

Графики на рис. 7 и 8 демонстрируют термическое состояние земляных пород в средине летнего периода. В данный период регенерация первичного контура может происходить за счет работы системы охлаждения здания, системы солнечных коллекторов, а также естественного процесса отогрева за счет тепла недр земли и движущейся массы воды. Средняя температура пород между зондами на начало августа составляет 6,5°С.

На глубине около 70 м в Киевской области располагается т. н. бучакский водоносный горизонт. Этот слой в данной местности является самым главным источником теплового потенциала, и его регенерация за летний период должна происходить в полном объеме. Средняя температура пород между зондами на начало августа составляет 7-8°С, что является очень хорошим показателем.

Расчеты годовых циклов нужно проводить многократно, подбирая оптимальные удельные значения по отбору «тепла» с условного погонного метра зонда. Годовой цикл обязательно следует завершать с температурной регенерацией грунта до значений 80% и более от начальных значений.

Учет влияния влаги от осадков

Из-за специфики работы программного обеспечения провести расчет с учетом влияний от просачивания грунтов водой, не представлялось возможным. Учесть данное явление можно аналитическим методом. Средняя скорость просачивания воды в толщине водоносных грунтов колеблется от 1-5 м/сутки, а в толщине влажных грунтов (песка, глины) колеблется от 0,001 до 1 м/сутки. Тепловой расчет подтвердил отсутствие замерзания грунта в зимний период, а значит, летом движение вод происходит в обычном режиме, с поправкой на общее снижение температуры пород.

Если принять по всему поясу среднюю скорость просачивания осадков равной 1 м/сутки, то для полного прохода водой всей площадки геотермальных зондов (≈80 м по длине) необходимо примерно 80 суток (в летний период). Расчеты позволяют сделать вывод, что годовой термический цикл геотермального поля замкнут и не требует дополнительных источников тепла.

Прикладные результаты расчетов

Данные расчеты проводились на этапе проектирования ныне действующего здания класса А+: детского садика LeapKids, г. Киев, рис. 9.

Рис. 9. Детский садик LeapKids, г. Киев, с отоплением от тепловых насосов

Для обеспечения здания необходимой тепловой мощностью (~200 кВт), проектом было предусмотрено 38 геотермальных зондов, L = 90 м, 4 трубы DN32, SDR-11. Расположение зондов на площадке выполняется гексагонально, с шагом 6 и 7 м, соответственно:

• 41 Вт/м – фактическая продуктивность первичного контура, приведенная к мощности Вт/м длины геотермального зонда (на стороне испарителя);
• 83 кВт·ч/м·год – годовое потребление энергии из земли, приведенное к мощности кВт·ч/м·год длины геотермального зонда;
• контрольный показатель не должен превышать отметки 150 кВт·ч/м·год.

Отопительная теплонасосная установка объекта «LeapKids» показана на рис. 10.

Вопросы защиты окружающей среды

С потенциалом энергии разобрались. Как быть с экологией? Установка теплообменника на проектное место, подключение труб к магистральным трубопроводам и распределительным коллекторам следует выполнять только после полного тампонирования скважины. Это означает, что скважина должна быть полностью заполнена от наконечника до поверхности без каких-либо пустот. Тампонирование следует выполнять безупречно по двум причинам:

Обеспечение качественного переноса тепловой энергии от теплоносителя к геологическим породам вдоль всей длины зонда.
Герметизация скважины и отверстия на поверхности земли, для защиты грунтовых вод от перетекания между слоями, загрязнения поверхностными жидкостями и материалами.

Качественное заполнение скважины тампонажной смесью возможно лишь при заполнении ее «снизу-вверх». Это гарантирует водонепроницаемый, прочный, надежный, физически и химически стойкий контакт теплообменника с окружающими породами. Попадания воздуха и образования пустот следует избегать при любых обстоятельствах. Чтобы достичь качественного тампонажа следует выполнять следующие рекомендации:

Во время погружения теплообменника в скважину следует параллельно погружать тампонажную магистраль, по которой затем насосом закачивается тампонажная смесь. В процессе заполнения тампонажной смесью магистраль следует постепенно извлекать из скважины. Процесс постепенного извлечения тампонажной магистрали должен проводиться при условии, чтобы уровень смеси всегда находился выше выходного отверстия тампонажной магистрали.

Рис. 10. Отопительная установка грунтовыми тепловыми насосами мощностью 200 кВт

Виртуальный тур по топочной детского садика LeapKids, нажмите на ссылку.

Тампонажная смесь должна полностью удовлетворять всем температурным условиям, которые могут возникнуть в процессе работы системы. Для систем, работающих исключительно для производства тепла, данная смесь должна быть морозостойкой. На практике хорошо себя зарекомендовали смеси бентонита (натуральная минеральная глина)/HOZ (высокоэффективный теплопроводный цемент)/вода или бентонит/HOZ/ песок/вода. Чистая смесь из бентонита и воды имеет низкий показатель теплопроводности (< 0,7 Вт/м·К при 10°С) и она не обладает морозостойкостью. При подготовке смеси для тампонирования следует использовать готовую сухую смесь, например, марки Calidutherm (коэф. теплопроводности составляет 2 Вт/м·К, морозостойкость – до минус 15°С). Описанная выше методика расчетов была впервые апробирована в 2016 году с последующим прохождением государственной экспертизы, с согласованием проекта во всех государственных органах (экология, геологи, охрана труда и т. д.).

В течение первого года полноценной эксплуатации всех инженерных систем комплекса проводились и тестировались все возможные режимы работы тепловых насосов, циркуляционных насосов, системы гидравлической балансировки. Все это позволило выявить самые оптимальные режимы работы системы, которые позволили в 10 (!) раз снизить эксплуатационные затраты в сравнении со стандартным решением на базе городских тепловых сетей. Все это подтверждается реальными счетами на энергоносители и замерами тепло- и холодопотребления всех систем здания.

Проведение программных расчетов и полноценного моделирования позволило еще на этапе проектирования выбрать оптимальный вариант оборудования, что также положительно повлияло на общую экономическую эффективность реализации проекта системы с использованием грунтовых тепловых насосов. В результате – здание детского садика LeapKids, г. Киев, в целом можно отнести к категории энергоэффективности А+.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 6 920