Грунтовый теплообменник геотермальной теплонасосной системы с увлажнением грунта и способ его использования
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для экологически и энергетически эффективного теплохладоснабжения зданий и сооружений с помощью теплонасосной системы, использующей низкопотенциальную теплоту грунтового массива, в частности к устройству грунтовых теплообменников. Грунтовый теплообменник состоит из одной или нескольких термоскважин с трубопроводами-спутниками, расположенными вблизи и вдоль каждой термоскважины, источника водоснабжения и водопроводных трубопроводов, при этом источником водоснабжения является водозаборная скважина, от которой непосредственно к каждой термоскважине грунтового теплообменника проложены водопроводные трубопроводы и подключены к трубопроводам-спутникам, причем последние имеют перфорацию как минимум на части, находящейся вне слоя грунтовых вод. Способ использования теплообменника предусматривает расход воды, подаваемой из источника водоснабжения в трубопроводы-спутники, равный или меньший суммарного расхода естественной фильтрации (дренирования) воды в окружающий грунтовый массив под действием гравитационных сил. Это позволяет организовать в грунтовом массиве контролируемую вертикальную циркуляцию грунтовых вод, обеспечивающих повышенную теплопроводность грунта непосредственно в районе термоскважины. 3 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для экологически и энергетически эффективного теплохладоснабжения зданий и сооружений с помощью теплонасосной системы, использующей низкопотенциальную теплоту грунтового массива, в частности к устройству грунтовых теплообменников.
Известно техническое решение по заявке на изобретение №2012108293(0867), касающееся вертикального грунтового теплообменника (термоскважины) для извлечения или сброса в грунт тепловой энергии. Недостатком такого технического решения является сравнительно невысокая тепловая эффективность, связанная с низкой теплопроводностью в случае слабой водонасыщенности грунта.
Также известно техническое решение по патенту РФ №2416760, касающееся грунтового теплообменника, состоящего из некоторого количества вертикальных термоскважин, с повышенной эффективностью использования теплоаккумуляционных свойств грунта и теплообмена с грунтовым массивом, заключающееся в том, что для увлажнении грунтового массива используются грунтовые воды путем организации направленного их течения с помощью водозаборной скважины, пробуренной с одной стороны грунтового массива и соединенной водопроводными трубами с нагнетательной скважиной, пробуренной с другой стороны грунтового массива. Таким образом, организуется горизонтальная циркуляция грунтовых вод в грунтовом массиве в районе термоскважин.
Недостатком этого решения является то, что процесс течения грунтовых вод неконтролируем, и в некоторых случаях поток может миновать район расположения термоскважин, и в этом случае увлажнение грунта не происходит.
Известно также техническое решение (патент РФ №2499197), содержащее вертикальные грунтовые теплообменники и трубопроводы-спутники, расположенные вдоль термоскважин, через которые подается вода, увлажняющая грунтовый массив, что способствует повышению теплопроводности грунта. Однако техническое решение не содержит информации об источнике воды для увлажнения грунта.
Предлагается техническое решение грунтового теплообменника, состоящего из одной или нескольких термоскважин с трубопроводами-спутниками, расположенными вблизи и вдоль каждой термоскважины, источника водоснабжения и водопроводных трубопроводов, причем водопроводные трубопроводы проложены от источника водоснабжения, которым является водозаборная скважина, непосредственно к каждой термоскважине грунтового теплообменника и подключены к трубопроводам-спутникам, причем последние имеют перфорацию.
Изобретение поясняется фиг. 1.
Грунтовый теплообменник содержит установленные в грунтовом массиве термоскважины 1 с трубопроводами-спутниками 2, имеющими перфорацию, источник водоснабжения, например водозаборную скважину 3, соединенную с водоносным горизонтом 4 и снабженную погружным насосом 5, и водопроводные трубы 6, подведенные к каждому трубопроводу-спутнику 2.
Вода из водоносного горизонта 4 через водозаборную скважину 3 с установленным в ней погружным насосом 5 по водопроводным трубам 6 поступает непосредственно к каждому трубопроводу-спутнику 2, откуда через перфорацию подается в зону каждой термоскважины 1, где впрыскивается в грунт и за счет естественной фильтрации возвращается в водоносный горизонт 4.
Таким образом, в грунтовом массиве организуется контролируемая вертикальная циркуляция грунтовых вод, обеспечивающих повышенную теплопроводность грунта непосредственно в районе термоскважины.
Для более интенсивного и равномерного увлажнения грунта каждая термоскважина может быть снабжена более чем одним, например двумя-тремя, трубопроводами-спутниками, расположенными равномерно вокруг термоскважины. В зимнее время вода может подаваться без напора за счет естественной фильтрации.
Увлажнение грунта особенно актуально, когда теплонасосная система работает в режиме кондиционирования, сопровождающимся сбросом тепловой энергии в грунт. В этом режиме при отсутствии принудительной циркуляции грунтовых вод происходит обезвоживание грунта в районе термоскважин и ухудшение его теплотехнических характеристик. Поэтому в летнее время года при использовании термоскважин для холодоснабжения вода в трубопроводы-спутники подается с избыточным давлением, увеличивая скорость фильтрации и теплоотдачу от термоскважин в окружающий грунт
В качестве источника водоснабжения может быть использован ближайший водоем, причем в зимнее время года водоем может использоваться для закачки тепловой энергии в грунт, а в летнее время - для закачки «холода», при этом в зависимости от температурного потенциала используемой низкопотенциальной энергии водозабор осуществляется либо из нижних, либо из верхних слоев водоема.
1. Грунтовый теплообменник, состоящий из одной или нескольких термоскважин с трубопроводами-спутниками, расположенными вблизи и вдоль каждой термоскважины, источника водоснабжения и водопроводных трубопроводов, отличающийся тем, что источником водоснабжения является водозаборная скважина, от которой непосредственно к каждой термоскважине грунтового теплообменника проложены водопроводные трубопроводы и подключены к трубопроводам-спутникам, причем последние имеют перфорацию как минимум на части, находящейся вне слоя грунтовых вод.
2. Устройство по п. 1, состоящее из термоскважин с трубопроводами-спутниками, отличающееся тем, что каждая термоскважина снабжена более чем одним, например двумя-тремя, трубопроводами-спутниками, расположенными равномерно вокруг термоскважины.
3. Способ использования устройства по пп. 1 и 2, содержащего термоскважины с трубопроводами-спутниками, отличающийся тем, что расход воды, подаваемой из источника водоснабжения в трубопроводы-спутники, равен или меньше суммарного расхода естественной фильтрации (дренирования) воды в окружающий грунтовый массив под действием гравитационных сил.
