Full Text

В связи с постоянными ростом цен на абсолютно все энергоносители человечество стремится найти альтернативные источники питания для обеспечения теплом и электричеством. За последние 30 лет мировое энергопотребление возросло почти в два раза. Среднегодовые темпы прироста мирового энергопотребления составили 2,7 % [1]. Энергетические ресурсы являются необходимым условием существования современной цивилизации. С учетом естественной ограниченности мировых запасов энергетических ресурсов (в настоящее время эта потребность покрывается преимущественно за счет газа и нефти), при существующих объемах и темпах роста потребления, очевидной становится возможность возникновения их дефицита в обозримом будущем (через 30-50 лет) [2]. Исчерпание запасов традиционных источников энергии, острая ее нехватка для многих стран, особенно слаборазвитых и развивающихся, быстрый рост цен превратили проблему рационального использования источников энергии в одну из глобальных, влияющих на весь ход развития человеческой цивилизации и на сохранение среды ее проживания. В связи с этим одним из приоритетных направлений в развитии мировой экономики является ограничение темпов роста потребления энергетических ресурсов за счет повышения энергоэффективности объектов в строительстве. Проблема энергосбережения особенно актуальна для стран с высокоразвитой экономикой, в первую очередь для стран Европы, где до 70 % энергопотребления удовлетворяется за счет импорта [3]. В последние годы задача энергосбережения становится и для Российской Федерации стратегическим направлением развития (в выступлениях Президента и Председателя Правительства РФ, на заседаниях Правительства и Госсовета РФ поднимается вопрос энергосбережения). Многие специалисты и обозреватели отмечают, что на единицу выпускаемой продукции энергозатраты в России в несколько раз выше, чем в развитых странах мира. В области строительства и энергообеспечения зданий различного назначения удельные затраты энергии в нашей стране также значительно выше, чем в большинстве зарубежных стран. В 2009 г. Государственной думой принят Федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности». В зарубежной практике нашли широкое применение энергоэффективные конструкции фундаментов «двойного» назначения, что для России является новым явлением в области энергосбережения. В российской практике подобные конструкции пока не получили широкого применения, что связано с отсутствием достаточных экспериментальных данных для разработки методик проектирования данных фундаментов. Энергоэффективность фундаментов «двойного» назначения объясняется тем, что, кроме основной функции фундаментов - передачи полезной нагрузки на грунтовое основание, фундаменты «двойного» назначения за счет своей развитой контактной поверхности позволяют использовать геотермальную энергию окружающего грунтового массива для отопления зданий в период их эксплуатации [4]. Исследования в области энергоэффективных конструкций фундаментов соотносятся с целями Государственной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», в части реализации энергосберегающих технологий и проектов [5]. Геотермальная энергия - это тепловая энергия, которая выделяется из внутренних зон Земли на протяжении сотен миллионов лет. Ее подразделяют на высокопотенциальную и низкопотенциальную. На основе высокопотенциальной геотермальной энергии грунта возможна работа двух типов системы: гидротермальной и петротермальной [6]. С помощью гидротермального метода разрабатываются термальные водные ресурсы природного происхождения. Данные ресурсы могут быть использованы как для прямой (тепло), так и для непрямой (электричество) генерации энергии. С помощью петротермального метода энергия генерируется с использованием горячего горизонта плотной породы. Эксплуатация твердой породы происходит посредством бурения скважин глубиной в несколько тысяч метров и закачки воды в породу под высоким давлением, что приводит к теплообмену. Затем земной «теплообменник» направляет энергию в виде водяного пара вверх через другую скважину, где она используется либо в качестве прямого тепла, либо в паровых турбинах для генерации электричества [7]. Генерация низкопотенциальной энергии грунта связана с использованием скважин глубиной до 400 м. На данной глубине температура повышается в среднем на 3 °C на каждые 100 м глубины [8]. Температура на глубине относительно температуры на поверхности земли не колеблется в зависимости от солнечной энергии [9]. В период значительного колебания температур, что свойственно российскому климату, температура на глубине нескольких метров остается неизменной в пределах среднего значения 10 °C (рис. 1). В летнее время температура воздуха поднимается в среднем до 20 °C, однако температура почвы на глубине нескольких метров имеет практически постоянную температуру в 10 °C. Грунт является стабильным источником энергии, которая может быть использована на протяжении всего года (в системах как отопления зданий, так и охлаждения) [10]. Рис. 1. Изменение температур в верхней части грунта в течение года до глубины 15 м (Центральная Европа) Fig.1. Changing temperatures in the upper part of the soil throughout the year to a depth of 15 m. Central Europe Низкопотенциальную энергию грунта в отличие от высокопотенциальной нельзя использовать напрямую. Для горячего водоснабжения и отопления здания температуру необходимо повысить. Данный процесс происходит с помощью устройства, изобретенного британским физиком Уильямом Томсоном. В XIX в. он придумал устройство - «умножитель тепла», которое стало прообразом современных геотермальных установок - тепловых насосов [11]. Устройство преобразует низкопотенциальную энергию грунта в высокопотенциальную. При проектировании геотермальных систем первостепенное значение придается местным инженерно-геологическим, гидрогеологическим и климатическим условиям. Должное внимание уделяют определению свойств грунта: влажности, теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости. Необходимыми условиями для определения и установления термального потенциала грунтов является оценка различных процессов тепломассообмена. Расчет количества получаемой термальной энергии в значительной степени влияет на КПД системы теплового насоса [12]. Система теплового насоса представляет собой энергетическую систему, в состав которой входят источник теплоты (первичный контур), тепловой насос и система потребления теплоты (вторичный контур). Источниками теплоты для теплового насоса служат воздух, солнечная энергия, вода и грунт. В геотермальных системах в качестве источника используется теплота грунта, на которую ключевое влияние оказывают геология, гидрология и климатические условия, т.е. способность грунта к регенерации. Тепловые насосы представляют собой парокомпрессионные установки, с помощью которых низкотемпературная энергия окружающей среды может быть использована в системах отопления и охлаждения зданий. Цикличная работа в тепловом насосе происходит за счет четырех компонентов: испарителя, компрессора, конденсатора и расширительного клапана. Носителем термальной энергии является хладагент с очень низкой температурой кипения. В испарителе хладагент поглощает тепло из окружающей среды и переходит в газообразное состояние. В компрессоре хладагент сжимается и доводится до более высокой температуры. В конденсаторе тепловая энергия передается в отопительный контур. В расширительном клапане хладагент расширяется для повторения цикла (рис. 2) [13]. Рис. 2. Принцип работы теплового насоса Fig. 2. The principle of operation of the heat pump В геотермальных системах первичный контур выполняют в виде грунтовых коллекторов (теплообменников). Грунтовые теплообменники бывают горизонтального и вертикального типа [14]. К горизонтальному типу относят горизонтальный теплообменник (поверхностный) и энергетические корзины. К горизонтальным грунтовым теплообменникам относятся теплообменники, устанавливающиеся по горизонтали или диагонали в верхнем слое грунта на глубине в среднем до 2 м. Данная система может представлять собой отдельные контуры труб или трубные регистры, которые устанавливаются возле здания или под фундаментной плитой (рис. 3). Рис. 3. Горизонтальный (поверхностный) теплообменник Fig.3. Horizontal (surface) heat exchanger Энергетические корзины (гибрид горизонтальных и вертикальных теплообменников) - это теплообменники, представляющие собой отдельные контуры труб, закрученные по спирали. Они устанавливаются в грунте вертикально на глубине до 5 м (рис. 4). Рис. 4. Энергетические корзины Fig. 4. The energy basket Вертикальный тип теплообменников включает в себя энергоэффективные сваи (ЭЭС) и буровые скважины. ЭЭС устанавливаются под зданием и входят в состав свайного фундамента. Отдельные трубы или группы труб в U-образной форме, в форме спирали или в виде меандра устанавливаются в сваи. Операция проводится непосредственно на строительной площадке, где контуры труб размещаются в подготовительных скважинах и заливаются бетоном или с помощью заранее изготовленных свай (рис. 5). Буровые скважины представляют собой тип вертикального коллектора, при котором теплообменники устанавливаются в грунте вертикально или по диагонали. В данном случае один (одинарный зонд) или два (двойной зонд) U-образных трубных контура либо концентрированный зонд (труба в трубе) устанавливается в скважину (рис. 6). Рис. 5. Энергоэффективные сваи (ЭЭС) Fig. 5. Energy-efficient pile Рис. 6. Вертикальный тип коллекторов. Буровые скважины Fig. 6. Vertical type collectors. Boreholes Выбор геотермальной системы зависит от условий окружающей среды (геологических, гидрогеологических и климатических), эксплуатационных данных, режима эксплуатации, типа здания (частого или коммерческого назначения), доступного места и правовых норм. Для геотермальных систем нет особенных ограничений по использованию в зависимости от климата. Они одинаково эффективно работают в любых климатических условиях, где есть источник низкопотенциального тепла. Это энергоэффективное оборудование с высокой безопасностью и надежностью. Крупных геотермальных проектов в России единицы - они носят в основном экспериментальный характер. Такие проекты запущены пока только в Краснодарском крае, Ростовской области и Находке [15].

About the authors

I. D Bakieva

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 149

Refbacks

• There are currently no refbacks.