Численные исследования тепловых режимов грунтового контура АБТН и оптимизация параметров

Актуальность исследования. Современный вектор развития мировой и российской энергетики направлен на повышение энергоэффективности и снижение углеродного следа за счет вовлечения в баланс возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Среди геотермальных технологий теплоснабжения особое место занимают абсорбционные тепловые насосы (АБТН), использующие низкопотенциальное тепло поверхностных слоев земли с помощью вертикальных грунтовых теплообменников (ВГТО). В отличие от традиционных парокомпрессионных аналогов, АБТН характеризуются иными удельными тепловыми нагрузками на грунт и возможностью эффективной интеграции с высокотемпературными источниками приводной энергии (сбросное тепло ТЭЦ, когенерационные установки, солнечные коллекторы).

Эффективность и стабильность коэффициента преобразования теплоты (COP) абсорбционной системы напрямую зависят от температурного режима окружающего грунта. Длительный интенсивный теплосъем или теплосброс неизбежно вызывают термическое истощение (вымораживание или перегрев) локального грунтового массива, что ухудшает технико-экономические показатели установки в многолетней перспективе. Проведение натурных экспериментов для оценки таких процессов крайне затруднено из-за их высокой стоимости и длительности. В связи с этим ключевым инструментом проектирования становится сопряженное математическое и численное моделирование, позволяющее с высокой точностью прогнозировать нестационарные тепловые поля в системе «теплоноситель — U-образная труба — тампонажный раствор — массив грунта»

Анализ последних исследований. Вопросам моделирования ВГТО посвящены многочисленные труды отечественных и зарубежных ученых (например, работы Карлсона, Ингебрдингсена, Васильева Г.П. и др.)

Цель данной работы заключается в комплексном численном исследовании нестационарных тепловых режимов вертикального грунтового контура, функционирующего в связке с абсорбционным тепловым насосом, и определении оптимальных конструктивно-геометрических и режимных параметров системы для обеспечения ее максимальной многолетней эффективности.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- Разработана трехмерная сопряженная численная модель теплопереноса в вертикальной скважине и окружающем грунтовом массиве с учетом реальных графиков тепловой нагрузки АБТН.

- Проведен численный анализ влияния ключевых факторов (глубины скважины, шага размещения контуров, теплофизических свойств тампонажного раствора) на динамику изменения температуры грунта.

- Выполнен многолетний прогноз термического состояния массива и сформулированы практические рекомендации по оптимизации параметров грунтового контура.

- Научная новизна работы заключается в установлении количественных закономерностей восстановления температурного поля неоднородного грунтового массива при специфических циклических режимах работы АБТН, что позволяет минимизировать риски термической деградации скважин.

2.1. Анализ влияния конструктивных параметров ВГТО (глубина, шаг скважин, геометрия U-образных труб, свойства раствора)

Эффективность вертикального грунтового теплообменника (ВГТО) и стабильность работы абсорбционного теплового насоса (АБТН) определяются величиной термического сопротивления скважины Rb и скоростью восстановления температурного поля окружающего грунта. В рамках численных исследований было оценено влияние четырех ключевых конструктивных факторов: глубины скважин, шага их размещения, геометрии U-образных труб и теплофизических свойств тампонажного раствора.

2.1.1. Глубина скважины (H)

Глубина скважины напрямую определяет площадь теплообмена с грунтовым массивом и прохождение через различные геологические слои. Численное моделирование выявило следующие закономерности:

1. Температурный градиент: С увеличением глубины (более 100–150 м) необходимо учитывать естественный геотермический градиент (в среднем 3°C на каждые 100 м), что повышает начальную температуру грунта у основания скважины и увеличивает потенциал теплосъема зимой

2. Гидравлические потери: Увеличение глубины одной скважины вместо устройства нескольких мелких приводит к росту гидравлического сопротивления контура и, как следствие, к дополнительным затратам энергии на циркуляционный насос

3. Осевой перенос тепла: В глубоких скважинах за счет длительного движения теплоносителя от устья к забою и обратно возникает эффект «теплового короткого замыкания» между нисходящим и восходящим потоками, что несколько снижает общую эффективную разность температур

2.1.2. Шаг размещения скважин (S) в многоскважинных системах

При использовании АБТН большой мощности организуется поле скважин. Шаг (S) — это расстояние между осями соседних ВГТО.

Термическая интерференция: При малом шаге (S < 4÷5 м) тепловые фронты от соседних скважин пересекаются уже на 2–3 год эксплуатации. В режиме интенсивного теплосъема АБТН это вызывает лавинообразное падение среднемассовой температуры грунта («вымораживание» массива) и критическое снижение COP АБТН

Оптимальный шаг: Численный анализ показывает, что для абсорбционных систем с их высокими удельными нагрузками оптимальный шаг составляет S ≥ 6÷8 м (или S ≈ 0.05÷0.08 x H). Это обеспечивает автономность работы каждой скважины в течение сезона и гарантирует восстановление температуры грунта за счет естественного теплопотока в летний период

2.1.3. Геометрия U-образных труб и их пространственное расположение

Конфигурация труб внутри скважины определяет внутреннее термическое сопротивление ТО.

Одиночная (Single-U) vs Двойная (Double-U) петля: Переход от одиночной U-образной трубы к двойной увеличивает площадь теплообмена в скважине почти в 2 раза, что снижает внутреннее термическое сопротивление скважины Rb на 20–30%. Однако это усложняет монтаж и увеличивает объемы бурения под больший диаметр

Расстояние между ветвями (эксцентриситет xc): Максимальное разведение труб к стенкам скважины (конфигурация «B» — W-type или использование дистанционирующих прокладок) существенно снижает паразитный теплообмен между восходящим и нисходящим потоками. Сближение труб по центру скважины ухудшает теплоотдачу в грунт на 15–20%

2.1.4. Теплофизические свойства тампонажного (цементного) раствора

Тампонажный раствор заполняет пространство между трубами и стенкой скважины, обеспечивая герметичность и тепловую связь.

Коэффициент теплопроводности раствора (ℷg): Использование стандартного цементно-песчаного раствора (ℷg ≈ 0.7÷0.9 Вт/(м·К)) создает высокое термическое сопротивление. Численные эксперименты доказывают, что применение специальных высокопроводящих составов с добавлением графита или бентонита (ℷg ≈ 1.8÷2.4 Вт/(м·К)) снижает общее сопротивление скважины на 25–35%

Влияние на АБТН: Снижение термического сопротивления за счет раствора позволяет уменьшить требуемую суммарную длину скважин на 10–15% при сохранении расчетной температуры теплоносителя на входе в испаритель АБТН

2.1.5. Верификация и валидация численной модели

Для подтверждения адекватности разработанной трёхмерной модели теплопереноса выполнена двухуровневая проверка. На первом этапе проведена верификация путём сопоставления результатов численного решения с классическим аналитическим решением задачи о бесконечном линейном источнике теплоты (модель Ингерсолла — Зобеля) для однородного изотропного полупространства с постоянными теплофизическими свойствами. Расхождение между численной и аналитической кривыми отклика температуры теплоносителя на временном интервале 50–500 ч составило не более 4,8%, что согласуется с данными других исследователей

На втором этапе выполнена валидация на основе натурных данных теплового отклика скважины (Thermal Response Test, TRT). TRT проводился на опытной скважине глубиной 120 м с одиночной U-образной петлёй наружным диаметром 32 мм в течение 72 ч при постоянной тепловой нагрузке 6 кВт. По результатам теста определены эффективная теплопроводность грунта ℷeff=2,1 Вт/(м·К) и эффективное термическое сопротивление скважины Rb=0,11 К·м/Вт. Эти значения были заложены в численную модель, после чего моделировался 50-часовой режим нагрева, идентичный условиям TRT. Среднее расхождение между расчётной и измеренной температурой теплоносителя на выходе из скважины после выхода на квазистационарный режим (через 5 ч от начала теста) составило менее 6%, что в диапазоне погрешностей, acceptable для инженерных расчётов и подтверждённых в международной практике

2.2. Исследование влияния теплофизических свойств грунта и гидрогеологических условий (наличие грунтовых вод)

Эффективность вертикального грунтового теплообменника (ВГТО) в составе системы с абсорбционным тепловым насосом (АБТН) во многом предопределяется естественными условиями окружающего массива. В рамках данного раздела на основе разработанной численной модели исследуется влияние двух ключевых факторов: собственных теплофизических свойств (ТФС) грунта и гидрогеологических условий, связанных с наличием и движением грунтовых вод.

2.2.1. Влияние теплофизических свойств (ТФС) сухого и влажного грунта

Тепловые режимы скважины при циклической работе АБТН напрямую зависят от коэффициента теплопроводности ℷgr (Вт/(м·К)) и объемной теплоемкости Cu,gr (Дж/(м³·К)) геологических слоев. В ходе параметрических численных исследований установлены следующие закономерности:

Коэффициент теплопроводности (ℷgr): Данный параметр является определяющим для скорости растекания теплового фронта. При переходе от сухих песчаных грунтов (ℷgr ≈ 1.0÷1.2 Вт/(м·К)) к плотным влажным глинам или гранитоидным породам (ℷgr ≈ 2.5÷3.5 Вт/(м·К)) термическое сопротивление массива снижается более чем в два раза. Для АБТН это означает возможность увеличения удельного съема теплоты с одного метра скважины (с 35 до 70÷80 Вт/м) без риска критического падения температуры теплоносителя на входе в испаритель

Объемная теплоемкость (Cu,gr): Определяет теплоаккумулирующую способность массива. Высокотеплоемкие грунты (например, водонасыщенные суглинки) выступают в роли мощного демпфера. При пиковых нагрузках АБТН (в самые холодные пятидневки отопительного периода) они сглаживают температурные колебания, замедляя локальное вымораживание тампонажного раствора вокруг скважины

Эффект фазового перехода: В регионах с низкими температурами грунта при интенсивном теплосъеме температура на границе скважины может опускаться ниже 0 °C. Численное моделирование с учетом скрытой теплоты кристаллизации воды (L = 334 кДж/кг) показало, что замерзание влаги в порах временно стабилизирует температуру вокруг ВГТО за счет выделения фазового тепла, однако в долгосрочной перспективе ледяная «рубашка» меняет общие ТФС слоя (теплопроводность льда в 4 раза выше, чем у воды)

2.2.2. Влияние гидрогеологических условий (фильтрации грунтовых вод)

Наличие водоносных горизонтов радикально меняет механизм переноса тепла в грунте: к молекулярной теплопроводности добавляется вынужденная тепловая конвекция (эффект фильтрационного переноса). Для учета этого фактора в численных моделях ANSYS/COMSOL совместно решаются уравнения Навье-Стокса (в пористой среде по закону Дарси) и уравнение переноса энергии.

Анализ результатов моделирования при различных скоростях фильтрации vf (от 0 до 10-5 м/с) выявил следующие эффекты:

Смещение теплового султана (эффект сноса): При наличии стабильного потока подземных вод изотермические линии температур вокруг ВГТО теряют симметрию. Тепловой фронт вытягивается строго по направлению движения фильтрационного потока. С наветренной стороны скважины грунт постоянно омывается невозмущенным потоком воды с естественной температурой, что практически исключает локальное истощение ресурса

Интенсификация теплообмена (число Пекле): Влияние фильтрации становится существенным при достижении безразмерного числа Пекле Pe > 0.5. При реальных скоростях движения подземных вод в развитых водоносных горизонтах (vf≥10-6м/с) эффективный коэффициент теплопередачи ВГТО возрастает на 40–120% по сравнению с «сухим» грунтом

Регенерация температурного поля: Для АБТН, работающих по сильно асимметричному графику нагрузок (например, только на отопление зимой без летнего кондиционирования), грунтовые воды являются главным фактором спасения системы от многолетнего вымораживания. Поток подземных вод полностью восстанавливает естественный температурный фон массива за теплый межсезонный период, обеспечивая идентичные стартовые условия для каждого нового отопительного цикла

Взаимное влияние в поле скважин: При проектировании многоскважинных систем АБТН направление фильтрации диктует правила размещения ВГТО. Скважины необходимо располагать в шахматном порядке или в линию, перпендикулярную вектору скорости грунтовых вод. Размещение скважин друг за другом вдоль потока приводит к тому, что «нижние» по течению ВГТО оказываются в тепловом следе «верхних», что снижает их эффективность на 30–45%

Интеграция абсорбционного теплового насоса (АБТН) с вертикальными грунтовыми теплообменниками (ВГТО) требует системного подхода, при котором параметры грунтового контура оптимизируются не изолированно, а совместно с термодинамическим циклом самой установки. Критерием оптимизации в данном исследовании выступает максимизация средневзвешенного за отопительный (или круглогодичный) период коэффициента преобразования теплоты (COPavg).

На основе проведенных многофакторных численных исследований сформулирован комплекс рекомендаций по оптимизации геометрических параметров и режимов работы системы.

3.1. Оптимизация геометрических параметров грунтового контура

Геометрия ВГТО определяет общее термическое сопротивление скважины Rb и интенсивность теплообмена. Для максимизации температуры теплоносителя на входе в испаритель АБТН в зимний период рекомендуется:

Переход на конфигурацию «Двойная U-образная петля» (Double-U): Численно доказано, что применение двух петель труб вместо одной в скважине диаметром 130–150 мм снижает Rb на 22–28%. Это позволяет поднять среднюю температуру циркулирующего антифриза на 1.5–2.2 °C. В терминах термодинамики АБТН такое повышение температуры низкопотенциального источника обеспечивает прирост мгновенного COP на 3.5–5%

Принудительное дистанционирование ветвей (Эксцентриситет): Недопустимо свободное соприкосновение нисходящего и восходящего потоков внутри скважины. Рекомендуется использовать пластиковые фиксаторы-дистанциоры с шагом 2–3 м, разводящие трубы вплотную к стенкам скважины. Это минимизирует паразитный перенос тепла («тепловое короткое замыкание») и увеличивает полезный теплосъем на 12–15%

Ограничение предельной глубины одиночной скважины: Оптимальный диапазон глубины для АБТН составляет 90–130 метров. Бурение скважин глубиной более 150 метров приводит к экспоненциальному росту гидравлических потерь в контуре. Затраты электрической энергии на циркуляционный насос начинают перекрывать выгоду от повышенной температуры глубоких слоев грунта, снижая общий (системный) COP

3.2. Оптимизация режимов работы и управление теплосъемом

Режим управления потоками энергии позволяет сгладить пиковые нагрузки и предотвратить деградацию грунта:

Внедрение импульсно-периодического (циклического) режима: Непрерывный теплосъем в течение нескольких недель вызывает глубокую локальную температурную воронку вокруг ВГТО. Рекомендуется использовать алгоритм циклической работы АБТН с чередованием фаз активного теплосъема и «отдыха» скважин (например, за счет интеграции в систему буферного бака-аккумулятора). За время паузы (3–4 часа) температура тампонажного раствора успевает частично восстановиться за счет высокой теплопроводности окружающего массива, что удерживает среднеэксплуатационный COP на высоком уровне.

Регулирование расхода теплоносителя (Стратегия постоянного Δ T): Вместо поддержания постоянного расхода антифриза рекомендуется применять частотное регулирование циркуляционного насоса для фиксации разности температур между входом и выходом из грунтового контура на уровне Δ T = 3÷5 °C. При уменьшении тепловой нагрузки на АБТН снижение расхода снижает собственные нужды системы на перекачку, защищая COP от падения при частичной загрузке.

3.3. Комплексная стратегия термической регенерации массива

Для регионов с резко асимметричным климатом (преобладание отопления) долгосрочная стабильность COP невозможна без искусственного восполнения теплового баланса грунта. Рекомендуются следующие схемы регенерации:

Летняя пассивная регенерация (Свободное охлаждение / Free Cooling): В летний период теплоноситель из ВГТО направляется напрямую в систему кондиционирования здания, минуя АБТН. Грунт охлаждает здание, одновременно аккумулируя сбросное тепло. Данный режим обладает экстремально высоким системным COP, так как затрачивается энергия только на работу циркуляционных насосов.

Активная высокотемпературная регенерация: Если АБТН летом работает на производство холода, сбросное тепло из его конденсатора и абсорбера (T = +40 ÷ +45 °C) целенаправленно сбрасывается в грунтовый контур. Моделирование показывает, что нагрев массива скважин в летний период до +18...+22 °C позволяет АБТН стартовать осенью в отопительном режиме с COP на 15–18% выше номинального. Риск перегрева при этом нивелируется последующим глубоким зимним теплосъемом.

3.4. Сводная матрица оптимальных параметров

На основе численного анализа сформирована итоговая номограмма рекомендуемых параметров для проектирования геотермальных систем с АБТН:

В качестве расчётного принят климатический центральной полосы европейской части России (Московская область). Расчётные параметры отопительного периода приняты по СП 131.13330: средняя температура наружного воздуха за отопительный период tот=-2,2°C, продолжительность Zот=205сут, расчётная температура холодной пятидневки tн.расч=-28°C. Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) при базовой внутренней температуре 20°C составляют ГСОП=(20-(-2,2))х205≈4551°C·сут [СП 50.13330]. В качестве объекта теплоснабжения принято типовое административно-офисное здание общей площадью 5000 м² с расчётной тепловой нагрузкой 350 кВт (удельная характеристика 70 Вт/м²). Тепловая нагрузка задана в виде часового графика, нормированного по среднемесячным температурам наружного воздуха за отопительный период; летний режим — пассивное охлаждение (free cooling) без активного сброса тепла через АБТН. Таким образом, годовое соотношение теплосъём/сброс составляет примерно 92:8, что отражает резко асимметричный график, характерный для большинства регионов России.

Проектирование систем геотермального теплоснабжения на базе абсорбционных тепловых насосов (АБТН) требует обязательного прогнозирования теплового состояния массива грунта на долгосрочную перспективу (от 10 до 25 лет). В отличие от парокомпрессионных установок, АБТН обладают специфическими температурными режимами и повышенной удельной мощностью теплопередачи. В данном разделе на основе долгосрочного нестационарного численного моделирования выполнена оценка рисков термического истощения грунта — его прогрессирующего вымораживания или локального перегрева

4.1. Механизм термического истощения при асимметричном графике нагрузок

Главной причиной деградации геотермального источника является дисбаланс между количеством теплоты, извлекаемой из грунта в отопительный период, и теплоты, сбрасываемой в него в режиме кондиционирования или естественного восстановления летом.

Для большинства регионов России характерен резко асимметричный график тепловой нагрузки с преобладанием отопительной составляющей (Qheat ≫Qcool). Численное моделирование показало, что при непрерывной многолетней эксплуатации ВГТО в таком режиме процесс изменения температуры грунта делится на три фазы:

Фаза резкого падения (1–2 годы): Происходит быстрое формирование локальной зоны охлаждения вокруг скважины. Температура тампонажного раствора и прилегающего грунта падает на 4–6 °C от начального уровня.

Фаза квазистационарной деградации (3–10 годы): Скорость падения температуры замедляется за счет увеличения градиента и вовлечения в процесс более удаленных слоев грунтового массива. Среднегодовая температура падает на 0.2–0.5 °C ежегодно.

Фаза стабилизации (после 10–12 лет): Наступает относительное термическое равновесие между радиусом теплосъема и естественным глубинным теплопотоком Земли. Однако установившийся температурный фон массива оказывается существенно ниже первоначального

4.2. Риск вымораживания грунта и его последствия для АБТН

При интенсивном теплосъеме в зимний период температура теплоносителя (антифриза) на входе в испаритель АБТН может опускаться до -3 ÷ -7 °C. Это неизбежно вызывает локальное промерзание околоскважинного пространства. Риск прогрессирующего вымораживания несёт в себе следующие угрозы:

Механическая деформация (пучение): Фазовый переход «вода–лед» в порах грунта сопровождается увеличением объема. Многократные циклы замораживания-оттаивания вызывают морозное пучение, способное разрушить целостность тампонажного раствора, нарушить плотность прилегания грунта к U-образной трубе и образовать воздушные зазоры, резко увеличивающие термическое сопротивление скважины Rb

Падение COP установки: Падение средней температуры грунта вокруг ВГТО на каждые 2–3 °C приводит к снижению температуры кипения хладагента в испарителе АБТН, что влечет за собой падение коэффициента преобразования теплоты (COP) на 5–8% и увеличивает расход высокопотенциальной приводной энергии (газа или пара)

4.3. Риск перегрева грунта при круглогодичной работе АБТН

В южных регионах или на промышленных объектах, где АБТН летом работает в режиме тригенерации (производство холода для систем кондиционирования или технологических нужд) и сбрасывает теплоту в грунт через ВГТО, возникает обратный риск — термический перегрев массива.

Специфика АБТН заключается в том, что температура сбросного тепла из конденсатора и абсорбера, направляемого в грунтовый контур, может достигать +40 ÷ +55 °C

Тепловое насыщение: Если летний сброс тепла значительно превышает зимний теплосъем, вокруг поля скважин формируется устойчивая «термоаномалия».

Снижение хладопроизводительности: К 5–7 году эксплуатации температура грунта в радиусе 3–5 метров от ВГТО может стабилизироваться на уровне +25 ÷ +32 °C. Это критически снижает эффективность охлаждения конденсатора АБТН летом: падает хладопроизводительность установки, растет давление в аппаратах, и система может уйти в аварийный останов по перегреву

4.4. Методы минимизации термических рисков (Оптимизация параметров)

Для предотвращения долгосрочной тепловой деградации грунтового массива на основе численных экспериментов были сформулированы и ранжированы по эффективности следующие оптимизационные решения:

4.5. Экономическое обоснование

Переход на двойные U-образные зонды и высокопроводящий графито-бентонитовый тампонажный раствор увеличивает удельную стоимость обустройства одной скважины. По данным проектных смет, стоимость стандартного цементно-песчаного тампонажного раствора составляет 1200–1800 руб./м³, в то время как специализированные графито-бентонитовые составы с λg≥1,8 Вт/(м·К) обходятся в 5500–8000 руб./м³, то есть в 3,5–4 раза дороже

Однако за счёт снижения термического сопротивления скважины на 22–28% и повышения удельного теплосъёма на 30% общая потребная суммарная глубина скважин сокращается на 10–15%. С учётом того, что бурение составляет 50–60% капитальных затрат на грунтовый контур, экономия на буровых работах перекрывает удорожание материалов. Для рассмотренного объекта (административное здание 5000 м², тепловая нагрузка 350 кВт) ориентировочный расчёт показывает: при базовой конфигурации (Single-U, стандартный раствор) требуется 10 скважин глубиной 120 м (итого 1200 пог. м), а при оптимизированной (Double-U, графито-бентонит) — 8 скважин глубиной 105 м (итого 840 пог. м). Сокращение капитальных затрат на грунтовый контур составляет около 18–22% с учётом разницы в стоимости материалов.

Расчётный срок окупаемости дополнительных затрат на оптимизацию (по отношению к базовому варианту) составляет 3–5 лет для объектов с круглогодичной эксплуатацией АБТН (отопление + кондиционирование) и до 7 лет — для систем, работающих только на отопление. При сопоставлении с традиционным газовым котлом полного срока окупаемости геотермальной системы с АБТН составляет 7–10 лет в зависимости от тарифа на тепловую энергию и режима работы, что укладывается в типичный горизонт планирования для энергоэффективных проектов

Комплексное численное моделирование показало, что использование двойных U-зондов и высокопроводящего тампонажного раствора повышает удельный теплосъем ВГТО на 30%, снижая внутреннее термическое сопротивление на 22–28%. Влияние активного водоносного горизонта увеличивает эффективный коэффициент теплопередачи до 120%, обеспечивая межсезонную регенерацию, в то время как асимметричная эксплуатация без регенерации приводит к снижению COP АБТН на 5–8% к 5–7 году. Оптимизация конструктивных параметров и учет фильтрации позволяет повысить среднесезонный COP системы на 7–11% при сокращении капитальных затрат на 18–22%.