Температура грунту
Грунт як джерело тепла для теплового насоса
На відміну від ”прямого” використання високопотенційного геотермального тепла (гідротермічні ресурси), використання ґрунту поверхневих шарів Землі як джерела низькопотенційної теплової енергії для геотермальних теплових насосів можливо майже скрізь. На даний час в світі теплонасосні технології є одним з найбільш стрімких напрямків використання нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, які розвиваються надшвидкими темпами.
Грунт як джерело тепла для теплового насоса фактично є тепловим акумулятором необмеженої потужності. Тепловий режим ґрунту формується під впливом двох основних факторів – падаючої на поверхню сонячної радіації та потоком радіогенного тепла земних надр. Сезонні та добові зміни інтенсивності сонячної радіації та температури зовнішнього повітря та інтенсивності падаючої сонячної радіації в залежності від конкретних ґрунтово-кліматичних умов коливаються в межах від декількох десятків сантиметрів до півтора метра. Грунт на глибині нижче 10 м майже не підлягає впливу сезонним коливанням температур, це показано на рисинку нижче. Глибина проникнення сезонних коливань температури зовнішнього повітря та інтенсивності падаючої сонячної радіації не перевищує, як правило 15-20 м.
Тепловий режим шарів ґрунту, розміщених нижче цієї глибини ("нейтральної зони”), формується під впливом теплової енергії, що надходить із надр Землі та практично не залежить від сезонних, а тим більше добових змін параметрів зовнішнього клімату. Зі збільшенням глибини температура ґрунту також зростає відповідно до геотермічного градієнту (приблизно 3°С на кожні 100 м). Величина потоку радіогенного тепла, що надходить від земних надр, для різних місцевостей відрізняється. Як правило ця величина складає 0,05-0,12 Вт/м2.
Зміна температури грунту
Таким чином, на порівняно невеликій глибині від поверхні є шари ґрунту, температурний потенціал яких в холодний період року значно вищий, ніж у зовнішнього повітря, а у спекотний період року – значно нижчий.
При облаштуванні в ґрунті вертикальних чи горизонтальних систем відбору низькопотенційного тепла теплового насоса з використанням теплоносія, що циркулює по ним та має нижчу (вищу) температуру відносно навколишнього ґрунтового масиву, відбувається відбір (скидання) теплової енергії (холоду) від ґрунту та підвід її до споживача.
Оскільки ґрунт є достатньо складною та багатогранною структурою при проектуванні систем збору низькопотенційного тепла геотермального теплового насоса потрібно враховувати фактори та використовувати методики, наведені в даній статті.
При розміщенні системи збору низькопотенційного тепла під фундаментами будівель та споруд потрібно оцінити ефект підйому поверхні ґрунту при заморожуванні ґрунтової вологи.
Грунт у зв’язку з його доступністю та достатньо високим температурним потенціалом, є найбільш перспективним джерелом теплової енергії для теплових насосів з величезним потенціалом.
Ґрунтові теплообмінники систем збору низькопотенційної теплової енергії ґрунту, чи систем збору тепла геотермального теплового насоса, можуть укладатися в землю горизонтально, в траншеї, та вертикально, в пробурені свердловини. Оскільки їх функціональні характеристики однакові, то відрізняються вони лише по вартості монтажу та займаної площі. При горизонтальній системі труби ґрунтового теплообмінника укладаються в земляні траншеї глибиною 1,2-2 м, з’єднуючи вітки, послідовно чи паралельно.
Існує багато конфігурацій вертикального укладання теплообмінника, але левова частка затрат припадає на бурові роботи. При паралельному вкладанні труб можна використовувати труби меншого діаметру (а, відповідно, й свердловин). А чим менший діаметр свердловини, тим вища швидкість проходження. Таким чином, паралельне вкладання труб потребує найменших затрат на монтаж системи збору тепла при вертикальному розміщенні.
Рух вологи є основним фактором, що впливає на теплообмін між ґрунтом та теплообмінником. Коли тепло відбирають від землі, то волога в порах ґрунту рухається до ґрунтового теплообмінника теплонасної системи, що покращує теплообмін між трубопроводом та навколишнім ґрунтом. При роботі теплового насоса в режимі охолодження, скидання тепла в ґрунт викликає відтік порової вологи, що сповільнює при цьому перенесення тепла.
Іншим важливим фактором є заморожування води, що знаходиться в порах ґрунту. Використання тепла фазового переходу дозволяє відбирати енергію практично при постійній температурі. Середня температура теплоносія підвищується, що підвищує ефективність роботи теплонасоса. Більш детально питання теплофізичних властивостей ґрунту при різних умовах розглянуто в довідковій літературі.
Розміри ґрунтового теплообмінника визначаються виходячи із розрахункових теплових та навантажень по холоду на геотермальний тепловий насос. Всі теплові насоси грунт-вода розраховуються на максимальну та мінімальну температуру рідини, яка є джерелом енергії.
Довжина грунтового теплообмінника залежить від його конструкції (вертикальний, горизонтальний і т.д.) та продуктивності геотермального теплового насоса. Найкращою рахується конструкція з найменшими витратами на монтаж теплонасосної установки та мінімальними експлуатаційними витратами.
Теплообмінники теплових насосів грунт-вода розміщені в ґрунті можуть працювати при температурах від -10 до +45°С. При мінусових температурах в теплонасосній системі необхідно використовувати незамерзаючий теплоносій. В якості незамерзаючого теплоносія використовують водяні розчини хлористого кальцію, метанолу, етиленгліколю та пропіленгліколю. Кожна із цих рідин не вступає в реакцію з пластмасою. Найдешевший – хлористий кальцій. Він також має найкращі теплотехнічні характеристики, проте з ним можуть виникнути проблеми, якщо із теплонасної системи не повністю видалений кисень. В такому випадку може виникнути корозія металічних частин в петлях теплообмінника геотермального теплового насоса, якщо він виконаний із кольорових металів, наприклад, з латуні чи міді. Метанол веде себе дуже добре при мінімальних температурах, але вибухонебезпечний, якщо не розбавлений водою. Етиленгліколь має хороші теплотехнічні властивості та не викликає корозію, але він токсичний. Пропіленгліколь має гарні теплотехнічні властивостями та не токсичний, тому компанія Прогресс-XXI використовує розчин пропіленгліколю та води при облаштуванні теплонасосних систем.
При використанні матеріалів з сайту, посилання на www.progress21.com.ua є обов'язковим.