способ посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта и скважинные теплообменники для осуществления вариантов способа

Формула изобретения

1. Способ посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта, при котором в отопительный сезон производят отбор из грунта низкопотенциального тепла, осуществляя подачу жидкого теплоносителя через слои грунта с помощью основной замкнутой циркуляционной системы с установленными в ее составе путем применения скважин вертикальными контурами закрытого типа, и последующую передачу тепла, с преобразованием его путем использования теплонасосного цикла до более высокого температурного уровня, к теплоснабжающей сети объекта энергообеспечения, а в межотопительный период переходят к аккумулированию в грунте внешних тепловых сбросов, переводя подачу теплоносителя через слои грунта на дополнительную замкнутую циркуляционную систему с установленным в ее составе промежуточным теплообменником утилизации тепловых сбросов, отличающийся тем, что при переходе от отбора тепла к аккумулированию тепловых сбросов меняют глубину подачи теплоносителя через слои грунта от уровня пересечения вертикальными контурами одного или нескольких водоносных слоев грунта до уровня выше кровли верхнего водоносного слоя, для чего часть контуров, используемых для отбора тепла из грунта, применяют при отборе тепла и аккумулировании тепловых сбросов по укороченному варианту, путем установки этих контуров в составе дополнительной циркуляционной системы с длиной, соответствующей второму из указанных уровней, при этом остальные контуры устанавливают в составе основной циркуляционной системы с длиной, соответствующей первому уровню.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отборе тепла грунта в отопительный сезон подачу теплоносителя осуществляют одновременно через основную и дополнительную циркуляционную системы с использованием скважинных теплообменников на основе комбинаций длинных и укороченных вертикальных контуров со скважинами соответствующей различной глубины, а при аккумулировании тепловых сбросов в грунте в межотопительный сезон подачу теплоносителя осуществляют только через дополнительную циркуляционную систему с использованием скважинных теплообменников одинаковой длины на основе комбинации укороченных контуров со скважинами соответствующей глубины, при этом образованные другой комбинацией длинные теплообменники одинаковой длины в составе основной циркуляционной системы размещают в ряд, перпендикулярно движению грунтовых вод в водоносных слоях грунта, на расстоянии между собой не менее 6-10 м, и попарно с размещенными в ряд в составе дополнительной циркуляционной системы укороченными теплообменниками, смещая относительно последних в направлении движения грунтовых вод на расстояние, выбираемое по скорости движения вод выше водоносных слоев, в диапазоне 3-5 м.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании для отбора тепла и аккумулирования тепловых сбросов вертикальных контуров в виде U-образных пластиковых трубок применяемые в составе основной и дополнительной циркуляционных систем контуры разной длины размещают попарно внутри каждой скважины, глубину которой выбирают соответственно длинному контуру, при этом отбор тепла с помощью основной и дополнительной циркуляционных систем и аккумулирование тепловых сбросов производят с применением скважин одинаковой глубины, образующих с размещенными в них парой контуров разной длины и теплопроводящим наполнителем скважины скважинные теплообменники одинаковой длины.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при глубине залегания кровли верхнего водоносного слоя, не превышающей 20-40 м, укороченные скважинные теплообменники применяют с увеличенной удельной поверхностью теплопередачи относительно длинных скважинных теплообменников, путем использования для отбора и аккумулирования теплообменников разного конструктивного исполнения, устанавливая, например, в основной циркуляционной системе теплообменники с вертикальными контурами в виде U-образных пластиковых трубок, а в дополнительной циркуляционной системе теплообменники в виде вертикального контура коаксиального типа, выполненного с применением скважины увеличенного относительно длинных теплообменников диаметра.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что при аккумулировании в грунте тепловых сбросов укороченные контура применяют с возможностью подключения в состав дополнительной циркуляционной системы, через основной или дополнительно устанавливаемый в ней промежуточный теплообменник утилизации тепловых сбросов, дополнительного источника сбросов, в том числе - с повышенным относительно основного источника потенциалом, например, тепловых излишков, отводимых при генерации электроэнергии в межотопительный период когенерационной установкой, задавая расход или скорость подачи теплоносителя через укороченные контуры в соответствии с выбранной долей потребления потенциала дополнительного источника через промежуточный теплообменник, либо путем оптимизации при проектировании количества укороченных контуров типовых исполнений, либо путем применения измененного, по варианту попарного размещения длинного и укороченного контуров в скважине, исполнения скважинного теплообменника, при этом подачу через дополнительную циркуляционную систему регулируют в соответствии с возможными изменениями этой доли в течение межотопительного периода.

6. Скважинный теплообменник для посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта, содержащий скважину с установленными в теплопроводящем наполнителе скважины, по крайней мере, двумя вертикальными контурами для подачи жидкого теплоносителя, выполненными в виде петель из U-образных пластиковых трубок, входные и выходные ветви которых включены в снабженную циркуляционным насосом замкнутую систему подачи теплоносителя через испаритель теплового насоса, связанного своим конденсатором с теплоснабжающей сетью объекта энергообеспечения, при этом выходные ветви трубок перед входом в испаритель подключены через перемычки и промежуточный теплообменник утилизации тепловых сбросов к внешнему источнику сбросов, отличающийся тем, что образованные трубками петли контуров выполнены с различной протяженностью, при этом протяженность петли длинного контура и соответствующая ей глубина скважины выбраны с учетом пересечения контуром и скважиной, по крайней мере, одного расположенного в грунте водоносного слоя, а протяженность петли укороченного контура выбрана с возможностью размещения контура над уровнем кровли верхнего водоносного слоя, при этом входная и выходная ветви трубки длинного контура включены в основную замкнутую систему подачи теплоносителя, ветви трубки укороченного контура подключены к снабженной другим циркуляционным насосом дополнительной замкнутой системе подачи теплоносителя, связанной через перемычку на выходе из укороченного контура с входом испарителя теплового насоса и водяной стороной промежуточного теплообменника, выбранного водовоздушного исполнения, с возможностью совместного или раздельного использования через перемычки основной и дополнительной замкнутых систем в отопительный сезон для отбора тепла грунта и передачи потоков теплоносителей через обе системы к испарителю теплового насоса, а укороченный контур выполнен с возможностью подключения через перемычку подачи охлажденного в результате отбора тепла грунта жидкого теплоносителя в межотопительный период к вытяжной линии источника тепловых сбросов в виде тепла удаляемого вентиляционного воздуха от объекта энергообеспечения, связанной посредством другой стороны промежуточного теплообменника, с линией подачи удаляемого воздуха после этого теплообменника на охлаждение помещений объекта.

7. Скважинный теплообменник по п.6, отличающийся тем, что укороченный вертикальный контур выполнен с возможностью подключения через перемычку к дополнительному источнику тепловых сбросов, в том числе с повышенным тепловым потенциалом относительно основного источника, например, в виде отводимых в межотопительный период тепловых излишков от обслуживающей данный или другие объекты энергообеспечения когенерационной установки, а дополнительная замкнутая система подачи теплоносителя снабжена дополнительным промежуточным теплообменником утилизации тепловых сбросов, выбранного водоводяного исполнения, установленным в составе системы с подсоединением через перемычки одной из его сторон к входной и выходной ветвям петли укороченного контура, другой стороны к дополнительному источнику тепловых сбросов, при этом количество укороченных вертикальных контуров в скважине, соотношение диаметров установленных в ней трубок длинного и укороченного контуров и соответствующий этим параметрам диаметр скважины выбраны с учетом заданных, в соответствии с возможной долей потребления потенциала дополнительного источника через дополнительный промежуточный теплообменник, параметров расхода или линейной скорости подачи теплоносителя через укороченный контур.

Описание изобретения к патенту

Область техники.

Предлагаемое изобретение относится к технологиям и средствам автономного отопления в различных режимах (низкотемпературном, среднетемпературном), горячего водоснабжения и охлаждения для строящихся и реконструируемых объектов различного назначения (жилой сектор, административные здания, объекты здравоохранения, образования и др.) с комплексным использованием, на основе скважинных циркуляционных систем закрытого типа и тепловых насосов, низкопотенциальных возобновляемых тепловых источников из окружающей среды (верхние, до глубины 100-200 м, слои грунта) и повышающих их потенциал тепловых сбросов техногенного происхождения.

Уровень техники.

К аналогам предлагаемого изобретения относится способ использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта, предназначенный для горячего водоснабжения (ГВС) многоэтажного жилого дома, реализуемый согласно функциональным схемам, графическое изображение которых приведено на рис.3-20 и 3-24 цветной вкладки между с.160 и 161 монографии: Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. - М.: Издательский дом «Граница», 2006.

В качестве возобновляемой геотермальной энергии здесь используют низкопотенциальное тепло верхних (до глубины 100-200 м) слоев грунта, извлекаемое, перед подачей на термотрансформацию в тепловых насосах, с помощью скважинных теплообменников (СТО). В качестве техногенного источника тепловых сбросов в СТО используют вторичные энергоресурсы - тепло, отходящее с вентвыбросами, которое в течение года утилизируют и добавляют к извлекаемому с помощью СТО теплу грунта.

Способ осуществляют, производя отбор из грунта низкопотенциального тепла путем подачи незамерзающего жидкого теплоносителя (например, тосола) через слои грунта с использованием замкнутой циркуляционной системы, в составе которой с применением скважин установлены вертикальные контура закрытого типа, образующие коаксиальные скважинные теплообменники почти одинаковой длины (рис.3-22, с.115 и рис.3-23, с.116 из указанной монографии), с помощью которых осуществляют отбор тепла из окружающего грунта и передачу нагретого таким образом теплоносителя к тепловому насосу (или каскаду тепловых насосов), где производят термотрансформацию извлекаемого тепла до необходимого потребителю более высокого температурного уровня. При этом в периоды необходимого максимального нагрева воды (зимний режим) в связанной с конденсатором теплового насоса (ТН) сети ГВС жидкий теплоноситель перед подачей в испаритель ТН дополнительно подогревают с помощью установленного, на участке между ТН и выходами из СТО, промежуточного теплообменника водовоздушного типа, связанного обратной (воздушной) стороной с вытяжной линией системы вентиляции объекта, в результате чего в технологической схеме кроме тепла грунта используют вторичные энергоресурсы (тепло вентиляционных выбросов). В летнем режиме ГВС образующуюся избыточную часть тепла вентвыбросов, с помощью продолжающего циркулировать через промежуточный теплообменник и вертикальные скважинные контура теплоносителя, сбрасывают и аккумулируют в грунте, способствуя таким образом восстановлению теплового режима скважин, наряду с естественными факторами, проявляющими себя, в основном, в виде прямого солнечного излучения и геотермального теплового потока. В итоге способ обеспечивает требуемую круглый год для снабжения объекта тепловую нагрузку ГВС.

Недостатки известного способа определяются следующими обстоятельствами. Поскольку сезон ГВС длится практически весь год (с короткими перерывами на испытания и ремонт), в такой схеме грунтовая система теплосбора не имеет возможность оптимальной поддержки восстановления теплового режима скважин со стороны естественных факторов (переменного солнечного излучения и слабого при такой глубине скважин геотермального потока), поскольку эта составляющая восстановления проявляет себя эффективнее в периоды прекращения отбора тепла из грунта (в рассматриваемой схеме - это периоды подключения промежуточного теплообменника к линии подачи теплоносителя через расширительный бак). И если применительно к тепловым мощностям, реализуемым в режиме ГВС, в качестве компенсирующей поддержки для восстановления теплового режима скважин в разрезе года достаточно потенциала тепловых сбросов вентиляции, то при более интенсивных тепловых нагрузках, характерных, например, для отопления, включая теплопотребление объекта и его вентиляцию, тепловой дефицит скважин, как показывает моделирование и эксперименты по теплопереносу в грунте, будет существенно накапливаться в течение не менее 10-15 отопительных сезонов. В качестве подтверждения этого обстоятельства служат, например, отражающие эту динамику графические зависимости, полученные применительно к условиям центральных регионов России путем расчета по шведской методике, многократно проверенной в мировой практике (журнал «Новости теплоснабжения», 2007, № 10, с.26-33).

К тому же на примере геологического разреза, представленного слева на рис.3-23 (с.116 указанной монографии), видно: несмотря на возможность повышения теплосъема с 1 пог. м СТО на участке пересечения внешней поверхностью СТО, начиная с глубины 18 м, водоносного слоя мощностью 5 м (песок мелкозернистый водоносный), за счет известного эффекта - теплового вклада скорости фильтрации грунтовых вод, в замеренные на практике периоды перехода от извлечения к сбросу тепла, как следует из текста на с.119 монографии, «фактически совпадающие с началами и окончаниями отопительных сезонов», благоприятствующая теплосъему ситуация будет сменяться возрастанием тепловых потерь при аккумулировании тепловых сбросов, ввиду рассеивания на этом участке сбрасываемого тепла обтекающими СТО грунтовыми водами. Поэтому в случае использования подобной технологической схемы на площадках, содержащих в геологическом разрезе слои грунта с развитым течением грунтовых вод, в особенности при попытке дополнительного ее применения к обеспечению тепловых нагрузок отопления, даже непрерывная в течение года аккумуляция в грунте сбрасываемого тепла вентвыбросов, сопровождаемая теплопотерями в зоне водоносных слоев, может оказаться недостаточно эффективной для компенсации накапливаемого из года в год, в периоды отопительных нагрузок, теплового дефицита скважин.

Указанные обстоятельства либо потребуют существенного увеличения длины или количества СТО при проектировании системы сбора тепла грунта, связанного с повышением затрат на их строительство, либо приведут с учетом неполного температурного восстановления скважин к экономически неоправданному сокращению срока службы системы теплосбора, к тому же не позволяя при подобной схеме эффективно реализовать режимы отопления в условиях продолжительных отопительных сезонов, а также другие потребительские функции, например, совместить в межотопительный период восстановление скважин с их использованием в жаркий период на прямое (без кондиционеров) охлаждение помещений объекта энергообеспечения.

Это ограничивает технологические возможности известного способа, увеличивает срок окупаемости систем для его реализации, а также сужает возможности выбора эффективных участков территории для застройки подземной части систем.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению по технической сущности способ посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта, согласно которому эффективное обеспечение отопительных нагрузок проводят за счет разделения в рамках года и периодической смены по годам этапов отбора тепла из грунта и аккумулирования сбросного тепла в грунте, причем комбинацию этих этапов осуществляют с поддержкой естественного восстановления теплового режима скважин теплосбора в межотопительный период путем переключения группы вертикальных грунтовых контуров (скважинных теплообменников) одинаковой длины в конце отопительного сезона с основной замкнутой циркуляционной системы (ЗЦС), служащей для отбора тепла грунта, на дополнительную ЗЦС, проходящую через промежуточный теплообменник для утилизации тепла вентвыбросов в межотопительные периоды, причем технологические возможности способа в период работы этой ЗЦС расширены функцией охлаждения помещений объекта энергообеспечения напрямую от скважин («Geothermische Energie» - 2005. - № 49. - схема на с.31, рис.4).

В соответствии с этим способом, принятым за прототип предлагаемого изобретения, в отопительный сезон производят отбор из грунта низкопотенциального тепла, осуществляя подачу жидкого теплоносителя через слои грунта с помощью замкнутой циркуляционной системы с установленными в ее составе путем применения скважин вертикальными контурами закрытого типа, и - последующую передачу тепла, с преобразованием его до более высокого температурного уровня путем использования теплонасосного цикла, к теплоснабжающей сети объекта энергообеспечения, а в межотопительный период переходят к аккумулированию в грунте внешних тепловых сбросов, переводя подачу теплоносителя через слои грунта на дополнительную замкнутую циркуляционную систему с установленным в ее составе промежуточным теплообменником утилизации внешних тепловых сбросов. Применяемый в данном способе источник тепловых сбросов (тепло вентвыбросов) имеет сравнительно малый потенциал, что позволяет, при необходимости, сочетать тепловое восстановление грунта с возможностью одновременного охлаждения помещений объекта подаваемым в этот период через скважинные контура и промежуточный теплообменник (водовоздушного типа) теплоносителем.

Такая технология отличается от ранее рассмотренного аналога расширенными, за счет функций отопления и охлаждения помещений, технологическими возможностями, однако реализуемая в ней, как и в аналоге, подача теплоносителя при посезонной смене этапов отбора и аккумулирования тепла группой теплообменников одинаковой длины (через одни и те же слои грунта), по рассмотренным выше причинам, исключает эффективное проведение обоих этапов при изначальном выборе площадок с достижимым максимальным уровнем продолжительного теплосъема с 1 пог. м СТО, определяемым в том числе тепловым вкладом скорости фильтрации грунтовых вод на участках обтекания ими поверхности СТО. Экономическим обоснованием целесообразности такого выбора является подтвержденная расчетами и практикой возможность сокращения общей длины СТО, входящих в грунтовую систему теплосбора, связанная с повышением удельной извлекаемой тепловой мощности (Вт/пог.м), по разным оценкам, до 17-30%, что снижает затраты на строительство СТО (1. Theoretische und Praktische Untersuchungen zur Auslegung von Erdwarmesonden im Lockergestein unter Besonderer Berucksichtigung der Geologisch - Hydrogeologischen Gegebenheiten Nord - Ost - Deutschlands // IZW - Bericht, FIZ, Karlsruhe. - 1997, № 2, S.57-64. 2. Оптимизация технико- и геолого-экономических решений при разработке и внедрении в России технологий геотермального теплоснабжения // Новости теплоснабжения. - 2010, № 5, С.25-32).

При условии закладки комплекса скважинных контуров одинаковой длины с целью повышенного теплоотбора через зону, благоприятствующую теплосъему, то есть - с пересечением водоносных слоев грунта, переключение подачи теплоносителя с основной на дополнительную циркуляционную систему, для проведения аккумулирования тепловых стоков, приведет к тому, что тепло, накапливаемое при этом за счет поступления от источника стоков в зону, простирающуюся от поверхности Земли до уровня верхнего водоносного слоя, при продвижении теплоносителя глубже этой зоны будет частично или полностью теряться в результате рассеивания на участках поверхности вертикального контура, обтекаемых грунтовыми водами.

И наоборот, в случае выбора участков с глубинами заложения СТО одинаковой длины выше кровли верхнего водоносного слоя, то есть в зоне отсутствующего или слаборазвитого течения грунтовых вод, при реализации известного способа перспективные в данном случае условия для аккумулирования (снижение теплопотерь в несколько раз) будут сопровождаться, при последующем посезонном переходе на отбор тепла из тех же СТО, заниженным удельным теплосъемом (на 1 пог. м СТО), поскольку тепловое влияние ниже расположенных, значительных по мощности и скорости фильтрации водоносных слоев, на выше расположенные СТО проявляется в гораздо меньшей степени, ограничиваясь только способствующим теплосъему повышением теплопроводности пород в результате их водонасыщенности на участке от забоя каждой скважины до уровня стояния жидкости вокруг скважин.

Таким образом, способ не позволяет экономически выгодно задействовать под застройку скважинных грунтовых систем широко распространенные, например, в центральных регионах России, участки территории, где по глубине геологического разреза благоприятные либо к теплосъему, либо к аккумулированию слои приповерхностного грунта, как правило, сменяют друг друга, исключая возможность проведения каждого из указанных проводимых посезонно этапов на максимуме эффективности, ввиду использования грунтовых вертикальных контуров одинаковой длины. Связанная с этим обстоятельством необходимость увеличения суммарной длины или количества СТО при проектировании грунтовых систем может привести к существенному росту затрат на строительство и сроков окупаемости геотермальных проектов.

Кроме того, важен учет еще одного преимущества использования зон геологического разреза, включающих водоносные слои грунта, заключающегося в повышении за счет тепловой поддержки, оказываемой грунтовыми водами, в 2-3 раза годового количества извлекаемого тепла (кВт-ч/пог.м в год), а, следовательно, допустимой длительности отбора тепловой энергии с каждого пог.м СТО в году, которая ограничена падением температуры грунта до величины, близкой к его промерзанию, или - снижением КПТН за пределы эффективных рабочих значений. Такой учет особенно нужен в связи с необходимостью снижения инвестиций в геотермальные проекты в регионах России, большинство из которых характеризуется продолжительными отопительными сезонами (более 4000-5000 ч в год).

Цель настоящего изобретения - за счет комплексного использования в способе таких факторов, как тепловая поддержка движущихся грунтовых вод, минимизация теплопотерь аккумулируемого тепла в зоне неразвитого течения вод, совмещение при аккумулировании тепловых сбросов разного потенциала - обеспечить расширение технологических возможностей, включая эффективное осуществление функции отопления при длительных отопительных сезонах, и снижение при этом эксплуатационных расходов по использованию низкопотенциальных энергоресурсов грунта, а также - уменьшение возрастающих с продолжительностью сезонов затрат на строительство систем скважинных теплообменников (СТО). Для этого необходимо предусмотреть возможность, не увеличивая количества СТО в скважинной системе, посезонно варьировать, при соответствующем выборе геологической площадки, зоны подачи теплоносителя через слои грунта: с зоны, способствующей максимальной геотермальной отдаче в отопительный сезон, на зону, эффективную для сохранения аккумулируемого в грунте тепла за межотопительный период.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта, при котором в отопительный сезон производят отбор из грунта низкопотенциального тепла, осуществляя подачу жидкого теплоносителя через слои грунта с помощью основной замкнутой циркуляционной системы с установленными в ее составе путем применения скважин вертикальными контурами закрытого типа, и - последующую передачу тепла, с преобразованием его путем использования теплонасосного цикла до более высокого температурного уровня, к теплоснабжающей сети объекта энергообеспечения, а в межотопительный период переходят к аккумулированию в грунте внешних тепловых сбросов, переводя подачу теплоносителя через слои грунта на дополнительную замкнутую циркуляционную систему с установленным в ее составе промежуточным теплообменником утилизации тепловых сбросов, согласно изобретениию, при переходе от отбора тепла к аккумулированию тепловых сбросов меняют глубину подачи теплоносителя через слои грунта от уровня пересечения вертикальными контурами одного или нескольких водоносных слоев грунта до уровня выше кровли верхнего водоносного слоя, для чего часть контуров, используемых для отбора тепла из грунта, применяют при отборе тепла и аккумулировании тепловых сбросов по укороченному варианту, путем установки этих контуров в составе дополнительной циркуляционной системы с длиной, соответствующей второму из указанных уровней, при этом остальные контура устанавливают в составе основной циркуляционной системы с длиной, соответствующей первому уровню.

В рамках представленного выше определяющего пункта формулы изобретения предлагаются варианты способа на основе двух разных подходов к изменению глубины подачи теплоносителя: либо за счет предложенных сочетаний в грунтовой системе групп скважинных теплообменников известных типовых исполнений, с отличающейся по группам длиной теплообменников, либо за счет применения в некоторых из вариантов способа скважинных теплообменников предложенной в рамках изобретения конструкции.

По одному из вариантов, реализующих первый подход, дополнительным отличием способа является то, что при отборе тепла грунта в отопительный сезон подачу теплоносителя осуществляют одновременно через основную и дополнительную циркуляционную системы с использованием скважинных теплообменников на основе комбинаций длинных и укороченных вертикальных контуров со скважинами соответствующей различной глубины, а при аккумулировании тепловых сбросов в грунте в межотопительный сезон подачу теплоносителя осуществляют только через дополнительную циркуляционную систему с использованием скважинных теплообменников одинаковой длины на основе комбинации укороченных контуров со скважинами соответствующей глубины, при этом образованные другой комбинацией длинные теплообменники одинаковой длины в составе основной циркуляционной системы размещают в ряд, перпендикулярно движению грунтовых вод в водоносных слоях грунта, на расстоянии между собой не менее 6-10 м, и попарно с размещенными в ряд в составе дополнительной циркуляционной системы укороченными теплообменниками, смещая относительно последних в направлении движения грунтовых вод на расстояние, выбираемое по скорости движения вод выше водоносных слоев, в диапазоне 3-5 м.

Другое отличие определяется вариантом способа, в котором при использовании для отбора тепла и аккумулирования тепловых сбросов вертикальных контуров в виде U-образных пластиковых трубок применяемые в составе основной и дополнительной циркуляционных систем контура разной длины размещают попарно внутри каждой скважины, глубину которой выбирают соответственно длинному контуру, при этом отбор тепла с помощью основной и дополнительной циркуляционных систем и аккумулирование тепловых сбросов производят с применением скважин одинаковой глубины, образующих, с размещенными в них парой контуров разной длины и теплопроводящим наполнителем, скважинные теплообменники одинаковой длины.

Еще одно дополнительное отличие способа, как варианта, заключается в том, при глубине залегания кровли верхнего водоносного слоя, не превышающей 20-40 м, укороченные скважинные теплообменники применяют с увеличенной удельной поверхностью теплопередачи относительно длинных скважинных теплообменников, путем использования для отбора и аккумулирования теплообменников разного конструктивного исполнения, устанавливая, например, в основной циркуляционной системе теплообменники с вертикальными контурами в виде U-образных пластиковых трубок, а в дополнительной циркуляционной системе теплообменники в виде вертикального контура коаксиального типа, выполненного с применением скважины увеличенного, относительно длинных теплообменников, диаметра.

Следующее дополнительное отличие, реализуемое по отношению ко всем предыдущим вариантам способа, определяется тем, что при аккумулировании в грунте тепловых сбросов укороченные контура применяют с возможностью подключения в состав дополнительной циркуляционной системы, через основной или дополнительно устанавливаемый в ней промежуточный теплообменник утилизации тепловых сбросов, дополнительного источника сбросов, в т.ч. - с повышенным относительно основного источника потенциалом, например, тепловых излишков, отводимых при генерации электроэнергии в межотопительный период когенерационной установкой, задавая расход или скорость подачи теплоносителя через укороченные контура в соответствии с выбранной долей потребления потенциала дополнительного источника через промежуточный теплообменник, либо путем оптимизации при проектировании количества укороченных контуров типовых исполнений, либо путем применения измененного по варианту попарного размещения длинного и укороченного контуров в скважине исполнения скважинного теплообменника, при этом подачу через дополнительную циркуляционную систему регулируют в соответствии с возможными изменениями этой доли в течение межотопительного периода.

Наиболее близким к предложенному в рамках изобретения устройству для решения указанной задачи является выбранный в качестве прототипа скважинный теплообменник для посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта, содержащий скважину с установленными в теплопроводящем наполнителе скважины, по крайней мере, двумя вертикальными контурами для подачи жидкого теплоносителя, выполненными в виде U-образных пластиковых трубок, входные и выходные ветви которых служат для присоединения к снабженной циркуляционным насосом замкнутой системе подачи теплоносителя через испаритель теплового насоса, связанного своим конденсатором с теплоснабжающей сетью объекта энергообеспечения. При этом выходные ветви трубок до входа в испаритель имеют возможность переключения через перемычки и промежуточный теплообменник на дополнительную циркуляционную замкнутую систему, связанную с источником тепловых сбросов («Geothermische Energie», 2000, № 28/29, с.26, рис.6). В выбранном прототипе таковым являются тепловые выделения работающего на объекте энергообеспечения оборудования (компьютеры, бытовая техника и др.), поступающие в межотопительный период на аккумулирование в грунтовую скважинную систему (состоит из СТО рассмотренной выше конструкции, в количестве 154 шт., по 70 м длиной каждый, расположенных с выбранным, оптимальным для такой большой системы шагом - 5 м).

Недостатком данного устройства является то обстоятельство, что используемые в скважинных теплообменниках комплексы из двух U-образных вертикальных контуров одинаковой длины при размещении скважин на участках территории, повышающих теплосъем за счет заложения СТО с пересечением водоносных слоев грунта, после подключения в период аккумулирования тепловых сбросов к дополнительной циркуляционной системе, взаимодействующей с промежуточным теплообменником, приведет, как отмечено выше, при запроектированной одинаковой длине контуров к значительным потерям аккумулируемого тепла в зонах пересечения контурами водоносных слоев, ввиду рассеивания тепла обтекающими СТО грунтовыми водами. Таким образом, при использовании такой конструкции снижается комплексная эффективность посезонно сменяемых процессов отбора и аккумулирования тепла, что в итоге ведет к увеличению длины или количества СТО при разработке проектно-сметной документации, повышенным объемам буровых работ, существенно ухудшающими в совокупности с ростом затрат на монтаж СТО экономические показатели строительства и эксплуатации скважинных грунтовых систем (увеличение инвестиций и сроков окупаемости, особенно применительно к продолжительным отопительным сезонам).

Поэтому дополнительной целью изобретения является решение задачи дальнейшего улучшения экономических показателей предлагаемого способа путем создания конструкции скважинного теплообменника, реализующей в рамках некоторых вариантов способа и определенных геологических условий периодическую смену зон подачи теплоносителя на основе общей скважины с самостоятельно функционирующими в ней циркуляционными системами, что обеспечит комплексную эффективность посезонно проводимых этапов отбора и аккумулирования тепла при сниженном количестве грунтовых теплообменников в скважинной системе.

Эта цель достигается тем, что в предложенном для реализации способа скважинном теплообменнике для посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта, содержащем скважину с установленными в теплопроводящем наполнителе скважины, по крайней мере, двумя вертикальными контурами для подачи жидкого теплоносителя, выполненными в виде петель из U-образных пластиковых трубок одинакового диаметра, входные и выходные ветви которых включены в снабженную циркуляционным насосом замкнутую систему подачи теплоносителя через испаритель теплового насоса, связанного своим конденсатором с теплоснабжающей сетью объекта энергообеспечения, при этом выходные ветви трубок перед входом в испаритель подключены через перемычки и промежуточный теплообменник утилизации тепловых сбросов к внешнему источнику сбросов, согласно изобретению, образованные трубками петли контуров выполнены с различной протяженностью, при этом протяженность петли длинного контура и соответствующая ей глубина скважины выбраны с учетом пересечения контуром и скважиной, по крайней мере, одного расположенного в грунте водоносного слоя, а протяженность петли укороченного контура выбрана с возможностью размещения контура над уровнем кровли верхнего водоносного слоя, при этом входная и выходная ветви трубки длинного контура включены в основную замкнутую систему подачи теплоносителя, ветви трубки укороченного контура подключены к снабженной другим циркуляционным насосом дополнительной замкнутой системе подачи теплоносителя, связанной через перемычку на выходе из укороченного контура с входом испарителя теплового насоса и водяной стороной промежуточного теплообменника, выбранного водовоздушного исполнения, с возможностью совместного или раздельного использования через перемычки основной и дополнительной замкнутых систем в отопительный сезон для отбора тепла грунта и передачи потоков теплоносителей через обе системы к испарителю теплового насоса, а укороченный контур выполнен с возможностью подключения через перемычку подачи охлажденного в результате отбора тепла грунта жидкого теплоносителя в межотопительный период к вытяжной линии источника тепловых сбросов в виде тепла удаляемого вентиляционного воздуха от объекта энергообеспечения, связанной посредством другой стороны промежуточного теплообменника, с линией подачи удаляемого воздуха после теплообменника на охлаждение помещений объекта.

Дополнительным отличием устройства является то, что укороченный вертикальный контур выполнен с возможностью подключения через перемычку к дополнительному источнику тепловых сбросов, в том числе - с повышенным тепловым потенциалом относительно основного источника, например, в виде отводимых в межотопительный сезон тепловых излишков от обслуживающей данный или другие объекты энергообеспечения когенерационной установки, а дополнительная замкнутая система подачи теплоносителя снабжена дополнительным промежуточным теплообменником утилизации тепловых сбросов, выбранного водоводяного исполнения, установленным в составе системы с подсоединением через перемычки одной из его сторон к входной и выходной ветвям петли укороченного контура, другой стороны к дополнительному источнику тепловых сбросов, при этом количество укороченных вертикальных контуров в скважине, соотношение диаметров установленных в ней трубок длинного и укороченного контуров и соответствующий этим параметрам диаметр скважины выбраны с учетом заданных, в соответствии с возможной долей потребления потенциала дополнительного источника через дополнительный промежуточный теплообменник, параметров расхода или линейной скорости подачи теплоносителя через укороченный контур.

Краткое описание чертежей. На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта по варианту с аккумулированием в грунте тепла вентвыбросов, показанная в период проведения отопительного сезона и осуществляемая на примере скважинных теплообменников (СТО) коаксиального исполнения. В схеме задействована многоскважинная система в виде 2-х групп СТО разной длины, с расположением длинных и укороченных СТО в 2 ряда относительно друг друга, реализующая в указанный период совместный отбор тепловой энергии из грунта обеими группами с последующей ее термотрансформацией в тепловом насосе применительно к низкотемпературному режиму отопления, имеющая потенциал реализации дополнительной потребительской функции - использования скважин в межотопительный период на охлаждение помещений энергоснабжаемого объекта.

На фиг.2 и 3 представлены фрагменты других, возможных для использования по общей схеме на фиг.1, скважинных систем, отличающихся применением в способе других типовых исполнений СТО: со сдвоенными в скважинах разной длины вертикальными контурами из U-образных пластиковых трубок (по 2 контура одинаковой длины, с одинаковым диаметром трубок, в каждой скважине - фиг.2), либо комбинации из двух разных типовых исполнений СТО по разным группам (фиг.3), применяемой в определенной геологической ситуации (недостаточно глубокое залегание верхнего водоносного слоя - 2а на фиг.3) для увеличения удельной теплопередающей поверхности СТО на этапе аккумулирования в грунте тепловых сбросов.

На фиг.4 изображен фрагмент скважинной системы и предложенная, согласно изобретению, конструкция СТО для реализации другого варианта способа, позволяющего осуществлять, при наличии источника сбросного тепла в виде вентвыбросов или примерно такого же потенциала, этапы отбора тепла и аккумулирования тепловых сбросов в объединяющей два вертикальных контура разной длины из U-образных трубок одинакового диаметра скважине (осевыми линиями на расстоянии h₁ условно показаны соседние СТО).

На фиг.5 отдельно дана схема осуществления варианта способа при возможности использования рядом с объектом источника тепловых сбросов повышенного потенциала (тепловых излишков от КГУ), изображенная применительно к реализации среднетемпературного режима отопления на основе другой предложенной, согласно изобретению, и представленной на фиг.5, конструкции СТО, на примере применения единичного СТО, достаточного, например, для обслуживания (отопление + ГВС) объекта с невысокой теплопотребностью (коттеджа и т.п.).

Осуществление изобретения. В зависимости от конкретных геологических условий, в частности, глубины залегания кровли верхних водоносных слоев грунта относительно поверхности Земли, мощности слоев-водоносов (далее в тексте к значимым по мощности водоносным слоям отнесены слои толщиной не менее нескольких метров) и скоростей фильтрации грунтовых вод, видов и потенциалов имеющихся тепловых сбросов, а также различных назначений и теплопотребностей энергообеспечиваемых объектов, площадей под застройку скважинной системы отбора/аккумулирования тепла, схем автономного энергообеспечения объектов, иногда не только теплом и холодом, но и электроэнергией (схема с когенерацией), предлагаемый способ осуществляют по разным вариантам.

В ряде вариантов способа положенный в основу изобретения определяющий признак - посезонной смены зон геологического разреза путем изменения глубины подачи теплоносителя при переходе от отбора тепла к аккумулированию тепловых сбросов в грунте и обратно - реализуют в результате оптимизации скважинной системы за счет применения в ее составе отличающихся по длине каскадов (групп) вертикальных контуров с применением в каждом каскаде одинаковых по глубине скважин. Решение по этому технологическому направлению получают на основе типовых технических средств, а именно: СТО известных конструктивных исполнений (фиг.1, 2) или комбинации из разных типовых исполнений (фиг.3). По одному из предложенных вариантов способа реализуют другой подход - с использованием измененной в рамках изобретения конструкции СТО (фиг.4). Варианты способа с источником сбросного тепла повышенного потенциала могут быть реализованы как путем оптимизации количества СТО при проектировании скважинных систем, аналогичных изображенным на фиг.1-4, так и путем подключения вместо схемы с источником малой мощности или совместно с ней (например, когда для разных этажей здания запроектированы разные режимы отопления) варианта с дополнительно измененной, относительно фиг.4, конструкцией СТО (фиг.5).

Согласно первому направлению реализации способа, связанному, в основном, с использованием многоскважинных грунтовых систем, в схеме осуществления способа согласно фиг.1 задействованы следующие элементы.

На участке геологического разреза 1, имеющем в своем составе, по крайней мере, один водоносный слой (в примере на фиг.1 - комплекс 2 из двух водоносных слоев 2а и 2б), вдоль центральных осей размещенных в два ряда обсаженных скважин 3 и 4, с разной по рядам глубиной, установлены трубы соответствующей длины (на обведенном окружностью фрагменте фиг.1 центральная труба и образуемое с помощью ее межтрубное пространство показаны в разрезе, стрелками обозначена циркуляция теплоносителя). Трубы в комплексе со скважинами 3 и 4 образуют в данном случае две группы вертикальных контуров 5 и 6 замкнутого типа, в виде СТО коаксиального исполнения, с одинаковой длиной в пределах каждого ряда, но разной по рядам (фиг.1). С целью достижения требуемого для осуществления способа разного расположения контуров относительно уровня залегания водоносных слоев грунта, группа более длинных скважин 3 и контуров 5 выполнена протяженностью, обеспечивающей пересечение ими комплекса слоев-водоносов 2а и 2б до уровня подошвы комплекса или немного ниже, а группа укороченных скважин 4 с контурами 6 - протяженностью, соответствующей их расположению немного выше кровли верхнего водоносного слоя 2а, то есть вне зоны движения и связанного с ним теплового влияния грунтовых вод. Аналогичная схема расстановки СТО может быть предусмотрена применительно к контурам из U-образных пластиковых трубок (во фрагменте на фиг.2 каждая трубка образует отдельный контур, в скважине сдвоены контура одинаковой длины).

При этом, согласно вариантам способа, длинные и укороченные контура и соответствующие им СТО расставлены в скважинной системе либо самым известным и распространенным на практике методом, то есть - на равновеликом расстоянии (с одинаковым шагом относительно друг друга, то есть на фиг.1: h=Н), составляющем согласно рекомендациям, не менее 6-10 м (с целью уменьшения взаимного теплового влияния СТО при отборе тепла из грунта, при этом с возрастанием проектного количества СТО в скважинной системе расстояние увеличивается), либо с уменьшенным, для возможности передачи в отопительный период части аккумулированного тепла от ряда из укороченных контуров 6, в соответствии с направлением движения грунтовых вод, соседнему ряду из длинных контуров 5. Смещение рядов относительно друг друга задают в соответствии с часто проявляемым на практике слабым течением грунтовых вод в зоне выше водоносного слоя 2а, которое по линейной скорости, как правило, на 1-2 порядка ниже (на фиг.1-2 возможные в этой зоне маломощные водоносные слои условно не показаны) более скоростного движения вод в ниже расположенных слоях (направление показано стрелкой). Поэтому, выбирая Н в прежних размерах, h изменяют при проектировании на h₁, где h₁ задают, с учетом распространенных на практике слабых (ниже 10 ^-7 м/с) скоростей фильтрации в верхних слоях, для рассматриваемых центральных регионов России, как правило, составляющих 0,01-0,025 м в сутки. Исходя из указанного диапазона и учитывая рассчитанное по нему возможное смещение части аккумулируемого потока за межотопительный период (5 месяцев) от ряда укороченных контуров 6 в сторону движения грунтовых вод, h₁ задают 3-5 м, при этом наибольшее значение (5 м) соответствует верхнему пределу из этого диапазона скоростей (в пересчете - не более 10 м в год). Расстояния выбраны также на основе подтверждающих экспериментов по аккумулированию в условиях слабо проявляемого влияния грунтовых вод, в средней (36 СТО с контурами по 30 м на расстоянии 3 м, из сдвоенных U-образных трубок) и крупной (154 СТО с контурами по 70 м на расстоянии 5 м, того же исполнения) скважинных системах, тепловых сбросов малого и повышенного потенциала, соответственно - выделений тепла от работающего бытового оборудования или тепловых излишков от КГУ (1. Nahwarmesystem mit Erdsondenwarmespeicher in Greusenheim. / R.Barthel und and. // Geothermische Fachtagung, Straubing: 12-15 Mai 1998 - с.531-538. 2. «Geothermische Energie», 2000, № 28/29. - с.23-27).

Для подачи жидкого незамерзающего теплоносителя (например, тосола) через слои грунта длинные контура 5 при коаксиальном исполнении встроены с помощью центральных труб и межтрубного пространства (показано во фрагменте, обведенном окружностью на фиг.1) в снабженную насосом 7 основную замкнутую циркуляционную систему (ЗЦС) 8, имеющую возможность подключения (с помощью перемычек 9, 10, 11а) к входу и выходу испарителя 12 теплового насоса 13, связанного через конденсатор 14 с сетью водяного отопления 15, снабженной насосом 16 и пиковым догревателем 17 (накопительные емкости сети и требуемая для низкотемпературного отопления внутрипольная трубная разводка условно не показаны).

Укороченные контура 6 аналогичным методом встроены в снабженную насосом 18 дополнительную ЗЦС 19, имеющую возможность подключения либо (через перемычки 10, 11б, 20, 21) к входу и выходу испарителя 12, либо (через перемычку 22, при закрытой перемычке 21) к водяной стороне промежуточного теплообменника 23 утилизации тепловых сбросов, связанного другой (воздушной) стороной через перемычку 24 с вытяжным блоком 25 системы вентиляции энергообеспечиваемого объекта (условно не показана). Блок 25 имеет также возможность подключения через перемычку 26 к рекуперативному теплообменнику 27 линии возвращения тепла вентвыбросов в отопительную нагрузку (условно не показана). В общей схеме осуществления способа (фиг.1) также задействованы перемычки 28, 29, 30, 31, при этом последние две служат для передачи воздуха, поступающего от блока 25 через теплообменник 23, либо в атмосферу, через перемычку 30 (по варианту выполнения функции восстановления теплового режима грунта при ненадобности охлаждения помещений энергообеспечиваемого объекта), либо через перемычку 31 в блок 32 раздачи воздуха для реализации, вместе с тепловым восстановлением грунта, дополнительной функции - охлаждение помещений объекта напрямую от скважин, которые в результате отбора из них тепла к межотопительному периоду приобрели пониженную температуру.

В случае применения в схеме, аналогичной фиг.1, другой типовой конструкции СТО, в виде петель, размещаемых с использованием теплопроводящего наполнителя в скважинах 3 и 4 (фиг.2), каждая вертикально установленная U-образная пластиковая трубка имеет в сдвоенных петлях одинаковую длину и выполняет внутри скважины роль отдельного контура, имеющего входную и выходную ветви (на фиг.2 наполнитель скважин выделен серым фоном, а трубчатые петли показаны условно, каждая петля - в виде утолщенной линии, при этом контура одинаковой длины для удобства перехода к их рассмотрению в составе общей схемы на фиг.1 обозначены одинаковой позицией (например, на фиг.2 - два контура 5 и два контура 6)). Подсоединение длинных и укороченных контуров к основной и дополнительной ЗЦС в данном случае осуществляют, объединяя сдвоенные петли на входе и выходе общими патрубками. При этом завершающие колена трубок укороченных вертикальных контуров 6 и забой скважины 4 размещают по аналогии с фиг.1, выше кровли верхнего водоносного слоя 2а (фиг.2), то есть вне зоны значимого движения грунтовых вод, а длинные контура 5 размещают с учетом пересечения ими и скважиной 3 одного или нескольких водоносных слоев достаточной мощности (в примере на фиг.2 - слои 2а и 2б).

При условии обеспечения теплозащиты строящегося объекта в соответствии с современными строительными нормами или после реконструкции действующего объекта под эти нормы, что позволяет во многих проектах ограничиться низкотемпературным режимом отопления, а также при условии оснащения объекта системой приточно-вытяжной вентиляции, с учетом изученности геологического разреза в месте расположения объекта, способ, согласно общей схеме, представленной на фиг.1, осуществляют следующим образом.

С началом первого отопительного сезона, с помощью циркуляционных насосов 7 и 18 (работающие насосы на схеме условно показаны зачерненными треугольниками), одновременно по основной 8 и дополнительной 19 замкнутым циркуляционным системам (ЗЦС) жидкий теплоноситель (например, тосол) под давлениями N₁ и N₂ подают для отбора тепла грунта в длинные 5 и укороченные 6 вертикальные контура либо коаксиального исполнения (фиг.1), либо в контура из U-образных пластиковых трубок (фиг.2). Далее подогретый в межтрубном пространстве (показанном во фрагменте на фиг.1) или в U-образных трубках (фиг.2), за счет тепла окружающего грунта, теплоноситель пропускают, смешивая потоки от ЗЦС 8 и 19, через испаритель 12 электрического теплового насоса 13 (при открытых перемычках 9, 10, 11а, 11б, 20, 21, 28 и закрытых перемычках 22, 29), осуществляя передачу части тепла в испарителе низкокипящему рабочему телу (хладагенту), сжимаемому после испарения компрессором теплового насоса. В результате сжатия пары хладагента нагревают, производя трансформацию поданного с потоком теплоносителя низкопотенциального тепла грунта до более высокого температурного уровня. Этот уровень используют для подогрева отопительной воды, циркулирующей с помощью насоса 16 через конденсатор 14 теплового насоса и низкотемпературную (например, напольную) сеть отопления 15, до некоторой промежуточной температуры (40°С на фиг.1), определяемой рекомендуемым эффективным перепадом температур в испарителе и конденсаторе (как правило, не более 30-50°С). После выхода из испарителя 12 теплоноситель снова разделяют на потоки, поступающие по ЗЦС 8 и 19 по группам СТО разной длины. При необходимости, в самые холодные сутки, с помощью пикового догревателя 17, например, электрического, производят дополнительный нагрев воды, поступающей из конденсатора 14 до расчетной температуры низкотемпературного режима отопления (на фиг.1 - до 45°С).

Одновременно, в течение первого и последующих отопительных сезонов, тепло удаляемого вентиляционного воздуха в отапливаемом объекте утилизируют по предпочтительной в эти периоды схеме, направляя воздух при закрытой и открытой соответственно перемычках 24 и 26 в рекуператор 27, возвращая через него большую часть тепла в приточную линию системы вентиляции объекта (используя рекуперацию именно в сезон отопления, возвращают больше тепла по отношению к варианту со сбросом в скважины: на современных рекуператорах - от 70 до 90%).

При подаче в СТО теплоносителя, охлажденного в результате прохождения через испаритель теплового насоса на 3-5°С, извлечение тепла из грунта в течение первого отопительного сезона и далее сопровождается постепенным падением температуры грунта, которое приводит к концу сезона к температуре теплоносителя, приближающейся к минимальному допускаемому значению для эффективной работы теплового насоса (в примере на фиг.1 в конце первого сезона температуру перед входом в испаритель 12 ограничивают рекомендуемой предельной величиной, указанной в скобках - минус 5°С).

Чтобы предотвратить дальнейшее падение температуры теплоносителя в последующие сезоны (связанное на этапе отбора тепла из грунта, например, с недостаточными возможностями дополнительного теплосъема, вызванными в отопительный сезон сравнительно малыми скоростями фильтрации грунтовых вод, а в межотопительный период - возможным неполным тепловым восстановлением грунта от других естественных факторов), после окончания первого отопительного сезона тепловые сбросы вентиляции направляют на аккумулирование в грунт (в СТО). Для минимизации тепловых потерь аккумулируемого тепла за межотопительный период с его началом основную ЗЦС 8 с длинными скважинными контурами 5, пересекающими водоносные слои грунта (2а и 2б на фиг.1, 2), отключают с помощью перемычек 10, 11а, а глубину подачи теплоносителя уменьшают до уровня зоны, располагаемой над кровлей верхнего водоносного слоя 2а, для чего, выключая насос 7, циркуляцию теплоносителя осуществляют при закрытых перемычках 10, 11а, 21, 28 через открытые перемычки 22, 29, 11б только по дополнительной ЗЦС 19 с укороченные контурами 6 коаксиального или петлевого типа (фиг.1, 2), минуя в этот период тепловой насос 13.

Таким образом, теплоноситель после прокачки через укороченные контура 6 подают к водяной стороне промежуточного теплообменника 23, где осуществляют дополнительный подогрев за счет разницы между температурами теплоносителя и более нагретыми выбросами удаляемого вентиляционного воздуха, переключая для этого, путем открытия перемычки 24 и закрытия 26, подачу воздуха от вытяжного блока 25 системы вентиляции на промежуточный теплообменник 23. Далее теплоноситель подают, минуя тепловой насос 13, снова в контура 6, где в течение межотопительного периода, за счет циркуляции теплоносителя и аккумулирования при этом сбросного тепла, происходит тепловое восстановление, переходящее в небольшой подогрев грунта относительно первоначального состояния (перед началом первого отопительного сезона). Как показывают расчеты с применением компьютерного моделирования по известной методике («Новости теплоснабжения», 2007, № 10, с.26-33), на примере глубин до 100 м применительно к начальным температурам грунта по Ярославской области (6-8°С) в условиях работы типовой вентиляции со сбросом в грунт тепла вентвыбросов в течение межотопительного периода, при отсутствующем или заданном слабом движении грунтовых вод в зоне выше смоделированного водоносного слоя 2а в диапазоне указанных скоростей (0,01-0,025 м/сутки), исходную для начала следующего отопительного сезона температуру теплоносителя на выходе из скважинных контуров 6 в результате многократных циркуляций с помощью ЗЦС 19 выводят за этот период (5 мес) на уровень 10-12°С.

Одновременно с началом аккумулирования, за счет движения грунтовых вод задают приоритетное направление распространения фронта аккумулируемого теплового потока, в результате чего происходит постепенное медленное смещение накапливаемого тепла от ряда укороченных контуров 6 к располагаемым напротив длинным контурам 5, начинающее охватывать, согласно выбранному по скорости течения расстоянию h₁ , частью теплового потока к началу отопительного сезона длинные контура 5, в результате чего осуществляют поддержку теплового восстановления верхней части длинных СТО частью аккумулируемого тепла от укороченных СТО.

Следовательно, в отопительный сезон нижнюю часть длинных СТО прогревают, в основном, за счет теплового влияния сравнительно быстро движущихся грунтовых вод, а верхнюю часть - за счет поступающей с медленно движущимися водами части аккумулированного тепла от укороченных СТО (здесь теплопередаче также способствует повышенная, ввиду стояния жидкости вокруг скважин из-за подпора ниже расположенных водоносных слоев, теплопроводность грунта). При этом часть тепла, аккумулированного в верхней зоне геологического разреза ближе к концу межотопительного периода и сохраняемого в окрестности укороченных СТО ввиду низких скоростей фильтрации, также используют в отопительный сезон в совместном потоке от длинных и укороченных СТО к тепловому насосу, с целью повышения геотермальной теплоотдачи.

После прохождения через теплообменник 23 удаляемый воздух вентиляции, охлажденный в теплообменнике жидким теплоносителем меньшей температуры, поступающим от укороченных контуров 6, либо сбрасывают в атмосферу, открывая перемычку 30 и закрывая перемычку 31, либо в жаркий период, производя обратные действия с этими перемычками, используют по более экономически выгодному варианту, обеспечивающему расширение технологических возможностей способа, путем подачи воздуха в этот период в распределительный блок 32 на охлаждение помещений энергообеспечиваемого объекта.

В следующий отопительный сезон снова включают совместную подачу теплоносителя по основной и дополнительной ЗЦС 8 и 19 со встроенными в них, согласно фиг.1 или фиг.2, конструкциями скважинных контуров, и обеспечивают, с учетом достигнутой при аккумулировании через укороченные контура ситуации сокращенных теплопотерь (влияние обтекающих вод отсутствует) и задействованной, путем смены зон подачи теплоносителя, возможности оказания тепловой поддержки движущихся грунтовых вод на этапе отбора тепла, дополняемой в верхней зоне длинных СТО частью аккумулируемого потока, оптимальную температуру смешанного потока теплоносителя на входе в испаритель теплового насоса. Обеспечивая к началу второго и последующих отопительных сезонов за счет предварительного аккумулирования с минимумом теплопотерь не ниже 10-12°С, в конце сезонов, как показано на фиг.1, получают примерно 5°С. Это на 10°С выше величины для первого сезона, показанной на фиг.1 в скобках и получаемой без предварительного аккумулирования тепла вентвыбросов. При возможности в конкретной ситуации осуществления способа с измененной в первый сезон очередностью проведения этапов отбора и аккумулирования тепла указанные температурные показатели только улучшатся.

При полученной температуре теплоносителя на входе в испаритель теплового насоса (5°С, фиг.1) и заданном оптимуме перепада температур между испарителем и конденсатором (35°С), получают температуру отопительной воды 40°С на выходе из конденсатора 14, поддерживая, при необходимости, в самый холодный период года с помощью пикового догревателя 17 расчетную температуру низкотемпературного отопления (45°С, напольный вариант для регионов с продолжительными отопительными периодами). Переключаясь после аккумулирования снова на отопительный процесс, за счет предшествующей минимизации теплопотерь, по аналогии с экспериментами в схожих геологических условиях, с использованием в рыхлых грунтах зоны со слабо проявляемой скоростью движения грунтовых вод (Nahwarmesystem mit Erdsondenwarmespeicher in Greusenheim. / R.Barthel und and. // Geothermische Fachtagung, Straubing: 12-15 Mai 1998, S.531-538), возвращают после аккумулирования на теплоснабжение около 60% сбрасываемого в СТО тепла (в отличие от практики аккумулирования в зонах с мощными водоносными слоями, показавшей, что тепловые потери составляют не менее двух третей от объема тепловых сбросов).

С окончанием отопительного сезона снова переходят к рассмотренному восстановлению сниженных за период отбора тепла температур грунта и теплоносителя, путем аккумулирования в грунте тепла вентвыбросов, повторяя затем посезонно меняющиеся этапы отбора и аккумулирования тепла в приведенной выше последовательности.

Таким образом, не увеличивая общего количества вертикальных контуров в скважинной системе, а наоборот, снижая общую глубину бурения скважин за счет укороченных контуров, осуществляют возможность периодического перемещения теплоносителя из зоны тепловой поддержки, оказываемой значимыми по мощности и скорости фильтрации водоносными слоями, в выше расположенную зону отсутствующего или слабого движения грунтовых вод, решая задачу посезонной смены гидрогеологических условий и геологических зон подачи теплоносителя, от благоприятных для отбора тепла из грунта до благоприятных для аккумулирования в грунте тепловых сбросов. При этом опасность более скорого охлаждения грунта при отборе тепла, в связи с укорочением части контуров, отсутствует, ввиду предварительно повышенного теплового потенциала грунта на участке их расположения, за счет аккумулирования тепловых сбросов именно в этих контурах.

Увеличение температуры теплоносителя на входе в тепловой насос на 10°С относительно величины, получаемой в первый отопительный сезон без предварительного аккумулирования тепловых сбросов (-5°С, фиг.1), при одинаковом режиме отопления соответствует по термодинамическим расчетам повышению в 1,3-1,4 раза коэффициента преобразования теплового насоса (КПТН). Это подтверждает эффективность предлагаемого способа в отношении энергосбережения, которая заключается в соответствующем снижении, за счет достигнутого КПТН, потребления электроэнергии приводом ТН, что ведет к уменьшению ежегодных эксплуатационных расходов.

Даже при использовании в способе варианта традиционной закладки скважинной системы, с одинаковыми расстояниями в ряду и между рядами, исходящего из общего принципа устранения охлаждающего взаимовлияния СТО в период отбора тепла (h=Н на фиг.1, где, согласно рекомендациям, Н выбирают не менее 6-10 м), при сочетании процессов, способствующих восстановлению теплового режима грунта (тепловая поддержка грунтовых вод на участках расположения водоносных слоев и снижаемое с увеличением расстояний поступление в отопительный сезон части аккумулированного тепла через зону расположения укороченных контуров к длинным контурам), одну из групп СТО выполняют с применением существенно укороченных скважин, что ведет к соответствующему снижению объема трудоемких буровых и строительно-монтажных работ. На примере распространенных в ряде центральных регионов России глубин залегания кровли и подошвы различных слоев-водоносов (как правило, 30-40, 60-80 м и др.), снижение глубины бурения скважин под укороченные СТО, относительно длинных СТО, может составить до 50% и более, а сокращение объема затрат на буровые работы по всей скважинной системе - в среднем, 25%.

При осуществлении варианта способа со сближенными рядами длинных и укороченных СТО (фиг.1, h меньше Н и задано h₁=3-5 м), применяемого в случае, если гидрогеологические оценки показали довольно малые скорости движения грунтовых вод (0,01-0,025 м в сутки), дополнительного сокращения затрат достигают за счет уменьшения площади под скважинную систему, а также - материалов и работ, связанных с горизонтальной разводкой между СТО, что особенно важно в ситуации, когда строительство многоскважинной системы сбора тепла грунта затрудняет уже существующая плотная застройка.

Еще один вариант способа, реализуемый на основе подхода, использующего типовые исполнения СТО, применяют предпочтительно, когда особенностью геологического разреза является небольшая глубина залегания кровли верхнего водоносного слоя (не более 20-40 м от поверхности Земли, например, по Ярославской области этот параметр может изменяться от указанных значений до 100 м и далее). Тогда, ввиду ограниченной этим обстоятельством глубины возможной зоны для эффективного аккумулирования тепловых сбросов, способ осуществляют, сочетая в скважинной системе комбинацию конструктивных исполнений вертикальных контуров разной длины, в которой исполнение укороченного контура позволяет компенсировать указанный фактор за счет увеличенной удельной теплопередающей поверхности относительно длинного контура (фиг.3).

Например, в качестве наиболее коррозионно устойчивого варианта для работы в зоне размещения водоносных слоев грунта, к тому же более экономичного по удельным затратам (на 1 пог.м СТО), при монтаже группы длинных контуров 5 в составе основной ЗЦС 8 (фиг.1) используют распространенную, многократно проверенную на надежность в Европе и мире конструкцию СТО на основе вертикально установленных в теплопроводящем наполнителе скважины сдвоенных U-образных пластиковых трубок (например, из полиэтилена высокой плотности) с выведенными наружу из скважины входной и выходной ветвями для подачи и отбора теплоносителя (на фиг.3 - сдвоенные контура 5 справа). В составе дополнительной ЗЦС 19 применяют укороченный контур 6 коаксиального исполнения, выполняемый с увеличенным, относительно скважины 3, диаметром скважины 4 (на фиг.3 - D₂ больше D₁). Таким образом за счет увеличенной круговой поверхности контакта с окружающим грунтом, присущей, как правило, исполнению СТО коаксиального типа компенсируют ограниченную особенностями геологического разреза длину контура 6, выбранную, исходя из имеющегося геологического разреза, и предназначенную для аккумулирования тепловых сбросов. Возможен также вариант исполнения укороченного контура 6 в виде вертикально устанавливаемого в скважине 4 отрезка спиралеобразной пластиковой трубки, с внешним диаметром спирали D₂.

Рассмотренный вариант универсален в отношении возможности применения способа не только в новом строительстве, но и, в зависимости от уточненной геологической обстановки, для повышения эффективности уже действующего геотермального проекта, на основе оснащения его еще одной циркуляционной системой с группой СТО другого конструктивного исполнения, при уже действующей системе, с первоначально смонтированными СТО.

Предлагаемый способ предусматривает также вариант, реализуемый предпочтительно, когда гидрогеологические оценки показывают наличие на территориях регионов участков с практически отсутствующим (очень медленным) движением грунтовых вод в верхних слоях приповерхностного грунта: к ним относят зоны со скоростями фильтрации менее 0,01 м в сутки, на фиг.1-5 условно не показанные, располагаемые выше одного или нескольких достаточно мощных водоносных слоев. На этих участках способ осуществляют с проведением посезонных процессов отбора тепла и аккумулирования тепловых сбросов на основе общей скважины, образующей при совмещенной установке в нее длинного и укороченного вертикальных контуров из U-образных пластиковых трубок скважинный теплообменник предложенной, согласно изобретению, конструкции (фиг.4).

Это позволяет дополнительно сократить размеры площадки под скважинную систему за счет появляющейся возможности более компактной расстановки скважин (в отличие от фиг.1-3, с уменьшением расстояний в компоновке скважин до одинаковой величины h₁, также выбираемой в диапазоне 3-5 м, на фиг.4 соседние скважины условно показаны осевыми линиями), в особенности, в проектах, реализуемых в условиях жестких ограничений на размеры площадок под застройку СТО.

В этом варианте способа, в отличие от предыдущих вариантов, основанных на типовых конструктивных исполнениях СТО (фиг.1-3), глубину скважин выбирают одинаковой и соответствующей более длинному контуру 5, формируя, путем забутовки теплопроводящим наполнителем 4 всей полости скважины 3 (фиг.4), одинаковые по длине СТО во всей скважинной системе. В отличие от СТО известной конструкции, тоже объединяющей по два контура петлевого типа в общей скважине, здесь совмещены контура (петли) разной длины, выполненные с подключением в состав самостоятельно функционирующих циркуляционных систем. Для этого с помощью входных и выходных ветвей U-образных трубок, контура, согласно двум выбранным длинам, объединяют в основную и дополнительную замкнутые системы (ЗЦС), общий принцип работы которых аналогичен работе ЗЦС 8 и 19 на фиг.1.

В примере на фиг.4, где в геологическом разрезе ниже находится значимый, по мощности и скорости фильтрации, водоносный слой 2, в соответствии с основным объединяющим варианты признаком способа, применяют контура разной длины, каждый из которых по рассматриваемому варианту представляет одиночную петлю, при этом петли разной протяженности, при аккумулировании тепла вентвыбросов или тепловых сбросов примерно одинакового, сравнительно малого, потенциала, выполняют из трубок одинакового диаметра (d₂=d₁).

Вариант способа с предложенной, согласно изобретению, конструкцией СТО (фиг.4) в отопительный сезон, то есть на этапе отбора тепла грунта, осуществляют, используя, аналогично ранее представленной общей схеме, подачу к тепловому насосу 13 двух потоков теплоносителей (от длинных и укороченных контуров) по основной 8 и дополнительной 19 ЗЦС, которые в данном случае образуют самостоятельно функционирующие через скважину 3 (или ряд скважин 3) гидравлические группы (фиг.4). Затем, как и в ранее рассмотренных вариантах способа, переходят к аккумулированию в грунте тепла вентвыбросов в межотопительный период, с использованием в этот период только дополнительной ЗЦС, путем подачи теплоносителя через укороченные контура 6 и далее, минуя в этот период тепловой насос за счет рассмотренного выше переключения перемычек.

Концентрация посезонно меняющихся процессов отбора и аккумулирования тепла в общей скважине приводит к возможности более компактной расстановки скважин (в отличие от фиг.1-3, с уменьшением расстояний между скважинами до одинаковой величины h₁, где h₁ предпочтительно выбирают в диапазоне 3-5 м), за счет чего дополнительно сокращают размеры площадки под скважинную систему.

Выбор вариантов способа и используемых для их реализации конструктивных исполнений СТО производят, руководствуясь на этапе проектирования анализом особенностей имеющихся в конкретном распоряжении геологических разрезов, источников сбросного тепла, возможных площадок под строительство скважинных грунтовых систем, назначением и типом (новое строительство или реконструкция) проекта, а также - набором возможных вариаций технологически осуществимых на эффективном и экономически выгодном уровне потребительских услуг.

Например, исходя из приведенных соображений, при реализации проектов с совмещенной установкой контуров разной длины в общей скважине, во избежание повышенной для такого варианта способа опасности потери части аккумулированного теплового потока, ввиду возможного его смещения в течение межотопительного периода за пределы выбранного скважинного поля в направлении движения грунтовых вод, предъявляют более жесткие требования к подбору возможных геологических площадок для аккумулирования тепловых сбросов - со скоростями фильтрации в зоне аккумулирования, т.е. выше водоносного слоя 2 на фиг.4-5, приближающимися к 10^-9 м/с и ниже, включая варианты с отсутствием движущихся грунтовых вод.

Предусматриваются и другие возможности реализации варианта способа, представленного фрагментом на фиг.4, например, путем присоединения укороченного вертикального контура 6 не к одному, как показано на фиг.4, длинному петлевому контуру, а, например, к комплексу из двух U-образных контуров, по аналогии с изображенным справа на фиг.3 (позиция 5). За счет объединения в одной скважине от 2-х до 4-х и более контуров двух разных длин (количество U-образных трубок в укороченном контуре тоже может быть удвоено относительно фиг.4), ограничиваемого рациональным увеличением диаметра скважины 3, повышают удельную теплопродуктивность (съем тепла с 1 пог. м СТО) и таким образом дополнительно снижают объемы буровых работ. Кроме того, расширение технологических возможностей при применении такого варианта способа и предложенной для его реализации конструкции СТО заключается в возможности тиражирования подобных решений не только на сравнительно крупные объекты, с многоскважинным подземным контуром (фиг.1), но и на объекты с малой теплопотребностью (например, коттеджи), когда, с учетом компактного размещения контуров разной длины (фиг.4), в качестве теплового аккумулятора и возобновляемого источника тепла становится достаточным использование в геотермальной системе энергообеспечения объекта одной-двух мелких скважин, размещаемых на небольшой строительной площадке.

Предложенное для реализации рассматриваемого варианта способа устройство, представляющее конструкцию скважинного теплообменника, изображенного на фиг.4, представляет спускаемый на участке геологического разреза 1 с водоносными слоями (на фиг.4 дан пример с одним водоносным слоем 2) в общую скважину 3, заполняемую теплопроводящей цементной смесью 4, комплекс петель (вертикальных контуров 5 и 6) разной длины, определяемой в данном примере уровнями расположения кровли и подошвы слоя 2. По аналогии с выбранным для предложенной конструкции прототипом, который соответствует конструктивным исполнениям СТО на фиг.2, при строительстве СТО на основе петель разной длины, спуск петель может быть осуществлен в комплексе с бетонолитной трубой (условно не показана), которая после спуска комплекса служит для заполнения скважины 4 снизу доверху цементным раствором, в результате затвердевания которого формируется СТО с вынесенными наружу скважины входными и выходными (согласно направлениям подачи теплоносителя, указанным стрелками на фиг.4) ветвями U-образных трубок. При этом входные и выходные ветви сформированных в скважине длинного и укороченного вертикальных контуров 5 и 6, по аналогии со схемой на фиг.1, служат для включения контуров в состав основной замкнутой системы циркуляции теплоносителя, проходящей через испаритель теплового насоса, связанного через конденсатор с сетью теплоснабжения, а ветви укороченного контура 6 подключены через перемычку к дополнительной системе циркуляции, связанной перед входом в испаритель через перемычки с промежуточным теплообменником 23 утилизации тепловых сбросов. Последний выполнен с возможностью подключения к вытяжной линии источника 25 тепловых сбросов в виде тепла удаляемого вентиляционного воздуха, соединенной посредством другой стороны теплообменника 23 с блоком 32 распределения воздуха после теплообменника через перемычку 31 на охлаждение помещений объекта.

При наличии источника тепловых сбросов сравнительно малого потенциала, такого как тепло вентвыбросов, вариант способа с предложенной конструкцией СТО (фиг.4) осуществляют по аналогии с рассмотренной ранее общей схемой работы на фиг.1 применительно к функции низкотемпературного отопления, сопровождаемой, при необходимости, в межотопительный период функцией охлаждения помещений напрямую от скважин. Преимуществом будет возможность функционирования циркуляционных систем с вертикальными контурами разной длины в пространстве общего СТО, что позволяет посезонно менять в пределах пространства одной и той же скважины 3 (фиг.4) зону приповерхностного грунта, благоприятную по гидрогеологическим характеристикам для теплосъема в отопительный сезон, на зону, способствующую минимизации теплопотерь при аккумулировании в грунте тепловых сбросов в межотопительный период.

Во всех рассмотренных вариантах способа, сбрасывая в СТО в межотопительный период тепло вентвыбросов, выполняют функции теплового восстановления и возможного, в пределах реализуемых на практике в центральных регионах России объемов вентвыбросов, небольшого прогрева (на 1-3°С) грунта выше начальной его температуры, предшествующей началу первого отопительного сезона. Например, к концу 10-15 сезона за счет вентвыбросов поддерживают температуру теплоносителя перед входом в испаритель ТН, близкую (5°С на фиг.1) к начальной температуре грунта (6-8°С для глубины до 100 м, на примере Ярославской области), обеспечивая по варианту использования сбросов сравнительно малого теплового потенциала, характеризуемому умеренным прогревом грунта, расширение технологических возможностей способа за счет осуществления в межотопительный период функции охлаждения помещений объекта напрямую от скважин.

В зависимости от имеющегося рядом с отапливаемым объектом источника тепловых сбросов повышенного потенциала, а также решаемых потребительских задач (например, необходимость в охлаждении помещений отсутствует, но необходимо применить радиаторы для среднетемпературного отопления и обеспечить режим ГВС), функцию предварительного прогрева грунта усиливают за счет обеспечения еще по одному из вариантов способа возможности работы с тепловыми сбросами от более мощного источника.

Согласно первому рассмотренному выше подходу к реализации определяющего признака изобретения, основанному на применении типовых конструкций СТО по вариантам способа, изображенных на фиг.1-3, вариант с повышенным потенциалом тепловых сбросов реализуют путем оптимизации при проектировании количества укороченных контуров типовых исполнений. При этом, исходя, например, из экспериментов с аккумулированием тепловых излишков от КГУ в схожих с центральными регионами России рыхлых грунтах (Nahwarmesystem mit Erdsondenwarmespeicher in Greusenheim. / R.Barthel und and. // Geothermische Fachtagung, Straubing: 12-15 Mai 1998. - Straubing, 1998. - S.531-538), показавших уровень возвращения тепловых сбросов на теплоснабжение - 64%, оптимизацию проводят на основе просчитанного по результатам эксперимента показателя: повышение потенциала грунта за счет тепловых сбросов от КГУ увеличивает допустимый уровень съема тепла с 1 пог. м СТО примерно на 100 кВт-ч в год. Это даст почти 100%-ную прибавку к удельному теплосъему, рассчитанному ранее по варианту без использования тепловых сбросов, на примере объекта в Ярославской области (Новости теплоснабжения, 2007, № 10, С.26-33), увеличивая его примерно в 2 раза.

Согласно этому подходу общая схема реализации способа будет частично схожей со схемой на фиг.1, однако появятся дополнительные элементы схемы, и эти отличия ниже представлены совместно с примером второго подхода к использованию тепловых сбросов повышенного потенциала, основанного в тех же условиях отсутствия в верхней зоне геологического разреза (над кровлей верхнего водоносного слоя) значимого движения грунтовых вод, на применении измененной относительно фиг.4 конструкции СТО (фиг.5).

Этот вариант способа предусматривает предварительный прогрев грунта за счет тепловых излишков от КГУ, относительно начальной температуры грунта, до 25-30°С в геолого-климатических условиях центральных регионов России (в среднем на 5°С ниже, чем в указанных выше экспериментах для условий Германии, где исходная температура грунта была выше), что позволяет обеспечить при том же заданном перепаде температур в ТН (фиг.1), даже с учетом падения температуры теплоносителя через 10-15 отопительных сезонов на 5-10°С, возможность обеспечения среднетемпературного режима отопления объекта по общей схеме, представленной на фиг.5.

Последний вариант СТО применяют в сочетании с общей схемой, представленной на фиг.5, на которой для удобства сравнения, по возможности сохранены общие с фиг.1 позиции (кроме позиции 4). В отличие от схемы на фиг.1, блок 25 подачи удаляемого воздуха к теплообменнику 23, связанный с блоком 32 распределения воздуха на охлаждение помещений объекта, отключен (на фиг.5 условно показано пунктирными линиями), а вместо него в общую схему введен дополнительный теплообменник 33, для утилизации тепловых излишков с поступающим жидким теплоносителем от КГУ, выполненный водоводяного типа и присоединяемый через перемычку 35 одной из сторон к блоку 34 источника излишков тепла (система водяного охлаждения КГУ), а другой стороной (через перемычки 36 и 37, при отключенных 21, 29 и 38) - к дополнительной ЗЦС 19, проходящей через установленный в составе скважинного теплообменника укороченный контур 6. Сеть 15 рассчитывают в данном случае на возможности осуществления среднетемпературного режима отопления и оказания дополнительной услуги в виде ГВС (в общей схеме на фиг.5 отвод ГВС показан условно стрелкой).

Конструкция СТО, применяемая в схеме на фиг.5, на примере использования теплового потенциала отводимых в межотопительный период излишков тепла от КГУ, изменена, относительно фиг.4, под повышенный потенциал используемого дополнительно сбросного тепла, за счет применения укороченного контура 6 из пластиковой трубки большего диаметра, чем трубка длинного контура 5 (на фиг.5 - d₂ больше d₁), с возможным изменением при этом диаметра скважины 3. При этом d₂ выбран по назначаемым, в соответствии с потенциалом дополнительного источника, параметрам расхода или линейной скорости подачи теплоносителя через укороченный контур. Относительно общей схемы (фиг.5) СТО встроен так: входная и выходная ветви контура 6, кроме соединения через перемычки 21, 20, 10, 28, 11a, 11б с входом и выходом испарителя 12 теплового насоса 13, подключены через перемычки 22, 37 к дополнительному промежуточному теплообменнику 33, и через него к блоку 34 утилизации тепловых излишков от КГУ.

По варианту использования тепловых сбросов повышенного потенциала способ осуществляют, предпочтительно начиная с этапа аккумулирования сбросного тепла в грунте с целью обеспечения предварительного прогрева грунта перед началом первого отопительного сезона.

Для этого в начале межотопительного периода запускают в работу циркуляционный насос 18 подачи теплоносителя с помощью дополнительной ЗЦС 19 через укороченный скважинный контур 6. При открытых перемычках 22, 37 и закрытых 11а, 21, 28, 29, 38 из выходной ветви контура 6 теплоноситель подают к одной из сторон промежуточного теплообменника 33, одновременно подключая к другой его стороне через открытую перемычку 35 блок 34 утилизации излишков тепла от КГУ, работающей в этот период, в основном, на генерацию электроэнергии, то есть без отвода тепловой нагрузки отопления (в результате чего и образуются тепловые излишки, направляемые в блок 34 для утилизации). В теплообменнике 33 производят передачу отводимой от КГУ части тепла поступающему из укороченного контура 6 менее нагретому жидкому теплоносителю, который в результате многократных циркуляций через теплообменник 33 и контур 6, минуя тепловой насос 13, передает дополнительное тепло грунту, подогревая его выше исходного (естественного) состояния и нагревая при этом через теплопроводящий наполнитель 4 скважины 3 контур 5 с находящимся в нем в состоянии покоя (насос 7 выключен) теплоносителем.

С началом отопительного сезона этап аккумулирования прерывают, с помощью перемычек 22 и 35, отключая теплообменник 33 и блок 34 утилизации тепловых сбросов, а функционирующую дополнительную ЗЦС 19 одновременно с включением насоса 7, вместе с основной ЗЦС 8 через перемычки 9, 10, 11а и 11б, 20, 21, 28 подключают к входу и выходу испарителя 12 при включенном в работу тепловом насосе 13. Далее жидкий теплоноситель, с повышенной на этапе аккумулирования температурой (как ранее указывалось, до 25-30°С), в течение отопительного сезона одновременно и многократно подают через установленные в скважине 3 контура 5 и 6, в результате чего, смешивая на входе в испаритель 12 поток жидкостей от двух ЗЦС, передают часть тепла в испарителе 12 рабочему телу. В итоге многократных циркуляций через испаритель и скважинные контура разной длины при охлаждении в испарителе на 3-5°С устанавливают среднесезонную температуру смешанного потока на входе в испаритель в диапазоне 20-25°С (фиг.5, с учетом приведенных выше корректировок на геолого-климатические условия Ярославской области).

Согласно рассмотренным ранее процессам термотрансформации в тепловом насосе, исходя из температуры потока на входе в испаритель и заданного, одинакового со схемой на фиг.1, эффективного перепада температур между испарителем 12 и конденсатором 14 (35°С), на выходе из последнего получают температуру отопительной воды 55-60°С, которую, при необходимости, в самый холодный период года повышают с помощью догревателя 17 до расчетного максимума 65-70°С, соответствующего среднетемпературному режиму отопления, осуществляемому в сети 15 с помощью радиаторов (на фиг.5 отопительные приборы условно не показаны). Кроме среднетемпературного отопления, за счет поддерживаемой с помощью накопительной емкости (не показана) температуры воды после конденсатора, в отличие от схемы на фиг.1, в отопительный период через тепловой насос обеспечивают также расчетные параметры ГВС (55-60°С), расширяя в результате технологические возможности схемы по варианту «среднетемпературное отопление + ГВС» (на фиг.5 отвод за конденсатором 14 на ГВС показан условно стрелкой). С окончанием отопительного сезона работу основной ЗЦС 8 останавливают, отключая при этом циркуляционный насос 7 и прерывая подачу теплоносителя по обоим ЗЦС (8 и 19) через испаритель 12 путем перекрытия перемычек 9, 10, 20 и 28. Одновременно, перекрывая перемычки 21 и 11а, теплоноситель подают в обход теплового насоса, то есть с помощью насоса 18 по дополнительной ЗЦС 19, через вновь подключаемый с помощью перемычек 22, 36, 37 (перемычки 29, 38 перекрыты) промежуточный теплообменник 33, соединяя его в этот период с блоком 34 излишков тепла от КГУ, и - далее, через открытую перемычку 11б, с укороченным контуром 6.

Таким образом, в результате многократных циркуляций через теплообменник 33, поступающий в межотопительный период через одну из его сторон теплоноситель, имеющий существенно пониженную в течение отопительного сезона (из-за теплосъема в испарителе) температуру относительно среднесезонных значений на его входе (фиг.5), постепенно охлаждающую грунт при циклах подачи через СТО в течение сезона, подогревают подаваемыми через другую сторону теплообменника 33 тепловыми излишками от КГУ. Это приводит, при дальнейшем неоднократном пропускании подогретого теплоносителя через укороченный контур 6, к восстановлению в течение межотопительного периода температуры грунта в окрестности контуров 5 и 6, в зоне протяженностью от поверхности Земли до уровня расположения кровли водоносного слоя 2 (фиг.5). В результате, к началу второго и последующих отопительных сезонов температуру грунта возвращают к значению, приобретенному в результате предварительного аккумулирования сбросного тепла перед началом первого сезона (в рассматриваемом примере около 25-30°С).

В дальнейшем обеспечению таких температур к началу каждого отопительного сезона способствует и то обстоятельство, что за счет уменьшения, согласно изобретению, на этапе аккумулирования глубины подачи теплоносителя тепловое влияние грунтовых вод, движущихся ниже завершающего колена укороченного U-образного контура (фиг.5) и имеющих в данном случае более низкую температуру, чем вышерасположенный прогретый грунт, не распространяется на эту зону, что сводит потери аккумулируемого за межотопительный период тепла к минимуму.

Поскольку на этапе аккумулирования возможны изменения уровня тепловых сбросов от КГУ в течение межотопительного периода, скорость подачи теплоносителя через укороченный скважинный контур 6 регулируют соответственно меняющейся доле сбросного тепла, путем регулирования привода циркуляционного насоса 18 в составе дополнительной ЗЦС 19 (фиг.5), включая возможное распределение тепловых излишков от общей КГУ на несколько объектов энергопотребления, каждый из которых оснащен скважинными системами.

Осуществляя далее способ в приведенной выше последовательности, в следующих отопительных сезонах обеспечивают примерно одинаковую среднесезонную температуру теплоносителя (20-25°С, фиг.5) в смешиваемом, перед входом в испаритель теплового насоса, потоке от контуров 5 и 6 разной длины. При этом некоторое охлаждение теплоносителя, вследствие прохождения на этапе отбора тепла из грунта одним из потоков зоны движущихся грунтовых вод (через длинный контур 5, нижняя часть которого взаимодействует с водоносным слоем 2), почти полностью компенсируют за счет дальнейшего отвода теплоносителя к выходу из СТО через более нагретую вышерасположенную зону, а также - смешивания потоков, поступающих из контуров разной длины на входе в испаритель теплового насоса.

При этом, в зависимости от конкретного энергообеспечиваемого объекта, возможны варианты использования теплообменника 33 как путем избирательного (фиг.5, пунктирные линии указывают, что блок 25 вентвыбросов отключен), так и дополнительного подключения - по варианту комплексного использования тепла вентвыбросов (с помощью конструкции СТО на фиг.4) и тепловых излишков от КГУ (с помощью СТО другой конструкции - фиг.5). Последний вариант реализуют, например, в проектах совместного осуществления напольного отопления/охлаждения первого этажа жилого дома и отопления радиаторами/ГВС второго этажа.

При использовании этого варианта способа с установкой укороченных и длинных контуров с применением скважин разной длины (фиг.1-3), длинные контура, в период подогрева грунта (от КГУ) частично охлаждаемые за счет обтекания нижних частей грунтовыми водами, в случае модификации описываемой системы, с созданием дополнительной линии - для раздельного использования основной ЗЦС, в результате подсоединения ее через дополнительные перемычки (на общей схеме фиг.5 не показаны) к теплообменнику 23 и блоку 25 вентвыбросов, могут быть задействованы на охлаждение помещений второго этажа.

Существенное увеличение теплового потенциала грунта перед началом первого и последующих отопительных сезонов за счет сбросного тепла повышенного потенциала, сохраняемого в течение межотопительного периода ввиду минимальных теплопотерь в верхней зоне геологического разреза, при условии гибкого температурного контроля и дополнительной изоляции горизонтальной разводки трубок в верхнем слое Земли, используют для применения обычной воды в качестве циркулирующего через скважинные теплообменники теплоносителя. Это ведет к повышению теплоемкости теплоносителя и снижению его стоимости относительно материалов с антифризными добавками, что является дополнительным преимуществом такого варианта способа.

При условии выбора соответствующей геологической площадки, практически не подвергаемой в верхней зоне рассеиванию тепла грунтовыми водами со скоростями фильтрации ниже 0,01 м/сутки (ниже 1-3 м/год), и характеризуемой значимыми водоносными слоями в нижней зоне, посезонное разведение по благоприятным зонам осуществления объединенных в общей скважине этапов извлечения и аккумулирования тепла, за счет предложенных конструкций СТО, позволяет дополнительно повысить удельный теплосъем (приходящийся на 1 пог. м СТО), температуру теплоносителя на выходе СТО и входе в испаритель теплового насоса (ТН), а, следовательно, и - коэффициент преобразования (КПТН).

Так, на примере комплектации предложенной конструкции СТО (фиг.5) выпускаемыми по стандарту трубками из полиэтилена высокой плотности диаметрами 32 и 40 мм (для длинного и укороченного контуров соответственно) с увеличением диаметра скважины, относительно распространенной однопетлевой конструкции, со 150 до 180 мм, в условиях отопительного сезона по Ярославской области (около 5300 ч в год) расчетные параметры отопления жилого дома с аккумулированием тепловых сбросов от КГУ составят: в среднетемпературном режиме (нагрев в конденсаторе ТН до 60°С, фиг.5) - среднесезонный КПТН (за 15 сезонов) около 4 ед.; в низкотемпературном режиме (до 40°С, в отличие от фиг.1 - с 20°С на входе в испаритель ТН) - примерно 5 ед. Даже при использовании сбросов меньшего потенциала, в виде тепла вентвыбросов, с применением конструкции СТО на фиг.4 (диаметр трубок 32 мм), расчетный показатель по варианту низкотемпературного отопления составит не ниже 4,0 ед. Эти показатели обеспечат эффективный для центральных и других регионов России уровень снижения эксплуатационных расходов, при оптимизированном потреблении электроэнергии приводом грунтового теплового насоса. Относительно достигнутого к настоящему времени КПТН в первых действующих в режиме отопления отечественных установках (2,5 ед.) уменьшение потребления 40-50%, а относительно мировых аналогов с аккумулированием тепловых сбросов в близких условиях (КПТН=3,3-3,5 ед.) - примерно 20-25%.

Повышение удельного теплосъема в сочетании с уменьшением количества скважин при совместной установке в них контуров разной длины ведет к еще большему уменьшению затрат на строительство скважинной системы в рамках предлагаемого способа, а также - общих капиталовложений в геотермальные проекты, связанные с использованием низкопотенциального тепла приповерхностного грунта.

Таким образом, предлагаемый способ расширяет технологические возможности относительно рассмотренных аналогов и прототипа за счет эффективного осуществления функции отопления в различных температурных режимах, наряду с другими потребительскими функциями (ГВС, охлаждение), для регионов с различными геолого-климатическими условиями, в т.ч. - с длительными отопительными периодами (до 5000 ч/год и более) и низкими температурами грунта до глубины 100-200 м (5-10°С).

Основным (объединяющим) преимуществом всех предложенных вариантов способа является то обстоятельство, что в результате обеспечения возможности посезонной смены глубины подачи теплоносителя, за счет проектирования грунтовой системы теплосбора в виде каскадов скважин или вертикальных скважинных контуров разной длины, способ позволяет периодически, в конце отопительного сезона, перемещать теплоноситель из зоны эффективного теплосъема, характеризуемой значимым тепловым вкладом скорости движения грунтовых вод в водоносных слоях грунта, в зону эффективного аккумулирования - над кровлей верхнего водоносного слоя, характеризуемую, из-за отсутствия в ней развитого течения вод, минимальными потерями аккумулируемого тепла за межотопительный период.

Рассмотренные выше технологические схемы и варианты способа в совокупности с приведенными результатами экспериментов, проведенных в близких центральным регионам России геологических условиях, свидетельствуют также о возможностях повышения в этих регонах годового теплосъема с 1 пог. м СТО - от 90-100 примерно до 150 кВт-ч в год, по варианту, включающему использование тепла вентвыбросов и геотермального тепла с учетом тепловой поддержки расположенных в нижней зоне СТО водоносных горизонтов (журналы «Новости теплоснабжения» - № 10, 2007, с.26-33 и № 5, 2010, с.25-32). По варианту с тепловыми излишками от КГУ эта величина может увеличиться до 250 кВт-ч/пог. м в год и далее, что в 2,5 раза больше в сравнении с технологией, использующей только геотермальное тепло (без учета грунтовых вод и тепловых сбросов). По приближенным оценкам, это также не менее чем в 1,5 раза больше, чем при использовании в схожих условиях ближайших аналогов предложенного способа, поскольку они технологически и конструктивно не запроектированы на максимальную эффективность каждого из этапов, осуществляемых посезонно в скважинных системах (отбора и аккумулирования тепла). В способе этот недостаток ликвидируется за счет оптимального использования меняющихся по глубине характеристик геологического разреза.

Данные показатели, напрямую связанные с уменьшением общей длины скважин и количества СТО при проектировании грунтовых систем, способствуют, в результате, уменьшению площадей, занимаемых под системы, и объемов строительно-монтажных работ, в т.ч. - по выполнению горизонтальной трубной разводки между СТО, ведут к снижению первоначальных затрат на строительство скважинной системы (в отношении применяемых вариантов способа, наибольший показатель - для варианта с установкой U-образных контуров разной длины в общую скважину) и - общих инвестиций в теплонасосные грунтовые установки, в среднем, на 25%.

Указанные преимущества позволяют устранить экономическую несостоятельность реализации предшествующих технологий, по отношению, например, к осуществлению эффективных показателей отопления в регионах России с продолжительными отопительными сезонами. Это будет содействовать достаточно широкому тиражированию предлагаемого способа на регионы с разными геолого-климатическими условиями, в т.ч. - за счет его многовариантных приложений, касающихся особенностей участков территории, видов энергообеспечения и применяемых конструкций СТО.