Порівняльний аналіз гідротермальних теплонасосних установок закритого та відкритого типу з різними джерелами низькопотенційної енергії

Ключові слова: тепловий насос, гідротермальна система, водоносний горизонт, низькопотенційна енергія води.

Abstract

O. Zurian, PhD (Techn.), Senior Researcher,

A. Barilo, Senior Researcher,

Institute of Renewable Energy of the NAS Ukraine,

20-a Hn. Khotkevycha Str., Kyiv, 02094, Ukraine

Comparative analysis of hydrothermal heat pump installations of closed and open types with different sources of low-potential energy

The article is devoted to a new direction of using the waters of the upper aquifers and open reservoirs for heat and cold supply of residential and public buildings and structures. The theoretical analysis of technologies of construction and features of use of natural accumulators of thermal energy in aquifers is carried out. The general schemes of construction of hydrothermal power systems of closed and open type are described. The hydrothermal experimental heat pump power system developed and constructed at the Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine consisting of a heat pump and two wells with a depth of 49.5 m and 57.5 m, through which water is pumped or pumped from the aquifer, is presented. The geomorphological, geological and hydrogeological conditions of the study site are analyzed. The peculiarities of the formation of groundwater reserves of the productive horizon are described. Further directions of hydrogeological observations have been determined.

The efficiency of the hydrothermal heat pump energy system of the open type is scientifically substantiated. Research methods are described. The characteristics of the measuring equipment and the software which was used for archiving and visualization of the data received in the course of carrying out research work are resulted.

The results of experimental researches are presented. A comparative analysis of the efficiency and investment attractiveness of the hydrothermal system of open and closed type, where low-potential thermal energy of water is used as a renewable primary source of thermal energy for the operation of the heat pump was carried out.

It is established that the use of renewable low-potential ground energy for the operation of geothermal energy systems is widely used in environmentally safe and economically attractive energy systems. However, the use of hydropower potential in hydrothermal energy systems is not widely used, despite the high technical and economic performance. It is proved that the existing hydrothermal systems are not always adapted to the operating conditions and location of the facility. There is no method of designing open-type hydrothermal systems, methods of conducting preliminary hydrogeological studies of the area planned for the installation of these systems and methods of calculating the parameters of the storage medium.

The data obtained during the study are of great scientific and applied importance in the design of hydrothermal energy heat pump systems. In addition, there are prospects for further research into the possibility and effectiveness of using the aquifer as a natural heat accumulator to stabilize the generation of energy from renewable sources, regardless of climatic conditions and time of year.

Keywords: heat pump, hydrothermal system, aquifer, low-grade water energy.

Аннотация

А. Зурьян, канд. техн. наук, науч. сотр.,

А. Барыло, науч. сотр.,

Институт возобновляемой энергетики НАН Украины,

Ул. Г. Хоткевича, 20-a, Киев, 02094, Украина

Сравнительный анализ гидротермальных теплонасосных установок закрытого и открытого типов с разными источниками низкопотенциальной энергии

Посвящено новому направлению использования вод верхних водоносных горизонтов и открытых водоемов для тепло- и холодоснабжения жилых и общественных зданий и сооружений. Приведен теоретический анализ технологий построения и особенностей использования природных аккумуляторов тепловой энергии в водоносных горизонтах. Описаны общие схемы построения гидротермальных теплонасосных систем закрытого и открытого типа. Представлена разработанная и сконструированная в Институте возобновляемой энергетики НАН Украины гидротермальная экспериментальная теплонасосная система, состоящая из теплового насоса и двух скважин глубиной 49,5 м и 57,5 м. Проведен анализ геоморфологических, геологических и гидрогеологических условий участка исследования. Описаны особенности формирования запасов подземных вод продуктивного горизонта. Определены дальнейшие направления проведения гидрогеологических наблюдений.

Научно обоснована эффективность гидротермальной теплонасосной системы открытого типа. Описана методика проведения исследований. Приведены характеристики измерительного оборудования и программного обеспечения, которое использовалось для архивации и визуализации данных, полученных в процессе проведения научно-исследовательской работы.

Приведены результаты экспериментальных исследований. Проведен сравнительный анализ эффективности и инвестиционной привлекательности гидротермальных теплонасосных систем открытого и закрытого типов, где в качестве возобновляемого первичного источника тепловой энергии для работы теплового насоса используется низкопотенциальная тепловая энергия воды.

Установлено, что использование возобновляемой низкопотенциальной энергии грунта для работы геотермальных теплонасосных систем широко применяется в экологически безопасных и экономически привлекательных системах получения тепловой энергии. Вместе с тем использование гидроэнергетического потенциала в гидротермальных теплонасосных системах не имеет широкого применения, несмотря на высокие технические и экономические показатели. Доказано, что имеющиеся гидротермальные системы не всегда адаптированы к условиям эксплуатации и местоположения объекта. Отсутствуют методики проектирования гидротермальных теплонасосных систем открытого типа, методики проведения предварительных гидрогеологических исследований района, запланированного для монтажа данных систем, и методики расчета параметров аккумулирующей среды.

Полученные в ходе исследования данные имеют важное научное и прикладное значение при проектировании гидротермальных теплонасосных систем. Кроме того, имеют перспективу дальнейшие исследования возможностей и эффективности использования водоносного горизонта в качестве естественного аккумулятора теплоты для стабилизации генерирования энергии от возобновляемых источников независимо от климатических условий и времени года.

Ключевые слова: тепловой насос, гидротермальная система, водоносный горизонт, низкопотенциальная энергия воды.

Основна частина

Постановка проблеми. Використання поверхневих вод відкритих водоймищ та верхніх водоносних горизонтів з енергетичною метою - це реальність нашого часу. Згідно з даними Всесвітнього геотермального конгресу, на початок 2020 р. встановлена теплова потужність геотермальних теплонасосних установок (ТНУ), які як первинне джерело енергії використовують теплову енергію повітря, ґрунту, підземних і поверхневих вод, значно перевищила потужності традиційних глибинних геотермальних теплових станцій і досягла позначки 78 ГВт. На сьогодні у світі існує понад 6,5 млн таких установок. Більшість з них малої потужності (середня - 12 кВт) і використовується для теплопостачання і кондиціювання індивідуальних житлових будівель, рідше - інституцій - них і комерційних установ (Lund and Aniko, 2021).

В Україні в останні роки також спостерігається стрімке зростання впровадження в системи теплопостачання геотермальних теплових насосів, що використовують низькопотенційні джерела енергії, однак статистичний облік таких установок практично не ведеться. Тому на сьогодні в країні достеменно невідомий ні рівень сумарної встановленої потужності, ні його поділ за джерелами низькопотенційної теплоти. Однак, згідно з оцінюванням, проведеним на основі даних фіскального обліку митної служби нашої країни щодо імпорту теплових насосів та їх комплектуючих, сумарна теплова потужність теплових насосів, які зараз використовуються в Україні, приблизно дорівнює 180о МВт (Кудря, 2020).

Аналіз статистичних даних показує, що за період з 2004 по 2020 р. витрати на сплату комунальних послуг (без врахування плати за обслуговування будинку та при - будинкової території) збільшились більше ніж в 30 разів Зрозуміло, що така ситуація викликає пошук нових альтернативних методів опалення та гарячого водопостачання, одним з яких є застосування теплонасосних установок, що використовують низькопотенційні геотермальні джерела енергії. Особливо це стосується споживачів, що мають індивідуальну систему теплопостачання.

Зростанню впровадження теплонасосних технологій у систему індивідуального теплопостачання також сприяє відсутність необхідності землевласникам і землекористувачам мати спеціальні дозволи та гірничі відводи на відбір підземних вод на своїх ділянках за умови, що обсяги видобування підземних вод не перевищують 300 м³/доб. (Стаття 23 Кодексу України про надра).

Тому пошук перспективних шляхів розвитку техніки та технологій на основі використання енергії відновлюваних джерел, у т. ч. низькопотенційної геотермальної енергії, є однією з проблем, розв'язання якої в Україні дасть гарантію енергетичної безпеки та незалежності держави (Кудря, 2004).

Аналіз останніх досліджень і публікацій. В останні роки питанням досвіду використання теплонасосних систем в Україні та світі, де як первинне джерело енергії використовується низькопотенційна енергія приповерхневих шарів Землі, присвячена велика кількість досліджень. Аналіз ефективності різних типів теплонасосних систем наведено в роботах (Долінський та Драганов, 2008; Морозов та ін., 2017; Гошовський та Зур'ян, 2013; Попов, 2005; Laloui et al., 2006; Елістратов, 2011; Яценко, 2017). Сукупність математичних моделей, що дозволяють розраховувати процеси тривалого акумулювання теплоти в навколишньому природньому середовищі з подальшим її видобуванням, наведено в монографії (Накорчевський, 2010). Ефективність застосування теплонасосних технологій, де як первинне джерело теплової енергії використовується теплота приповерхневих шарів Землі, досліджувалася в роботах (Matos et al., 2019; Deng et al., 2020; Kim and Lee, 2020; Zurian 2019; Лисак, 2020), Інноваційні конструкції геотермальних теплообмінників розроблені та описані в дослідженнях (Федянін та Карпов, 2006; Кіріченко, 2014; Гошовський та Зур'ян, 2015). У роботах (Шубенко та Кухарець, 2014; Morrison et al., 2004; Hepbasli and Kalinci, 2009) автори науково довели, що безпосередньо тепловий насос як складова частина теплонасосної системи є екологічно чистим пристроєм, основною функцією якого є переміщення низькотемпературної енергії від відновлюваного джерела до системи теплозабезпечення будівлі зі значенням температури та потужності, необхідним для споживання, та зроблено припущення, що техногенне навантаження на довкілля та екологічну небезпеку можуть нести теплофізичні процеси, що відбуваються в системі геотермальний теплообмінник - ґрунт. Перспективи використання геотермальних технологій на території Чорнобильської зони відчуження досліджено в роботі (Барило, 2017). В останні роки розпочато активні науково-дослідницькі роботи з вивчення фізичних особливостей та енергетичної ефективності використання перших від поверхні водоносних горизонтів для тепло - та холодопостачання (Малкін та Колінко, 2014; Морозов та ін., 2019). Крім того, активно проводяться дослідження щодо застосування як теплового акумулятора для роботи теплонасосної системи відкритих водойм. Є приклади ефективного використання таких гідротермальних теплонасосних систем з теплообмінниками, встановленими на дно водойми (Goshovskyi and Zurian, 2013).

Виділення нерозв'язаних раніше частин проблеми. Одним з варіантів економії енергоресурсів є використання для теплопостачання низкопотенційних джерел тепла за допомогою теплових насосів. Цей метод екологічно безпечний і досить дешевий. Основна відмінність теплового насоса від інших перетворювачів відновлюваної енергії полягає в тому, що при виробництві тепла до 80% енергії вилучається з навколишнього середовища: ґрунту, води, повітря.

Теплові насоси в холодну пору року опалюють приміщення, а в теплу пору року використовуються для охолодження повітря в будинку. У такому випадку тепло з повітря приміщень будинку забирається та передається назад у ґрунт, повітря чи у водоймище. Багатофункціональність використання є однією з найважливіших переваг теплових насосів.

Тепловий насос фактично перекачує тепло з контуру приєднаного до джерела відновлюваної енергії до контуру поєднаного з системою теплозабезпечення будівлі. Ефективність використання теплового насосу залежить від його коефіцієнта перетворення, який визначається відношенням кількості тепла, отриманого від теплового насосу, до витрат енергії для роботи компресора (приводу) теплового насоса. Цей коефіцієнт може бути від 2,5 до 5 для різних типів теплових насосів.

Однак така система має і недоліки, які визначаються суттєвою залежністю її ефективності від температури на вході у випарник та на виході з конденсатора теплового насосу. Тому на ефективність роботи теплонасосних установок передусім впливає природа первинного джерела теплової енергії та конструктивні особливості системи теплозабезпечення будівлі.

Залежно від способу відбору теплоти від первинного джерела енергії усі теплонасосні системи поділяються на:

• відкритого типу, в яких природний теплоносій (повітря, води підземних водоносних горизонтів або поверхневих водоймищ) безпосередньо подаються до випарника теплового насосу;

• закритого типу, в яких для використання первинної низькопотенційної енергії ґрунту, поверхневих або підземних вод застосовується додатковий контур (колектор - теплообміник), в якому циркулює холодоагент, що здійснює «відбір» теплової енергії від первинного джерела енергії та перенос її до випарника теплового насосу.

Мета дослідження. На підставі порівняльного аналізу енергетичних показників двох дієвих експериментальних теплонасосних установок закритого та відкритого типів визначити найефективніший спосіб освоєння низькопотенційних геотермальних ресурсів з урахуванням природи первинного джерела теплової енергії та конструктивних особливостей системи видобування.

Виклад основного матеріалу дослідження. На сьогодні існує ряд теплонасосних енергетичних систем, які використовують теплообмінники для забору первинної низькопотенційної теплової енергії:

1. Геотермальна теплонасосна енергетична система закритого типу з горизонтальним ґрунтовим колектором.

2. Геотермальна теплонасосна енергетична система закритого типу з вертикальним ґрунтовим колектором.

3. Гідротермальна теплонасосна система закритого типу з горизонтальним водяним колектором-теплообмінником, розміщеним на дні водоймі.

Разом з тим теплообмінники, що використовуються в усіх цих системах, мають ряд недоліків, основним з яких є мала величина теплозйому, що пов'язана з низькою теплопровідністю ґрунтового масиву. Залежно від складу і вологості порід питомий теплозйом з одного погонного метра ґрунтового теплообмінника становить від 20 до 80 Вт/м. Відповідно, при опалювальній площі будинку 100 м², для роботи теплового насоса потрібно 3-4 теплообмінника завдовжки до 50 м. Тому в багатьох районах України вищеперелічені теплонасосні системи характеризуються малою тепловою потужністю, тобто вони придатні для невеликих систем потужністю до 30 кВт. Крім того, для забезпечення теплохолодопостачання об'єктів доцільно використовувати системи з акумуляцією теплоти.

Альтернативою таким системам може стати:

4. Гідротермальна теплонасосна система відкритого типу, де як теплоносій використовуються підземні води верхніх водоносних горизонтів, що розташовані від глибини залягання нейтрального шару (тобто поверхні постійних річних температур) до глибини 400 м.

Внаслідок відсутності поверхонь теплообміну цей тип низькопотенційних теплонасосних установок може забезпечити найкращі економічні характеристики серед підземних акумуляторів тепла. Однак такий спосіб освоєння низькопотенційного тепла ускладняється тим, що вимагає при проєктуванні системи теплопостачання враховувати гідродинамічні і теплофізичні характеристики конкретного водоносного горизонту, на основі якого така система створюється (Кіріченко, 2014).

Для проведення досліджень теплових і гідродинамічних процесів, що відбуваються в продуктивному водоносному пласті під час освоєння низькопотенційної енергії підземних вод верхніх водоносних горизонтів, в Інституті відновлюваної енергетики НАН України на прибудинко - вій ділянці корпусу 2, що розташований за адресою вул. Метрологічна, буд. 50, було створено Експериментальну систему видобування геотермальних джерел енергії типу ГЦС (геотермальна циркуляційна система). Експериментальна установка є теплообмінним пристроєм, який складається із: двох свердловин, облаштованих водопідйомним обладнанням, з'єднувальних трубопроводів для транспортування підземних вод та приладів контролю і вимірювання основних технологічних параметрів. Разом з тепловим насосом та приладами системи теплозабезпечення будівлі (фан - койлами, мережевими трубопроводами та циркуляційними насосами) експериментальна установка являє собою гідротермальну теплонасосну установку відкритого типу. Принципову схему дослідної установки зображено на рис. 1.

Рис. 1. Принципова схема експериментальної гідротермальної теплонасосної системи відкритого типу: проникний підземний шар; 2 - видобувна свердловина; 3 - поглинальна свердловина; 4 - баки-акумулятори (7 шт.); 5 - тепловий насос; 6, 7 - циркуляційні насоси; 8 - фанкойл (3 шт.) (Морозов та ін., 2019)

Згідно з принциповою схемою експериментальна те - плонасосна установка працює у двох режимах: в опалювальний сезон - для забезпечення теплом; у літний - для кондиціювання приміщень.

У режимі теплозабезпечення підземна вода верхнього водоносного горизонту із видобувної свердловини (2) за допомогою занурювального насосу відкачується на поверхню, далі по трубопроводу через баки-акумулятори (4) надходить у випарник теплового насосу (5), де віддає частину свого теплового потенціалу (2-3°С) низькокиплячій рідині (холодоагенту), яка циркулює в замкнутому контурі теплового насоса, охолоджується і повертається через поглинальну свердловину (3) назад у продуктивний горизонт. Мережева вода системи теплозабезпечення будівлі за допомогою циркуляційного насосу (6,7) надходить до конденсатора теплового насосу (5), забирає тепло у низькокиплячій рідини та надходить до опалювальних пристроїв (фанкойлів) системи теплопостачання (8) (рис. 1). Зазначимо, що залежно від типу теплового насосу та виду холодоагенту температура в конденсаторі може досягати 60-120° С. Потім цикл повторюється.

У режимі кондиціювання підземна вода з видобувної свердловини через баки-акумулятори в обхід теплового насосу подається безпосередньо в мережу системи теплозабезпечення, а саме до фанкойлів, які в цьому випадку функціонують як прилади кондиціювання. Підземна вода забирає надлишок теплової енергії з повітря приміщень, нагрівається і повертається через нагнітальну свердловину назад у водоносний горизонт. Після чого цикл повторюється, чим забезпечується створення комфортних умов перебування людей та роботи техніки в літній період.

Як зазначалось вище, основною особливістю використання гідротермальних теплонасосних систем відкритого типу, де як теплоносій використовуються підземні води верхніх водоносних горизонтів, є існування перед - проектного етапу, протягом якого необхідно провести відповідні дослідно-фільтраційні роботи та визначити природний режим продуктивного горизонту, його фільтраційні властивості та умови формування, а також оцінити експлуатаційні запаси підземних вод водоносного горизонту. Без проведення відповідних заходів неможливо визначити експлуатаційні характеристики установки і забезпечити стабільну її роботу протягом усього терміну експлуатації. Також ці дані необхідні для оцінки впливу експлуатації експериментальної установки на тепловий, гідродинамічний і екологічний стан продуктивного водоносного горизонту та на навколишнє середовище ділянки дослідження.

Геолого-гідрогеологічні умови ділянки дослідження. У геолого-структурному відношенні ділянка дослідження розташована в межах північно-східного пологого схилу Українського щита, що занурюється під область Дніпровсько-Донецької западини. Товща порід має двоповерхову будову: нижній поверх - кристалічний фундамент, що складається з кристалічних і метаморфічних порід докембрію, верхній - чохол, складений осадовими породами палеозойського, мезозойського і кайнозойського віку, потужністю до 400 м.

У геоморфологічному відношенні ділянка експериментальної установки розташована на території останця київського лесового плато, який обмежений із заходу - Новоселицькою, з півдня - Хотівською і зі сходу - Феофаніївською балками. Абсолютні позначки дна балок змінюються від 125 до 150 м. З півночі останець з'єднується з основним масивом київського лесового плато.

На дні балок розташовані водотоки з озерами, що мають непостійний характер, який на пряму залежить від кількості атмосферних опадів. На дні Феофаніївської балки розміщується серія Паладинських ставків.

За формою останець являє собою «язик», довжина якого (напрямок з півночі на південь) становить приблизно 1,5 км, а ширина (напрямок із заходу на схід) - 1 км. Рельєф «язика» досить плоский. Абсолютні позначки поверхні змінюються від 189 до 175 м, вододіл проходить уздовж шосейної дороги (вул. Метрологічна). Ухил правого крила становить 0,02, лівий схил крутіший.

Гідрогеологічна будова ділянки дослідження досить детально вивчена завдяки численним буровим роботам, що були тут проведені.

Гідрогеологічний розріз за результатами буріння від земної поверхні в глибину представлений такими водоносними горизонтами і водотривкими шарами:

1. Алювіально-делювіальні відклади першої надзаплавної тераси складається щільними (середня щільність порід 1,6 г/см³) піщанистими суглинками з включенням гравію і гальки, іноді з прошарками і лінзами піску. Водозбагаченість горизонту невисока, у складі водовмісних порід переважають пилуваті і глинисті фракції. Залягає горизонт на глибині від 8 до 12 м, має сезонний характер і дуже залежить від кількості атмосферних опадів, що випадають на місцевості.

2. Водоносний горизонт у відкладах межигірської, берекської та новопетрівської світ олігоцен-міоцену (полтавська і харківська серії). Шари водовмісних відкладень не обмежені між собою водоупорами, гідравлічно пов'язані і розглядаються як єдиний водоносний горизонт. Горизонт відокремлюється від першого шаром строкатих глин неогенового віку, товщина якого досягає 20 м. Покрівля горизонту знаходиться на глибині 32 м, а підошва - 50 м. Складається горизонт із сірого дрібнозернистого піску з прошарками алевритів і глин. Статичні рівні встановлюються на глибині 48-49 м. Горизонт безнапірний, тобто рівень води знаходиться нижче крівлі горизонту, верхня частина товщі горизонту суха. Водозбагаченість горизонту слабка, що пояснюється малою водовіддачею дрібнозернистих пісків полтавської свити. На дослідній ділянці приплив підземних вод з полтавського горизонту під час відкачки у процесі буріння становив 2-3 л/с з відповідним зниженням рівня на 6-7 м.

3. Бучаксько-канівський водоносний горизонт залягає на глибині від 90 до 117 м, складається з мілкого та дрібнозернистого піску. Горизонт сильно виснажений через активне використання його для водопостачання і господарських цілей. Статичні рівні встановлюються на відмітках 96 м, тобто верхня частина горизонту суха. Горизонт безнапірний. Відокремлюється від другого потужною (до 35 м) товщею строкатих глин неогену.

Для експериментальної гідротермальної енергетичної теплонасосної системи відкритого типу продуктивним є полтавський водоносний горизонт.

У плані горизонт має повсюдне поширення. Згідно з гідрогеологічною картою, площа поширення горизонту перевищує десятки км². Абсолютні позначки підошви горизонту становлять 127-131 м. Покрівля горизонту розміщується на відмітках 150-165 м. Спостерігається незначне занурення горизонту в південному напрямку (4 м на 700 м).

Зверху і знизу горизонт ізольований пластами водотривких глин. Товщина верхнього шару глин сягає 20 м, нижнього - перевищує 35 м. За даними (Ситніков та ін., 2003), через верхній шар глин відбувається часткова фільтрація води з першого водоносного горизонту в продуктивний. Кількісно величину перетікання встановлено не було. Однак середньорічна величина живлення першого водоносного горизонту за рахунок інфільтрації атмосферних опадів становила 5,2 см.

Зазначимо, що побудова житлового кооперативу «Кришталеві джерела», у межах якого розташована ділянка експериментальної установки, дуже змінила природні гідрогеологічні умови верхніх водоносних горизонтів. Площа останця була значно збільшена шляхом насипання штучного ґрунту, як зверху (1,5-2 м), так і в ширину (до 100-150 м). Крім того, будівництво багатоповерхових будівель, асфальтування доріг, створення каналізаційної мережі та організація поверхневого стоку однозначно зменшили інфільтрацію атмосферних опадів, а отже й умови живлення верхнього водоносного горизонту. Тому можна припустити, що величина перетікання підземних вод з першого горизонту незначна та нею можна знехтувати.

У Новоселицькій та Феофаніївській балках полтавський водоносний горизонт розкритий ерозією і виходить на денну поверхню. У цих місцях спостерігається гідравлічний зв'язок горизонту з поверхневими водоймами, що розташовані на дні балок. Живлення горизонту здійснюється безпосередньо за рахунок інфільтрації атмосферних опадів.

Потік вод спрямований від вододілу на захід до Новоселицької балки.

Там, де строкаті глини неогену розмиті, здійснюється перелив ґрунтових вод першого водоносного горизонту в продуктивний горизонт. Живлення полтавського водоносного горизонту здійснюється за рахунок перетікання ґрунтових вод через товщу глин.

Свердловини, які були використані в ході дослідження. На території ділянки було пробурено 5 свердловин різного призначення (св. №№1, 7, 8, 10, 11). Усі свердловини (крім св. №10) з'єднані підземними трубопроводами і облаштовані так, що можуть працювати як у режимі відкачки, так і у режимі нагнітання. Схема розташування, конструкції свердловин та геологічний розтин за профілем АБ показано на рис. 2 і рис. 3. та в табл. 1.