RU2814344C2 - Device for recovery of thermal energy from ground and utilization of heat of phase transitions - Google Patents
Device for recovery of thermal energy from ground and utilization of heat of phase transitions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2814344C2 RU2814344C2 RU2021131073A RU2021131073A RU2814344C2 RU 2814344 C2 RU2814344 C2 RU 2814344C2 RU 2021131073 A RU2021131073 A RU 2021131073A RU 2021131073 A RU2021131073 A RU 2021131073A RU 2814344 C2 RU2814344 C2 RU 2814344C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- soil
- heat
- heat exchanger
- thermal energy
- ground
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области строительства, а именно к устройству энергосберегающих децентрализованных систем теплохладоснабжения зданий, позволяющих эффективно использовать нетрадиционные возобновляемые источники энергии, в данном случае - теплоту грунтового массива.The invention relates to the field of construction, namely to the design of energy-saving decentralized heat and cold supply systems for buildings that make it possible to effectively use non-traditional renewable energy sources, in this case, the heat of the soil mass.
Известен способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта (патент РФ №2351850, F24D 11/02, F28D 1/00, 2007 г.), включающий устройство в грунтовом массиве системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев Земли, состоящей из термоскважин, сброс в грунт утилизируемой тепловой энергии вентвыбросов здания, ее аккумулирование в грунте - суточное и сезонное, и отбор тепловой энергии или холода из грунта для целей теплохладоснабжения. Недостатком этого устройства является его низкая энергетическая эффективность, особенно в летнее время года. Кроме того, данный способ не позволяет в полной мере утилизировать теплоту фазовых переходов воды, содержащейся в грунте.There is a known method of using the heat-accumulation properties of soil (RF patent No. 2351850, F24D 11/02, F28D 1/00, 2007), which includes installing in the soil mass a system for collecting low-potential thermal energy of the soil of the surface layers of the Earth, consisting of thermal wells, discharging recycled material into the soil thermal energy of ventilation emissions of a building, its accumulation in the ground - daily and seasonal, and the selection of thermal energy or cold from the ground for the purposes of heat and cold supply. The disadvantage of this device is its low energy efficiency, especially in the summer. In addition, this method does not allow to fully utilize the heat of phase transitions of water contained in the soil.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ использования теллоаккумуляционных свойств грунта (патент РФ №2416761, F24D 11/02, F28D 5/00 2009 г.), включающий устройство в грунте герметичных теплообменников, организацию циркуляции по ним теплоносителя и извлечение из грунта, или/и сброс в грунт низкопотенциальной тепловой энергии (прототип). Данный способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта требует дополнительного расхода воды и затрат электрической энергии на подачу насосами воды в трубопроводы-спутники. Кроме того, данный способ не позволяет обеспечить максимальный съем тепловой энергии на погонный метр грунтового теплообменника. К недостаткам предлагаемого технического решения можно отнести также отсутствие информации об источнике воды для увлажнения грунта.The closest to the proposed method is the method of using the telloaccumulation properties of soil (RF patent No. 2416761, F24D 11/02, F28D 5/00 2009), including the installation of sealed heat exchangers in the soil, the organization of coolant circulation through them and extraction from the soil, or/ and discharge of low-grade thermal energy into the ground (prototype). This method of using the heat-accumulating properties of soil requires additional water consumption and electrical energy costs for pumping water into satellite pipelines. In addition, this method does not allow for maximum thermal energy removal per linear meter of a ground heat exchanger. The disadvantages of the proposed technical solution also include the lack of information about the source of water for moistening the soil.
Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения энергетической эффективности извлечения тепловой энергии из грунта и максимального использования его теплоаккумуляционных свойств.The proposed invention solves the technical problem of increasing the energy efficiency of extracting thermal energy from the soil and maximizing the use of its heat-accumulating properties.
Поставленная техническая задача решается за счет изменения геометрических показателей термоскважины, что позволяет увеличить приток тепловой энергии от грунта к теплоносителю, циркулирующему внутри грунтового теплообменника.The stated technical problem is solved by changing the geometric parameters of the thermal well, which allows increasing the flow of thermal energy from the ground to the coolant circulating inside the ground heat exchanger.
В термодинамике известен эффект так называемого критического диаметра изоляции (см., например, Теоретические основы тепло- и хладотехники. Ч. П. Теплообмен. Учебное пособие. Под ред. проф. Э.И. Гуйго. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1976. - 224 с. ). Критическим диаметром изоляции называется такой диаметр изоляции, при котором теплопотери изолированного трубопровода максимальны. Для изолированных трубопроводов этот эффект является негативным фактором эксплуатации трубопроводов.In thermodynamics, the effect of the so-called critical diameter of insulation is known (see, for example, Theoretical Foundations of Heating and Refrigeration Engineering. Ch. P. Heat Transfer. Textbook. Edited by Prof. E.I. Guigo. L.: Leningrad Publishing House. University, 1976. - 224 p.). The critical insulation diameter is the insulation diameter at which the heat loss of the insulated pipeline is maximum. For isolated pipelines, this effect is a negative factor in the operation of pipelines.
Однако, при эксплуатации грунтовых теплообменников обнаруживается неожиданный эффект, который заключается в том, что намерзающий на трубопроводы теплообменника лед при некоторой его толщине обеспечивается максимальный приток теплоты от массива грунта, окружающего термоскважину, к теплоносителю внутри грунтового теплообменника.However, during the operation of ground heat exchangers, an unexpected effect is discovered, which consists in the fact that ice freezing on the heat exchanger pipelines at a certain thickness ensures maximum heat flow from the soil mass surrounding the thermal well to the coolant inside the ground heat exchanger.
Лед является плохим теплоизолятором, однако, несмотря на это, при намерзании вокруг грунтового теплообменника обладает некоторым сопротивлением теплопередаче численное значение которого может быть рассчитано по формуле:Ice is a poor heat insulator; however, despite this, when frozen around a ground heat exchanger, it has some resistance to heat transfer the numerical value of which can be calculated using the formula:
где λЛ - теплопроводность льда, Вт/(м⋅К);where λ L is the thermal conductivity of ice, W/(m⋅K);
- наружный диаметр термоскважины с намерзающим слоем льда, м; - outer diameter of a thermal well with a freezing layer of ice, m;
- диаметр термоскважины, м; - thermal well diameter, m;
αН - коэффициент теплоотдаче от наружной поверхности к окружающему воздуху, Вт/(м2⋅К).α H - coefficient of heat transfer from the outer surface to the surrounding air, W/(m 2 ⋅K).
Анализ формулы (1) показывает, что по мере увеличения наружного диаметра наледи вокруг грунтового теплообменника первое слагаемое в правой части формулы (1) возрастает, второе - убывает. Соответственно при некоторой толщине слоя льда формируется условие, при котором кривые сопротивления теплоотдачи наружной поверхности и термического сопротивления слоя льда пересекутся. На зависимости суммарного сопротивления теплопередаче от толщины льда, показанной на Фиг. 1, кривая вблизи точки пересечения этих кривых будет иметь выраженный минимум, соответствующий так называемому критическому диаметру изоляции. На зависимости линейной плотности теплового потока от толщины, наоборот, при данной критической толщине изоляции будет наблюдаться максимум, т.е. поток тепловой энергии через поверхность грунтового теплообменника с ледяным наростом при данной критической толщине льда окажется больше, чем без намерзшего на поверхности грунтового теплообменника льда.Analysis of formula (1) shows that as the outer diameter of the ice around the ground heat exchanger increases the first term on the right side of formula (1) increases, the second decreases. Accordingly, at a certain thickness of the ice layer, a condition is formed under which the heat transfer resistance curves of the outer surface and the thermal resistance of the ice layer intersect. On the dependence of the total heat transfer resistance on ice thickness shown in Fig. 1, the curve near the point of intersection of these curves will have a pronounced minimum, corresponding to the so-called critical insulation diameter. On the dependence of the linear heat flux density on thickness, on the contrary, at a given critical insulation thickness a maximum will be observed, i.e. the flow of thermal energy through the surface of the ground heat exchanger with ice build-up at a given critical ice thickness will be greater than without ice frozen on the surface of the ground heat exchanger.
Значение критического диаметра для конкретного диаметра грунтового теплообменника можно точно рассчитать, если взять производную от по приравнять ее нулю и вычислить значение The value of the critical diameter for a specific diameter of the ground heat exchanger can be accurately calculated by taking the derivative of By set it equal to zero and calculate the value
Таким образом, для увеличения теплового потока от грунта к теплоносителю, циркулирующему внутри грунтового теплообменника, следует обеспечить заданную толщину слоя льда, соответствующую критическому диаметру для выбранного типа изоляции, в качестве которой в предлагаемом техническом решении выступает намерзающий вокруг грунтового теплообменника лед. Для этого грунтовый теплообменник устанавливается внутрь термоскважины заданного диаметра. Тем самым вокруг грунтового теплообменника искусственно создается специальная полость, диаметр которой соответствует критическому диаметру изоляции, что позволяет обеспечить максимальную плотность теплового потока от грунта, окружающего термоскважину, к теплоносителю.Thus, to increase the heat flow from the ground to the coolant circulating inside the ground heat exchanger, it is necessary to provide a given thickness of the ice layer corresponding to the critical diameter for the selected type of insulation, which in the proposed technical solution is ice freezing around the ground heat exchanger. To do this, a ground heat exchanger is installed inside a thermal well of a given diameter. Thus, a special cavity is artificially created around the ground heat exchanger, the diameter of which corresponds to the critical diameter of the insulation, which allows for maximum heat flow density from the ground surrounding the thermal well to the coolant.
Способ повышения энергетической эффективности извлечения тепловой энергии из грунта включает устройство в грунте термоскважины, герметичных теплообменников, организацию циркуляции по ним теплоносителя и извлечение из грунта, или/и сброс в грунт низкопотенциальной тепловой энергии и за счет температурного режима теплоносителя обеспечивает увеличение притока теплоты от грунта к теплоносителю, циркулирующему внутри грунтового теплообменника, и вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов воды в зоне действия грунтового теплообменника.A method for increasing the energy efficiency of extracting thermal energy from the soil includes installing a thermal well, sealed heat exchangers in the soil, organizing the circulation of coolant through them and extracting it from the soil, or/and dumping low-grade thermal energy into the soil and, due to the temperature regime of the coolant, provides an increase in the flow of heat from the soil to coolant circulating inside the ground heat exchanger, and the involvement of latent heat of phase transitions of water in the area of action of the ground heat exchanger into the heat exchange process.
Предлагаемое устройство позволяет решить поставленную техническую задачу, потому что температурный режим теплоносителя обеспечивает максимальную плотность теплового потока от грунта к теплоносителю и более эффективное вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов влаги, содержащейся в грунтовом массиве в окрестности грунтового теплообменника.The proposed device allows us to solve the stated technical problem, because the temperature regime of the coolant ensures maximum heat flow density from the soil to the coolant and more efficient involvement in the heat exchange process of latent heat of phase transitions of moisture contained in the soil mass in the vicinity of the soil heat exchanger.
Сущность предлагаемого способа поясняется схемой, показанной на Фиг. 2. Грунтовый теплообменник 1, с циркулирующим внутри него теплоносителем 2, располагается внутри термоскважины 3, диаметр которой соответствует критическому диаметру изоляции из льда, при котором обеспечивается максимальный тепловой поток от грунта в естественном состоянии 4 к теплоносителю 2. Термоскважина 3 заполняется водой, влажным воздухом, увлажненным грунтом, или иным материалом с известными теплотехническими свойствами (далее - средой) 5, позволяющим регулировать свойства среды внутри термоскважины 3 и обеспечить тем самым эффективное регулирование плотности теплового потока от грунта 4 к теплоносителю 2. Температурный режим теплоносителя 2 обеспечивает вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов водяного пара и воды внутри термоскважины 3, расположенной между грунтом 4 и грунтовым теплообменником 1.The essence of the proposed method is illustrated by the diagram shown in Fig. 2. Ground heat exchanger 1, with coolant 2 circulating inside it, is located inside a thermal well 3, the diameter of which corresponds to the critical diameter of ice insulation, which ensures maximum heat flow from the soil in its natural state 4 to coolant 2. Thermal well 3 is filled with water and moist air , moistened soil, or other material with known thermal properties (hereinafter referred to as the medium) 5, which makes it possible to regulate the properties of the medium inside the thermal well 3 and thereby ensure effective regulation of the heat flow density from the soil 4 to the coolant 2. The temperature regime of the coolant 2 ensures involvement in the heat exchange process latent heat of phase transitions of water vapor and water inside thermal well 3, located between soil 4 and soil heat exchanger 1.
Принцип работы предлагаемого способа состоит в следующем: температурный режим теплоносителя предусматривает в течение года как минимум однократное понижение ниже 0°С температуры теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник 1, конденсацию водяного пара в среде 5, заполняющей свободное пространство внутри термоскважины 3, и последующем фазовом переходе воды в лед при извлечении тепла из грунта и как минимум однократный обратный переход температуры теплоносителя через 0°С с вовлечением в процесс теплообмена скрытой теплоты замерзания и оттаивания поровой влаги, содержащейся в зоне среды 5, расположенной внутри термоскважины 3, и естественного грунта 4, располагаемого вокруг термоскважины 3. Грунт в исходном естественном состоянии обладает весьма неоднородными характеристиками, которые могут непредсказуемо и неконтролируемо изменяться со временем (например, в результате снижения уровня грунтовых вод). Создание между грунтом 4 и грунтовым теплообменником 1 посредника (среды 5 с заданными свойствами) позволяет повысить точность настроек параметров теплового потока от грунта 4 к теплоносителю 1 (при извлечении тепловой энергии из грунта в холодный период года) и от теплоносителя 1 к грунту 4 (при сбросе тепловой энергии в грунт в теплый период года) и произвести более качественное регулирование параметров теплоносителя за счет изменения свойств среды 5 внутри термоскважины 3. Подбор диаметра термоскважины, соответствующий критическому диаметру изоляции для слоя намерзающего на теплообменнике льда, позволяет увеличить теплоприток от грунта к теплоносителю. В качестве теплоносителя 2 грунтового теплообменника 1, например термоскважин, может быть использована переохлажденная вода или иной хладоноситель с отрицательной температурой. Среда 5 внутри термоскважины 3, при необходимости, может быть дополнительно увлажнена.The principle of operation of the proposed method is as follows: the temperature regime of the coolant provides for at least a one-time decrease below 0°C in the temperature of the coolant at the entrance to the ground heat exchanger 1, condensation of water vapor in the medium 5, filling the free space inside the thermal well 3, and a subsequent phase transition water into ice when extracting heat from the soil and at least a single reverse transition of the coolant temperature through 0°C with the involvement in the heat exchange process of the latent heat of freezing and thawing of pore moisture contained in the medium zone 5 located inside the thermal well 3, and the natural soil 4 located around thermal well 3. The soil in its original natural state has very heterogeneous characteristics, which can change unpredictably and uncontrollably over time (for example, as a result of a decrease in groundwater levels). The creation of an intermediary between the soil 4 and the ground heat exchanger 1 (medium 5 with specified properties) makes it possible to increase the accuracy of the settings of the heat flow parameters from the soil 4 to the coolant 1 (when extracting thermal energy from the soil in the cold season) and from the coolant 1 to the soil 4 (when discharge of thermal energy into the ground during the warm period of the year) and make better regulation of the parameters of the coolant by changing the properties of the medium 5 inside thermal well 3. Selecting the diameter of the thermal well that corresponds to the critical diameter of the insulation for the layer of ice freezing on the heat exchanger allows increasing the heat flow from the ground to the coolant. Supercooled water or another coolant with a negative temperature can be used as coolant 2 of the ground heat exchanger 1, for example in thermal wells. The environment 5 inside the thermal well 3, if necessary, can be additionally moistened.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить энергетическую эффективность прототипа, так как намерзание льда внутри термоскважины, диаметр которой соответствует критическому диаметру изоляции (в данном случае - льда), обеспечивает максимальный тепловой поток от грунта к теплоносителю, не требует затрат энергии на подачу воды в среду, расположенную внутри термоскважины, обладает более высокой надежностью, позволяет защитить грунт от протечек теплоносителя в грунт в случае нарушения герметичности оболочки грунтового теплообменника, и осуществить более эффективное качественное регулирование свойств среды внутри грунтового теплообменника.The proposed technical solution makes it possible to increase the energy efficiency of the prototype, since the freezing of ice inside a thermal well, the diameter of which corresponds to the critical diameter of the insulation (in this case, ice), ensures maximum heat flow from the ground to the coolant and does not require energy to supply water to the environment located inside a thermal well, has higher reliability, allows you to protect the soil from coolant leaks into the ground in the event of a violation of the tightness of the shell of the soil heat exchanger, and to carry out more effective qualitative regulation of the properties of the medium inside the soil heat exchanger.
Claims (1)
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021131073A RU2021131073A (en) | 2023-04-25 |
RU2814344C2 true RU2814344C2 (en) | 2024-02-28 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU553328A1 (en) * | 1975-10-23 | 1977-04-05 | Северное Отделение Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательского Института Оснований И Подземных Сооружений Имени Н.М.Герсеванова | A device for accumulating cold at the base of structures |
RU2416761C1 (en) * | 2009-10-08 | 2011-04-20 | Открытое акционерное общество "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" | Method to use heat-accumulating properties of soil |
RU141469U1 (en) * | 2014-01-10 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | COLD ACCUMULATION DEVICE |
RU2626922C2 (en) * | 2015-07-22 | 2017-08-02 | Александр Александрович Максименко | Heat energy storage |
CN211503101U (en) * | 2020-01-17 | 2020-09-15 | 河北江达水务工程集团有限公司 | Buried pipe for ground source heat pump air conditioning system |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU553328A1 (en) * | 1975-10-23 | 1977-04-05 | Северное Отделение Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательского Института Оснований И Подземных Сооружений Имени Н.М.Герсеванова | A device for accumulating cold at the base of structures |
RU2416761C1 (en) * | 2009-10-08 | 2011-04-20 | Открытое акционерное общество "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" | Method to use heat-accumulating properties of soil |
RU141469U1 (en) * | 2014-01-10 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | COLD ACCUMULATION DEVICE |
RU2626922C2 (en) * | 2015-07-22 | 2017-08-02 | Александр Александрович Максименко | Heat energy storage |
CN211503101U (en) * | 2020-01-17 | 2020-09-15 | 河北江达水务工程集团有限公司 | Buried pipe for ground source heat pump air conditioning system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7234314B1 (en) | Geothermal heating and cooling system with solar heating | |
US6615601B1 (en) | Sealed well direct expansion heating and cooling system | |
Yang et al. | Numerical evaluation on the effects of soil freezing on underground temperature variations of soil around ground heat exchangers | |
CN108518894B (en) | Energy storage type buried pipe heat exchange system | |
Bisengimana et al. | The frosting and soil imbalance performance issues of building heat pumps: An overview | |
Michel Bernier PhD | A preliminary assessment on the use of phase change materials around geothermal boreholes | |
Hu et al. | Design and experimental study of a solar compression refrigeration apparatus (SCRA) for embankment engineering in permafrost regions | |
Todoran et al. | Long term behavior of a geothermal heat pump with oversized horizontal collector | |
Hu et al. | Proposed application of a geothermal heat pump technique to address frost damage of embankments in cold regions | |
Sun et al. | Field test study of a novel solar refrigeration pile in permafrost regions | |
RU2814344C2 (en) | Device for recovery of thermal energy from ground and utilization of heat of phase transitions | |
JP2017146054A (en) | Heat utilization device | |
CN103034768B (en) | Design method of buried heat exchange system | |
CN113339873A (en) | Novel cold-proof and anti-freezing system and method for cold-region high-ground-temperature tunnel | |
Garber-Slaght et al. | Can ground source heat pumps perform well in Alaska? | |
CN105040744B (en) | The attemperator and its construction method of ground under the conditions of a kind of plateau permafrost | |
US4456056A (en) | Modified annual cycle energy system | |
Den Braven et al. | Performance prediction of a sub-slab heat exchanger for geothermal heat pumps | |
Hu et al. | Experimental investigation on system with combination of ground-source heat pump and solar collector | |
Svec et al. | Performance of a spiral ground heat exchanger for heat pump application | |
Lund | Geothermal heat pumps-trends and comparisons | |
CN203249347U (en) | Low-temperature-difference waterpower radiation refrigeration system with shallow layer ground source as cold source | |
Trunov et al. | Energy-saving installation for heating and cooling livestock premises using geothermal energy | |
Nagai et al. | Numerical simulation of snow melting using geothermal energy assisted by heat storage during seasons | |
Chen et al. | A novel geothermal pavement ice and snow melting system with reversible loop heat pipes to eliminate underground thermal imbalance |