Обогрев и охлаждение животноводческих помещений с использованием геотермальной и внепиковой энергии

Введение. Установлено, что создать требуемые параметры микроклимата в животноводческих помещениях с помощью отопительно-вентиляционных систем, построенных на принципе обеспечения ассимиляции вредностей, в том числе и избытков тепла, только за счёт вентиляции помещения не представляется возможным [1,2]. Использование утилизаторов теплоты эффективно для отопления и вентиляции животноводческих помещений [3]. Применение промышленных кондиционеров, оснащенных компрессорами и теплообменниками, позволяет решать проблему охлаждения воздуха, однако они требуют высоких капитальных и эксплуатационных затрат и как показывают технико-экономические расчеты, их использование экономически не целесообразно.

В связи с этим применяют установки, основанные на способе испарительного охлаждения воздуха [4]. Однако опыт эксплуатации в производственных условиях показал, что они обеспечивают снижение температуры воздуха на 6…8 ºС, что недостаточно для южных районов с жарким климатом, где требуется глубина охлаждения на 10…15 ºС [5,6].

Анализ исследований отечественных и зарубежных авторов и предварительные собственные исследования свидетельствуют о перспективах применения геотермальных систем микроклимата, работающих на принципе использования относительного постоянства температуры толщи земли, и за счет этого охлаждать воздух летом и нагревать его зимой, что обеспечивает значительное снижение энергозатрат для обеспечения нормативного температурного режима в помещениях. Использование теплоты (холода) земли способствует снижению эксплуатационных издержек на создание теплового режима охлаждения воздуха летом (на 20^40 %) [5,8].

Цель исследований - снижение расхода энергии при создании технологически необходимого температурно-влажностного режима в помещении путём использования холода земной толщи. При этом необходимо решить следующие задачи: обосновать и разработать схему установки для охлаждения воздуха помещения коровника; разработать метод расчёта основных конструктивных параметров элементов в системе геотермального охлаждения воздуха.

Обоснование способа охлаждения. Анализ энергетических характеристик животноводческого объекта на примере коровника, представленный в работах [6,7], показывает на необходимость охлаждения помещения длительный период года не только в теплое время года, но и в переходное (весна, осень).

Для охлаждения воздуха в животноводческих помещениях, эффективны системы косвенного охлаждения с использованием поверхностных воздухоохладителей, питаемых грунтовой водой. При таком способе охлаждения явное тепло от воздуха, который необходимо охладить, передается воде через стенки трубок поверхностного теплообменника. [4,5]. Охладители воздуха поверхностного типа обладают рядом преимуществ перед традиционными оросительными системами охлаждения воздуха. Это сухое без предварительного увлажнения охлаждение воздуха до любого значения его температуры выше точки росы, применение охлаждения с температурой замерзания, упрощение схемы хладоснабжения, возможность использования в зимний период воздухоохладителей в качестве секций подогрева воздуха (калориферов) [4,5].

Материалы и методы . На основании проведенных исследований нами разработана технологическая схема установки обогрева и охлаждения помещений, обеспечивающая нормативные параметры воздушной среды при одновременном снижении эксплуатационных затрат на энергоносители (рис.1).

В режиме обогрева помещения 1 теплообменник 2, установленный в помещении с помощью трубопроводов, соединен с центробежным циркуляционным насосом 4, трехходовым клапаном 6, находящимся в положении режима «отопление», входной трубой ёмкостного электроводонагревателя 5, а выходная труба электроводонагревателя 5, соединена с обратным клапаном 7 через тройник 8 с регулятором температуры 9 и затем с теплообменником 2.

Рисунок 1 - Система обогрева и охлаждения коровника: 1-помещение; 2–теплообменник; 3– вентилятор; 4–циркуляционный насос; 5–ёмкостной электроводонагреватель; 6–трехходовой клапан с электроприводом; 7–обратный клапан; 8–тройник; 9–регулятор температуры; 10–зонд; 11–обсадная труба; 12–контроллер

В режиме охлаждения помещения трехходовой клапан 6 находится в положении режима «охлаждение» и соединен с входной трубой зонда 10, помещённого в обсадную трубу 11, зарытую в землю, а выходная труба зонда 10 через тройник 8 и терморегулятор 9 соединена с теплообменником 2. Управление системой осуществляется контролером 12.

В режиме обогрева помещения, нагретый в электроводонагревателе теплоноситель с помощью центробежного насоса 4 проходит через обратный клапан 7, тройник 8 и терморегулятор 9 и попадает в теплообменник 2, где отдаёт тепловую энергию воздуху помещения, нагнетаемого электровентилятором 3.

Обратный тракт теплоноситель проходит через центробежный насос 4, трехходовой клапан 6, установленный в положение «обогрев», и снова в электроводонагреватель 5. Потребление электроэнергии водонагревателя 5, который подогревает теплоноситель, осуществляется во время действия льготный тарифа, определяемый электроснабжающей компанией.

Количество нагретого теплоносителя регулируется автоматически с помощью терморегулятора 9 от датчика температуры, установленного в помещении.

Режим работы «обогрев» или «охлаждение» определяет по установленной программе контроллер 12 в зависимости от температуры в помещении. Так, если температура воздуха в помещении меньше установленной +10 ºС, то контроллер с помощью трёхходового клапана 6 переходит в режим отопления помещения, при этом температура на заданном уровне поддерживается терморегулятором 9.

Если температура воздуха в помещении больше установленной +20 ºС, то контроллер 12 переводит трехходовой клапан 6 в режим

«охлаждение».

В этом режиме теплоноситель, отдав теплоту воздуху помещения посредством вентилятора 3 и нагретый теплым воздухом в теплообменнике 2, под действием центробежного насоса 4 с помощью трехходового клапана 6 направляется к зонду 10, представляющего собой петлю из пластиковой трубы, помещенную в обсадную трубу 11. В зонде теплоноситель за счёт геотермальной энергии охлаждается и на выходе практически достигает температуры грунта. Охлаждённый теплоноситель через тройник 8, терморегулятор 9 попадает в теплообменник 2, где охлаждает проходящий через него воздух помещения.

Поскольку разработанная система охлаждения воздуха в животноводческом помещении включает в себя два теплообменника, один из которых установлен в животноводческом помещении, а другой зарыт в землю (зонд), то расчёт проведен для каждого теплообменника в отдельности с учётом специфики их работы.

Расчёт теплообменника 2, установленного внутри животноводческого помещения, сводится к выбору конструктивных и энергетических параметров поверхностного теплообменника охладительной установки, а также к определению расхода и скорости потока воды, проходящей по нему. Методы расчета конструктивных параметров теплообменника-охладителя отражены в работах [4,8,9]. а бака аккумулятора в работе [10,11].

Расчёт зонда охладительной установки. В процессе охлаждения внутреннего воздуха в животноводческом помещении из теплообменника - охладителя выходит нагретый теплоноситель (вода), который в случае повторного применения, следует охладить до необходимой температуры (рис.2).

Это делается в зарытом вертикально в землю теплообменнике (зонде). Зонд представляет собой пластиковую трубу, опущенную в скважину и засыпанную специальной засыпкой с хорошей теплопроводностью.

Охлажденный

Теплый воздух

Рисунок 2 – Эпюры температур воды и воздуха геотермальной охладительной установки

Физическая картина переноса теплового потока нагретого теплоносителя (вода) в теплообменнике (зонд) к охлажденному грунту сводится к виду: от теплоносителя к внутренней стенке трубы -конвекцией; через стенку трубы - теплопроводностью и от наружной стенки трубы к грунту - теплопроводностью.

Разработанным методом расчета [9] определим параметры зонда-охладителя при следующих исходных данных.

Пластиковая труба с наружным диаметром d н =32 мм; внутренний диаметр трубы d _вн=26 мм; толщина стенки трубы δ=3,7 мм; температура воды на выходе из теплообменника - охладителя, равная температуре воды на входе в зонд охладитель t вод к = t вод зонд _н=16 ºС. Температура воды на входе в теплообменник - охладитель равна температуре воды на выходе из зонда t вод н = t вол зонд к = 8 ºС. Количество воды, циркулирующей по трубе G вод ох = 0,53 м³/ч. Температура грунта t гр = 8 ºС.

В процессе охлаждения воздуха в животноводческом помещении из теплообменника-охладителя вытекает нагретый воздухом помещения теплоноситель (вода), который в процессе вторичного применения необходимо охладить. Это происходит в трубе-зонде за счёт передачи тепловой энергии от нагретого теплоносителя в грунт. В результате теплоноситель охлаждается (рис. 2).

Интенсивность передачи тепловой энергии от нагретого теплоносителя в грунт зависит от коэффициента теплопередачи K (Вт/м²ºС), который численно равен величине обратной общему сопротивлению R общ тепловому потоку K =1/ R общ .

Общее сопротивление R общ равно

R общ = R в + R ст + R н ,                           (1)

где R в – сопротивление теплообмену у внутренней поверхности стенки трубы, м²ºС /Вт; R ст – сопротивление теплопроводности стенки трубы, м²ºС/Вт; R _н – сопротивление теплообмену у внешней поверхности трубы, м²ºС/Вт.

Сопротивление    Rв тепловосприятия от теплоносителя к внутренней поверхности трубы зависит от коэффициента теплообмена αв и равно Rв =1/ αв.

Величину αв определим из выражения т 0’8

« в = ( 1230 + 19 t водср ) ⁽²⁾

d _'

где d – внутренний диаметр трубы, м; ω _ср– скорость движения теплоносителя в трубе, м/с; t _{вод ср} – температура теплоносителя в трубе зонда, ºС.

Скорость движения теплоносителя в трубе определяем по выражению

G

3600 F тр ^,

^т ср

где F _тр – площадь внутреннего сечения трубы, м².

Внутренний диаметр трубы зонда согласно данным таблицы 1, выбираем равным 26 мм, соответственно радиус будет равен 0,013 м.

Подставляя численные значения, теплоносителя по трубе зонда.

0,53

получим скорость течения

® ср

3600 X 3,14 X (0,013) 2

= 0,278 м/с.

Зная численные значения скорости течения теплоносителя, его средней температуры и диаметра трубы определяем величину а вн .

0,8

а = (1230 + 19 x 12) 0’ ° , = (1230 + 228) х 036 = 1093,5Вт/м ² ° С.

вн                                       0,2

Таким образом, коэффициент тепловосприятия внутренней поверхности трубы зонда будет равен 11     ,

R„_H =---=-----= 0,000914 м² ° С/Вт

«вн 1093,5

Сопротивление теплопроводности стенки будет

^R ст

^ ст

Л т

Из таблицы 1 толщина стенки трубы диаметром d _вн =26 мм составляет δ _ст=3мм, а коэффициент теплопроводности λ _ст =0,4 Вт/м ºС. Тогда сопротивление теплопроводности стенки трубы будет равно R ст =0,003/0,4=0,0075 м² ºС/Вт.

Общее сопротивление тепловому потоку    Rобщ, способствующему охлаждению теплоносителя будет равно

R общ = R вн + R ст = 0,000914+0,0075=0,0084 м² ºС/Вт.

Длину трубы зонда помещенного, в грунт определяем из выражения

L тр

Q ^{х R} общ   5 X 1000 X 0,0084

------— =             = 105 м, пх d _H хА t   3,14 X 0,032 х 4

где Δt – перепад температур между средней температурой теплоносителя и температурой грунта.

Численно этот перепад Δt равен

аt = teOdcp - тф = 0,5(8 +16) - 8 = 4 0С

Для труб разного диаметра результаты расчета представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Расчет длины трубы зонда-охладителя

2 к §	_ s >S VO Ш Qi 2 Щ H § В н s m s	s P to	О co и m S s o 05 (L> & 5 S § К   2 в ё 1   5 о  OX Н  но	о s m m щ г о я S § ® с " £ у	Д )S X у О О о g 3 ™ 2 S s £°с § & н ^ а с	сз О st с Н н ^	^ 2 Вл 5°
32	26	3,7	16	8	0,53	8	105,0
47,4	40	3,7	16	8	0,53	8	82,2
56,24	47	4,6	16	8	0,53	8	85,0

Виды грунтовых теплообменников. Выбор необходимого вида геотермальной энергетической системы будет зависеть от разных факторов, на некоторые из которых обратим более пристальное внимание. Сегодня на рынке грунтовых теплообменников лидируют вертикальные грунтовые коллекторы, которые также называют геотермальными зондами. Они представляют собой теплообменники, состоящие из одной или двух параллельных труб U-образной формы, которые закапывают в грунт вертикально на глубину, как правило, это 50–150 м. Они подходят для любых видов грунта и работают как на отопление, так и на охлаждение [12].

Энергетические сваи – вид геотермальных систем, предназначенных для отопления или охлаждения крупных объектов, например, промышленных или офисных зданий. При устройстве энергетических свай внутрь каждой сваи монтируют пластиковые трубопроводы, с помощью которых удается интегрировать геотермальный теплообменник напрямую в свайный фундамент. Устройство энергетических свай производится одновременно с устройством фундамента при минимальных дополнительных затратах на грунтовой контур. Отличие энергетических свай от вертикальных грунтовых коллекторов заключается в максимальной глубине их установки. Кроме того, энергетические сваи не могут обеспечить активного охлаждения.

При отсутствии возможности размещения систем на большой глубине используют горизонтальные грунтовые коллекторы, для размещения которых необходимы большие открытые площади. При этом свободная площадь должна на 50–100 % превосходить площадь, на которой планируется производить отопление или охлаждение. Например, если требуется прогреть 150 м2, для размещения коллектора потребуется от 225 до 300 м2 свободного пространства. В зависимости от условий монтажа и диаметра труб циркуляционные контуры укладываются с шагом от 0,5 до 1,5 м. Данные работы в общем виде схожи с укладкой контуров в системе напольного отопления. Диаметр труб составляет от 25 до 40 мм, глубина установки – до 2 м и ниже глубины промерзания.

Еще один вид геотермальных систем – энергетические корзины, также называемые энергетическими петлями. Они предназначены для отопления и охлаждения, небольших по площади зданий частного или коммерческого назначения. Энергетические корзины относятся к коллекторам горизонтального типа, но не требуют больших свободных площадей для установки. Размер энергетической корзины и ее конструкция позволяют установить систему на глубине 4–5 м, в непосредственной близости к поверхности земли. Глубина заложения энергетических корзин зависит от глубины промерзания. В летний период грунт аккумулирует энергию, а в зимний ее отдает, и температура грунта на такой глубине зависит от погодных условий. Влияние на грунт оказывают поступающая солнечная энергия, увлажнение грунта дождевыми и талыми водами.

Помимо таких характеристик, как размер зерна грунта и его плотность, на теплопроводность грунта оказывает влияние уровень его влагосодержания. Лучше всего подходят типы грунтов, насыщенные влагой, удельная мощность теплоотведения которых может достигать 40 Вт/м2. В то же время практически непригодными к использованию являются такие типы грунтов, как песок или гравий из-за своей рыхлости они не могут удерживать влагу. При установке вертикальных грунтовых коллекторов или энергетических свай, мощность теплоотведения которых составляет свыше 30 кВт, проводят специальные тесты теплопроводности, позволяющие определить эффективный уровень теплопроводности почвы и получить точные данные для моделирования и устройства геотермальной системы.

Так как определяющее значение в работе геотермальных систем играют грунтовые воды, необходимо учитывать их уровень, обращать внимание на гидрологию.

Как показывает анализ возможных способов укладки теплообменников-зондов наиболее приемлемым способом является вертикально зарытый в землю зонд. Для системы охлаждения коровника, состоящей из шести модульных установок, потребуется пробурить три скважины. В каждой скважине следует разместить два U образных зонда-охладителя.

Выводы. Предложена технологическая схема энергосберегающей установки для обогрева и охлаждения воздуха, использующая энергию толщи земли и внепиковую электроэнергию. Предварительный технико-экономический расчет показал, что внедрение такой системы микроклимата на молочно-товарной ферме 200 голов обеспечит снижение энергозатрат на поддержание заданного температурного режима в течение года до 35 %, а приведенных затрат до 15 % по сравнению с традиционными системами.

Разработан метод расчёта, позволяющий определить основные конструктивные параметры установки обогрева и охлаждения воздуха: расход холодной воды в теплообменнике, площадь поверхности охлаждения, длину трубы зонда-теплообменника, зарытого в землю, необходимые при проектировании таких систем.

Tikhomirov D.A., Trunov S.S.

Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM", Moscow.