Аккумулирование тепловой энергии в водоносных пластах (ATES)

25.03.2011

Система ATES использует скважины для перемещения тепла или холода в подземные водоносные пласты. ATES действует по принципу замкнутого контура, забирая и возвращая воду в один и тот же водоносный пласт. Системы ATES могут быть высоко рентабельны с небольшим сроком окупаемости. Они были успешно использованы в ряде проектов, включая несколько сотен установок в Нидерландах и Швеции.С одной стороны этому способствовало постоянное улучшение теплофизических свойств зданий, направленное на уменьшение потерь тепла, что снизило расход энергии на поддержание комфортных условий и сделало возможным применение низкотемпературного отопления с температурами не выше 55°С и холода с температурами 10-16°С (вход-выход) вместо традиционных 6-12°С от холодильной машины. С другой стороны - стремление использовать возможности утилизации энергии и нетрадиционные и возобновляемые энергетические технологии (солнечную энергию, тепло земли, воздуха, тепловые насосы), что поощряется (в том числе финансово) правительством Нидерландов.

Рис. 1. Схема холодоснабжения здания (процесса)с помощью системы подземного аккумулирования тепла и холода

В первых проектах упор делался только на аккумуляцию холода с целью охлаждения. Принципиальная схема приведена на рис. 1. Летом здание охлаждается холодом, аккумулированным в водоносном пласте, то есть система подземного аккумулирования заменяет холодильную машину. В течение зимы производится зарядка холодной скважины с помощью градирни или воздушного теплообменника. Для зимнего отопления используется традиционный котел. Такая схема применяется также и для охлаждения производственных процессов, где круглогодично необходим холод с температурой 10-18°С.

Рис. 2. Схема тепло-и холодоснабжения на базе системы подземного аккумулирования тепла и холода,объединенной с системой центрального кондиционирования здания

На рис. 2 представлен вариант более комплексной схемы, где система подземного аккумулирования объединена с системой центрального кондиционирования здания. Такая схема применима в зданиях, где охлаждение полностью (или почти полностью) осуществляется с помощью вентиляционного воздуха. В этом случае система подземного аккумулирования поставляет не только холод летом, но и часть тепла зимой, то есть количество сэкономленной энергии возрастает вдвое по сравнению со схемой на рис. 1. Камера обработки воздуха центрального кондиционера должна быть в этом случае несколько увеличена, поскольку температура охлаждающей воды от системы подземного аккумулирования несколько выше, чем от холодильной машины. В течение зимнего сезона в тот же центральный кондиционер подается вода из теплой скважины для (предварительного) подогрева вентиляционного воздуха и одновременной "зарядки" холодной скважины. Летом этот холод используется для кондиционирования, а вода из холодной скважины после подогрева в центральном кондиционере закачивается в теплую скважину.

Рис. 3. Схема тепло-и холодоснабжения на базе подземного аккумулирования тепла и холода и теплового насоса

На рис. 3 представлена наиболее комплексная схема, в которой зимнее отопление осуществляется с помощью теплового насоса. Тепловой насос использует низкотемпературное тепло из теплой скважины и повышает его потенциал до температурного уровня, пригодного для целей отопления (низкотемпературного). Одновременно заряжается холодная скважина. Как правило, тепловой насос дополняется пиковым отопительным котлом. На сегодняшний день оптимальной признана схема, где тепловой насос имеет мощность около 20-30 % от максимальной отопительной нагрузки, поставляя при этом около 80 % необходимого тепла.

При реконструкции Рейхстага, Норманн Форстер использовал теплые и холодные системы ATES, которые являются достаточно мощными, чтобы обеспечить теплом также соседние правительственные здания. Лишнее тепло, произведенное зданием, аккумулируется в водоносном слое, где это используется, чтобы нагреть здание зимой. Холодная вода из поглотительной установки охлаждения может быть сохранена в отдельном водоносном слое, чтобы использоваться чиллерами летом. У фирмы Geothermie Neubrandenburg GmbH есть доступный отчет, описание расположения и эффективности этой системы.

С момента начала работы в 1999 г. до осени 2000 г 2-е ATES системы охлаждения работали в одном режиме: - тепловой аккумулятор работал в загрузочном режиме в температурном диапазоне воды 40-50 ?С Начиная с осени 2002 г. оборудование здания Paul-Lobe- Building введено в эксплуатацию и две системы ATES могли работать в проектном режиме. Загрузка накопителя тепла была проведена до допустимого максимума 70?С. Загрузка аккумулятора теплом на протяжение летнего периода может делаться с максимально высокими температурами. Первый регулярный загрузочно-разгрузочный цикл закончился с концом извлечения тепла зимой 2002/2003 г.г.

Рисунок показывает изменение температуры теплоносителя после полного цикла. После фазы неустойчивой загрузки (красная кривая), разгрузка началась в ноябре 2002 г. (синяя кривая). Первый полный цикл 2002-2003 и дополнительно второй цикл 2003-2004 для системы хранения тепла. Во втором цикле загрузочные и разгрузочные температуры выше и теперь ATES приближается к проектным параметрам.

Разгрузка велась непрерывно и средний расход нагретой грунтовой воды был выше чем в режиме загрузки. Так количество хранимой горячей воды было изъято быстрее чем загружено. Здание Датской Радиовещательной Корпорации круглогодично охлаждается гибридной системой ночного орошения и ATES работающей только на охлаждение. Этот проект реализован в 2006 г.

Отзывы, вопросы-ответы

Ваш вопрос/отзыв/комментарий:

Вы можете оценить работу специалиста: