способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта

Формула изобретения

1. Способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта, включающий устройство в грунте герметичных теплообменников, организацию циркуляции по ним теплоносителя и извлечение из грунта, или/и сброс в грунт низкопотенциальной тепловой энергии, отличающийся тем, что за счет температурного режима теплоносителя обеспечено вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов поровой влаги, содержащейся в грунтовом массиве, при этом температурным режимом теплоносителя предусмотрено в течение года, как минимум, однократное понижение температуры теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник ниже 0°С и замораживание части окружающего теплообменник грунтового массива при извлечении тепла из грунта и, как минимум, однократный обратный переход температуры теплоносителя через 0°С с вовлечением в процесс теплообмена скрытой теплоты замерзания и оттаивания поровой влаги, содержащейся в грунтовом массиве, кроме того, за счет температурного режима теплоносителя обеспечено в поровом пространстве части грунтового массива, окружающего грунтовый теплообменник, как минимум, однократная конденсация водяных паров при извлечении низкопотенциального тепла из грунта и, как минимум, однократное испарение поровой влаги при сбросе тепловой энергии в грунт.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что грунт вблизи грунтового теплообменника или термоскважин в процессе эксплуатации увлажнен, для чего грунтовый теплообменник или термоскважина дополнительно оснащены трубопроводом-спутником, обеспечивающим нагнетание воды под давлением в одну или более точек подачи воды по длине грунтового теплообменника или термоскважины, при этом давление нагнетания воды в трубопровод-спутник определено расчетом, исходя из фильтрационной способности грунтов и количества извлекаемой или аккумулируемой в грунте тепловой энергии, при этом нагнетание воды в грунт обеспечено до наступления в нем отрицательных температур, после чего в замерзшей точке подача воды прекращается, а в остальных точках продолжается, и так до замерзания грунта вокруг всех точек подачи воды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя грунтового теплообменника использована переохлажденная вода, при этом увлажнение грунта вокруг грунтового теплообменника может осуществляться непосредственно теплоносителем - водой, эксфильтрованной из термоскважин в грунт в необходимых объемах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для энергетически и экологически эффективного теплохладоснабжения зданий и сооружений различного назначения.

Известен способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта, заключающийся в охлаждении грунтового массива и использовании извлеченной тепловой энергии с помощью тепловых насосов для целей теплоснабжения. Способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта включает устройство в грунте системы сбора низкопотенциального тепла грунта из термоскважин, по которым циркулирует предварительно охлажденный в тепловых насосах теплоноситель, обеспечивающий отбор тепловой энергии от грунта (Статья «Энергоэффективный жилой дом в Москве», журнал "Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика" (АВОК), № 4 за 1999 год).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта (патент РФ № 2351850, F24D 11/02, F28D 1/00, 2007 г.), включающий устройство в грунтовом массиве системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев Земли, состоящей из термоскважин, сброс в грунт утилизируемой тепловой энергии вентвыбросов здания, ее аккумулирование в грунте - суточное и сезонное, и отбор тепловой энергии или холода из грунта для целей теплохладоснабжения (прототип). Данный способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта обладает низкой энергетической эффективностью из-за низкого удельного теплосъема и теплосброса с единицы длины термоскважины, особенно в летнее время года при сбросе тепловой энергии в грунт. Кроме того, данный способ не позволяет активно влиять на интенсивность теплообмена между грунтом и термоскважиной.

Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения энергетической эффективности использования теплоаккумуляционных свойств грунта.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта включает устройство в грунте герметичных теплообменников, организацию циркуляции по ним теплоносителя и извлечение из грунта, или/и сброс в грунт низкопотенциальной тепловой энергии и за счет температурного режима теплоносителя обеспечивает вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов поровой влаги, содержащейся в грунтовом массиве. Так же температурным режимом теплоносителя предусмотрено в течение года как минимум однократное понижение температуры теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник ниже 0°С и замораживание части окружающего теплообменник грунтового массива при извлечении тепла из грунта и как минимум однократный обратный переход температуры теплоносителя через 0°С с вовлечением в процесс теплообмена скрытой теплоты замерзания и оттаивания поровой влаги, содержащейся в грунтовом массиве. Так же температурный режим теплоносителя обеспечивает в поровом пространстве части грунтового массива, окружающего грунтовый теплообменник, как минимум однократную конденсацию водяных паров при извлечении низкопотенциального тепла из грунта и как минимум однократное испарение поровой влаги при сбросе тепловой энергии в грунт. Возможно, что грунт вблизи грунтового теплообменника или термоскважин в процессе эксплуатации увлажняется, для чего грунтовый теплообменник или термоскважина дополнительно оснащены трубопроводом-спутником, обеспечивающим нагнетание воды под давлением в одну или более точек подачи воды по длине грунтового теплообменника или термоскважины, при этом давление нагнетания воды в трубопровод-спутник определено расчетом исходя из фильтрационной способности грунтов и количества извлекаемой или аккумулируемой в грунте тепловой энергии, при этом нагнетание воды в грунт обеспечено до наступления в нем отрицательных температур, после чего в замерзшей точке подача воды прекращается, а в остальных точках продолжается, и так до замерзания грунта вокруг всех точек подачи воды. В качестве теплоносителя грунтового теплообменника может быть использована переохлажденная вода - «жидкий лед». Увлажнение грунта вокруг грунтового теплообменника может быть осуществлено непосредственно теплоносителем - водой, эксфильтрованной из термоскважин в грунт в необходимых объемах.

Предлагаемое устройство позволяет решить поставленную техническую задачу, потому что температурный режим теплоносителя обеспечивает вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов поровой влаги, содержащейся в грунтовом массиве.

Сущность предлагаемого способа поясняется схемой, показанной на Фиг.1. По грунтовому теплообменнику 1 обеспечена циркуляция теплоносителя 2, температурный режим которого обеспечивает вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов поровой влаги, содержащейся в зоне мерзлого грунта 3 и в зоне конденсации паров воды в поровом пространстве 4 грунтового массива.

Принцип работы предлагаемого способа состоит в следующем: температурный режим теплоносителя предусматривает в течение года как минимум однократное понижение ниже 0°С температуры теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник и замораживание части окружающего теплообменник грунтового массива 3 при извлечении тепла из грунта и как минимум однократный обратный переход температуры теплоносителя через 0°С с вовлечением в процесс теплообмена скрытой теплоты замерзания и оттаивания поровой влаги, содержащейся в зоне грунтового массива 3. При этом температурный режим теплоносителя обеспечивает в поровом пространстве части грунтового массива 4 как минимум однократную конденсацию водяных паров при извлечении низкопотенциального тепла из грунта и как минимум однократное испарение поровой влаги при сбросе тепловой энергии в грунт.

Схема на Фиг.2 поясняет сущность предлагаемого способа в случае необходимости увлажнения грунта вокруг термоскважины. Грунт 3 вблизи грунтового теплообменника или термоскважины 1 в процессе эксплуатации увлажняют, для чего, например, грунтовый теплообменник или термоскважину 1 дополнительно оснащают трубопроводом-спутником 5, обеспечивающим нагнетание воды под давлением в одну или более точек подачи воды по длине грунтового теплообменника или термоскважины.

В этом случае принцип работы предлагаемого изобретения состоит в следующем: давление нагнетания воды в трубопровод-спутник 5 определяется расчетом исходя из фильтрационной способности грунтов и количества извлекаемой или аккумулируемой в грунте тепловой энергии, а вода в грунт нагнетается до наступления в нем отрицательных температур, после чего нагнетание в замерзшей точке подачи воды прекращается, а в остальных точках продолжается, и так до замерзания грунта вокруг всех точек подачи воды. В качестве теплоносителя грунтового теплообменника, например термоскважин, может быть использована переохлажденная вода, а увлажнение грунта 3 вокруг грунтового теплообменника, например термоскважины 1, осуществляют непосредственно теплоносителем 2 - водой, эксфильтрующейся из термоскважин в грунт 3 в необходимых объемах.

Предлагаемое техническое решение позволяет решить задачу использования теплоаккумуляционных свойств грунта эффективнее прототипа, так как температурный режим теплоносителя обеспечивает вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов поровой влаги, содержащейся в грунтовом массиве, кроме того оно позволяет активно влиять на интенсивность теплообмена между грунтом и термоскважиной.