Расчет ТНУ использующий теплоту грунта

 

Грунт является неиссякаемым источником тепловой энергии. Отобрать геотермальное тепло (теплота грунта) можно лишь с помощью тепловых насосов. Тепловой насос - это аппарат, который позволяет передавать теплоту от холодного (низкотемпературного) источника к теплому (высокотемпературному) потребителю. Тепловые насосы, которые используют для отбора тепла грунта, иногда называют грунтовыми. Это понятие довольно условное, т.к. один и тот же тепловой насос может быть использован, как для отбора теплоты грунта, так для отбора теплоты от воды, да и из воздуха.

При отборе теплоты Земли используют ее верхние слои, находящиеся на глубине до 100метров от поверхности. С точки зрения теплообмена этот слой грунта находится под воздействием лучистой энергии Солнца, радиогенного тепла из глубинных слоев Земли, конвективного теплообмена с атмосферным воздухом и теплопереноса за счет различных массообменных процессов (дождь, таяние снега, грунтовая вода и т.д.). Классификация грунтов по их теплопроводности представлена в таблице 2.3 (зарубежные источники).

 

Таблица 1

Классификация грунта

Класс грунта	λ, Вт/(м·°С)	Тип грунта
Очень низкая теплопроводность	<1	Легкая глина (15 % влажность)
Низкая теплопроводность	<1,5	Тяжелая глина (5 % влажность)
Нормальная теплопроводность	<2	Тяжелая глина (15 % влажность) Легкий песок (15 % влажность)
Высокая влажность	<2,5	Тяжелый песок (5 % влажность)
Очень высокая теплопроводность	>2,5	Тяжелый песок (15 % влажность)

 

В российских источниках нами обнаружены таблицы 3 СНиП 2.02.04-88, на основе которой можно составить таблицу 2.4 по определению теплопроводности талого грунта - λ_th.

 

 

Таблица 2

Классификация грунта

Класс грунта	λ, Вт/(м·°С)	Тип грунта
Очень низкая теплопроводность	<1	Заторфонные грунты и торфы
Низкая теплопроводность	<1,5	Суглинки и глины, супесь пылеватая, легкая супесь пылеватая
Нормальная теплопроводность	<2	Тяжелая супесь пылеватая Легкий песок
Высокая влажность	<2,5	Тяжелый песок (5 % влажность)
Очень высокая теплопроводность	>2.5	Тяжелый песок (15 % влажность)

 

О температуре грунта на различной глубине есть лишь данные из зарубежных источников. Из этих данных можно сделать вывод, что на глубине более 8 метров температура практически постоянна в течение года (изменения составляют только 1/20 изменений на поверхности). За границей существует такое понятие, как температура грунта. Справочник ASHRAE предлагает определять температуру грунта по температуре грунтовых вод в данной местности. Если исходить из температуры грунтовых вод, то она колеблется в пределах 8-10 °С для условий Беларуси.

Значение количества радиогенной теплоты составляет (для зоны Центральной Европы) 0,05-0,12 Вт/м². Если оно не известно, то обычно принимается 0,1 Вт/м².

Рисунок 14. Распределение температур грунта по глубине

 

Существует два основных способа отбора геотермального тепла – с помощью открытых и закрытых контуров. Под открытым контуром понимают использование теплоты грунтовых вод, предусматривающих доставку этих вод на поверхность, использования их теплоты и возврат в пласт. Под закрытым контуром понимают использование теплоты грунта с помощью промежуточных теплообменников и теплоносителей. В свою очередь системы с закрытыми контурами различают по типу теплообменников – горизонтальные и вертикальные (рисунок 2.6). Устройство закрытых контуров с вертикальными теплообменниками дороже, чем с горизонтальными теплообменниками. В тоже время контура с горизонтальными теплообменниками занимают большие площади, что может оказать в некоторых случаях весьма критичным условием.

а) б)

Рисунок 15. Разводка труб горизонтального (а),

вертикального (б) грунтовых теплообменников

 

Грунтовый источник - близрасположенное тепло. В поверхностном слое земли накапливается тепло в течение лета, эту энергию также имеет смысл использовать для отопления. Сохраненное в почве тепло согреет Вас даже в холодную погоду.

Тепло из почвы поставляется посредством пластикового шланга, который укладывается по периметру участка на глубине 1 м. Желательно, чтобы почва была влажной. Но и сухой грунт не доставит больших проблем, придется увеличить длину контура. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами должно быть около 1 м. Экологически чистая, морозоустойчивая жидкость, циркулирующая в системе, переносит тепло к теплонасосу.

Для получение 10 кВт на отопление придется уложить 350-450 погонных метра трубопровода. Это примерно займет участок 20х20 метров.

Длина коллектора – высота водного столба (для теплонасоса с источником тепла «земные недра») зависит от многих факторов: среднегодовой региональной температуры, степени покрытия теплонасосом общих энергорасходов, глубины залегания грунтовых вод и величины водного потока.

Рисунок 16. Варианты укладки горизонтального теплообменника в траншею

 

Трубы горизонтальных теплообменников размещают в траншеях. Размещение труб в траншее обычно выполняется двумя основными способами: прямые и свитые в спираль трубы. В жизни существуют и другие, иногда довольно экзотические, способы, например, трубопроводы, прикрывают сверху медными пластинками (copper fins) – видимо для улучшения теплообмена.