Энергосберегающие скважины

Энергосберегающие технологии для дома

Само понятие — энергосберегающий дом или, как иногда называют «пассивный дом», появилось в нашем обиходе вместе с приходом новых технологий в строительство. Отдельные элементы этих новшеств были заимствованы из военно-космического производства в результате конверсии. Национальный опыт постройки тоже вложил свою лепту и в подборе материала и в технологи.

Определение энергосберегающий подразумевает снижение затрат на содержание по таким позициям:

• электроэнергия,
• теплоснабжение,
• водоснабжение,
• канализация,
• вентиляция.

Планируя строить дом своими руками, надо заказать проект, с учётом ваших пожеланий. Если вам нужен энергоэффективный дом, то следует просчитать возможность установки солнечных батарей на кровле и стенах. Заложить в проект максимальное количество оконных проёмов, чтобы продлить световой день. Использовать для освещения светодиодные лампы. Солнечные батареи будут обеспечивать энергией холодильник и электронную технику. При этом аккумулировать энергию в батареях и отдавать её на освещение в ночное время.

Пассивный дом — это тёплый дом, с минимальным потреблением теплоносителя. Ваш дом будет отапливаться комбинированной системой, в которую входит газовый двухконтурный котёл и тепловой насос. Для теплового насоса требуется скважина. На глубину 100 метров опускается спаренная стальная труба сотка. Верхняя половина труб термоизолирована. Тепловой насос прокачивает по трубе жидкую смесь типа тосол. На глубине смесь нагревается и отдаёт тепло внутри дома. При сильных морозах включается газовый котёл. Тепловые насосы прокачивают теплоноситель по системе отопления. Для подогрева воды устанавливают твердотопливный котёл. Его протапливают отходами и древесным мусором. Энергосберегающий котёл с двойным циклом сжигает отходы без остатка, не выбрасывая дыма. Изготовить его можно своими руками.

Вода в пассивный дом поступает из скважины пробуренной прямо из подвала, под домом. Проект системы водоснабжения прилагается к проекту энергоэффективный дом. Оборудование для такого бурения свободно размещается по высоте. Буровые колонки высотой 1,8 м соединяются муфтами. Глубина скважины 20-30 м. Компрессорная станция обеспечивает подкачку воды в расходной бак по мере её потребления. В течение шести месяцев ваш энергосберегающий дом будет получать горячую воду для бытовых нужд из солнечного коллектора, установленного на южной стороне дома, рядом с солнечными батареями. Избыток подогретой воды отправляют из расходного бака на капельный полив грядок.

Все виды бытовых стоков энергосберегающий дом пропускает через рекуператор, отбирая тепло для подогрева воздуха. В 10-15 метрах от пассивного дома находится ёмкость септик. Двух кубовый пластиковый бак, в котором происходит переработка стоков анаэробными бактериями. По мере переработки очищенные стоки выкачивают на компостную кучу. Компост не только удобрение для сада, но и прекрасное топливо для водогрейного котла.

Вентиляционная система имеет отдельный проект. Пассивный дом оборудован двумя рекуператорами. Это устройство позволяет забирать тепло из воздуха, который вытягивает вентилятором из дома наружу и подогревает всасываемый с улицы холодный воздух. Таким образом, устраняется значительный перепад температуры внутри помещения. Второй рекуператор стоит на канализационной трубе.

Энергосберегающий дом проектируют с учётом сохранения тепла. Газобетонные блоки для несущих стен укладывают на специальный клеющий состав. Стены штукатурят с двух сторон таким же составом. Такая штукатурка сохраняет тепло, за счёт наполнителя из пустотелых шариков диаметром до 1 мм. На стенах не будет мостиков холода. Стяжка на полу и на чердаке выполнена из состава такой же разработки. Кровля на чердаке подшивается минеральной ватой и листами MDF. С такой отделкой пассивный дом становится «термосом».

В окна вставляют тройной стеклопакет на трёхкамерных профилях с утеплителем. Свес кровли, в проекте энергосберегающий дом, выступает от стены на 1 м. По периметру строится терраса со сплошным остеклением в деревянных рамах. С такой ветрозащитой у вас действительно получится тёплый дом. Солнечные батареи занимают весь южный скат кровли и монтируется как парапет террасы.

В проект пассивного дома нужно заложить ограждение участка. С северной стороны ставят высокий каменный забор, с южной сетчатый проницаемый. Плодовые деревья располагают с западной и восточной стороны дома, а с южной огород. Большую часть работ по такому проекту можно выполнить своими руками. За исключением тех моментов, когда нужна механизация, подключение к системам и настройка электроники. Пассивный дом на самом деле живёт очень активной жизнью. Земля даёт вам воду и тепло. Солнечные батареи и коллекторы — свет и горячую воду. А душу в тёплый дом вы вкладываете своими руками.

СОБСТВЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ НА СВОЕЙ ЗЕМЛЕ.

Компания ЗАО «Гидроинжстрой» предлагает Вам воспользоваться нашими услугами по бурению скважин для устройства геотермальных источников энергии.

1. Энергосберегающие системы отопления. Геотермальный источник обеспечивает энергией бесплатно до 80 % от потребностей в тепле.
2. Энергосберегающие системы кондиционирования. Геотермальный источник обеспечивает бесплатно до 95 % от потребности в кондиционировании.

Области применения:

1. Системы частного домовладения. Режим отопления, ГВС, кондиционирования (частные дома )
2. Коммерческое использование систем отопления, ГВС, кондиционирования (АЗС, Нефтебазы, Дата- центры, Бюджетные организации, офисные здания, коммерческие здания,
   экологические базы отдыха, магазины, производства, офиса, склада, завода )

Компания ЗАО «Гидроинжстрой» пробурит Вам скважины для Вашего теплового насоса и установит зонды — теплообменники.

Для бурения скважин мы используем как стандартные буровые установки так и малогабаритную буровую установку.

Скважина — альтернативное решение для участков, не имеющих выхода к водоемам, в которых отсутствует возможность установки горизонтального земляного контура. Принято выделять несколько основных типов скважин для тепловых насосов.

Обыкновенная – вертикальный земляной контур – система длинных труб, которые опускаются на глубину до 150 метров. Площадь скважины невелика, однако для ее организации потребуется специальное бурильное оборудование. Применение данного типа скважины эффективно, благодаря тому, что на глубине температура воды всегда стабильна и равняется примерно 10 градусам. Вертикальный земляной контур допускает также сброс теплоты.

Переливная – принцип работы системы заключается в том, что две скважины бурятся на расстоянии, не превышающем 50 метров друг от друга. Одна скважина служит для забора грунтовых вод, которые впоследствии пропускаются сквозь насос и направляются во вторую. Применение данного типа скважин в отопительной системе требует дополнительных расходов на электроэнергию для перелива воды.

• Бурение скважин;
• Монтаж теплового насоса;
• Проверка работоспособности насоса.

В России процесс медленно, но уверенно развивается, преимущественно, в регионах активного загородного жилищного строительства, и Московский регион является наиболее характерным.За последние 3-4 года установлено порядка 50 тыс. тепловых насосов, использующих тепло из земных недр.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Казань – 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Гильфанов Камиль Хабибович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Зиннатуллин Назиф Хатмуллович доктор технических наук, профессор Розенцвайг Александр Куртович

Ведущая организация: ЗАО «Татойлгаз», (г. Альметьевск)

Защита состоится 15 декабря 2011 г. в 14 час. 00 мин. в аудитории Д- на заседании диссертационного совета Д 212.082.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу г. Казань, ул. Красносельская, д. 51.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим присылать по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.02, проф. Зверевой Э.Р.

Тел.:519-42-53, факс (843) 519-42-54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного энергетического университета.

Преимущества и достоинства тепловых насосов:

1. Экономичная эффективность — на 1 кВт затраченной энергии выдает до 5 кВт тепла.
2. Экологически безвреден и безопасен.
3. Двунаправленный режим работы (возможность охлаждения -кондиционирования).
4. Безопасность эксплуатации.
5. Универсальная повсеместность применения.
6. Монтаж не требует согласований
7. Полная автоматизация процесса отопления помещения
8. Срок окупаемости бурения скважины и установки теплового насоса 2-4 года.
9. Отсутствие необходимости в топливе.

В компании ЗАО «Гидроинжстрой» накоплен значительный опыт работ по бурению геотермальных скважин для тепловых насосов практически во всех районах Московской области и на сопредельных территориях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

сформулированы основные цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дан обзор работ по теме диссертации, отмечен ряд неразрешенных на данный момент вопросов выбора эффективного и энергосберегающего метода воздействия на призабойную зону скважины с целью восстановления рабочего дебита скважины и проницаемости пласта. Рассмотрены режимные методы интенсификации, заключающиеся в изменении гидродинамических условий и режимов течения жидкостей в каналах, а также проведен анализ нестационарных турбулентных потоков. При расчете пристенного трения в нестационарных условиях возникают проблемы с выбором параметров, учитывающих гидродинамическую нестационарность.

Квазистационарный метод расчета коэффициента гидравлического сопротивления трения в нестационарных условиях может нести в себе значительную погрешность. Двух- и трехмерные модели расчета гидромеханики потоков являются более корректными, чем одномерные модели.

Математическое описание поверхностного трения при наличии нестационарности требует наличия гидродинамических параметров поперек пограничного слоя. В нестационарных условиях возможна потеря как ламинарной, так и турбулентной устойчивости течения при относительно небольших изменениях чисел Рейнольдса.

Во второй главе проводится математическое моделирование нестационарного течения и теплообмена в каналах. Целью моделирования является определение профилей скорости, локального коэффициента трения, участков гидродинамической стабилизации, потерь давления за счет пристенного трения для оценки энергоэффективности при различных режимах процесса.

Рассматривается нестационарное движение однофазного несжимаемого потока в осесимметричном канале. Нестационарность течения является результатом изменения расхода по заданному закону. Расход жидкости на входе в канал меняется во времени. Профили скоростей осесимметричны.

Уравнения пограничного слоя неразрывности, количества движения в нестационарной постановке записываются в форме интегральных соотношений сплошности движения энергии Уравнения (1 – 3) являются нелинейными и могут быть решены численным методом по координате Z, если определены их правые части. Правые относительные законы переноса импульса при соответствующих влияющих факторах.

Законы трения, теплоотдачи и параметрических методов, разработанных Кутателадзе С.С. и Леонтьевым А.И..

Метод основан на изучении влияния на процессы в пограничном слое каждого отдельного возмущающего фактора с совместного влияния и установления функциональных связей между ними.

В основу модели положена Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета двухслойная схема пограничного слоя нестационарной гидродинамики и (рис. 1), состоящая из турбулентного ядра (y1 {amp}lt; y {amp}lt; ) и вязкого подслоя (0 {amp}lt; y {amp}lt; y1). Используя гипотезу Прандтля о распределении по пограничному слою касательных напряжений получим соотношение для коэффициента трения аналогично находим число Стантона а нижние пределы интегрирования определяются из условия сопряжения логарифмической (для турбулентной части пограничного слоя) и линейной (для ламинарной части пограничного слоя) областей профиля скорости.

Распределение касательных напряжений в пограничном слое задаются полиномами Федяевского К.К. и Фафурина А.В.

В рамках принятой модели воздействие на поток различных факторов, в том числе гидродинамической нестационарности, учитывается параметром трения w, который представляет собой комплекс давления; — параметр гидродинамической нестационарности;

— параметр продольного градиента давления.

Формула (6) позволяет провести системный анализ как отдельного, так и совместного влияния различных факторов на поток. Так, замедление во времени потока характеризуется положительными, ускорение в пространстве — отрицательными, а знак и значение параметра трения w определяется соотношением модулей параметров, и.

Численное интегрирование уравнений (1)-(3) совместно с соотношениями (4-5) при граничных условиях позволяет найти распределение всех кинематических, интегральных характеристик и коэффициента трения.

Численное интегрирование проводился методом Рунге-Кутта.

начальные (НУ) и граничные условия (ГУ);

интегрирование системы дифференциальных уравнений (ИСДУ).

В качестве начальных и граничных условий задаются следующие параметры на входе в канал: (Z = 0, Re** = Re01**, r01, w01, T01, на стенке Tw = Tw0.

Граничные условия задачи с течением времени меняются и представлены в виде функций G01 = f01(t), Tw = fw(Z). Блок начальных и граничных условий содержит процедуры расчета теплофизических свойств жидкости.

Для итеративного определения коэффициента трения необходима первоначальная исходная информация по характеристикам пограничного слоя, которые задаются для «стандартных» течений (обтекания пластины) согласно работам Кутателадзе С.С. и Леонтьева А.И.

На рис. 3-4 представлены результаты расчета влияния нестационарности на толщину вязкого подслоя и интегральные характеристики теплового пограничного слоя, которые определяют кинематические и тепловую структуру пограничного слоя.

Характер изменения данных величин позволяет сделать вывод о существенном влиянии нестационарности на параметры границы вязкого подслоя. В замедленных течениях w {amp}gt; 0 увеличение 1 с одновременным уменьшением w1 приводит к понижению градиента скорости в пристеночной области и касательных напряжений на стенке канала, что влечет за собой уменьшение Cf (рис. 5).

Изменение параметров на границе вязкого подслоя под воздействием нестационарности является причиной повышения или понижения абсолютного значения коэффициента трения.

Рис. 3. Влияние нестационарности на Рис. 4. Влияние гидродинамической толщину вязкого подслоя при нестационарности на интегральные Ускорение является причиной более заполненного профиля скорости.

При этом подавляются турбулентные пульсации и возрастают касательные напряжения в пристеночной области, что приводит к росту коэффициента трения (рис. 5). Обратная картина наблюдается при замедлении потока ( {amp}gt; 0), профиль скорости становится менее заполненным. С ростом числа Рейнольдса Re** влияние нестационарности уменьшает деформацию профилей скорости.

При Re** нестационарность не приводит к изменению гидродинамических характеристик.

Влияние гидродинамической нестационарности на теплообмен качественно противоположно, а количественно менее выражена по сравнению с трением. Деформация профилей температуры в нестационарном потоке влияет на процесс переноса тепла в пограничном слое. На рис. 6 показана зависимость числа Стантона St от параметра гидродинамической нестационарности.

Ускорение потока может вызвать спад до 20%, а замедление рост до 10% числа Стантона при изменении параметра нестационарности до 10 по абсолютной величине.

Рис. 5. Влияние нестационарности на Рис. 6. Влияние гидродинамической относительный коэффициент трения нестационарности на относительный для различных чисел Рейнольдса Re**. коэффициент теплоотдачи для Линии — расчет по (4), точки – опыты В третьей главе определены характеристики пульсирующего движения потока в трубах. Для определения потерь давления в трубе дифференциальное уравнение пульсирующего течения жидкости в одномерном представлении, пренебрегая в первом приближении локальным ускорением записывается где – коэффициент гидравлического сопротивления, отнесенный к среднерасходной скорости ;

wп0 — мгновенная скорость жидкости у источника возмущения в заданный момент времени t, которая для поршневого пульсатора может быть задана, wп пульсационная скорость жидкости ниже по течению.

Коэффициент В является эмпирической константой, зависит от параметров пульсации, режимов течения и физических характеристик жидкости. Интегрируя уравнение (7) по периоду колебаний и продольной координате получено, где — перепад давления на преодоление гидравлических потерь; пульсационный перепад давления, обусловленный затуханием пульсационной скорости; — нивелирная составляющая.

На рис. 7, 8 представлены коэффициенты затухания пульсаций рассчитанные по опытным данным Федоткина И.М. и Фирисюка В.Ф. по продольной координате в зависимости от параметра относительной амплитуды A/D и частоты пульсаций f и среднерасходной скорости w0.

продольной координаты для частоты пульсаций и продольной координаты для 2 — A/D =2,85; 3 — A/D = 7,13; 4 — A/D =14,25 1 — f=0,5 Гц; 2 – f=1,0 Гц; 3 — f=2,5 Гц гидравлических сопротивлений имеет обратную зависимость от пульсационного числа Рейнольдса. При пульсирующем течении затрачиваемой насосом на прокачивание жидкости по трубопроводу, уменьшается на величину, которая расходуется пульсатором на генерацию пульсаций, причем явления резонанса уменьшают затраты энергии на генерацию колебаний.

Резонансные колебания столба жидкости также способствуют уменьшению затрат энергии, а упругие колебания стенок канала могут способствовать усилению этого эффекта, который зависит не от величины деформации стенок канала, а от ее скорости.

нестационарного течения жидкофазного реагента в нефтяной скважине (рис. 9) для режима пульсационной очистки, реализованного в натурных условиях группой исследователей КГЭУ под руководством проф. Гурьянова А.И. Расчеты проведены для нестационарного течения воды в скважине глубиной 1500 м. Внутренний диаметр трубы 0,065 м, кольцевого канала 0,145 м, стенки имеют стандартную шероховатость.

Температура скважины меняется от 10 С на отметке 0 м до 40 С на глубине 1500 м. Массовый расход жидкости в трубе равен расходу в кольцевом канале.

Профиль скорости на входе в канал предполагается равномерным.

Расход на входе в трубу при пульсационном дренировании призабойной зоны меняется по диаграмме (рис. 10).

Расчеты производились для шести характерных точек (три в фазе замедления и три в фазе ускорения) периода пульсаций объемного расхода жидкости и изменения его скорости в Рис. 10. Период пульсаций расхода скважине.

Рис. 11. Характерное число Рейнольдса в Рис. 12. Характерное число Рейнольдса в Рис. 13. Коэффициент трения в трубе Рис. 14. Коэффициент трения в В результате проведенных расчетов были получены следующие кривые изменения основных параметров нестационарного потока в трубе и трубчатокольцевом канале (рис. 11-14).