Введение 1
Глава I. Расчёт-обоснование целесообразности. 5
1.1. Оценка по отоплению и ГВС. 5
1.2. Договорные условия по отпускной электроэнергии. 11
Глава II. Бурение тепловых скважин. 14
2.1. Кустовое бурение. 17
2.2. Многоствольное бурение. 19
2.3. Обвязка и особенности. 23
Глава III. Анализ возможностей геотермальных источников Томска и 26 Томской области.
3.1. Поверхностный слой. 26
3.2. Глубинный слой. 29
3.2.1. Расчет потенциальных возможностей. 32
3.2.2. Количество скважин. 36
Глава IV. Первый тепловой контур. 37
4.1. Теплоноситель: сравнение по теплоемкости. 44
4.2. Гидравлические потери в первом контуре. 51
4.3. Виды зондов, конструкция, особенности. 57
Заключение. 67
Список литературы 70
Дефицит производства энергии за счет органического топлива и экологический ущерб, который наносится при его сжигании, требует поиска экологически чистых источников энергии, таких как: энергия Солнца, ветра, теплота недр и прочие.
Таким образом, в современных условиях остро встает вопрос об эффективном использовании ресурсов на законодательном уровне. Создается обширная законодательная база, направленная на оптимизацию использования ресурсов. Так, например, Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической
эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ» ставит своей целью создать правовые, экономические и организационные основы стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности, что говорит о направленности на разработку и интенсивном внедрении альтернативных, нетрадиционных источников энергии.
Наибольшим ресурсом тепловой энергии при её постоянстве и практически повсеместном распространении обладают недра планеты. Тепло Земли является очень своеобразным полезным ископаемым, которое имеет связь добываемой полезной энергии с недрами и возможность извлечения их лишь с использованием горных выработок, в частности буровыми скважинами. Что говорит о необходимости применения особого подхода к его опробованию, разведке и разработке.
Одним из важных отличий между геотермальной тепловой энергией и разнообразными минеральными полезными ископаемыми является то обстоятельство, что тепловую энергию нельзя экономично транспортировать на большие расстояния. В связи с этим при уточнении понятия о геотермальном месторождении и оценке его запасов необходимо учитывать,что их освоение возможно только там, где уже имеются конечные потребители.
Одним из основных видов горных работ при поисках, разведке и эксплуатации геотермальных месторождений является бурение скважин. Скважины позволяют получить информацию, которая необходима для оценки запасов извлекаемых тепловых ресурсов, их качественных характеристик, а также уточнить геолого-геотермические, горногеологические и технические условия для опробования, разведки и эксплуатации системы извлечения.
Основой технологии является сооружение теплообменных скважин (ТС). Однако глубоких теоретических и экспериментальных исследований новой технологии освоения приповерхностных толщ недр недостаточно.
За рубежом, особенно в Скандинавских странах, доля теплоснабжения жилых объектов по этой технологии достигает 40-60%, а в нашей стране она не превышает 0,2%. Так, в Санкт-Петербурге и Ленинградской области насчитывается несколько сотен небольших объектов, которые отапливаются за счет тепловой энергии приповерхностных толщ горных пород.
Недра Земли обладают колоссальными запасами теплоты, которые можно и нужно использовать с целью теплофикации зданий и сооружений. Низкопотенциальное тепло Земли является ископаемым топливом, выступающим в роли альтернативного источника энергии, при использовании которого атмосфера не загрязняется продуктами горения. Так почему бы не воспользоваться энергией, как сказал В.А. Обручев, находящейся в буквальном смысле слова под ногами? Томская область входит в число крупных областей с теплоэнергетической мощностью подземных вод, которая достигает 80-120 млн Гкал. Грунт, находящийся в поверхностных слоях Земли, представляет определенного рода тепловой аккумулятор солнечной энергии неограниченной емкости. Если детально рассмотреть тепловой режим поверхностных слоев грунта Земли, то его формирование происходит под действием двух основных составляющих - солнечная радиация и поток радиогенного тепла из недр Земли. Верхние слои грунта подвергаются сезонным и суточным изменениям температуры за счет изменения температуры наружного воздуха. В различных районах России, глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации колеблется от нескольких десятков сантиметров до первых десятков метров (15-20 м). Слои грунта, расположенные ниже этой глубины имеют свой температурный режим, который формируется под воздействием тепловой энергии недр Земли и не зависит от суточных и сезонных колебаний. Величина радиогенного теплового потока различна для разных местностей и колеблется в пределах от 0,05 до 0,12 Вт/м2. Градиент изменения температуры грунта на глубине зависит от конкретных почвенноклиматических условий и для Томской области он равен 3,6 градуса на 100 м. В таблице 1 представлены данные изменения температуры по Томской области в поверхностном слое в зависимости от времени года и глубины по вертикали, которые еще раз подтверждают эти изменения.
До сих пор нет достаточных оснований для использования технологий сооружения ТС, опробования и оценки подобных энергетических ресурсов, а также рекомендаций по режимам эксплуатационной разведки в конкретных геолого-технических условиях.
В связи с этим проблема проведения комплексных исследований, связанных с разведкой и опробованием тепловых ресурсов приповерхностных толщ, является актуальной.
Цель работы: провести сравнительный анализ методов бурения тепловых скважин.
Задачи исследования:
1. Провести оценку требуемого количества тепловой энергии для отопления и ГВС.
2. Провести анализ возможностей геотермальных источников.
3. Рассмотреть методы бурения тепловых скважин.
4. Рассмотреть первый тепловой контур.
5. Обосновать выбор использования геотермальных источников для теплоснабжения.
Работа выполнена в соответствии с общепринятыми методами теоретических исследований.
Работа содержит введение, четыре главы, заключение и список литературы, включающий 83 наименования
Обустройство скважины для теплового насоса обладает целым рядом преимуществ по сравнению с наружным прокладыванием теплопоглощающего контура.
Подземное размещение теплопоглатителей освобождает пространство на поверхности, что особо важно для небольших земельных участков, на которых хочется реализовать максимум идей.
Даже сверхкаменистый грунт даёт возможность установки оборудования. В отличие от наружных типов, требующих наличие мягкого влажного грунта.
Результаты проведённых в ходе выполнения работы исследований позволяют сформулировать следующие основные выводы:
1. Массив горных пород является повсеместно доступным и эффективным источником низко потенциальной тепловой энергии, с точки зрения её использования для отопления гражданских и производственных сооружений. Наиболее эффективной конструкцией скважинного теплообменного коллектора является коаксиальный тип (с соотношением наружного диаметра к диаметру внутреннего канала в диапазоне 0,5-0,7), который показывает эффективность на 10-20% больше, чем другие конструкции теплообменных коллекторов. При этом наиболее рациональный режим проведения опробования и эксплуатации теплообменных скважин устанавливается в случае, если режим течения теплоносителя в коллекторе ламинарный, либо переходный со значениями критерия Рейнольдса в диапазоне от 2000 до 5000, что позволит осуществлять эффективный теплосъем с низкими затратами энергии на циркуляцию теплоносителя.
2. Для оценки эффективности качества работы теплообменных скважин введено понятие КПД теплообменной скважины, который зависит от таких параметров как общие потери давления потока циркулирующего теплоносителя, эффективной разницы температур и объемной теплоемкости теплоносителя. Обоснован допустимый уровень снижения КПД до 70-75%, при достижении которого циркуляция в скважине должна останавливаться и начинаться период восстановления температурного поля массива.
Задача теплообмена между массивом горных пород и скважинным коллектором была решена двумя способами, которые опирались на разные подходы. Первое решение базируется на определении коэффициента нестационарности теплового потока в системе скважина-массив. Второе решение подразумевает процесс теплообмена через цилиндрическую стенку, состоящую из вмещающих пород, которая ограничена с одной стороны стенкой скважины, а с другой границей зоны теплового влияния, постоянно растущей во времени.
Оба решения связывают в единую зависимость следующие параметры: теплофизические параметры горных пород, их температуру, геометрию скважинного коллектора, свойства теплоносителя, режим циркуляции и её периодичность и позволяют определить такие параметры диаметр и глубину теплообменных скважин, в зависимости от режима проведения опробования ресурсов тепловой энергии.
Все выше оговоренные зависимости позволяет проектировать конструкцию теплообменных коаксиальных скважин, а также рассчитать режимы проведения разведочных работ в них с помощью проведения опытных прокачек.
Технология опробования и разведки позволяет снизить себестоимость разведочных работ, а также обеспечить высокое качество сооружаемых разведочно-эксплуатационных теплообменных скважин.
Подземное размещение даёт независимость от климатических и погодных условий. На глубине в несколько десятков метров температура земли остается стабильно положительной на протяжении всего года.
Бурение скважины под тепловой насос даёт возможность организовать не только отопительную систему, но и обратную ей систему кондиционирования воздуха в летнее время года, так как невысокая температура под землей сохраняется.
Монтаж тепловых насосов, таким образом, обеспечивает безопасность оборудованию. Шанс того что кабеля и теплопоглощающие контуры будут пробиты на глубине в 30-50 метров очень невелики.
Единственным недостатком является довольно высокая стоимость проведения подобных работ.
Установки на основе теплового насоса производят в 3-7 раз больше тепловой энергии, чем потребляют электрической - это гораздо эффективнее любых традиционных котлов, сжигающих топливо, центрального отопления.
По результатам оценки состояния теплового контура учебного корпуса № 6 ТПУ были установлены неоднородности в области фундамента по всему периметру, в которых температура поверхности достигает -13 °С (при tвозд на улице -21 °C). В свою очередь это говорит о недостаточно высоких термических характеристиках ограждающих конструкций в этих зонах. Именно имеющиеся дефекты приводят к ухудшению микроклимата внутри здания и перерасходу тепловой энергии на обогрев, вследствие увеличения общих тепловых потерь здания.
Для снижения тепловых потерь рекомендуется устранить дефекты ограждающих конструкций, а именно, выполнить утепление отмостки здания по всему периметру, заменить пластиковые и деревянные окна на более качественные окна с коэффициентом сопротивления теплопередаче не ниже 0,65.
Результаты расчета теплопотерь по корпусу показывают, что на 1 м2 отапливаемой площади здания, необходимо от 1,2 до 2,4 погонных метра скважины (без учета нагрузки на ГВС) в зависимости от пород, залегающих под зданием, а также наличием водоносных горизонтов.
Исходя из этого, для отопления учебного корпуса № 6 ТПУ общей площадью 945 м2 требуется 18 скважин глубиной 60 м.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
