Тепловой потенциал почвы как источник энергии для отопления и охлаждения зданий
- Авторы: Жаров А.А.1, Касаткин А.В.1, Борисенко А.В.1
-
Учреждения:
- Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
- Выпуск: Том 110, № 3 (2021)
- Страницы: 137-144
- Раздел: Научные обзоры
- URL: https://freezetech.ru/0023-124X/article/view/543460
- DOI: https://doi.org/10.17816/RF543460
- ID: 543460
Цитировать
Полный текст



Аннотация
В данной статье описана проблема эксплуатации современных и, в будущем, строящихся зданий и необходимость установки в них энергоэффективных систем отопления и охлаждения. Предлагаемая система использует тепловой потенциал почвы с годовым циклом и для целей отопления, и для целей охлаждения здания. В зимнем режиме в системе циркулирует хладагент при помощи гравитационных сил, когда он выкипает в нижней части тепловой трубы, погруженной в почву, отнимая теплоту от последней и конденсируется в верхней части тепловой трубы, передавая теплоту воздуху или жидкому теплоносителю системы отопления здания и за счет силы тяжести стекает вниз. Однако в летний период времени подъем сконденсированного в нижней, внутрипочвенной части тепловой трубы хладагента на верх для испарения и охлаждения здания является непростой инженерной задачей, особенно, если ставится цель не использовать для этого электроэнергию. Были описаны варианты подъема жидкости, применяемые в энергоэффективной системе отопления, кондиционирования и вентиляции здания. Также, был проведен обзор возможных решений, способных поднять жидкость в верх с минимальными затратами энергии. Были рассмотрены системы с капиллярным подъемом двух разных типов, ультразвуковой подъем, возможность объединения вышеперечисленных способов, осмотический подъем, подъем с помощью парового насоса, а также классический погружной насос. Выполнен качественный сравнительный анализ предложенных вариантов, и дан конечный результат, в том числе с привязкой к схеме. Так же были предложены задачи для дальнейшего исследования и постановки эксперимента.
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Стоимость исчерпаемых источников энергии непрерывно растет. Как следствие, затраты на эксплуатацию зданий тоже растут. В связи с чем существует необходимость уменьшать энергопотребление зданий или искать альтернативные источники энергии. Также, возможным решением является увеличение энергоэффективности установок, применяемых в системах отопления, вентиляции и кондиционирования. Одним из предложенных вариантов являются вертикальные тепловые трубы. В зимнем режиме установка работает как термосифон, однако существует проблема подъема жидкости в трубе в летнем режиме.
ОБОСНОВАНИЕ
Для переноса теплоты сверху вниз в летнем режиме тепловой трубы необходимо реализовать подъем жидкости. Данная работа посвящена исследованию возможных способов подъема жидкости, с акцентом на поиск безмашинного способа подъема.
К разработке системы представляются следующие требования:
- минимизация затрат на электроэнергию;
- максимизация надежности;
- максимизация простоты;
- для максимальной плотности конструкции при заданном объеме, необходимо поднимать жидкость на наибольшую возможную высоту.
Сложность поиска также обусловлена отсутствием методик расчета для некоторых решений по причине отсутствия необходимости применения в других конструкциях.
МЕТОДЫ
Капиллярные силы — силы, которые приводят к подъему или опусканию жидкости в капиллярах. Так, например вода в тонкой стеклянной трубке поднимется вверх, а ртуть спустится вниз. Это зависит от угла смачиваемости жидкости. Высота зависит от значения поверхностного натяжения.
Капиллярно-пористый подъем — имеет схожий эффект. Он происходит за счет капиллярных сил, но имеет более объемное распространение по телу, в отличие от перемещения жидкости по трубке. Наглядно можно наблюдать этот эффект, прикоснувшись нижней частью куба рафинированного сахара к глади жидкости горячего чая. В момент после прикосновения с жидкостью чай начнет просачиваться в кусок сахара за счет капиллярных сил по всему объему куска сахара.
Данный эффект может найти свое применение в тепловых трубах. А так как это максимально близкая по смыслу конструкция, то начнем исследование с возможности применения капиллярно-пористого подъема из зоны конденсации в зону испарения. Основным различием здесь является разница давлений между указанными зонами. Так как чаще всего трубы располагаются горизонтально, то разница давлений сводится к нулю.
После проведенного литературного поиска были найдены следующие варианты конструкции, по расположению капиллярно-пористого материала:
Тепловая труба Гоглера
Первый вариант конструктива и непосредственное воплощение данного способа переноса жидкости из одной области в другую. Ниже приведем цитату из патента:
Пат. США 2 350 348 (1942) Тепловая труба Гоглера [1]. Цель изобретения: «... обеспечение поглощения теплоты, или другими словами, испарения жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора».
Изображение из патента с переводом, показано на рис. 1 и 2.
Рис. 1 Тепловая труба Гоглера (1 — холодильный агрегат, 2 — тепловая труба, 3 — куски льда, 4 — конденсатор).
Fig. 1. Gaugler heat pipe (1 — refrigeration unit, 2 — heat pipe, 3 — ice chunks, 4 — condenser).
Рис. 2 Варианты геометрии ТТ (1 — паровой канал, 2 — фитиль).
Fig. 2. Variants of TT geometry (1 — steam channel, 2 — wick).
Как можно видеть Гоглер предлагал не только способ реализации тепловой трубы, но и возможные варианты геометрии капиллярно-пористых структур. К сожалению, его работа, выполненная для компании General Motors Corp, так и не была реализована, по причине дороговизны указанного способа.
В действительности, в настоящее время стали известны другие способы получения требуемых структур. Нет необходимости получать чрезмерно точную геометрию ячеек, достаточно лишь получить развитую пористую структуру. Более того, с того времени изменились нормы по потреблению энергоресурсов, теперь данная работа приобретает актуальность.
Основным элементом, принятым для сравнения из этого варианта, возьмем наличие капиллярно-пористой структуры, расположенной в середине конструкции.
Следующий вариант, рассматриваемого конструктива появился только спустя 20 лет и представлен в Патенте США 3 229 759 (1963) Тепловая труба Гровера [2].
Изображение конструктива представлено на рис. 3.
Рис. 3 Тепловая труба Гровера (1 — зона испарения, 2 — зона транспорта пара, 3 — зона конденсации, 4 — корпус, 5 — КПМ, 6 — паровой поток, 7 — возврат конденсата).
Fig. 3. Grover heat pipe (1 — evaporation zone, 2 — vapor transport zone, 3 — condensation zone, 4 — body, 5 — CPM, 6 — steam flow, 7 — condensate return).
Корпус из нержавеющей стали, фитиль — проволочная сетка, рабочая жидкость — натрий, литий, серебро — это классический тип тепловой трубы с использованием капиллярного эффекта, который обеспечивает независимость положения зоны испарения в гравитационном поле. Однако, эта независимость далеко не беспредельна. Гравитационные тепловые трубы называют термосифонами, а капиллярные — классической тепловой трубой (ТТ).
Наиболее распространенный тип тепловой трубы — тепловая труба, разработанная Гровером Г.М., состоит всего из трех элементов:
- корпус,
- рабочая жидкость,
- КПМ.
Корпус — обеспечивает изоляцию рабочей жидкости от внешней среды и должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами, обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее.
Исходя из описаний реализации подъема в капиллярно-пористых структурах, можно реализовать подъем лишь на небольшую высоту. Способствовать процессам, связанных со смачиваемостью капилляров возможно, вызвав кавитацию в объеме. Это реализуется, например, с помощью ультразвука.
Для получения ультразвуковых колебаний предыдущим способом требуется подведение электроэнергии. Ультразвуковые установки достаточно дороги не только при покупке, но и при последующем использовании, поэтому, стоит рассмотреть другие способы, требующие подвода энергии.
Спустя 10 лет, после изобретения тепловой трубы Гровера, Д. Чисхольм, опубликовал патент для антигравитационного термосифона [3]:
ТТ-6. Д. Чисхольм, США, 1974 Антигравитационный термосифон (диаметр термосифона — 2 см, трубы — 1 см, вода 100 °C, плотность осевого потока тепла — 1,2 кВт (высота — 10 калибров). Конструкция изображена на рис. 4:
Рис. 4 Антигравитационный термосифон (1 — зона испарения, 2 — зона конденсации, 3 — жидкость, 4 — эрлифтовая труба, 5 — электронагреватель, 6 — выходное отверстие, 7 — кольцевой канал).
Fig. 4. Antigravity thermosiphon (1 — evaporation zone, 2 — condensation zone, 3 — liquid, 4 — erlift tube, 5 — electric heater, 6 — outlet, 7 — annular channel).
Трехступенчатый термосифон (паровой насос) теоретически может обеспечить теплопередачу 14 кВт по вертикали на расстояние 10 м при работе на воде с рабочей температурой 100 °C.
В природе известны способы подъема жидкости на несколько метров, например в деревьях. За счет развитой структуры внутри ствола, жидкость поднимается вверх по аналогии с капиллярно-пористыми структурами.
Известен патент Ролана Шерифа Шейкха для обеспечения капельницы [4].
Указанная цель движения жидкости в капельнице достигается тем, что в осмотическом насосе, согласно изобретению, камера осмотической жидкости выполнена подвижной и расположена между двумя поршнями, жидкостный барьер установлен непосредственно между камерой осмотической жидкости и камерой осмотической соли, а корпус представляет собой корпус впрыскивающего вещества.
Жидкостный барьер, в этом случае, преимущественно выполнен в виде листа фольги с возможностью разрушения при необходимости использования осмотического насоса.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Сравнение вышеописанных систем, начнем с тех систем, которые минимально потребляют внешнюю энергию. Естественным путем, жидкость поднимается в системах тепловых труб Гровера или Гоглера. Несомненным плюсом этих конструкций являются высокая надежность и низкая стоимость, в связи с отсутствием движущихся частей. Однако, конструкция, для работы в параллельном режиме получается слишком сложной для производства. Также возникают вопросы к возможной высоте подъема.
Система с осмотическим подъемом выглядит более реальной. Однако, в связи со сложностью расчетов, затруднено определение стоимости и неясным остается вопрос о ее высокой надежности.
Система с паровым тепловым насосом [5–7], способна поднять жидкость на достаточно большую высоту и не сложна в расчете. Однако, потери на фазовый переход в процессе подъема весьма велики.
Существует возможность разделения единой системы в систему с промежуточным хладоносителем и капиллярным подъемом в локальные теплообменники [8–10]. Однако этот способ не рационален с энергетической точки зрения, в связи с увеличением теплообменных аппаратов.
Последним вариантом, позволяющим поднять жидкость на большую высоту, с минимальными потерями по фазовому переходу и не сложный к расчету является погружной насос.
Рис. 5 Система тепловых труб с погружными насосами (UHPE — upper heat pipe exchanger (верхний теплообменный аппарат тепловой трубы), LHPE — lower heat pipe exchanger (нижний теплообменный аппарат тепловой трубы), P — pump (насос), HP — heat pipe (тепловая труба), HPR — heat pipe receiver (ресивер тепловой трубы))
Fig. 5. Heat pipe system with submersible pumps (UHPE — upper heat pipe exchanger, LHPE — lower heat pipe exchanger, P — pump, HP — heat pipe, HPR — heat pipe receiver).
Применение данной схемы, с параллельной увязкой по воздуху изображено на рис. 5:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Существует возможность реализовать капиллярный подъем на большую высоту. Однако, в настоящее время этот вопрос малоизучен, так как для экспериментальной базы необходимо проведение большого числа экспериментов. Этот способ относится к задачам дальнейшего исследования и постановки экспериментов.
В качестве средства подъема жидкости в тепловой трубе, лучше использовать простой погружной насос, так как он обладает низким показателем потреблении энергии, относительно высокой надежностью и низкой стоимостью.
ДОПОЛНИТЕЛЬНО
Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с подготовкой и публикацией статьи.
Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.
Об авторах
Антон Андреевич Жаров
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
Автор, ответственный за переписку.
Email: zharov_a@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9945-0850
SPIN-код: 8581-1809
кандидат технических наук
Россия, 105005, Москва, Лефортовская наб., д. 1Алексей Васильевич Касаткин
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
Email: alexfr93@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-1114-9908
Россия, 105005, Москва, Лефортовская наб., д. 1
Артем Витальевич Борисенко
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
Email: borart@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4818-3702
SPIN-код: 2859-5006
кандидат технических наук
Россия, 105005, Москва, Лефортовская наб., д. 1Список литературы
- Patent USA 2350348A 1942 / 21.12.1942. Gaugler R.S. Heat transfer device. [дата обращения: 09.04.2021] Доступ по ссылке: https://patents.google.com/patent/US2350348A/en?oq=2350348
- Patent USA 3229759A 1963 / 02.12.1963. Grover G.M. Evaporation-condensation heat transfer device [дата обращения: 09.04.2021] Доступ по ссылке: https://patents.google.com/patent/US3229759A/en?oq=U.S.+Patent+No.+3%2c229%2c759.
- Patent USA 3965970A 1973 / 10.10.1974. Chisholm D. Control of two-phase thermosyphons [дата обращения: 09.04.2021] Доступ по ссылке: https://patents.google.com/patent/US3965970A/en?q=(Anti-gravity+thermosiphon+Chisholm)&oq=Anti-gravity+thermosiphon+Chisholm.
- Патент РФ 2098141C1 1990 / 17.12.1991. Шериф Шейкх Ролан. Осмотический насос [дата обращения: 09.04.2021] Доступ по ссылке: https://patents.google.com/patent/RU2098141C1/ru?oq=2098141.
- Zhang Q., Scholar M., Stewart S.W., et al. Bubble pump modeling for solar hot water heater system design optimization // The Penn State McNair Journal. 2011. Vol. 18. P 167–187. [дата обращения: 09.04.2021] Доступ по ссылке: https://gradschool.psu.edu/sites/GradSchool/McNairJournals/mcnair_jrnl2011/files/PSU_McNair_Vol18.pdf#page=181
- Sathe A.B.H.I.J.I.T. Experimental and Theoretical Studies on a Bubble Pump for a Diffusion-Absorption Refrigeration System. Master of technology project report, Universitat Stuttgart, 2001. [дата обращения: 09.04.2021] Доступ по ссылке: https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=618cf1ab4919a8fcfa0152872af6d6030ae84bd2
- Shelton S.V., Stewart S.W., Erickson D., et al. Bubble pump design for single pressure absorption refrigeration cycles. Ashrae Transactions. 2002. Vol. 108(1). P. 867–876. [дата обращения: 09.04.2021] Доступ по ссылке: https://www.researchgate.net/profile/Sam-Shelton-3/publication/280015230_Bubble_Pump_Design_for_Single_Pressure_Absorption_Refrigeration_Cycles/links/004635318bc935ad47000000/Bubble-Pump-Design-for-Single-Pressure-Absorption-Refrigeration-Cycles.pdf
- Li J., Zou Y., Cheng L. Experimental study on capillary pumping performance of porous wicks for loop heat pipe // Experimental Thermal and Fluid Science. 2010. Vol. 34, N 8. P. 1403–1408. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2010.06.016
- Renard E. Implantable closed-loop glucose-sensing and insulin delivery: the future for insulin pump therapy // Current opinion in pharmacology. 2002. Vol. 2, N 6. P. 708–716. doi: 10.1016/S1471-4892(02)00216-3
- Zimmermann M., Schmid H., Hunziker P., et al. Capillary pumps for autonomous capillary systems // Lab on a Chip. 2007. Vol. 7, N. 1. P. 119–125. doi: 10.1039/B609813D
Дополнительные файлы
