Горизонтальные грунтовые теплообменники

Тепловые насосы являются наиболее перспективными генераторами тепловой энергии для нужд отопления и горячего водоснабжения на ближайшие десятилетия. Об этом свидетельствует статистика по установке данного оборудования в странах Европы и Северной Америки.  Вероятнее всего в ближайшие годы эта тенденция станет реальностью и для нашей страны. Как известно,  для работы теплового насоса требуется электрическая энергия для привода компрессора и источник низкопотенциального тепла, которым может служить окружающий воздух (тепловые насосы воздух-вода), грунтовые воды или воды из поверхностного источника (тепловые насосы вода-вода) или же тепло поверхностных слоев Земли (тепловые насосы рассол-вода).  Каждый из этих вариантов имеет свои преимущества и недостатки.  Пожалуй, самым надежным и экономически оправданным  является вариант  использования в качестве источника тепла-  грунта поверхностных слоев Земли.  Грунт поверхностных слоев Земли представляет собой тепловой аккумулятор огромной емкости, тепловой режим которого складывается из двух факторов: солнечного излучения и потока  радиогенного тепла недр земли. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры воздуха приводят к  колебаниям температуры верхних  слоев грунта.  Но, как правило, суточные колебания температур затухают на глубине 1-1,5 м., а сезонные на глубине 20-30м. Еще стоит отметить, что колебание температуры грунта заметно отстает от колебания температуры воздуха над поверхностью земли и на некоторой глубине температура грунта будет максимальной в период  минимальной  температуры воздуха в зимний период.  Это обстоятельство и создает предпосылки для эффективного использования поверхностных слоев Земли в качестве источника низкопотенциального тепла.  В свою очередь устройства для отбора низкопотенциального тепла от грунта (грунтовые теплообменники) можно еще разделить на 2 основных вида: вертикальные, к ним относятся скважины различного вида и конструкции и горизонтальные , к ним относятся поверхностные грунтовые коллектора различных типов. Вот про горизонтальные грунтовые теплообменники  мы и поговорим, учитывая, что данная конструкция теплообменника является пожалуй одной из самых доступных в плане финансовых затрат по сравнению с вертикальным теплообменником. Для устройства горизонтального грунтового теплообменника не требуется бурить дорогостоящие скважины, но необходима определенная площадь участка земли, свободная от застройки. К настоящему времени придумано и введено в эксплуатацию множество конструкций горизонтальных грунтовых теплообменников  .  Основные типы их изображены на рис.1

Рис 1. Виды горизонтальных
грунтовых теплообменников:
а – теплообменник из последовательно соединенных труб;

б – теплообменник из параллельно соединенных труб;

в – горизонтальный коллектор, уложенный в траншее «многоэтажка»;

г – теплообменник в форме петли;

д – теплообменник в форме спирали, расположенной горизонтально (так называемый «slinky» коллектор);

е – теплообменник в форме спирали, расположенной вертикально

Все производители тепловых насосов дают рекомендации и методику расчетов горизонтальных грунтовых теплообменников . Смысл методики заключается в том чтобы тепла , отбираемого теплообменником от грунта было достаточно для устойчивой работы теплового насоса в отопительный период , а также в летний период для приготовления горячего водоснабжения. В данном случае, необходимо найти компромисс, золотую середину, для того чтобы площадь занятая под грунтовый теплообменник была достаточной для покрытия потребностей в тепле, но в то же  время и не превышала необходимого оптимального значения, чтобы не нести лишние финансовые затраты. Каким же образом найти эту необходимую площадь?  Уже достаточно давно исследователи из разных стран мира начали заниматься этим  вопросом и накопили к настоящему времени большой массив экспериментальных данных. Изучая почвенно-климатические условия Европы, были получены данные разных исследователей об удельном теплосъеме с одного погонного метра грунтового теплообменникаи и они сильно разнятся от 10 Вт/м до 60 Вт/м. Такой большой разброс опубликованных результатов говорит о сложности моделирования процессов протекающих при отборе тепла из грунта и отсутствии моделей адекватно описывающих те физические процессы, которые протекают в системах теплоотбора. Вкратце рассмотрим, какие процессы протекают в грунтовом массиве возле грунтового теплообменника. В эксплуатационный период массив грунта в пределах зоны влияния труб теплообменника вследствие сезонного изменения температуры наружного воздуха и эксплуатационных тепловых нагрузок от системы теплосбора подвергается многократному замерзанию и оттаиванию, при этом вода, содержащаяся  в порах  грунта  меняет свое агрегатное состояние. Большую часть времени грунтовый массив находится при околонулевой температуре и вода, содержащаяся в грунте может быть в 3 агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном (в виде пара). Данное обстоятельство тоже оказывает некоторое влияние на теплоперенос в грунте, т.к.  при наличие температурного градиента, молекулы водяного пара перемещаются в места с пониженным тепловым потенциалом, а  вода в жидкой фазе, вследствие гравитационных сил, тоже движется. Стоит также отметить ,что и теплопроводность одного и того же грунта может быть совершенно разной, более  влажный грунт имеет большую теплопроводность, чем сухой, а  замерзший грунт, как правило, имеет более высокую теплопроводность по сравнению с талым. Обычно значение теплопроводности лежит в пределах от 1вт/(м*к) до 3 вт/(м*к)  для грунтов с влажностью 15%.

Некоторые значения теплопроводности для мерзлого и талого грунта указаны в табл. 1.

Табл. 1 Теплопроводность грунта

Плотность сухого грунта P , т/м3	Суммарная влажность грунта Wtot, доли единицы	Теплопроводность грунта талого и мерзлого λт/λм. , Вт/м*к
		Пески разной крупности	Супеси пылеватые	Глины и суглинки
1,4	0,25	1,91/2,14	1,57/1,68	1,33/1,51
1,4	0,2	1,57/1,86	1,33/1,51	1,1/1,22
1,4	0,15	1,39/1,62	1,1/1,27	0,87/0,99
1,4	0,1	1,1/1,27	0,93/1,05	0,7/0,75
1,4	0,05	0,75/0,81	0,64/0,7	0,46/0,52
1,6	0,25	2,5/2,73	1,8/1,91	1,51/1,68
1,6	0,2	2,15/2,37	1,62/1,74	1,33/1,51
1,6	0,15	1,8/2	1,45/1,57	1,1/1,22
1,6	0,1	1,45/1,62	1,02/1,28	0,87/0,93
1,6	0,05	1,05/1,1	0,81/0,87	0,58/0,64
1,8	0,2	2,67/2,84	1,86/1,97	1,57/1,8
1,8	0,15	2,26/2,62	1,68/1,8	1,39/1,57
1,8	0,1	1,97/2,2	1,45/1,57	1,05/1,22
1,8	0,05	1,45/1,51	0,99/0,99	0,7/0,75
2	0,1	2,73/2,9	1,74/1,86	1,28/1,39

Как мы видим теплопроводность грунта в мерзлом состоянии в среднем на 10-20% больше, чем теплопроводность грунта в талом состоянии, а увеличение влажности грунта значительно повышает его теплопроводность.

Для оценки влияния грунтового теплообменника на окружающий грунтовый массив можно использовать следующую формулу:

q=2*π*λ*(t0-t1)/ln(R0/R1)

где q-удельный тепловой поток к трубе грунтового теплообменника Вт/м. пог;

π=3,14;

λg-теплопроводность грунта Вт/м*к

t0- температура на границе замерзания воды в порах грунта, t0=0 К;

t1-температура на поверхности  трубы грунтового теплообменника;

R0- радиус виртуального цилиндра-границы замерзания воды в порах, м;

R1- радиус наружной поверхности трубы грунтового теплообменника, м.

Данную формулу можно применить как для начального периода работы теплового насоса (кипение фреона с температурой выше 0 град С), когда в грунт подается охлажденный  рассол с положительной температурой ( t0  — температура грунта на отдалении R0 от оси трубы теплообменника),   так и для последующего периода, когда температура рассола падает ниже 0 град С. Во втором случае, когда в грунт подается отрицательная температура и вокруг трубы возникает ледяная линза, некоторыми исследователями было предложено для вышеприведенной формулы использовать вместо λg- теплопроводности грунта,  λэкв-эквивалентную теплопроводность грунта, учитывающую выделение  скрытой  теплоты  фазового перехода при замерзании поровой влаги. Проведенные исследования показали, что значения λэкв  до 2-х раз и более превышают λg-теплопроводность грунта при обычных условиях. Проведя расчеты можно сделать вывод, что при работе теплового насоса и кипением фреона с температурами выше 0 град С, когда не образуется ледяная линза вокруг труб грунтового теплообменника, радиус интенсивного влияния трубы на грунтовый массив составляет примерно 1 м., а при возникновении ледяной линзы и промерзании грунта, радиус влияния увеличивается и может составлять 2 и более метра. В табл. 2 приведены значения эквивалентной теплопроводности грунта, состоящего из слоев тяжелой глины, при разных радиусах труб грунтового теплообменника, при этом влажность грунта принималась равной 15%, теплопроводности грунта λg-2 Вт/м*к, а продолжительность периода отбора тепла от 3000 до 30000 часов (в числителе эквивалентная теплопроводность  λэкв, Вт/м*к, в знаменателе радиус намерзания ледяной линзы Rл, м).

Табл. 2 Эквивалентная теплопроводность грунта и радиус намерзаемой ледяной линзы

 

Радиус труб грунтового теплообменника, м	Продолжительность отбора тепла, час
	3000	5000	8000	15000	30000
Температура теплоносителя подаваемого в грунтовый теплообменник -2 град С
0,02	4,31/0,77	4,3/0,96	4,28/1,18	4,26/1,56	4,24/2,1
0,05	4,4/0,88	4,38/1,1	4,36/1,34	4,33/1,75	4,3/2,36
0,08	4,48/0,97	4,44/1,19	4,41/1,44	4,37/1,88	4,34/2,52
0,1	4,52/1,04	4,48/1,24	4,44/1,5	4,4/1,95	4,36/2,6
0,15	4,6/1,11	4,55/1,35	4,55/1,35	4,54/2,09	4,41/2,78
Температура теплоносителя подаваемого в грунтовый теплообменник -10 град С
0,02	4,26/1,55	4,25/1,95	4,23/2,41	4,22/3,2	4,20/4,37
0,05	4,33/1,75	4,31/2,18	4,28/2,66	4,27/3,53	4,25/4,8
0,08	4,37/1,88	4,35/2,33	4,32/2,85	4,3/3,74	4,27/5,06
0,1	4,4/1,95	4,39/2,41	4,35/2,94	4,32/3,85	4,29/5,2
0,15	4,45/2,09	4,42/2,58	4,39/3,13	4,35/4,08	4,32/5,49

 

Учитывая, что теплопоступления в поверхностные массивы грунта от радиогенного тепла земли ограничены величиной порядка 0,1 Вт/м2, то в отопительный период можно рассчитывать практически только на теплоту  запасенную  грунтовым массивом в теплый период года. Поэтому задача по правильному расчету площади и объема грунта, задействованного под грунтовый теплообменник очень важна. Попытаемся проанализировать эффективность некоторых из вариантов грунтовых горизонтальных теплообменников изображенных на рис. 1. На рис. 2 представлен классический вариант исполнения грунтового теплообменника с равномерным распределением температуры рассола по веткам.

Рис. 2 Схема горизонтального грунтового теплообменника с параллельным размещением труб

Большинство западных производителей тепловых насосов рекомендуют именно этот вариант. Например, в данном варианте, при отапливаемой площади дома в 100 м кв. и удельной тепловой нагрузке на здание 50 Вт/м кв, при использовании теплового насоса до 2000 часов в год, среднегодовой эффективностью =4 и удельной мощностью теплосъема с грунта q=25 Вт/м. кв. (соответствующему влажной глине) рекомендуемая площадь горизонтального грунтового теплообменника для покрытия потребностей в отоплении составляет 150 м кв. при размещении труб на глубине 0,8-1,5 м (ниже границы промерзания) и расстоянием между трубами 0,8-1 м. Учитывая, что полиэтиленовая труба будет Д32, а длина одной бухты= 100м, и принимая расстояние между трубами 0,8 м., пересчитываем занимаемую площадь и метраж трубы.

L=150 м2/0,8м=188м.,

Принимаем метраж трубы Lтр= 200м пог, а площадь, занимаемую коллектором:

Sкол=200м *0,8 м=160 м2.

Таким образом, закладывая трубы на глубину 1,5м (ниже границы промерзания, для Минска примем для упрощения расчетов глубину промерзания 1м.) нам необходимо будет выкопать котлован с размерами 16м x 10м и глубиной 1,5м. Таким образом объем грунта, извлеченного из котлована составит:

W= 240 м3.

Если принять радиус влияния горизонтального грунтового коллектора на грунтовый массив ( при длительном теплосъеме 2000-3000 часов- радиус образования ледяной линзы) за 1м , то мы получим параллелепипед из грунта с размерами 18мx12мx1,5м, объемом :

Wзам= 324м3,

который отдает тепло грунтовому коллектору за счет своей теплоемкости и фазового перехода влаги, содержащейся в порах грунта. Кроме того грунтовый коллектор будет получать тепло от теплопередачи от теплого грунта к замороженному. Условная площадь контакта теплого и замороженного грунта составит:

Sконт=18*1,5*2+12*1,5*2+18*12=306 м2.

Посчитаем для такого же дома площадью 100 м кв вариант горизонтального грунтового коллектора ‘’многоэтажка”. Схема горизонтального грунтового коллектора «многоэтажка» изображена на Рис.3

Рис. 3 Схема горизонтального грунтового теплообменника «многоэтажка»

Рекомендуемая мощность по холоду для озвученных выше условий составит 3750 Вт, а длина траншеи для получения такой мощности составит:

Lтранш=3750/75=50м.

Площадь, занимаемая траншеей по верху (с учетом выполнения откосов) составляет:

Sтр=2,5*50=125м2

Предположим что трубы будут укладываться в 4 этажа на глубинах 1,5;2;2,5;3м. Необходимая длина труб-4 полиэтиленовые трубы д 32 по 100 м каждая, итого Lтр= 400м. Объем грунта (глина), извлекаемый из траншеи шириной 1м с учетом выполнения откосов составит: W=(1+(3*0,25*2+1))/2*3*50=263,5 м3.

Посчитаем, как и в предыдущем случае, объем грунта, подверженный воздействию грунтового коллектора с радиусом влияния 1м, который отдает тепло грунтовому коллектору за счет своей теплоемкости и фазового перехода влаги, содержащейся в порах грунта :

Wзам=(4+1,5)/2*3*50=412,5 м3.

Условная площадь контакта теплого и замороженного грунта составит: Sконт=3,1*50*2+1,5*50+(4+1,5)/2*3*2=402 м2.

Посчитаем для такого же дома площадью 100 м кв вариант горизонтального грунтового коллектора «slinky». Витки спирали коллектора находятся в одной горизонтальной плоскости и сдвинуты относительно друг друга. Общий вид горизонтального грунтового коллектора «slinky» изображен на Рис. 4.

Рис. 4 Горизонтальный грунтовый коллектор «slinky»

Согласно рекомендациям для рассматриваемого в нашем примере дома требуется вырыть 4 траншеи длиной по 12 м каждая, шириной 1 м, глубиной 1,5 м, расстояние между траншеями 3 м, общий метраж заложенной трубы составит 560 м.

Таким образом размеры занимаемые на участке коллектором составят 12м x 13м, а общая площадь занимаемая коллектором:

Sкол=12*13=156 м2;

Метраж трубы использованный для монтажа:

Lтр=560м;

Объем грунта, извлекаемого из траншей:

W=12*1*1,5*4=72 м3;

Посчитаем, как и в предыдущих случаях, объем грунта, подверженный воздействию грунтового коллектора с радиусом влияния 1м, который отдает тепло грунтовому коллектору за счет своей теплоемкости и фазового перехода влаги, содержащейся в порах грунта :

Wзам=14*3*1,5*4=252 м3;

Условная площадь контакта теплого и замороженного грунта составит:

Sконт=(14*1,5*2+3*1,5*2+14*3)*4=(42+9+42)*4=372 м2

Сведем полученные результаты в таблицу и проанализируем.

Табл. 3 Характеристики горизонтальных грунтовых теплообменников

Вид грунтового теплообменника	Площадь грунтового теплообменника, м2	Объем извлекаемого грунта, м3	Объем грунта в зоне влияния теплообменника (объем замораживаемого грунта), м3	Условная площадь контакта замораживаемого грунта и теплого грунта, м3	Метраж трубы, используемый для монтажа, м
Теплообменник из параллельно соединенных труб	160	240	324	306	200
Теплообменник ‘’многоэтажка”	125	264	413	402	400
Cпиральные теплообменники типа slinky	156	72	252	372	560

 

Видно, что при меньшей занимаемой площади грунтовый теплообменник «многоэтажка» имеет практически сопоставимый с теплообменником с параллельными трубами объем извлекаемого грунта, но при этом практически на треть выигрывает как в объеме зоны влияния (замораживаемого грунта), так и в площади контакта замораживаемого и теплого грунта. И это при том, что мы несколько увеличили размер грунтового теплообменника с параллельными трубами. Т.е. при расчетах нужно учитывать, что рекомендации западных производителей зачастую необходимо корректировать в большую сторону, т.к. для их условий расчет мог быть произведен для температуры -12 град, а для наших условий расчет необходимо производить до -24 град. Что же касается спирального теплообменника типа slinky, то имея площадь размещения, практически равную теплообменнику с параллельными трубами, объем извлекаемого грунта у него наименьший среди всех вариантов, что является несомненным плюсом для снижения стоимости аренды техники, но он сильно проигрывает по объему зоны влияния (замораживаемого грунта) другим вариантам, а по площади контакта замораживаемого и теплого грунта проигрывает «многоэтажке», но зато выигрывает у варианта с параллельными трубами. Кроме того вариант slinky имеет наибольший расход трубы и имеет наибольшие трудозатраты при укладке. Данный вариант теплообменника интересен, когда есть возможность подводного размещения такого коллектора в проточной воде.

Таким образом несомненным лидером по эффективности, компактности размещения, стоимости изготовления является среди всех представленных вариантов, горизонтальный грунтовый теплообменник «многоэтажка». Хотелось бы отметить, что данный вариант теплообменника появился, был запатентован на просторах СНГ , в Казахстане, когда началось производство первых отечественных тепловых насосов. Причина внедрения данного грунтового теплообменника заключалась в том, что первые инсталляции тепловых насосов, выполнялись по рекомендациям европейских производителей с расчетом на мягкий климат Европы и зачастую не выдерживали эксплуатации в резко континентальном климате Сибири и Казахстана. И хотя климат Республики Беларусь близок к европейскому, но и у нас иногда случаются холодные зимы, и в такой ситуации всегда лучше иметь систему отопления выполненную с запасом на суровые погодные условия.

Еще хотелось бы пару слов сказать про технологию выполнения работ по устройству грунтового теплообменника «многоэтажка». Зачастую, те кто выполняет данные работы в частном порядке, не осознают опасности которую представляют земляные работы. Часто можно увидеть, что траншеи выполняются с вертикальными стенками, что чревато обрушениями и сползанием грунта, со всеми вытекающими последствиями, особенно во влажных грунтах, после дождей. В нормативных документах по строительству, которые писались еще во времена Советского Союза и действовали на территории СССР были четко прописаны размеры откосов, которые необходимо было делать при разработке траншей и котлованов. Данные правила и нормативы с небольшими переработками перекочевали в нормативные документы стран таможенного союза и действительны и обязательны к исполнению при выполнении земляных работ. Ширина траншеи на уровне плоскости планировки подсчитывается, учитывая допустимую крутизну откосов, которую определяют в зависимости от вида грунта по Табл 4.

Табл. 4 Наибольшая допустимая крутизна откосов временных котлованов и траншей, выполняемых без креплений

 

Вид грунта	Глубина выемки, м
	до 1,5		от 1,5 до 3		от 3 до 5
	Угол между направлением откоса и горизонталью, град	Отношение высоты откоса к его заложению	Угол между направлением откоса и горизонталью, град	Отношение высоты откоса к его заложению	Угол между направлением откоса и горизонталью, град	Отношение высоты откоса к его заложению
Насыпной	56	1:0,67	45	1:1	38	1:1,25
Песчаный, гравийный влажный (ненасыщенный)	63	1:0,5	45	1:1	45	1:1
Супесь	76	1:0,25	56	1:0,67	50	1:0,85
Суглинок	90	1:0	63	1:0,5	53	1:0,75
Глина	90	1:0	76	1:0,25	63	1:0,5
Лессовый сухой	90	1:0	63	1:0,5	63	1:0,5

 

На рис 5 изображена схема разработки траншеи.

Рис. 5 Схема разработки траншеи

Здесь в — ширина траншеи по низу; В – ширина траншеи по верху; H — глубина траншеи; m- заложение откоса, m=ctg a.

Таким образом ширина траншеи по верху В=в+2*m*H.

Например, для отрывки траншеи глубиной 3м, по глине экскаватором с ковшом шириной 1м нам необходимо заложить откосы таким образом, чтобы ширина траншеи по верху была В=1+2*0,25*3=2,5м.

При этом объем выемки грунта с 1 погонного метра траншеи будет: W=(1+2,5)/2*3*1=5,25 м3, против объема в 3 м3, для траншеи с отвесными стенками. Таким образом объем извлекаемого грунта может быть в 2 и более раз выше по сравнению с вариантом для траншеи без откосов, соответственно и время работы экскаватора увеличивается вдвое. Это обстоятельство необходимо учитывать при планировании работ. За один рабочий день экскаватором типа JCB или CASE и т.п. возможно выкопать примерно 50 м. траншеи с откосами, конечно с поправкой на тип грунта. Также необходимо учесть, что грунт, как правило, неоднороден и если при отрывке траншеи есть слой глины и слой супеси, то крутизну откосов необходимо закладывать по более слабому грунту, т.е. по супеси. А вот определять, где супесь, а где суглинок, если на участке не проводились геологические изыскания, придется самостоятельно.   Еще хотелось бы сказать, что при отрывки траншеи с откосами, на стенках можно делать небольшие горизонтальные полки-бермы и при монтаже размещать на них один из уровней прокладываемых труб. Это достаточно удобно, т.к. под трубой остается плотный слежавшийся грунт и трубу не срывает со стенок траншеи при обратной засыпке см. Рис. 6, Рис. 7

Рис. 6 Траншея с откосами, бермами под горизонтальный грунтовый теплообменник «многоэтажка»

Рис. 7 Траншея горизонтального грунтового теплообменника «многоэтажка» с трубами

Рис. 8 Траншея горизонтального грунтового теплообменника «многоэтажка» перед засыпкой

Еще хотелось бы отметить, что при выполнении откосов верхняя петля окажется самой короткой, а нижняя – самой длинной

Рис. 9 Засыпка конца траншеи

После укладки труб и засыпки траншей производится установка колодца и монтаж сборного коллектора, см Рис. 10

Рис. 10 Установка колодца

Рис. 11 Ввод труб в колодец

Рис 12. Прокладка подводящей магистрали от дома к колодцу

Рис. 13 Ввод магистрали в дом

Рис. 14 Монтаж сборного коллектора в колодце

После опрессовки можно приступать к монтажу теплового насоса.

Наша компания, имея опыт в установке тепловых насосов и устройству горизонтальных грунтовых теплообменников, готова предложить вам выполнение данных видов работ. Имея свободные площади для размещения горизонтального грунтового теплообменника, вы сможете сэкономить некоторую сумму денег по сравнению с устройством вертикальных теплообменников (скважин). Ориентировочные затраты на устройство горизонтального грунтового теплообменника «многоэтажка» для получения 9-10 кВт тепловой мощности составят около 6000-7000 белорусских рублей, что при хорошем утеплении, даст возможность отопить дом площадью около 200 м кв.