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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 регио