Рис. 1. Распределение температуры грунта по глубине
Табл. 1. Характеристики различных типов геотермальных систем
Рис. 2.
Рис. 3.
Рис. 4.
Рис. 5.
Табл. 2. Матрица выбора геотермальной системы
Табл. 3. Физические свойства основных типов грунтов
Энергетическая корзина
Геотермальные установки: варианты применения
В условиях постоянного роста цен на коммунальные услуги одной из мер существенной экономии может стать переход на альтернативные источники энергии. Кроме того, для России по-прежнему стоит на повестке дня решение проблемы энергоснабжения в ряде регионов. В отсутствие привычных источников энергии — электроэнергии и газа — многие компании предлагают оптимальное решение бытовых задач путем использования геотермальной энергии.
Слово «геотермия» имеет греческое происхождение и состоит из двух частей, geo и therm, что переводится как «земля» и «тепло», соответственно. Итак, «геотермия» — это раздел геофизики, который изучает тепловое состояние земли, распределение температуры и ее источников в недрах Земли. Геотермальная энергия — это энергия земли, извлекаемая из почвы на благо человечества.
Изучение подобных явлений профессионалами позволило использовать геотермальные скважины для получения энергии. В настоящее время возможность извлечения и использования геотермальной энергии доступна жителям нашей страны и является верным шагом на пути к энергонезависимости.
В любой местности и в любое время года в поверхностном слое земли на определенной глубине температура будет примерно одинаковой и неизменной даже при низких атмосферных температурах. При этом по мере углубления в земную кору каждые 100 м температура земли увеличивается на 3 °C (рис. 1). Данная природная особенность активно используется для получения энергии для обогрева, получения горячей воды и охлаждения. Источником энергии для обогрева внутренних слоев земли служат грунтовые воды, которые увеличивают температуру почвы, находясь в поверхностном слое (до 400 м в глубину).
Современная геотермальная система включает две составляющие: тепловой насос и грунтовой теплообменник, представляющий собой контур труб, расположенных под землей. В настоящее время в энергетических системах в качестве теплоемкого раствора применяются современные антифризы (пропилен, этиленгликоль, биоэтанол-концентрат), которые по грунтовому коллектору проходят подземные области, собирая тепло или отдавая его. Грунтовые теплообменники отличаются по размерам, формам, расположению. Геотермальные установки разделяются на несколько видов.
Правильный выбор
Выбор необходимого вида геотермальной энергетической системы будет зависеть от разных факторов, на некоторые из которых обратим более пристальное внимание. Сегодня на рынке грунтовых теплообменников лидируют вертикальные грунтовые коллекторы (рис. 2, табл. 1), которые также называют геотермальными зондами. Они представляют собой теплообменники, состоящие из одной или двух параллельных труб U-образной формы, которые закапывают в грунт вертикально на глубину, как правило, это 50–150 м. Они подходят для любых видов грунта и работают как на отопление, так и на охлаждение.
Энергетические сваи (рис. 3, табл. 1) — вид геотермальных систем, предназначенных для отопления или охлаждения крупных объектов, например, промышленных или офисных зданий. При устройстве энергетических свай внутрь каждой сваи монтируют пластиковые трубопроводы, с помощью которых удается интегрировать геотермальный теплообменник напрямую в свайный фундамент. Устройство энергетических свай производится одновременно с устройством фундамента при минимальных дополнительных затратах на грунтовой контур. Отличие энергетических свай от вертикальных грунтовых коллекторов заключается в максимальной глубине их установки. Кроме того, энергетические сваи не могут обеспечить активного охлаждения.
При отсутствии возможности размещения систем на большой глубине используют горизонтальные грунтовые коллекторы (рис. 4, табл. 1), для размещения которых необходимы большие открытые площади. При этом свободная площадь должна на 50–100 % превосходить площадь, на которой планируется производить отопление или охлаждение.
Например, если требуется прогреть 150 м2, для размещения коллектора потребуется от 225 до 300 м2 свободного пространства. В зависимости от условий монтажа и диаметра труб циркуляционные контуры укладываются с шагом от 0,5 до 1,5 м. Данные работы в общем виде схожи с укладкой контуров в системе напольного отопления. Диаметр труб составляет от 25 до 40 мм, глубина установки — до 2 м и ниже глубины промерзания.
Еще один вид геотермальных систем — энергетические корзины (рис. 5), также называемые энергетическими петлями. Они предназначены для отопления и охлаждения небольших по площади зданий частного или коммерческого назначения. Энергетические корзины относятся к коллекторам горизонтального типа, но не требуют больших свободных площадей для установки. Размер энергетической корзины и ее конструкция позволяют установить систему на глубине 4–5 м, в непосредственной близости к поверхности земли. Глубина заложения энергетических корзин зависит от глубины промерзания. В летний период грунт аккумулирует энергию, в зимний — ее отдает, и температура грунта на такой глубине зависит от погодных условий. Влияние на грунт оказывают поступающая солнечная энергия, увлажнение грунта дождевыми и талыми водами.
В табл. 2 представлен обзор вариантов использования систем. При выборе геотермальных систем важно учитывать геологические и гидрогеологические условия. К сожалению, не все типы грунтов (табл. 3) одинаково подходят для получения геотермальной энергии.
Помимо таких характеристик, как размер зерна грунта и его плотность, на теплопроводность грунта оказывает влияние уровень его влагосодержания. Лучше всего подходят типы грунтов, насыщенные влагой, удельная мощность теплоотведения которых может достигать 40 Вт/м2. В то же время практически непригодными к использованию являются такие типы грунтов, как песок или гравий — из-за своей рыхлости они не могут удерживать влагу. При установке вертикальных грунтовых коллекторов или энергетических свай, мощность теплоотведения которых составляет свыше 30 кВт, проводят специальные тесты теплопроводности, позволяющие определить эффективный уровень теплопроводности почвы и получить точные данные для моделирования и устройства геотермальной системы.
Так как определяющее значение в работе геотермальных систем играют грунтовые воды, необходимо учитывать их уровень, обращать внимание на гидрологию. Влагопроводимость будет зависеть от структуры частиц грунта, который может быть рыхлой или твердой породой.
Если порода рыхлая, важным фактором, определяющим влагопроводимость почвы, является капиллярная пористость, влияющая на степень проникновения грунтовых вод, а также размер зерна, гранулометрический состав. Если порода твердая, обращают внимание на частоту и ширину открытия трещин. При анализе грунтов также учитывается ее состав, водоносность, тепловодность, удельная теплоемкость, плотность.
На выбор геотермальной системы влияют региональные факторы, климат и расположение объекта. Дело в том, что климатические условия каждой определенной местности оказывают влияние на процессы регенерации в геотермальной системе. Так, хороший уровень проникновения дождевых вод в грунт увеличивает производительность «околоповерхностных» систем. Для подбора горизонтальных геотермальных систем, которые могут применяться в конкретных условиях, необходимо проконсультироваться со специалистом.
Специфика монтажа
Различные виды геотермальных систем требуют совершенно разных монтажных работ, что также может оказать влияние на выбор оптимальной системы. Как уже упоминалось выше, установка энергетических свай проводится одновременно с работами по закладке фундамента, что, необходимо продумать задолго до начала строительных работ — при разработке проекта. Для вертикальных грунтовых зондов не требуется организации котлованов, однако необходимо применение буровых установок. Использование подобных установок может потребовать дополнительных согласований. Для монтажа горизонтальных грунтовых коллекторов потребуется наличие большого свободного пространства. Работы проводятся с применением экскаватора. Для установки систем необходимы большие свободные площади, что предполагает разрытие траншей, котлована и снятие слоя почвы. Временное хранение данного грунта также потребует свободных площадей.
Самыми удобными с точки зрения монтажа являются энергетические корзины. Их установка не требует буровых работ или работ на больших площадях, вместе с тем, их использование достаточно для организации отопления и охлаждения жилых домов малой и средней площади, небольших промышленных зданий.
Отдельное внимание следует уделить последующей высадке растений на поверхность, под которой размещены горизонтальные коллекторы и энергетические корзины. И хотя нет причин запрещать посадку растений над коллекторами, следует избегать посадки деревьев и других типов растений с сильной корневой системой, которая может разрушить трубы коллектора. В этой связи необходимо обеспечить достаточно свободного места над энергетической системой, например, путем обустройства газонов.
Возможности и преимущества
Выгода от использования теплового насоса, безусловно, зависит от режима работы и характеристик здания. Для работы компрессора теплового насоса необходимо электричество. При этом достигается значительная экономия: затратив 1 кВт электрической энергии, на выходе вы получаете 3–4,5 кВт тепловой. Использование геотермальных установок также способно решить безвыходную, на первый взгляд, проблему. Например, отсутствие на участке возможности проведения магистрального газа или ограничение использования электрических мощностей. Геотермальные системы можно использовать для отопления помещений — это самая распространенная сфера применения, а также для подготовки горячей воды и для охлаждения. В жаркое время года геотермальная установка становится прекрасной альтернативой кондиционеру: во-первых, внешний вид зданий ничем не портится, во-вторых, удается в разы экономить электроэнергию. Несомненным плюсом здесь является и то, что энергия, данная самой природой, является экологически чистой.
На практике
Геотермальные установки демонстрируют свою эффективность в Европе и мире. На сегодняшний день построено немало зданий, оборудованных подобными системами в России. Одним из примеров использования геотермальных систем является установка вертикальных грунтовых коллекторов в «Гиперкубе» — Центре городского развития Инновационного центра «Сколково». Система состоит из теплового насоса Stiebel Eltron и 13-ти зондов Uponor, каждый длиной 80 м. Тепловой насос позволяет обеспечить здание энергией для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения.
Геотермальную систему для отопления и охлаждения в Сколково выбрали не случайно. Свою роль сыграла энергоэффективность системы, так как геотермальное отопление оказалось в 4,5 раза выгоднее стандартного электрического отопления. Высокие требования, предъявляемые к материалам и комплектующим, которые используются на объекте, были удовлетворены вследствие использования оборудования Uponor и Stiebel Eltron.
Еще один объект — АЗС «Лукойл», площадью в 336 м2 во Внуково. В ней размещен тепловой насос Stiebel Eltron (32,6 кВт) и восемь 60-метровых зондов. Для АЗС геотермальная энергия оказалась идеальным решением с точки зрения пожаробезопасности и эксплуатационных затрат: газ, самое дешевое топливо, на бензоколонках использовать нельзя, а отопление всего комплекса электричеством ведет к высоким издержкам.
Геотермальными системами также оборудованы многие объекты малоэтажной жилой застройки. Несмотря на вложения в необходимое оборудование на первоначальном этапе, его установка гарантированно окупается в течение нескольких последующих лет. Стандартный срок окупаемости составляет шесть-восемь лет, но при наличии определенных условий, установка подобного оборудования окупается в течение двух-трех лет. В целом, установка геотермальной системы является оптимальным решением, поскольку позволяет впредь не задумываться о росте тарифов на энергоресурсы.
